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Introducción a la toxicología acuática

Debido al enfoque dado a este libro, el propósito de este capítulo no es presentar una profunda disertación o tratado sobre el tema de la toxicología acuática, tema sobre el cual se han escritos textos extensos. Simplemente lo que se quiere es dotar al lector de los conocimientos básicos sobre toxicología acuática, intro- ducirlo en el tema y animarlo a que profundice en él. Se recomienda la revisión de las referencias 1 y 2 del presente capítulo.

3.1 GENERALIDADES SOBRE TOXICOLOGÍA ACUÁTICA

Durante su ciclo natural el agua, por diferentes razones, puede llegar en contacto con numerosas sustancias químicas. Estas sustancias químicas se consideran “tóxicas” cuando a una determinada concentración y tiempo de exposición producen efectos adversos a la especie humana o la biota acuática (ecosistema). Esto significa que la mera presencia de un químico en el agua no implica la presencia de toxicidad.

El problema del contenido de sustancias químicas en el agua se concentra en la transferencia potencial del químico a los humanos la cual puede ocurrir básicamente por dos vías:

i) La ingestión del químico directamente del sistema de abastecimiento del agua.

ii) La ingestión del químico a través del consumo de alimentos acuáticos conta- minados (por ejemplo, peces, crustáceos, etc.), o del consumo de alimentos que usan como fuente organismos acuáticos en su preparación.

La preocupación en general recae principalmente en los efectos desconocidos de la ingestión de químicos en el cuerpo humano en sí. Física y fisiológicamente, se tiene certeza sobre su potencial para producir cáncer, tumores y defectos genéticos.

En vista de lo anterior, el problema de la presencia de las sustancias quí- micas en el agua es único en calidad del agua en el sentido de que su impacto sobre la salud pública es percibido como directo e individualizado. Este hecho contrasta con los efectos producidos por los contaminantes convencionales

que básicamente afectan el ecosistema acuático y prácticamente no generan problemas de salud pública.

En general, la presencia de sustancias tóxicas en el agua puede interferir en usos deseables del agua tales como:

• La acumulación de metales y químicos orgánicos en los peces impide la pesca como fuente de alimentos.

• La formación de trihalometanos en el tratamiento del agua impide el uso del agua para consumo humano.

• La presencia en agroquímicos en las aguas de escorrentía puede contaminar las aguas subterráneas y superficiales.

• El lixiviado producido en sitios de disposición de desechos químicos puede contaminar las aguas subterráneas y superficiales.

El problema de calidad del agua generado por las sustancias químicas se puede resumir como la descarga de químicos en los cuerpos de agua, lo cual resulta o genera concentraciones en el agua o en la cadena alimenticia de niveles tales que son tóxicos desde el punto de vista de salud pública (humanos) o para el ecosistema en sí, y por lo tanto, interfiere en el uso benéfico del agua para consumo humano y pesca, e inestabiliza el ecosistema.

El enfoque principal en el análisis de sustancias químicas tóxicas en aguas naturales es la evaluación del impacto potencial de dichas sustancias sobre la población humana expuesta y sobre el ecosistema acuático. Para la descarga de una única sustancia química, las concentraciones calculadas pueden ser comparadas con datos toxicológicos para evaluar el impacto de dicha sustancia. No obstante, cuando varias sustancias químicas están presentes en el cuerpo de agua, la interacción toxicológica entre estas sustancias (efluente) puede invalidar los datos de toxicidad de las sustancias aisladas. Además, la elaboración de un inventario completo de las sustancias químicas presentes y sus concentraciones individuales puede resultar difícil o imposible de realizar. Para estos casos, llega a ser útil la determinación de la toxicidad total de las descargas al cuerpo de agua y también la del cuerpo de agua mismo. Esta medición de toxicidad puede emplearse para evaluar el significado de cada descarga en el cuerpo de agua. También es factible utilizarla como variable de calibración en un modelo de toxicidad. En conclusión, en este capítulo el término toxicidad está aplicado a la toxicidad ocasionada por un efluente en su conjunto (la interacción de varias sustancias a la vez) y no por el efecto de una determinada sustancia química. 3.2 CLASIFICACIÓN DE LOS TÓXICOS

Existen muchas formas para agrupar los tóxicos en diferentes categorías. Por ejemplo, se pueden agrupar de acuerdo con su función (pesticidas, productos

para el aseo, etc.), o teniendo en cuenta su asociación con un proceso industrial (agricultura, textil, refinería del petróleo, etc.).

