Toxicología acuática

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La toxicología acuática es el estudio de los efectos de los productos químicos manufacturados y otros materiales y actividades antropogénicos y naturales sobre los organismos acuáticos en varios niveles de organización, desde el subcelular hasta los organismos individuales y las comunidades y los ecosistemas . ^[1] La toxicología acuática es un campo multidisciplinario que integra la toxicología , la ecología acuática y la química acuática . ^[1]

Este campo de estudio incluye ambientes de agua dulce , agua marina y sedimentos . Las pruebas comunes incluyen pruebas estandarizadas de toxicidad aguda y crónica que duran de 24 a 96 horas (prueba aguda) a 7 días o más (pruebas crónicas). Estas pruebas miden puntos finales como la supervivencia, el crecimiento y la reproducción, que se miden en cada concentración en un gradiente, junto con una prueba de control. ^[2] Por lo general, se utilizan organismos seleccionados con una sensibilidad ecológicamente relevante a los tóxicos y una bibliografía bien establecida. Estos organismos se pueden adquirir o cultivar fácilmente en el laboratorio y son fáciles de manipular. ^[3]

Aunque la investigación básica en toxicología comenzó en varios países en el siglo XIX, no fue hasta alrededor de la década de 1930 ^[4] que se estableció el uso de pruebas de toxicidad aguda, especialmente en peces. Debido al amplio uso del pesticida organoclorado DDT [l,l,l-tricloro-2,2-bis(p-clorofenil)etano] y su vínculo con la muerte de peces, el campo de la toxicología acuática creció. Al principio, los estudios se centraron principalmente en ostras y mejillones, ya que no podían alejarse del entorno tóxico. Los resultados de estos estudios eventualmente llevaron a la implementación de programas que monitorean las concentraciones de contaminantes acuáticos en ostras y mejillones, como el programa Mussel Watch de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA). ^[5] Durante las siguientes dos décadas, los efectos de los productos químicos y los desechos en especies no humanas se convirtieron en un problema público y comenzó la era de los bioensayos en frascos de pepinillos a medida que aumentaban los esfuerzos para estandarizar las técnicas de prueba de toxicidad. ^[1]

En los Estados Unidos, la aprobación de la Ley Federal de Control de la Contaminación del Agua de 1947 marcó la primera legislación integral ^[6] para el control de la contaminación del agua y fue seguida por la Ley Federal de Control de la Contaminación del Agua en 1956. ^[7] En 1962, los intereses públicos y gubernamentales se renovaron, en gran parte debido a la publicación de Primavera silenciosa de Rachel Carson , y tres años más tarde se aprobó la Ley de Calidad del Agua de 1965 , que ordenó a los estados desarrollar estándares de calidad del agua. ^[1] La conciencia pública, así como la preocupación científica y gubernamental, continuaron creciendo a lo largo de la década de 1970 y para fines de la década la investigación se había expandido para incluir la evaluación de peligros y el análisis de riesgos . ^[1] En las décadas posteriores, la toxicología acuática continuó expandiéndose e internacionalizándose de modo que ahora existe una fuerte aplicación de las pruebas de toxicidad para la protección del medio ambiente .

La toxicología acuática sigue evolucionando a medida que se practica cada vez más la evaluación de riesgos. El campo está ganando popularidad a medida que se han comenzado a relacionar los efectos de los contaminantes en los animales marinos con los humanos que comen pescado y otras especies marinas.

Pruebas de toxicología acuática ( ensayos ): las pruebas de toxicidad se utilizan para proporcionar datos cualitativos y cuantitativos sobre los efectos adversos (perjudiciales) de un tóxico sobre los organismos acuáticos. Las pruebas de toxicidad se pueden utilizar para evaluar el potencial de daño a un entorno acuático y proporcionar una base de datos que se puede utilizar para evaluar el riesgo asociado dentro de una situación para un tóxico específico. Las pruebas de toxicología acuática se pueden realizar en el campo o en el laboratorio. Los experimentos de campo generalmente se refieren a la exposición de múltiples especies, pero una sola especie puede estar enjaulada durante un período determinado, y los experimentos de laboratorio generalmente se refieren a la exposición de una sola especie. Una relación dosis-respuesta se utiliza más comúnmente con una curva sigmoidea para cuantificar los efectos tóxicos en un punto final seleccionado o criterios de efecto (es decir, muerte u otro efecto adverso para el organismo). La concentración está en el eje x y el porcentaje de inhibición o respuesta está en el eje y. ^[1]

