Bioindicador
Especie que revela el estado de un medio ambiente
Tricóptero (orden Trichoptera ), un macroinvertebrado utilizado como indicador de la calidad del agua . [1]

Un bioindicador es cualquier especie ( especie indicadora ) o grupo de especies cuya función, población o estado puede revelar el estado cualitativo del medio ambiente. Las especies indicadoras más comunes son los animales. [2] Por ejemplo, los copépodos y otros pequeños crustáceos acuáticos que están presentes en muchos cuerpos de agua pueden ser monitoreados para detectar cambios (bioquímicos, fisiológicos o de comportamiento ) que puedan indicar un problema dentro de su ecosistema. Los bioindicadores pueden informarnos sobre los efectos acumulativos de diferentes contaminantes en el ecosistema y sobre cuánto tiempo puede haber estado presente un problema, lo que las pruebas físicas y químicas no pueden. [3]

Un monitor biológico o biomonitor es un organismo que proporciona información cuantitativa sobre la calidad del medio ambiente que lo rodea. [4] Por lo tanto, un buen biomonitor indicará la presencia del contaminante y también puede utilizarse en un intento de proporcionar información adicional sobre la cantidad e intensidad de la exposición.

Un indicador biológico es también el nombre que se le da a un proceso para evaluar la esterilidad de un ambiente mediante el uso de cepas de microorganismos resistentes (por ejemplo, Bacillus o Geobacillus ). [5] Los indicadores biológicos pueden describirse como la introducción de microorganismos altamente resistentes a un ambiente determinado antes de la esterilización ; se realizan pruebas para medir la eficacia de los procesos de esterilización. Como los indicadores biológicos utilizan microorganismos altamente resistentes , cualquier proceso de esterilización que los vuelva inactivos también habrá eliminado patógenos más comunes y débiles .

Descripción general

Un bioindicador es un organismo o una respuesta biológica que revela la presencia de contaminantes mediante la aparición de síntomas típicos o respuestas mensurables y es, por tanto, más cualitativo . Estos organismos (o comunidades de organismos) pueden utilizarse para proporcionar información sobre alteraciones en el medio ambiente o la cantidad de contaminantes ambientales al cambiar de una de las siguientes formas: fisiológica , química o conductual . La información puede deducirse mediante el estudio de:

  1. su contenido de ciertos elementos o compuestos
  2. su estructura morfológica o celular
  3. Procesos bioquímicos metabólicos
  4. comportamiento
  5. estructura(s) de la población.

La importancia y relevancia de los biomonitores, en lugar de los equipos fabricados por el hombre, se justifican por la observación de que el mejor indicador del estado de una especie o sistema es él mismo. [6] Los bioindicadores pueden revelar efectos bióticos indirectos de los contaminantes cuando muchas mediciones físicas o químicas no pueden hacerlo. A través de los bioindicadores, los científicos necesitan observar solo la especie indicadora para verificar el medio ambiente en lugar de monitorear a toda la comunidad. [7] También se pueden utilizar pequeños conjuntos de especies indicadoras para predecir la riqueza de especies para múltiples grupos taxonómicos. [8]

El uso de un biomonitor se describe como monitoreo biológico y es el uso de las propiedades de un organismo para obtener información sobre ciertos aspectos de la biosfera. El biomonitoreo de contaminantes del aire puede ser pasivo o activo. Los expertos utilizan métodos pasivos para observar las plantas que crecen de forma natural dentro del área de interés. Los métodos activos se utilizan para detectar la presencia de contaminantes del aire colocando plantas de prueba de respuesta y genotipo conocidos en el área de estudio. [ cita requerida ]

El uso de un biomonitor se describe como monitoreo biológico . Esto se refiere a la medición de propiedades específicas de un organismo para obtener información sobre el entorno físico y químico circundante. [9]

Los indicadores bioacumulativos se consideran frecuentemente biomonitores. Dependiendo del organismo seleccionado y su uso, existen varios tipos de bioindicadores. [10] [11]

Usar

En la mayoría de los casos, se recopilan datos de referencia para las condiciones bióticas dentro de un sitio de referencia predeterminado. Los sitios de referencia deben caracterizarse por tener poca o ninguna perturbación externa (por ejemplo, perturbaciones antropogénicas, cambio de uso de la tierra , especies invasoras). Las condiciones bióticas de una especie indicadora específica se miden tanto dentro del sitio de referencia como de la región de estudio a lo largo del tiempo. Los datos recopilados de la región de estudio se comparan con datos similares recopilados del sitio de referencia para inferir la salud ambiental relativa o la integridad de la región de estudio. [12]

Una limitación importante de los bioindicadores en general es que se ha informado que son inexactos cuando se aplican a regiones geográfica y ambientalmente diversas. [13] Como resultado, los investigadores que utilizan bioindicadores deben asegurarse de manera consistente de que cada conjunto de índices sea relevante dentro de las condiciones ambientales que planean monitorear. [14]

Indicadores de plantas y hongos

El liquen Lobaria pulmonaria es sensible a la contaminación del aire.