La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA, por sus siglas en inglés) ha categorizado las sustancias químicas en lo que ha llamado “contaminantes prioritarios” . La lista de contaminantes prioritarios o sustancias de interés sanitario contiene 129 compuestos químicos orgánicos e inorgánicos sin incluir las sustancias radioactivas.

Dado que nombrar las 129 sustancias se escapa del alcance de este libro, para efectos prácticos, las sustancias tóxicas se pueden agrupar de la siguiente manera:

Metales. Por ejemplo mercurio, cadmio, plomo, selenio, etc., resultantes de actividades industriales como la manufactura de pilas, minería, “cromando” y “niquelado” de metales, refinería, etc.

Químicos industriales. Se agrupan en esta categoría los miles y miles de sustancias utilizadas en procesos industriales como plastificadores (alquil talatos), solventes (bencenos clorados) y ceras (parafinas cloradas).

Pesticidas. Generalmente son hidrocarburos clorados que cuando están presentes en el agua son rápidamente asimilados por los animales acuáticos entrando de esta manera a hacer parte de la cadena alimenticia. Tienen la ca- racterística de que son persistentes en los suelos y los sedimentos. Su origen en el agua se debe a su aplicación en la agroindustria y desechos industriales. Actual- mente la EPA tiene prohibido el uso de Aldrin, DDT, Endrin, Heptacloro, Lindano y Clorano.

PCB. Con este nombre genérico se designan a todos los bifenoles policlorados. Son usados en la transmisión de energía como capacitores y en la fabricación de transformadores. Otros productos industriales que utilizan PCB entre sus componentes están las pinturas, los plásticos y los insecticidas.

Los PCB entran en la cadena alimenticia prácticamente de la misma manera como todos los hidrocarburos clorados.

Fenoles. Estos compuestos se utilizan ampliamente en varios procesos in- dustriales. Entre los más conocidos están: la producción de polímeros sintéticos, industria del teñido, pigmentos, herbicidas y pesticidas.

La toxicidad de los fenoles aumenta con el grado de cloración de la molécula de fenol. Aún en bajas concentraciones, causan olores y sabores al agua; son difí- ciles de remover y en primates (micos) se ha comprobado que son cancerígenos. Sustancias radiactivas (no incluidas en la lista de los 129 contaminantes prioritarios). Resultan de la generación de energía nuclear, producción de armas

nucleares y fabricación de materiales radioactivos para usos industriales. Incluye sustancias como estroncio-90, plutonio-239/2240 y cesio-137.

3.3 LOS BIOENSAYOS

Para el estudio de los efectos adversos de una sustancia pura o de una mezcla compleja (efluente) sobre la biota, se han estandarizado técnicas bajo condiciones controladas de laboratorio. El tipo de prueba varía de acuerdo con el tiempo de exposición y la forma de adicionar la sustancia. Por ejemplo, mientras los ensayos de toxicidad buscan establecer los efectos tóxicos de una sustancia, las pruebas de bioacumulación pretenden establecer el factor de bioacumulación.

A pesar de las dificultades para extrapolar los resultados de laboratorio a los ambientes naturales, los ensayos de toxicidad han adquirido una enorme importancia en los últimos años debido a la necesidad de determinar los riesgos ambientales y de proteger los recursos acuáticos y la salud humana.