Los criterios de valoración de los efectos, o puntos finales evaluados, pueden incluir efectos letales y subletales (véase Efectos toxicológicos). ^[1]

Existen diferentes tipos de pruebas de toxicidad que se pueden realizar en varias especies de prueba. Diferentes especies difieren en su susceptibilidad a los químicos, probablemente debido a diferencias en accesibilidad, tasa metabólica , tasa de excreción, factores genéticos, factores dietéticos, edad, sexo, salud y nivel de estrés del organismo. Las especies de prueba estándar comunes son el pez cabeza gorda (Pimephales promelas), los dafnios ( Daphnia magna , D. pulex , D. pulicaria , Ceriodaphnia dubia ), el mosquito (Chironomus tentans, C. riparius), la trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss), el pez cabeza de oveja (Cyprinodon variegatu), ^[8] el pez cebra ( Danio rerio ), ^[9] los mísidos (Mysidopsis), la ostra (Crassotreas), el scud (Hyalalla Azteca), el camarón herbáceo (Palaemonetes pugio) y los mejillones ( Mytilus galloprovincialis ). ^[10] Según lo define ASTM International , estas especies se seleccionan rutinariamente en función de la disponibilidad, la importancia comercial, recreativa y ecológica, el uso exitoso anterior y el uso reglamentario. ^[1]

Se han publicado diversos métodos de prueba estandarizados aceptables. Algunas de las agencias más aceptadas para publicar métodos son: la Asociación Estadounidense de Salud Pública , la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA), ASTM International, la Organización Internacional de Normalización , Environment and Climate Change Canada y la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos . Las pruebas estandarizadas ofrecen la posibilidad de comparar resultados entre laboratorios. ^[1]

Existen muchos tipos de pruebas de toxicidad ampliamente aceptadas en la literatura científica y por las agencias reguladoras. El tipo de prueba utilizada depende de muchos factores: la agencia reguladora específica que realiza la prueba, los recursos disponibles, las características físicas y químicas del entorno, el tipo de tóxico, las especies de prueba disponibles, las pruebas de laboratorio frente a las de campo, la selección del punto final y el tiempo y los recursos disponibles para realizar los ensayos son algunos de los factores que influyen más comúnmente en el diseño de las pruebas. ^[1]

Los sistemas de exposición son cuatro técnicas generales a las que se exponen los controles y los organismos de prueba al manipular agua tratada y diluida o soluciones de prueba.

• Estático. En una prueba estática, el organismo se expone a agua en calma. Se añade el tóxico al agua para obtener las concentraciones correctas que se van a analizar. Los organismos de control y de prueba se colocan en las soluciones de prueba y no se cambia el agua durante toda la prueba.
• Recirculación. Una prueba de recirculación expone al organismo al tóxico de una manera similar a la prueba estática, excepto que las soluciones de prueba se bombean a través de un aparato (es decir, un filtro) para mantener la calidad del agua, pero no para reducir la concentración del tóxico en el agua. El agua circula a través de la cámara de prueba de forma continua, de forma similar a una pecera aireada. Este tipo de prueba es costosa y no está claro si el filtro o el aireador tienen o no un efecto sobre el tóxico.
• Renovación. Una prueba de renovación también expone al organismo al tóxico de manera similar a la prueba estática, ya que se realiza en agua quieta. Sin embargo, en una prueba de renovación, la solución de prueba se renueva periódicamente (a intervalos constantes) transfiriendo el organismo a una cámara de prueba nueva con la misma concentración de tóxico.
• Flujo continuo. En una prueba de flujo continuo, el organismo se expone al tóxico mediante un flujo que entra en las cámaras de prueba y luego sale de ellas. ^[11] El flujo continuo puede ser intermitente o continuo. Se debe preparar previamente una solución madre con las concentraciones correctas de contaminante. Las bombas dosificadoras o los diluyentes controlarán el flujo y el volumen de la solución de prueba, y se mezclarán las proporciones adecuadas de agua y contaminante. ^[1]