La presencia o ausencia de ciertas plantas u otra vida vegetativa en un ecosistema puede proporcionar pistas importantes sobre la salud del medio ambiente: preservación ambiental . Hay varios tipos de biomonitores vegetales, incluidos musgos , líquenes , corteza de árbol , bolsas de corteza , anillos de árboles y hojas . Como ejemplo, los contaminantes ambientales pueden ser absorbidos e incorporados a la corteza de los árboles, que luego puede analizarse para determinar la presencia y concentración de contaminantes en el entorno circundante. [15] Las hojas de ciertas plantas vasculares experimentan efectos nocivos en presencia de ozono, particularmente daño tisular, lo que las hace útiles para detectar el contaminante. [16] [17] Estas plantas se observan abundantemente en las islas atlánticas del hemisferio norte, la cuenca mediterránea, África ecuatorial, Etiopía, la costa india, la región del Himalaya, el sur de Asia y Japón. [18] Estas regiones con alta riqueza endémica son particularmente vulnerables a la contaminación por ozono, lo que enfatiza la importancia de ciertas especies de plantas vasculares como valiosos indicadores de la salud ambiental en los ecosistemas terrestres. Los conservacionistas utilizan estos bioindicadores vegetales como herramientas que les permiten determinar posibles cambios y daños al medio ambiente.

Como ejemplo, Lobaria pulmonaria ha sido identificada como una especie indicadora para evaluar la edad de la masa y la diversidad de macrolíquenes en los bosques interiores de cedro y cicuta del este-centro de Columbia Británica, destacando su importancia ecológica como bioindicador. [19] La abundancia de Lobaria pulmonaria estuvo fuertemente correlacionada con este aumento en la diversidad, sugiriendo su potencial como un indicador de la edad de la masa en el ICH. [20] Otra especie de líquen, Xanthoria parietina , sirve como un indicador confiable de la calidad del aire, acumulando efectivamente contaminantes como metales pesados ​​y compuestos orgánicos. Los estudios han demostrado que las muestras de X. parietina recolectadas de áreas industriales exhiben concentraciones significativamente más altas de estos contaminantes en comparación con las de entornos más verdes y menos urbanizados. [21] Esto resalta el valioso papel del liquen en la evaluación de la salud ambiental y la identificación de áreas con niveles elevados de contaminación, ayudando en esfuerzos de mitigación específicos y estrategias de gestión ambiental.

Los hongos también son útiles como bioindicadores, ya que se encuentran en todo el mundo y experimentan cambios notables en diferentes entornos. [22]

Los líquenes son organismos que comprenden hongos y algas . Se encuentran en rocas y troncos de árboles, y responden a los cambios ambientales en los bosques, incluidos los cambios en la estructura forestal: biología de la conservación , calidad del aire y clima. La desaparición de líquenes en un bosque puede indicar tensiones ambientales, como altos niveles de dióxido de azufre , contaminantes a base de azufre y óxidos de nitrógeno . La composición y biomasa total de especies de algas en sistemas acuáticos sirven como una métrica importante para la contaminación orgánica del agua y la carga de nutrientes como el nitrógeno y el fósforo. Hay organismos genéticamente modificados que pueden responder a los niveles de toxicidad en el medio ambiente ; por ejemplo , un tipo de hierba genéticamente modificada que crece de un color diferente si hay toxinas en el suelo. [23]

Indicadores y toxinas animales

Las poblaciones de cuervos americanos ( Corvus brachyrhynchos ) son especialmente susceptibles al virus del Nilo Occidental y pueden utilizarse como especie bioindicadora de la presencia de la enfermedad en un área.

Los cambios en las poblaciones animales , ya sean aumentos o disminuciones, pueden indicar contaminación . [24] Por ejemplo, si la contaminación causa el agotamiento de una planta, las especies animales que dependen de esa planta experimentarán un declive poblacional . Por el contrario, la superpoblación puede ser un crecimiento oportunista de una especie en respuesta a la pérdida de otras especies en un ecosistema. Por otro lado, los efectos subletales inducidos por el estrés pueden manifestarse en la fisiología , morfología y comportamiento de los animales mucho antes de que las respuestas se expresen y observen a nivel de población. [25] Tales respuestas subletales pueden ser muy útiles como "señales de alerta temprana" para predecir cómo responderán las poblaciones en el futuro.