La fijación en la legislación ambiental de estándares de calidad o de concen- traciones máximas permisibles de las sustancias que degradan los ecosistemas naturales implica el desarrollo de pruebas de laboratorio donde se exponen organismos a la acción de sustancias xenobióticas con el objeto de cuantificar los efectos que sobre aquellos se producen.

Los ensayos de toxicidad juegan un papel muy importante en el manejo de los recursos naturales y más particularmente en el estudio y control de la calidad ambiental, ya que a través de éstos se crean las bases para legislar sobre las concentraciones permisibles de las sustancias xenobióticas. Por medio de los bioensayos también es posible simular condiciones futuras, con lo cual el investigador está en capacidad de adelantarse a los hechos evitando así graves consecuencias ambientales.

Adicionalmente, mediante los bioensayos se pueden evaluar diferentes efluentes, para posibilitar la comparación de la acción de diversos tóxicos o incluso tratamientos, y definir procesos o controles que ocasionen un menor deterioro ambiental.

En términos generales, se define como un bioensayo a una prueba en la cual un tejido viviente, un organismo o un grupo de organismos, es usado como un reactivo para determinar la fuerza de alguna sustancia fisiológicamente activa.

Existen numerosas clasificaciones para los diversos tipos de bioensayos. En forma general, según el objetivo de los bioensayos, se distinguen los siguientes tipos:

• De toxicidad (ecotoxicidad). Se estudian los efectos de una sustancia o una mezcla compleja sobre el comportamiento o la reproducción, el crecimiento o la sobrevivencia de los organismos indicadores.

• De bioacumulación. Se evalúa el potencial de bioacumulación de xenobióticos en los tejidos orgánicos.

• De bioestimulación. Se evalúa el efecto de una sustancia sobre el crecimiento poblacional en productores primarios.

• Crecimiento corporal. Se evalúa el efecto sobre la tasa de crecimiento indi- vidual.

• Respuesta de la comunidad (in situ): Se evalúa el efecto sobre la estructura y composición de las comunidades.

De acuerdo con el manejo que se le dé a la mezcla de agua y tóxico, los bioensayos pueden también ser catalogados como:

• Estáticos, sin renovación. • De recirculación

• De recambio

• De flujo continuo y de mezcla

Según su duración (plazo), se clasifican en corto, mediano y de largo tiempo. Mientras los bioensayos de exposición corta únicamente analizan efectos inme- diatos, los de mediana y especialmente de larga exposición son más realistas en la medida que evalúan alteraciones menos visibles pero igualmente evidentes como la tasa de reproducción, de crecimiento corporal o metabólica, así como la esperanza de vida o anomalías de comportamiento y genéticas, todas ellas fundamentales en la supervivencia individual y de la especie, y que pueden manifestarse de manera posterior a la realización de una prueba de corto tiempo y, por lo tanto, pasar desapercibidas al investigador.

Particular atención merecen los ensayos para estudiar sustancias volátiles o de rápida descomposición, adsorción y sedimentación. Aunque generalmente las pruebas de toxicidad con estas sustancias se realizan mediante procesos de flujo continuo con el objeto de mantener constante su concentración, esto no significa que descargas de aguas residuales cargadas con sustancias de este tipo no pueden ser estudiadas mediante bioensayos estáticos pues los fundamentos de los supuestos implícitos en la prueba son quienes determinan uno u otro.

Si un tóxico ingresa en forma ocasional a un recurso hídrico, el ensayo estático simula esas condiciones pues permite una libre evolución al tóxico. En contraste, en una prueba con recambio o flujo continuo se mantiene constante la concentración del tóxico y semeja la descarga permanente de un vertimiento.

La mayoría de ensayos llevados a cabo en el mundo corresponden a zonas templadas y la utilización de sus conclusiones hacia ecosistemas tropicales se

ve restringida porque el incremento en la temperatura aumenta la toxicidad y la persistencia de los químicos y la tasa de respiración de las especies acuáticas. Paralelamente, la solubilidad del oxígeno decrece con el incremento de la temperatura, lo que significa un efecto de sinergismo doble de la temperatura. Para los contaminantes que, además de su toxicidad, generen alta demanda bioquímica de oxígeno el problema es aún más complejo.