Las pruebas agudas son pruebas de exposición a corto plazo (14 días o menos) ^[12] y generalmente utilizan la letalidad como punto final. En las exposiciones agudas, los organismos entran en contacto con dosis más altas del tóxico en un solo evento o en múltiples eventos durante un corto período de tiempo y generalmente producen efectos inmediatos, dependiendo del tiempo de absorción del tóxico. Estas pruebas generalmente se realizan en organismos durante un período de tiempo específico del ciclo de vida del organismo y se consideran pruebas de ciclo de vida parcial. Las pruebas agudas no son válidas si la mortalidad en la muestra de control es mayor del 10%. Sin embargo, este criterio de aceptabilidad del control depende de la especie y la duración de la prueba. Los resultados se informan en CE50, o concentración que afectará al cincuenta por ciento del tamaño de la muestra. ^[1]

Las pruebas crónicas son pruebas a largo plazo (semanas, meses, años) relativas a la vida útil del organismo de prueba ^[13] (>10% de la vida útil) y generalmente utilizan puntos finales subletales. En las exposiciones crónicas, los organismos entran en contacto con dosis bajas y continuas de un tóxico. Las exposiciones crónicas pueden inducir efectos a la exposición aguda, pero también pueden dar lugar a efectos que se desarrollan lentamente. Las pruebas crónicas generalmente se consideran pruebas de ciclo de vida completo y cubren todo un tiempo de generación o ciclo de vida reproductivo ("huevo a huevo"). Las pruebas crónicas no se consideran válidas si la mortalidad en la muestra de control es superior al 20%. Estos resultados generalmente se han informado en NOEC (nivel sin efectos observados) y LOEC (nivel más bajo de efectos observados). Sin embargo, los NOEC y LOEC son cada vez menos comunes ya que los puntos finales dependen de la serie de concentración elegida para la prueba. Estos informes están comenzando a convertirse en un tema de debate en el campo debido a la forma en que pueden alterar los resultados de las pruebas. Por ejemplo, si la tasa de concentración de la NOEC es 100, 50, 25, 11,25, 6,25 y la toxicología se informa como 2%, la NOEC informaría la concentración como 6,25.

Las pruebas de las primeras etapas de la vida se consideran exposiciones subcrónicas que son inferiores a un ciclo de vida reproductivo completo e incluyen la exposición durante las primeras etapas de la vida sensibles de un organismo. Estas exposiciones también se denominan pruebas de etapa crítica de la vida, de embrión-larva o de alevines. Las pruebas de etapa temprana de la vida no se consideran válidas si la mortalidad en la muestra de control es superior al 30 %. ^[1]

Las pruebas subletales de corto plazo se utilizan para evaluar la toxicidad de los efluentes para los organismos acuáticos. Estos métodos son desarrollados por la EPA y se centran únicamente en las etapas de vida más sensibles. Los puntos finales de estas pruebas incluyen cambios en el crecimiento, la reproducción y la supervivencia. En estas pruebas se informan los valores NOEC, LOEC y EC50.

Las pruebas de bioacumulación son pruebas de toxicidad que se pueden utilizar para sustancias químicas hidrófobas que pueden acumularse en el tejido graso de los organismos acuáticos. Los tóxicos con baja solubilidad en agua generalmente pueden almacenarse en el tejido graso debido al alto contenido de lípidos en este tejido. El almacenamiento de estos tóxicos dentro del organismo puede provocar toxicidad acumulativa. Las pruebas de bioacumulación utilizan factores de bioconcentración (BCF) para predecir las concentraciones de contaminantes hidrófobos en los organismos. El BCF es la relación entre la concentración promedio de la sustancia química de prueba acumulada en el tejido del organismo de prueba (en condiciones de estado estable) y la concentración promedio medida en el agua.

Las pruebas de agua dulce y salada tienen diferentes métodos estándar, especialmente los establecidos por las agencias reguladoras. Sin embargo, estas pruebas generalmente incluyen un control (negativo y/o positivo), una serie de dilución geométrica u otra serie de dilución logarítmica apropiada, cámaras de prueba y un número igual de réplicas, y un organismo de prueba. El tiempo exacto de exposición y la duración de la prueba dependerán del tipo de prueba (aguda o crónica) y del tipo de organismo. La temperatura, los parámetros de calidad del agua y la luz dependerán de los requisitos del regulador y del tipo de organismo. ^[1]

