• Author / Uploaded
• Anonymous GP7dH3y

Citation preview

+

BIOINDICADORES Y BIOMARCADORES DE CONTAMINACIÓN AMBIENTAL Dr. Rodrigo Orrego [email protected] www.iio.cl

Contenido 

Introduccion   



Biondicadores  



Conceptos y Criterios de seleccion Ventajas y desventajas

Biomarcadores   



Nutrientes vs toxicos Condicion fisiologica y estrés Monitoreo fisicoquimico de contaminantes

Concepto y Clasificacion Ventajas y desventajas Usos

Ejemplos estrategia Bioindicador/Biomarcador en ambientes costeros    

PAHs Metals exposure Endocrine Disruption Pharmaceuticals

REGION DE TOXICIDAD REGION DE NO-EFECTO

Respuesta

MUERTE

Nutrientes esenciales

Homeostasis

Tóxicos (no-nutritivos)

UMBRAL DE SEGURIDAD

Dosis (incremento en concentración)

Limite Tolerancia Fisiológica

INHABILIDAD

ZONA 3

DAÑO SEVERO (no curable)

ZONA 2

DAÑO (curable)

ZONA 1

Estrés

Enfermedad Deterioro reproductivo Muerte

Mecanismos de reparación

Respuestas compensatorias

Saludable Rápida adaptabilidad

OK

Homeostasis

Compensación

DETERIORO

No-Compensación

Monitoreo Ambiental Las desventajas de los análisis fisicoquímico de contaminantes en distintas matrices ambientales se relacionan con :



Muchas veces no toma en cuenta sistemas dinámicos si no estacionarios (Fotografías).



Generan información espacio-temporalmente muy limitada.



Para contaminantes complejos es necesario realizar análisis de alto costo (caso algunas STPs).



La sola presencia de un contaminante en una matriz ambiental no implica que esta sea capaz de provocar daño en algún organismo vivo (Biodisponibilidad).

¿ES POSIBLE EVALUAR LOS CONTAMINANTES EN LAS DISTINTAS MATRICES BIOLOGICAS Y DETERMINAR SUS POTENCIALES EFECTOS?

BIOTA Ambiente Atmosférico Terrestre

AIRE

SUELO

K2 K3

AGUA

K5 BIOTA

SUSPENDIDO K4 Ambiente Acuático

K1

SEDIMENTO

Bioindicators: Using Organism s to Measure Environm ental Im pacts | Learn Science at Scitable

12- 08- 24 11:44 AM

GLOBAL AND REGIONAL ECOLOGY | Lead Editor: Carolyn Malmstrom

Bioindicators: Using Organisms to Measure Environmental Impacts By: Emily A. Holt (Department of Watershed Sciences, Utah State University) & Scott W. Miller (Department of Watershed Sciences, Utah State University) © 2 0 1 1 Nat ure Education Citation: Holt, E. A. & Miller, S. W. (2 0 1 1 ) Bioindicators: Using Organisms to Measure Environmental Impacts. Nature Education Knowledge 2 (2 ):8

How do we assess the impacts of hum an activities on natural ecosystem s? What can the biota tell us about the environment and its response to natural stress?

Introduction What can the canary in the coal m ine tell us? Historically, canaries accom panied coal m iners deep underground. Their sm all lung capacity and unidirectional lung ventilation system made them more vulnerable to sm all concentrations of carbon m onox ide and m ethane gas than their hum an companions. As late as 1986, the acute sensitivity of these birds served as a biological indicator of unsafe conditions in underground coal m ines in the United Kingdom. Since hum an health concerns continue to drive the developm ent and application of bioindicators, the loss of ecosystem services (e.g., clean air, drinking water, plant pollinators) has increasingly focused our attention on the health of natural ecosystem s. All species (or species assem blages) tolerate a limited range of chem ical, physical, and biological conditions, which we can use to evaluate environm ental quality. Despite m any technological advances, we find ourselves turning to the biota of natural ecosystem s to tell us the story of our world.

What Is a Bioindicat or?

What can the canary in the coal mine tell us? Historically, canaries accompanied coal miners deep underground. Their small lung capacity and unidirectional lung ventilation system made them more vulnerable to small concentrations of carbon monoxide and methane gas than their human companions.

