Tema 5. Metales en ambientes acuáticos

1. UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE INGENIERÍA DOCTORADO EN INGENIERÍA AMBIENTAL TÓPICO ESPECIAL DOCTORAL: ECOTOXICOLOGÍA ACUÁTICA Tema 5. Metales en ambientesacuáticos Julio César Marín Leal (Profesor) Maracaibo, 2013

2. Metales pesados Grupo de elementos químicos de P.M. 63,5 a 200,6 con una distribución electrónica similar en su capa externa (Rainbow, 1993). Estos Presentan una densidad relativamente alta y cierta toxicidad para los seres Humanos

3. Generalidades La contaminación ambiental con metales pesados constituye un creciente problema mundial. Estos elementos químicos representan una amenaza biológica, pues no son biodegradables. Solo los microorganismos que portan sistemas genéticos que contrarrestan los efectos tóxicos de los metales son capaces de sobrevivir en ambientes con elevadas concentraciones de esos elementos. Los microorganismos resistentes a metales pesados presentan potencialidades para el diseño de tecnologías aplicables en el campo de la biorremediaciónde ambientes contaminados.

4. Generalidades La contaminación en los ríos y otros ecosistemas acuáticos se produce, bien por la presencia de compuestos o elementos que normalmente no estarían sin la acción del hombre, o por un aumento o descenso de la concentración normal de las sustancias ya existentes debido a la acción humana. Unos de los componentes químicos potencialmente más tóxicos son los metales pesados, y entre ellos Sb, As, Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb, Se, Zn.

5. Generalidades El aporte de estos metales al ciclo hidrológico procede de diversas fuentes, siendo una de ellas de origen litogénico o geoquímico a partir de los minerales que por causas de erosión, lluvias, etc. son arrastradas al agua. No obstante, actualmente la mayor concentración es de origen antropogénico o debida la actividad human a. La minería, los procesos industriales, los residuos domésticos son fuente importante de contaminación, que aportan metales al aire, al agua y al suelo especialmente.

6. Generalidades La importancia que tiene el estudio de metales pesados en aguas y sedimentos es por su elevada toxicidad, alta persistencia y rápida acumulación por los organismos vivos. Sus efectos tóxicos de los metales pesados no se detectan fácilmente a corto plazo, aunque sí puede haber una incidencia muy importante a medio y largo plazo. Los metales son difíciles de eliminar del medio, puesto que los propios organismos los incorporan a sus tejidos y de éstos a sus depredadores, en los que se acaban manifestando.

7. Generalidades La toxicidad de los metales pesados es proporcional a la facilidad de ser absorbidos por los seres vivos, un metal disuelto en forma iónica puede absorberse más fácilmente que estando en forma elemental, y si esta se halla reducida finamente aumentan las posibilidades de su oxidación y retención por los diversos órganos.

8. Generalidades Al contrario que muchos contaminantes orgánicos los metales pesados, generalmente, no se eliminan de los ecosistemas acuáticos por procesos naturales debido a que no son biodegradables. Por el contrario son muy contaminantes y sufren un ciclo global ecobiológico, donde las aguas naturales son el principal camino.

9. VIAS DE ENTRADA Y ORIGEN DE LOS METALES PESADOS EN LOS SISTEMAS ACUATICOS Los metales tienen tres vías principales de entrada en el medio acuático (Figura 1): a. La vía atmosférica: se produce debido a la sedimentación de partículas emitidas a la atmósfera por procesos naturales o antropogénicos (principalmente combustión de combustibles fósiles y procesos de fundición de metales). b. La vía terrestre: producto de filtraciones de vertidos, de la escorrentía superficial de terrenos contaminados (minas, utilización de lodos como abono, lixiviación de residuos sólidos, precipitación atmosférica, etc.) y otras causas naturales. c. La vía directa, de entrada de metales es a consecuencia de los vertidos directos de aguas residuales industriales y urbanas a los cauces fluviales.