En los EE. UU., muchos descargadores de aguas residuales (por ejemplo, fábricas, centrales eléctricas, refinerías , minas, plantas de tratamiento de aguas residuales municipales ) deben realizar pruebas periódicas de toxicidad de efluentes completos (WET) según el programa de permisos del Sistema Nacional de Eliminación de Descargas de Contaminantes (NPDES), de conformidad con la Ley de Agua Limpia . Para las instalaciones que descargan en agua dulce, el efluente se utiliza para realizar pruebas de toxicidad multiconcentración estática-aguda con Ceriodaphnia dubia (pulga de agua) y Pimephales promelas (pez gordo), entre otras especies. Los organismos de prueba se exponen durante 48 horas en condiciones estáticas con cinco concentraciones del efluente. La principal desviación en las pruebas de toxicidad crónica de efluentes a corto plazo y las pruebas de toxicidad aguda de efluentes es que la prueba crónica a corto plazo dura siete días y la prueba aguda dura 48 horas. Para los vertidos a aguas marinas y estuarinas, las especies de prueba utilizadas son el pez cabeza de oveja ( Cyprinodon variegatus ), el pejerrey continental ( Menidia beryllina ), el Americamysis bahia y el erizo de mar morado ( Strongylocentrotus purpuratus ). ^{[14] [15]}

En algún momento, la mayoría de los productos químicos de origen antropogénico y natural se acumulan en los sedimentos. Por este motivo, la toxicidad de los sedimentos puede desempeñar un papel importante en los efectos biológicos adversos observados en los organismos acuáticos, especialmente en los que habitan en hábitats bentónicos. Un enfoque recomendado para las pruebas de sedimentos es aplicar la tríada de calidad de sedimentos (SQT), que implica examinar simultáneamente la química de los sedimentos, la toxicidad, las alteraciones de campo, la bioacumulación y las evaluaciones de biodisponibilidad que se pueden utilizar en un laboratorio o en el campo. Debido a la expansión de las SQT, ahora se las conoce más comúnmente como "Marco de evaluación de sedimentos". La recolección, manipulación y almacenamiento de sedimentos pueden tener un efecto sobre la biodisponibilidad y, por este motivo, se han desarrollado métodos estándar para cumplir con este propósito. ^[1]

La toxicidad puede dividirse en dos grandes categorías: toxicidad directa e indirecta. La toxicidad directa es el resultado de la acción de un tóxico en el sitio de acción dentro o sobre el organismo. La toxicidad indirecta se produce cuando se produce un cambio en el entorno físico, químico o biológico.

La letalidad es el efecto más común que se utiliza en toxicología y se utiliza como criterio de valoración para las pruebas de toxicidad aguda. Al realizar pruebas de toxicidad crónica, se examinan los efectos subletales , que incluyen cambios conductuales, fisiológicos, bioquímicos e histológicos. ^[1]

Existen varios efectos que ocurren cuando un organismo se expone simultáneamente a dos o más sustancias tóxicas. Estos efectos incluyen efectos aditivos, efectos sinérgicos , efectos de potenciación y efectos antagónicos . Un efecto aditivo ocurre cuando el efecto combinado es igual a una combinación o suma de los efectos individuales. Un efecto sinérgico ocurre cuando la combinación de efectos es mucho mayor que los dos efectos individuales sumados. La potenciación es un efecto que ocurre cuando una sustancia química individual que no tiene ningún efecto se agrega a una sustancia tóxica, y la combinación tiene un efecto mayor que el tóxico solo. Finalmente, un efecto antagónico ocurre cuando una combinación de sustancias químicas tiene un efecto menor que la suma de sus efectos individuales. ^[1]