Biological indicators are species used to monitor the health of an environment or ecosystem. They are any biological species or group of species whose function, population, or status can be used to determine ecosystem or environmental integrity

BIOINDICADOR Organismo vivo en el cual puede ser avaluada una respuesta producto de la exposición a un contaminante o una mezcla de ellos. •

Información de su biología básica

•

Fácilmente disponible (cultivo/captura)

•

Presentar ciclos de vida cortos

•

Suficientemente sensible a la exposición

•

Tener una amplia distribución geográfica (Cosmopolita)

•

Encontrarse en un estado de conservación que permita su uso

•

Fácil manipulación tanto en condiciones de laboratorio como en campo

BIOMONITOR Organismo que acumula contaminantes en sus tejidos, y por lo tanto pueden ser analizados para identificar la abundancia y biodisponibilidad de estos en los ambientes acuáticos. • Los contaminantes deben ser acumulados sin impactos letales sobre el organismo.

• Los contaminantes en sus tejidos deberían reflejar fielmente la biodisponibilidad ambiental de estos compuestos

HABITAT DISPONIBLES

EUTROFICACION

HIDRODINAMICA

DISPONIBILIDAD ALIMENTOS

FACTORES FISICOQUIMICOS

CONTAMINACION

RESPUESTA INTEGRADA CRECIMIENTO

REPRODUCCION RESPUESTA POBLACIONAL

CAMBIOS COMUNIDAD

EFECTOS ECOSISTEMICOS (adapted from: Adams, 2001).

EL CONCEPTO DE BIOMARCADOR 

Cambio inducido por un contaminante en un componente bioquímico o celular de un proceso, estructura y función que puede ser medido en un sistema biológico (NRC, 1989).



Cambio bioquímico, celular, fisiológico o del comportamiento que puede ser medido en un tejido, fluido biológico, organismo o población y que proporciona evidencia de exposición a, y/o efectos de uno o más contaminantes (Depledge, 1994).

LOW ECOLOGICAL RELEVANCE BIOCHEMICAL ENZIMATICAL DETOXICATION

IMMUNOLOGICAL PHYSIOLOGICAL HISTOPATHOLOGICAL

SHORT-TERM RESPONSES

LONG-TERM RESPONSES

BIOENERGETIC REPRODUCTIVE POPULATION / COMMUNITY

HIGH ECOLOGICAL RELEVANCE

BIOMARCADOR

BIOINDICADOR

Molecular, Bioquímica

Individuo, Población, Comunidad

SESIBILIDAD AL ESTRESOR

Alta

Baja

RELACIÓN CON LA CAUSA

Alta

Baja

VARIABILIDAD DE LA RESPUESTA

Alta

Media - Baja

Meda - Alta

Media - Baja

Baja

Alta

TIPO DE RESPUESTA

ESPECIFICIDAD AL ESTRESOR RELEVANCIA ECOLÓGICA

¿POR QUÉ UTILIZAR BIOINDICADORES/BIOMARCADORES?



El análisis de los compartimentos ambientales está sometido a variaciones muy drásticas en función de la fuente de emisión ya sea puntual o difusa.



Las concentraciones en el aire y en el agua son de 1 a 4 órdenes de magnitud inferiores en relación a aquellas presentes en los organismos.



Los valores entregados por los análisis químicos de los distintos compartimentos ambientales, no involucra el conocimiento de los efectos y de la biodisponibilidad de las sustancias contaminantes sobre los organismos.



Los bioindicadores proveen de un dato integrado en el tiempo



Los bioindicadores, a través de los biomarcadores proporcionan información relativa a exposicion y efectos de las sustancias y también de procesos interactivos bajo condiciones naturales (sinergismo, antagonismos)

CARACTERISTICAS DE LOS BIOMARCADORES • Cuantificable

• Dependiente de la dosis o del tiempo de exposición • El desarrollo de los BM es debido en gran parte por la investigación e identificación analítica de las sustancias químicas en los organismos

• Reproducibilidad, sensibilidad, especificidad, reversibilidad, aplicabilidad en diversos taxones • La aplicación apropiada permite integracion en gradientes espacio-temporales

VENTAJAS DE LOS BIOMARCADORES • Cuantifica solo los contaminantes biodisponibles relevancia biológica. • Como una medida de los efectos ellos pueden integrar efectos de múltiples estresores y pueden ayudar a elucidar mecanismos de acción. • Potencial de predecir un efecto ecológicamente relevante (i.e. mortalidad, impedimento reproductivo antes que los efectos se manifiesten en el ambiente). Predice el daño antes que sea demasiado tarde. • Facilidad de uso y relación coste/efectividad adecuado.