10. VIAS DE ENTRADA Y ORIGEN DE LOS METALES PESADOS EN LOS SISTEMAS ACUATICOS Figura 1. Principales destinos y fuentes de emisión de metal es en el ambiente

11. VIAS DE ENTRADA Y ORIGEN DE LOS METALES PESADOS EN LOS SISTEMAS ACUATICOS Figura 2. Ciclo biogeoquímico general de los metales pesados

12. VIAS DE ENTRADA Y ORIGEN DE LOS METALES PESADOS EN LOS SISTEMAS ACUATICOS En los sistemas acuáticos continentales (ríos, lagos, embalses, etc.) los metales pesados son introducidos como resultado de la acción de procesos naturales y antropogénicos. Por ello, vamos a distinguir entre un origen natural de metales pesados y otro antropogénico; si bien en la práctica la distinción entre una contaminación de origen industrial, doméstico o natural y la producida por actividades mineras resulta difícil de discernir.

13. VIAS DE ENTRADA Y ORIGEN DE LOS METALES PESADOS EN LOS SISTEMAS ACUATICOS Asimismo, el tratamiento inadecuado de efluentes residuales tiene como consecuencia el transporte de los contaminantes hacia el agua de ríos, lagos y presas principalmente, y dependiendo de la naturaleza del contaminante, éste puede precipitar y aumentar los contenidos presentes en los sedimentos que sirven de alimento para los organismos base en la red trófica (Acuagranjas, 2005; INE-SEMARNAT, 2002). Conjuntamente, cuando se realiza el tratamiento de aguas residuales se generan lodos de desecho, los cuales en algunas ocasiones son utilizados como aditivos para suelos de cultivo (Ibáñez-Burgos y col., 2006).

14. Los metales como contaminantes

15. Efectos de metales en poblaciones y comunidades Se pueden citar entre otros los siguientes efectos: Efectos a corto plazo: • Incremento en la mortalidad. • Aparición de malformaciones. Efectos a mediano plazo: • Cambios en los parámetros demográficos de las poblaciones. • Evolución en el tamaño de las colonias.

16. Concentraciones y persistencias ambientales de las metales pesados Concentración. Cantidad de una sustancia, expresada en peso o en moles (S), por unidad de peso o volumen del medio en que se encuentra (C=S/Kg; C=S/L). Puede expresarse como porcentaje (riqueza). No es sinónimo de dosis. Persistencia:Es la capacidad de una sustancia para permanecer de forma incambiada en un medio determinado.

17. Concentraciones y persistencias ambientales de las metales pesados El riesgo asociado a los metales pesados es alto por su capacidad de persistencia, ya que al no ser ni química ni biológicamente degradables pueden permanecer en el ambiente durante cientos de años. Además, tienen capacidad de acumularse en los seres vivos y de biomagnificarse a través de la cadena trófica, es decir su concentración aumenta a medida que son ingeridos por otros depredadores, por lo que la ingesta de organismos acuáticos contaminados puede provocar síntomas de intoxicación.

18. Distribución y niveles de metales pesados en agua La concentración de metales en agua superficial contribuye a la acumulación de metales en branquias y riñón de peces. Las branquias se exponen a metales a través del agua ya que están constantemente en contacto directo. Los riñones están expuestos a los metales del agua porque la sangre fluye desde las branquias a la arteria carótida, que aporta sangre al riñón (Farell, 1993).

19. Distribución y niveles de metales pesados en agua La concentración de metales asociada a los sedimentos está en un orden de 3 veces mayor que los asociados a la fase acuosa, en parte a causa del pequeño tamaño de partícula de los sedimentos que actúa como agente de transporte de metales.

20. Distribución y niveles de metales pesados en agua Los elementos traza, al distribuirse en el medio acuático tienden a asociarse con el grano fino de los sedimentos, por lo que la concentración de metales en los sedimentos de una cuenca generalmente se incrementa a medida que el tamaño de partícula disminuye.