• ASTM International (anteriormente Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales). Organización basada en el consenso, que representa a más de 140 países participantes, que desarrolla y ofrece métodos estándar voluntarios internacionales para pruebas de toxicidad acuática. ^[16]
• Métodos estándar para el análisis de agua y aguas residuales. Una recopilación de técnicas para el análisis del agua, publicada conjuntamente por la Asociación Estadounidense de Salud Pública (APHA), la Asociación Estadounidense de Obras Hidráulicas (AWWA) y la Federación del Medio Ambiente del Agua . ^[17]
• "Ecotox". Base de datos mantenida por la EPA que ofrece información sobre la toxicidad de un solo producto químico para fines acuáticos y terrestres. ^[18]
• Sociedad de Toxicología y Química Ambiental (SETAC). Sociedad mundial sin fines de lucro que trabaja para promover la investigación científica con el fin de mejorar nuestra comprensión de los factores de estrés ambiental, la educación ambiental y el uso de la ciencia en las políticas ambientales. ^[19]
• La EPA publica manuales de orientación que describen los procedimientos de prueba de toxicidad acuática. ^{[14] [15]}
• Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE). Un foro en el que los gobiernos trabajan juntos para promover políticas que mejoren el bienestar social y económico de las personas en todo el mundo. Una forma de lograrlo es mediante el desarrollo de directrices para las pruebas de toxicidad acuática. ^[20]
• Ministerio de Medio Ambiente y Cambio Climático de Canadá . El principal organismo federal de Canadá para la protección del medio ambiente. ^[21]

• Concentración letal media ( CL50 ): concentración química que se espera que mate al 50% de un grupo de organismos.
• Concentración efectiva media ( CE50 ): concentración química que se espera que tenga uno o más efectos específicos en el 50 % de un grupo de organismos.
• Residuos corporales críticos (CBR): un enfoque que examina de forma rutinaria las concentraciones químicas de todo el cuerpo de un organismo expuesto que está asociado con una respuesta biológica adversa.
• Toxicidad basal: se refiere a la narcosis, que es una depresión de la actividad biológica debido a la presencia de tóxicos en el organismo.
• Biomagnificación : Proceso por el cual la concentración de una sustancia química en los tejidos de un organismo aumenta a medida que pasa por varios niveles de la cadena alimentaria.
• Concentración mínima con efecto observado (LOEC): la concentración de prueba más baja que tiene un efecto estadísticamente significativo durante un tiempo de exposición específico.
• Concentración sin efecto observado (NOEC): la concentración de prueba más alta para la cual no se observa ningún efecto en relación con un control durante un tiempo de exposición específico.
• Concentración máxima aceptable de tóxicos (MATC): un valor estimado que representa la concentración más alta "sin efecto" de una sustancia específica dentro del rango que incluye la NOEC y la LOEC.
• Factor de aplicación (AF) ^[22] – Una concentración “segura” derivada empíricamente de una sustancia química.
• Biomonitoreo : El uso consistente de organismos vivos para analizar cambios ambientales a lo largo del tiempo.
• Efluente : Descarga industrial líquida que generalmente contiene diversos tóxicos químicos.
• Relación cuantitativa estructura-actividad (QSAR): un método para modelar la relación entre la actividad biológica y la estructura de las sustancias químicas orgánicas.
• Modo de acción : Un conjunto de signos fisiológicos o conductuales comunes que representan un tipo de respuesta adversa.
• Mecanismo de acción: Los eventos detallados que tienen lugar a nivel molecular durante una respuesta biológica adversa.
• K _OW – Coeficiente de partición octanol-agua que representa la relación entre la concentración de octanol y la concentración de la sustancia química en el agua.
• Factor de bioconcentración (BCF): relación entre la concentración química promedio en los tejidos del organismo en condiciones de estado estable y la concentración química promedio medida en el agua a la que están expuestos los organismos.

Todos los términos fueron derivados de Rand. ^[1]

En los Estados Unidos, la toxicología acuática desempeña un papel importante en el programa de permisos de aguas residuales del NPDES . Si bien la mayoría de los vertederos de aguas residuales suelen realizar pruebas de química analítica para detectar contaminantes conocidos , se han estandarizado pruebas de toxicidad de efluentes completos y se realizan de manera rutinaria como una herramienta para evaluar los posibles efectos nocivos de otros contaminantes no regulados específicamente en los permisos de descarga. ^[14]

El programa de calidad del agua de la EPA ha publicado criterios de calidad del agua (para contaminantes individuales) y estándares de calidad del agua (para cuerpos de agua) que se derivaron de pruebas de toxicidad acuática. ^{[23] [24]}

Si bien las pautas de calidad de sedimentos no tienen como finalidad la regulación, brindan una manera de clasificar y comparar la calidad de los sedimentos desarrollada por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA). ^[25] Estas pautas de calidad de sedimentos se resumen en las Tablas de referencia rápida de detección (SQuiRT) de la NOAA para muchas sustancias químicas diferentes. ^[26]