La contaminación y otros agentes de estrés se pueden controlar midiendo cualquiera de varias variables en los animales: la concentración de toxinas en los tejidos animales; la tasa a la que surgen deformidades en las poblaciones animales; el comportamiento en el campo o en el laboratorio; [26] y evaluando los cambios en la fisiología individual. [27]

Ranas y sapos

Los anfibios, en particular los anuros (ranas y sapos), se utilizan cada vez más como bioindicadores de la acumulación de contaminantes en estudios de contaminación. [28] Los anuros absorben sustancias químicas tóxicas a través de su piel y las membranas branquiales de sus larvas y son sensibles a las alteraciones de su entorno. [29] Tienen una capacidad deficiente para desintoxicar los pesticidas que absorben, inhalan o ingieren al comer alimentos contaminados. [29] Esto permite que los residuos, especialmente de pesticidas organoclorados, se acumulen en sus sistemas. [29] También tienen una piel permeable que puede absorber fácilmente sustancias químicas tóxicas, lo que los convierte en un organismo modelo para evaluar los efectos de los factores ambientales que pueden causar la disminución de la población de anfibios. [29] Estos factores permiten que se los utilice como organismos bioindicadores para seguir los cambios en sus hábitats y en estudios ecotoxicológicos debido a las crecientes demandas de los humanos sobre el medio ambiente. [30]

El conocimiento y control de los agentes ambientales es esencial para mantener la salud de los ecosistemas. Los anuros se utilizan cada vez más como organismos bioindicadores en estudios de contaminación, como el estudio de los efectos de los pesticidas agrícolas sobre el medio ambiente. [ cita requerida ] La evaluación ambiental para estudiar el entorno en el que viven se realiza analizando su abundancia en el área, así como evaluando su capacidad locomotora y cualquier cambio morfológico anormal, que son deformidades y anomalías en el desarrollo. [ cita requerida ] La disminución de los anuros y las malformaciones también podrían sugerir una mayor exposición a la luz ultravioleta y a los parásitos. [30] Se ha demostrado que la aplicación expansiva de agroquímicos como el glifosato tiene efectos nocivos sobre las poblaciones de ranas a lo largo de su ciclo de vida debido a la escorrentía de estos agroquímicos en los sistemas de agua en los que viven estas especies y su proximidad al desarrollo humano. [31]

Los anuros que se reproducen en estanques son especialmente sensibles a la contaminación debido a sus complejos ciclos de vida, que pueden consistir en vida terrestre y acuática. [28] Durante su desarrollo embrionario, las alteraciones morfológicas y de comportamiento son los efectos más frecuentemente citados en relación con la exposición a sustancias químicas. [32] Los efectos de la exposición pueden resultar en una menor longitud corporal, menor masa corporal y malformaciones de las extremidades u otros órganos. [28] El desarrollo lento, el cambio morfológico tardío y el pequeño tamaño de los metamorfos resultan en un mayor riesgo de mortalidad y exposición a la depredación. [28]

Crustáceos

También se ha planteado la hipótesis de que los cangrejos de río son bioindicadores adecuados, en las condiciones apropiadas. [33] Un ejemplo de uso es un examen de la acumulación de microplásticos en el tracto digestivo del cangrejo de río rojo ( Procambarus clarkii), que se utiliza como bioindicador de una contaminación más amplia por microplásticos. [34]

Indicadores microbianos

Contaminantes químicos

Los microorganismos pueden utilizarse como indicadores de la salud de los ecosistemas acuáticos o terrestres . Se encuentran en grandes cantidades y es más fácil obtener muestras de ellos que de otros organismos. Algunos microorganismos producen nuevas proteínas , llamadas proteínas de estrés, cuando se exponen a contaminantes como el cadmio y el benceno . Estas proteínas de estrés pueden utilizarse como un sistema de alerta temprana para detectar cambios en los niveles de contaminación. [ cita requerida ]