La relación entre la concentración de un contaminante y el porcentaje de respuesta de un grupo de organismos de igual especie que ha sido expuesta a él se conoce en el campo de los bioensayos como relación dosis-respuesta, y corresponde a un modelo estadístico sigmodal.

Con los ensayos de bioacumulación y autodepuración se someten organismos a concentraciones subletales durante un determinado tiempo. Posteriormente se les mide la concentración en algunos tejidos, lo que se conoce como bioacumu- lación; se retornan a un medio libre del contaminante y transcurrido otro lapso de tiempo se vuelve a medir la concentración del tóxico en los organismos. Con ello se determina si el químico persiste, se biomagnifica en la cadena alimenticia o, por el contrario, se libera nuevamente al medio natural.

En el campo de la toxicología acuática, Colombia no posee una gran tradición y sólo hace aproximadamente 20 años se inició el montaje de un laboratorio especializado en el Instituto de Investigaciones Pesqueras del INDERENA en Cartagena. En la Universidad de Antioquia se han realizado bioensayos para evaluar la calidad del agua en el embalse Porce II.

En general los ensayos de toxicidad tienen aplicación en casos como:

• Estudios sobre los efectos tóxicos de los contaminantes sobre un organismo específico.

• Estudios sobre los efectos tóxicos de los contaminantes sobre un determinado cuerpo de agua.

• El establecimiento de la máxima concentración permisible en el agua de una sustancia tóxica.

• Determinación de la efectividad de los procesos de tratamiento de aguas residuales.

• Establecimiento de los límites autorizados de descargas efluentes. • Determinación del cumplimiento de la legislación ambiental.

Con respecto a los bioindicadores o biomonitores, por ejemplo, dentro de las especies recomendadas para ensayo en los métodos de determinación de la toxicidad acuática aprobados en la Unión Europea, se tiene:

• Algas: Scenedesmus subspicutus, Selenastrum capricornutum, Chlorella vulgaris.

• Crustáceos: Daphnia magna, D. Pulex, Ceriodaphnia dubia. (pulgas de agua).

• Peces: Oncorhynchus mykiss (trucha arcoiris), Brachidario rerio (pez cebra), Pimephales promelas (Fathead minnow, pez cabeza gorda), Ciprinus carpio (carpa común), Oryzias latipes (Pez Medaka), etc.

3.4 TOXICIDAD AGUDA Y CRÓNICA

Las pruebas de toxicidad aguda y crónica son las más empleadas en estudios sobre toxicidad acuática y se diferencian básicamente en el nivel y la duración de la exposición.

En los ensayos de toxicidad aguda, se expone al organismo prueba a con- centraciones de la sustancia tóxica que garanticen una respuesta en un corto tiempo en relación con el ciclo de vida. Dado que la duración del ciclo de vida varía según la especie, la extensión de la prueba difiere entre 48 y 96 horas o incluso se puede prolongar por dos o tres semanas.

A pesar de que una de las mayores críticas a los ensayos de toxicidad aguda es que altas concentraciones de contaminantes no se presentan frecuentemente en los ambientes acuáticos, esta técnica permite inferir las fuentes principales de contaminación, establecer el valor antibiótico de efluentes industriales y domésticos y usar factores de aplicación para estimar niveles de seguridad. Además, este tipo de ensayos constituyen una herramienta adecuada para esta- blecer la sensibilidad relativa de los organismos, pero poseen una aplicabilidad ecológica limitada debido a que no se consideran algunas variables biológicas como el crecimiento y la natalidad que requieren tiempos de observación a más largo plazo.

La toxicidad crónica hace referencia generalmente a pruebas de mediano y largo tiempo, donde se estudian efectos subletales de alteraciones metabólicas como respiración, fotosíntesis, crecimiento, reproducción, comportamiento u otros, a través de una o varias generaciones de organismos, que están o han sido expuestos a sustancias tóxicas.