21. Bioconcentración, bioacumulación y biomagnificación En general, el orden de acumulación de metales pesados en la red trófica es como sigue: capa biológica=sedimentos>invertebrados>peces (Deacon y Driver, 1999). Aunque las concentraciones absolutas de metales están más elevadas en la capa biológica y sedimentos, se ha cuestionado que los metales se biomagnifiquenen peces. Los datos de un estudio realizado por Faraget al. (1998) demuestran que los metales son biodisponibles y que aunque no se biomagnifiquen a través de niveles tróficos, sí se bioacumulan a concentraciones que causen efectos fisiológicos en peces.

22. Bioconcentración, bioacumulación y biomagnificación La bioacumulación es un mecanismo celular que involucra un sistema de transporte de membrana que internaliza al metal pesado presente en el entorno celular con gasto de energía. Este consumo energético se genera a través del sistema H+-ATPasa. Una vez incorporado el metal pesado al citoplasma, éste es secuestrado por la presencia de proteínas ricas en grupos sulfhidrilos llamadas metalotioneínas o también puede ser compartimentalizado dentro de una vacuola, como ocurre en hongos. Algunos ejemplos de este proceso son muy interesantes, como el caso de acumulación de uranio por la bacteria Pseudomonasaeruginosa, el cual fue detectado íntegramente en el citoplasma, al igual que en la levadura Saccaromycescerevisiae(Lovley, 2000).

23. Bioconcentración, bioacumulación y biomagnificación La bioacumulación de sustancias en organismos acuáticos puede entrañar efectos tóxicos a largo plazo incluso cuando la concentración de esas sustancias en el agua sea baja.

24. Bioconcentración, bioacumulación y biomagnificación La biomagnificación se produce por el incremento en la concentración de un contaminante en los organismos a medida que asciende en su posición en la cadena trófica. Así, la cantidad de metal retenida por un organismo es asimilada directamente por su depredador, que a su vez puede servir de alimento a otro organismo situado en un nivel superior de la cadena trófica, con el consiguiente incremento en la cantidad de metal acumulado por este último (Vicente, 2010).

25. Bioconcentración, bioacumulación y biomagnificación Es difícil documentar los posibles casos de biomagnificación debido a los inconvenientes que se tienen para disponer de todos los organismos que componen la dieta del predador en la cadena trófica de un ecosistema en particular, y además es difícil correlacionar diferentes especies situadas a distintos niveles con un sistema idéntico de captación del contaminante, una distinta exposición (longevidad) y diferente fisiología (destoxificación). Solo algunos casos, con metales como Hg (Canadá) y As (Alemania), han podidoseñalarsecomo verdaderos procesos de biomagnificación [Desgranges y col., 1998].

26. Efectos tóxicos de metales en organismos acuáticos Los metales pesados se destacan por sus efectos tóxicos sobre los organismos acuáticos, los cuales pueden provenir de fuentes naturales o antropogénicas El incremento de los metales en los cuerpos de agua a causa de las actividades antropogénicas genera importantes alteraciones sobre la biota (Gutierrez y Gagneten, 2011).

27. Efectos tóxicos de metales en organismos acuáticos La toxicidad de los metales depende principalmente de tres factores: (1) la concentración en que se encuentran, muchos metales en cantidades traza se consideran necesarios para el funcionamiento adecuado de los organismos pero al aumentar la concentración pueden llegar a ser tóxicos a los mismos; (2) el tipo de especie que forman en un medio específico, sólo ciertas especies de me tales con determinadas cargas son tóxicas, es decir, presentan características físicas o químicas que los hace estar biodisponibles; (3) la persistencia del contaminante, ya que los metales no pueden ser degradados o descompuestos únicamente se distribuye n en el entorno de distintas maneras (Kiely, 1999).

28. Efectos tóxicos de metales en organismos acuáticos Se podría establecer tres umbrales críticos para el contenido de metales: un primer umbral, a nivel de trazas, donde los metales esenciales juegan su papel de activadores enzimáticos indispensables en el metabolismo; un segundo umbral, que determina una absorción pasiva, donde los metales van acumulándose en ciertos órganos; y un tercer umbral, incompatible con los fenómenos vitales, que desencadena procesos de defensa que tienden a disminuir la permeabilidad y el paso de esto s metales a través de las membranas celulares (Labaty col., 1974).