En la exploración de petróleo y gas

La prospección microbiana de petróleo y gas (MPOG) se puede utilizar para identificar áreas prospectivas de yacimientos de petróleo y gas. [ cita requerida ] En muchos casos, se sabe que el petróleo y el gas se filtran hacia la superficie, ya que un yacimiento de hidrocarburos generalmente tendrá fugas o se habrá filtrado hacia la superficie a través de fuerzas de flotabilidad que superan las presiones de sellado. Estos hidrocarburos pueden alterar las ocurrencias químicas y microbianas que se encuentran en los suelos cercanos a la superficie o pueden detectarse directamente. Las técnicas utilizadas para la MPOG incluyen análisis de ADN , recuentos simples de insectos después de cultivar una muestra de suelo en un medio basado en hidrocarburos o observando el consumo de gases de hidrocarburos en una célula de cultivo. [35]

Microalgas en la calidad del agua

Las microalgas han ganado atención en los últimos años debido a varias razones, entre ellas, su mayor sensibilidad a los contaminantes que muchos otros organismos. Además, se encuentran en abundancia en la naturaleza, son un componente esencial en muchas cadenas alimentarias, son fáciles de cultivar y utilizar en ensayos y su uso implica pocos o ningún problema ético.

Mecanismo gravitatorio de la microalga Euglena gracilis (A) en ausencia y (B) en presencia de contaminantes.

Euglena gracilis es un flagelado fotosintético, móvil y de agua dulce. Aunque Euglena es bastante tolerante a la acidez, responde de forma rápida y sensible a las tensiones ambientales, como los metales pesados ​​o los compuestos orgánicos e inorgánicos. Las respuestas típicas son la inhibición del movimiento y un cambio de los parámetros de orientación. Además, este organismo es muy fácil de manipular y cultivar, lo que lo convierte en una herramienta muy útil para las evaluaciones ecotoxicológicas. Una particularidad muy útil de este organismo es la orientación gravitatoria, que es muy sensible a los contaminantes. Los gravirreceptores se ven afectados por contaminantes como metales pesados ​​y compuestos orgánicos o inorgánicos. Por lo tanto, la presencia de tales sustancias está asociada con el movimiento aleatorio de las células en la columna de agua. Para pruebas a corto plazo, la orientación gravitatoria de E. gracilis es muy sensible. [36] [37] Otras especies como Paramecium biaurelia (ver Paramecium aurelia ) también utilizan la orientación gravitatoria. [38]

Es posible realizar un bioensayo automático utilizando el flagelado Euglena gracilis en un dispositivo que mide su motilidad en diferentes diluciones de la muestra de agua posiblemente contaminada, para determinar la CE 50 (la concentración de la muestra que afecta al 50 por ciento de los organismos) y el valor G (el factor de dilución más bajo en el que no se puede medir ningún efecto tóxico significativo). [39] [40]

Macroinvertebrados

Los macroinvertebrados son indicadores útiles y convenientes de la salud ecológica de los cuerpos de agua [41] y los ecosistemas terrestres. [42] [43] Casi siempre están presentes y son fáciles de muestrear e identificar. Esto se debe en gran medida al hecho de que la mayoría de los macroinvertebrados son visibles a simple vista, normalmente tienen un ciclo de vida corto (a menudo la duración de una sola temporada) y son generalmente sedentarios. [44] Las condiciones preexistentes del río, como el tipo de río y el flujo, afectarán los conjuntos de macroinvertebrados, por lo que varios métodos e índices serán apropiados para tipos de arroyos específicos y dentro de ecorregiones específicas. [44] Si bien algunos macroinvertebrados bentónicos son altamente tolerantes a varios tipos de contaminación del agua, otros no lo son. Los cambios en el tamaño de la población y el tipo de especie en regiones de estudio específicas indican el estado físico y químico de arroyos y ríos. [9] Los valores de tolerancia se utilizan comúnmente para evaluar la contaminación del agua [45] y la degradación ambiental , como las actividades humanas (por ejemplo, la tala selectiva y los incendios forestales ) en los bosques tropicales. [46] [47]

Indicadores bentónicos para pruebas de calidad del agua

Los macroinvertebrados bentónicos se encuentran dentro de la zona bentónica de un arroyo o río. Consisten en insectos acuáticos , crustáceos , gusanos y moluscos que viven en la vegetación y los lechos de los ríos. [9] Las especies de macroinvertebrados se pueden encontrar en casi todos los arroyos y ríos, excepto en algunos de los entornos más duros del mundo. También se pueden encontrar en casi cualquier tamaño de arroyo o río, prohibiendo solo aquellos que se secan en un corto período de tiempo. [48] Esto hace que sean beneficiosos para muchos estudios porque se pueden encontrar en regiones donde los lechos de los arroyos son demasiado poco profundos para soportar especies más grandes como los peces. [9] Los indicadores bentónicos se utilizan a menudo para medir los componentes biológicos de los arroyos y ríos de agua dulce . En general, si se considera que el funcionamiento biológico de un arroyo está en buen estado, se supone que los componentes químicos y físicos del arroyo también están en buenas condiciones. [9] Los indicadores bentónicos son la prueba de calidad del agua más utilizada en los Estados Unidos. [9] Si bien los indicadores bentónicos no deberían utilizarse para rastrear los orígenes de los factores estresantes en ríos y arroyos, pueden proporcionar información sobre los tipos de fuentes que a menudo se asocian con los factores estresantes observados. [49]