Los estudios de campo deben ser diseñados de tal manera que las mediciones sean representativas de varios niveles de organización biológica incluyendo biomarcadores de exposición y bioindicadores de efectos. normalmente los recursos son escasos una mezcla óptima de biomarcadores sensibles y puntos críticos ecológicamente relevantes deben ser evaluados a nivel organismico.

Zona 1 Respuesta Rápida

Zona 2 Respuesta intermedia

Zona 3 Respuestas poblacionales y comunitarias

Enzimas de detoxificación

Histopatología

Distribución de tamaño y frecuencia

Daño al DNA

Disfunción del sistema inmune

Alteración de la proporción macho-hembra

Metabolitos biliares

Impedimento bioenergetico

Alteraciones en la cadena alimentaria

Enzimas antioxidantes

Integridad reproductiva

Relaciones tróficas

Acetilcolinesterasa

Crecimiento

Diversidad comunitariariqueza

Proteínas de estress

Actividad

Tipos mas importantes de estresores

Respuesta de exposición representativa

Respuesta ecologica relevante

Referencias

Agricultura

Plaguicidas, nutrientes, sedimentos

Inhibición de la Acetilcolinesterasa

Impedimento reproductivo, crecimiento inducido, enfermedades

Bass et al, 1977 Sanchez et al, 2009

Pulpa y Papel

Nutrientes, dioxinas,acidos resínicos, color, clorofenoles fitosteroles

Inducción de la MFO, aparición de metabolitos biliares

Impedimento reproductivo, alteraciones del crecimiento Disrupcion endocrina

Andersson et al, 1998 Orrego et al., 2011

Petroquímica

PAHs, metales pesados

Elevada inducción de la MFO, metabolitos biliares aromáticos

Impedimento reproductivo, crecimiento reducido, tumores hepáticos

Vetemaa et al, 1997 Fuentes et al., 2005

Minería

Metales pesados, sedimentos

Metalotioneinas, enzimas antioxidantes, daño al DNA

Crecimiento reducido, histopatología branquial, impedimento metabólico, diversidad genética

Woodward et al., 1995

Efluentes domésticos

Cloro, nutrientes, detergentes Farmaceuticos

Inducción de la MFO, enzimas antioxidantes Alteraciones reproductivas

Cambios en el comportamiento, histopatología branquial y hepática, impedimentos reproductivo bioenergéticos

Mitz and Giesy 1985

Desarrollo urbano, tala rasa

Aumento de la temperatura y sedimentos, altaración del régimen hidráulico

Proteínas de estress

Disminución del crecimiento, anormalidades branquiales, cambios en la dieta

Newcombe and Macdonadl, 1991

Plantas de energía

Aumento de temperatura, cloro

Proteínas de estrés y enzimas antioxidantes

Impedimento bioenergético, cambios en el comportamiento

Coutant, 1997

Fuente: Adams (2001)

The Biomarker Search procedure allows the user to search the Biomarkers table in the database by defining a search term or terms for one or more fields. In the Main Menu screen, the user clicks the Search Biomarkers button to open the Search Biomarkers screen (Figure 2). More specifics on the biomarker search procedure are discussed below. Figure 2. Search Biomarkers Screen

Two versions of the Biomarkers Database were provided to EPA. One vers ion all contents of the database without making any modifications or additions. The othe allows users to modify the database’s contents and to add additional references. B database require the user’s computer to have Microsoft Access installed. Since the developed in Microsoft Access 2000, this is the preferred version of Access to use versions of Access should be functional. If Access 2000 is not being used, a mess converting the database to the newer version of Access upon opening the database that users do NOT convert the database. A. SEARCHING BIOMARKER INFORMATION

Most of the biomarker information recorded in the database was obtained from ab information is found in the Keywords too. During the abstract review process, eac name of any biomarker(s) that were discussed in the references abstract. In additio biomarker type, health outcome, specimen type, and exposure were recorded.