29. Efectos tóxicos de metales en organismos acuáticos El segundo y tercer umbral han dado pie a numerosos estudios para dilucidar por un lado los efectos subletales y toxicidad crónica que se derivan de bajas acumulaciones y, cuando la concentración de metales es más elevada, realizar estudios de toxicidad aguda. La toxicidad de los metales pesados está muy influida por las condiciones del test y las especies elegidas. Estas consideraciones se deben de tener en cuenta, sobre todo, a la hora de comparar la toxicidad relativa entre varios estudios.

30. Efectos tóxicos de metales en organismos acuáticos Los Principales efectos tóxicos de los metales pesados en peces por ejemplo, son asfixia debida a coagulación de mucus sobre las branquias, lesión directa sobre las branquias, acumulación de metales en tejidos internos y lesiones intensas sobre estos tejidos (Anadon y col., 1984).

31. Mecanismos de tolerancia a metales pesados Los sistemas desarrollados por las bacterias para tolerar los efectos nocivos de los metales tóxicos son diversos. Entre ellos, se encuentran principalmente los que involucran: i) componentes celulares que capturan a los iones, neutralizando su toxicidad, ii) enzimas que modifican el estado redox de los metales o metaloides, convirtiéndolos en formas menos tóxicas, y iii) transportadores ubicados en la membrana que expulsan las especies nocivas desde el citoplasma celular.

32. Mecanismos de tolerancia a metales pesados

33. Mecanismos de tolerancia a metales pesados Figura 4. Localización celular de procesos microbianos de captación y detoxificaciónde metales (Gadd y White, 1993)

34. Mecanismos de tolerancia a metales pesados La presencia de elevadas concentraciones de metales pesados en sitios antropogénicos o ecosistemas naturales, representa una presión selectiva permanente, recalcitrante y ampliamente distribuida, con importancia ambiental, que ha contribuido al surgimiento y dispersión de nuevos genotipos microbianos que determinan la resistencia a metales.

35. Referencias bibliográficas • Acuagranjas. (2005). Estudio del estado que guarda la pesca en la presa La Purísima, Gto. Secretaría de desarrollo agropecuario del estado de Guanajuato, México, pp. 1-27. • Anadon. A., Muñoz. M., Ortiz. J. (1984). Acumulación tisular de Zinc, Plomo, Cobre, Hierro y Cromo en Truchas de Río, Salmo truttafario. Acción ecotoxicológica. An. INIA/Ser. Ganadera nº19. • Desgranges. J., Rodrigue. J., Tardif. B., Laperle. M. (1998). Mercury accumulation and biomagnificationin ospreys(Pandionhaliaetus) in the James Bay and Hudson BayRegions of Québec. Arch. Environ. Contam. Toxicol. 35, 330-341 • Farrell, AP. (1993). "Cardiovascular system. In: Evans DH (ed) The physiology of fishes. CRC Press, Ann Arbor, MI, pp 219-250. • Gadd, GM, White, C 1993, 'Microbial treatment of me talpollution a working biotechnology?‘. Trends Biotecnol, 11, 353-359.

36. Referencias bibliográficas • Gutierrez. M. y Gagneten. A. (2011). Efecto de los metales sobre microcrustáceos de agua dulce. Avances metodológicos y potencialidad de cladóceros y copépodos como organismos test. Rev. peru. biol. 18(3): 389 – 396. • Kiely. G. (1999). Ingeniería ambiental, fundamentos, entornos, tecnologías y sistemas de gestión. Mc Graw Hill, España. • Labat, R; Pequignot, J; Chatelet, A. 1974. Toxic action of copper on the gills of carp (Cyprinuscarpio). Ann Limnol.10 (1), 109-114. • Lovley. D. (ed.). Environmental Microbe-Metal Interactions, 2000, American Society for Microbiology, Washington D.C.

37. GRACIAS POR SU ATENCIÓN