Los estudios de toxicidad crónica incluyen, además, pruebas de bioacumu- lación y autodepuración, así como de crecimiento poblacional, lo que demuestra el amplio espectro de pruebas que pueden ser incluidas con este nombre. Las pautas por seguir en este tipo de bioensayos son, por lo tanto, muy variadas, dependiendo del objetivo de la investigación.

La selección, determinación taxonómica y mantenimiento bajo condiciones de laboratorio de las especies por probar son aspectos fundamentales para la correcta ejecución de los ensayos y la confiabilidad de los resultados. Adicional- mente, la validez estadística de los datos exige la utilización de un número de ejemplares relativamente alto, y especialmente en peces, se emplean ejemplares de talla reducida.

En general, los requerimientos para la selección de las especies estándar incluyen una serie de aspectos difíciles de encontrar en un solo organismo. Entre estos, se citan en la literatura especializada los siguientes:

• Amplia distribución geográfica y representatividad ecológica del área. Esto implica una disponibilidad permanente y un buen desarrollo de las pobla- ciones.

• Reducida variabilidad genética y uniformidad de las poblaciones por ensayar.

• Baja variabilidad en la tolerancia a tóxicos y alta sensibilidad. • Buen conocimiento biológico y ecológico de la especie.

• Aceptable adaptabilidad del organismo a condiciones de laboratorio. Exceptuando algunas especies de Daphnia, no existen en Colombia orga- nismos estándar para ensayos de toxicidad. Esta situación es particularmente crítica en el caso de especies ícticas y constituye un obstáculo para el avance de esta disciplina en el país.

Es importante iniciar la reflexión sobre la necesidad de avanzar en el proceso de búsqueda de organismos autóctonos como estándares y en la unificación de procedimientos para la realización de ensayos de toxicidad en el ámbito nacional. Es indiscutible que la identificación de estándares, especialmente peces, exige un buen conocimiento sobre su autoecología. La carencia de información sobre la biología reproductiva y sobre el comportamiento de los peces bajo condiciones de laboratorio constituye un gran obstáculo para la determinación de especies potencialmente utilizables en ensayos de toxicidad.

Es evidente que los requerimientos que deben cumplir los organismos están- dar, definidos a escala internacional, son difíciles de reunir en una sola especie. No obstante, la gran diversidad de nuestro país y el avance en el conocimiento de los paquetes tecnológicos para la reproducción artificial de algunos peces favorecen el hallazgo de especies estándar en los órdenes regional y nacional.

Es necesario iniciar la búsqueda de especies con ciclos de vida más cortos, que permitan también su utilización en pruebas de toxicidad crónica. Podría

pensarse que una alternativa teórica es la selección de algunas formas orna- mentales nativas de los Llanos Orientales.

Es fundamental comenzar el proceso de estandarización de los métodos de laboratorio y adoptar un sistema de control de calidad entre las instituciones que podrían realizan actualmente ensayos de toxicidad en Colombia.

La normativa ambiental de Colombia y específicamente de los límites máxi- mos permisibles de sustancias tóxicas en los ambientes acuáticos está basada en criterios foráneos, que deben ser reformulados a partir del conocimiento de la sensibilidad real de algunos elementos de la biota autóctona. Para esto es necesario poseer resultados confiables sustentados en pruebas de toxicidad realizadas bajo condiciones estándar.

3.5 EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS DE TOXICIDAD

Como se explicó anteriormente, los ensayos de toxicidad reportan los resultados de dos maneras: toxicidad aguda y toxicidad crónica.

La toxicidad aguda produce efectos rápidamente (48 a 96 horas). El térmi- no aguda viene referido al concepto de ser una respuesta corta y no implica necesariamente la muerte de la especie. Se denomina LC50 a la concentración

del efluente que produce una mortalidad del 50% de la población del ensayo, mientras que la EC50 es la concentración del efluente que produce efectos ne-