BIOMARCADORES DE EXPOSICIÓN MFO ENZIMAS

METABOLITOS BILIARES

DAÑO

METALOTIONINA

ADN

ENZIMAS ANTIOXIDANTES

ACETILCOLINESTERASA

PROTEINAS DE ESTRÉS

COMUNIDAD

BIOENERGETICOS

X

X

HISTOPATOLOGIA

BRANQUIAS HIGADO

X X

X

X

DESCARGAS DOMESTICAS

DECRECIMIENTO

X

MINERIA

INCREMENTO

PULPA Y PAPEL

CRECIMIENTO

X

X

X

X X

X

X

X

X

PLANTAS DE ENERGIA

X

DESARROLLO URBANO

X

X

AGRICULTURA

REPRODUCCION

PETROQUIMICA

BIOINDICADORES DE EFECTOS

X

X

X

X

ECOSYSTEM EFFECTS Reproductive output falls below critical levels required for maintaining the population survival

POPULATION EFFECTS Impaired reproductive success (reduced fecundity, fertilization, hatchability, decline in embryo-larval viability, gender distribution)

INDIVIDUAL REPRODUCTIVE EFFECTS Decrease in gamete quality, changes in secondary sex characteristics affecting behaviour

Inmuno-suppression, reduced gamete quality and quantity

Impaired development and survival, delay in metamorphosis or sexual maturation

BEHAVIOURAL AND MORPHOLOGICAL EFFECTS

Changes in blood hormone levels, Vtg and Zr-protein synthesis

Effects on neuro-endocrine system (e.g. corticosteroid production)

Impaired or failed synthesis of essential enzymes or hormones

MOLECULAR, CELULAR AND BIOCHEMICAL RESPONSES

Exogenous endocrine disrupter (e.g. xenoestrogen)

Natural endocrine disrupter (e.g. environmental stress)

EXPOSURE TO POTENTIAL ENVIRONMELTAL EDs

Non-endocrine factors (e.g.nutritional defficiences) (Cambell & Hutchinson, 1998).

Pulp mill effluent’s SPE

ODS-C18

ME1 (untreated) ME2 (Primary Treated) ME3 (Secondary Treated) OH

O

HO 17-Testosterone Estradiol

OH

ME1 ME2 ME3 Intraperiton eal injection of juveniles

500

cd

400

500

cd cd

ME2 ME3

bc bc

c

bc bc bc b

200

ab

Vtg (ng/ml plasma)

300

c bc b

b

ab

ab

ab

b

b

ab

ab

100 0 Day 4

500

Day 7

Day 14

Day 21

Day 28 EC CO TZ

400

100 300 200

0 Day 4

Day 7

Day 14

Day 21

Day 28 100 a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

0 Day 0

Day 4

Day 7

Day 14

Day 21

Day 28

600 500 400 300 200 100 0 -100

ME3 BS E2 ME2 DHAA / E2 DHAA CO EC

ME3 BS E2 ME2 DHAA / E2 DHAA CO EC

ME3 BS E2 ME2 DHAA / E2 DHAA CO EC

ME3 BS E2 ME2 DHAA / E2 DHAA CO EC

-200

ME3 BS E2 ME2 DHAA / E2 DHAA CO EC

VTG

VTG (ng/ml plasma)

c

c

b

b

200

c

c

c

300

400

BS E2 DHAA/E2 DHAA

cd

T ime: Day 4

T ime: Day 7

T ime: Day 14

T ime: Day 21

T ime: Day 28

Fem ale Male

Waterborne exposure Post-fertilized embryos

25 ppm

ME1

ME2

5 ppm

ME3

E2

BS

TE

CO

EC

1 ppm

Trout 5 7 9

0 8 11

16 23 43

0 24 28 33 43 47

hpf dpf dph

14

64

Sex ratio

1000L

Growth period

10L

Hatching period

Control eggs first hatch

Exposure period

exposure

Fertilized eggs viability 4

Delayed last eggs hatch

Medaka 0

Control eggs last hatch

Collection

Flagfish

60

87

226

They were used as sentinels to be early warning systems of toxic gases in the mine. The canaries would become sick from toxic fumes sooner than miners would notice them, and that would give them time to either escape or put on respirators . . . .

. . . When designed properly, BIOINDICATORS can accomplish the same thing . . .

Instead of trying to measure everything, choose something to measure that gives you an earlier indicator that something requires attention… . . . That’s what BIOMARKERS are for . . .