Contexto global

En Europa , la Directiva Marco del Agua (DMA) entró en vigor el 23 de octubre de 2000. [50] Requiere que todos los estados miembros de la UE demuestren que todas las masas de agua superficiales y subterráneas están en buen estado. La DMA requiere que los estados miembros implementen sistemas de monitoreo para estimar la integridad de los componentes biológicos de las corrientes para categorías específicas de agua subterránea. Este requisito aumentó la incidencia de la biometría aplicada para determinar la salud de las corrientes en Europa [13]. En 2006 se diseñó un sistema de biomonitoreo remoto en línea. Se basa en moluscos bivalvos y en el intercambio de datos en tiempo real entre un dispositivo inteligente remoto en el campo (capaz de funcionar durante más de 1 año sin intervención humana in situ ) y un centro de datos diseñado para capturar, procesar y distribuir la información web derivada de los datos. La técnica relaciona el comportamiento de los bivalvos, específicamente la actividad de apertura de las conchas, con los cambios en la calidad del agua. Esta tecnología se ha utilizado con éxito para la evaluación de la calidad de las aguas costeras en varios países (Francia, España, Noruega, Rusia, Svalbard ( Ny-Ålesund ) y Nueva Caledonia). [26]

En Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental (EPA) publicó en 1999 Protocolos de Bioevaluación Rápida basados ​​en la medición de macroinvertebrados, así como de perifiton y peces para la evaluación de la calidad del agua . [1] [51] [52]

En Sudáfrica , el método del Sistema de Puntuación de África Meridional (SASS, por sus siglas en inglés) se basa en macroinvertebrados bentónicos y se utiliza para evaluar la calidad del agua en los ríos sudafricanos. La herramienta de biomonitoreo acuático SASS se ha perfeccionado durante los últimos 30 años y ahora se encuentra en la quinta versión (SASS5) de acuerdo con el protocolo ISO/IEC 17025. [44] El método SASS5 es utilizado por el Departamento de Asuntos Hídricos de Sudáfrica como método estándar para la Evaluación de la Salud de los Ríos, que alimenta el Programa Nacional de Salud de los Ríos y la Base de Datos Nacional de Ríos. [ cita requerida ]

El fenómeno de la imposición de restricciones en la especie de caracol marino del género Conch da lugar al desarrollo anormal del pene en las hembras, pero no causa esterilidad. Por ello, se ha sugerido que la especie es un buen indicador de la contaminación con compuestos orgánicos de estaño de origen humano en los puertos de Malasia . [53]

Véase también

Referencias

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Herek, JS, Vargas, L., Trindade, SAR, Rutkoski, CF, Macagnan, N., Hartmann, PA y Hartmann, MT (2020). ¿Pueden las concentraciones ambientales de glifosato afectar la supervivencia y causar malformaciones en anfibios? Efectos de un herbicida a base de glifosato en Physalaemus cuvieri y P. gracilis (Anura: Leptodactylidae). Environmental Science and Pollution Research, 27(18), 22619–22630. https://doi.org/10.1007/s11356-020-08869-z

Lectura adicional

  • Caro, Tim (2010). Conservación por poderes: especies indicadoras, paraguas, clave, emblemáticas y otras especies sustitutas . Washington, DC: Island Press. ISBN 9781597261920.
Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Bioindicadores .
  • Iniciativa de biomarcadores ambientales en el Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste, Departamento de Energía de EE. UU., Richland, Washington
  • Programa de monitoreo voluntario – EPA de EE. UU.
  • Programa Nacional de Salud de los Ríos – Sudáfrica
  • Pyxine cocoes Nyl. – Un liquen folioso como posible bioindicador/biomonitor de la contaminación del aire en Filipinas: una actualización por Isidro AT Savillo
  • Indicadores biológicos para esterilización Archivado el 7 de febrero de 2019 en Wayback Machine – Protak Scientific
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