La toxicología acuática es el estudio de los efectos de los productos químicos manufacturados y otros materiales y actividades antropogénicos y naturales en los organismos acuáticos en varios niveles de organización, desde organismos subcelulares hasta organismos individuales , comunidades y 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 entre 24 y 96 horas (prueba aguda) y 7 días o más (pruebas crónicas). Estas pruebas miden criterios de valoración como la supervivencia, el crecimiento y la reproducción, que se miden en cada concentración en un gradiente, junto con una prueba de control. [2] Normalmente se utilizan organismos seleccionados con sensibilidad ecológicamente relevante a sustancias tóxicas y una bibliografía bien establecida. Estos organismos pueden adquirirse o cultivarse fácilmente en el laboratorio y son fáciles de manipular. [3]
Si bien 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 a la popularidad del pesticida organoclorado DDT [1,1,1-tricloro-2,2-bis(p-clorofenil)etano] y su relación con la muerte de peces, el campo de la toxicología acuática creció. Al principio, los estudios se centraron principalmente en las ostras y los mejillones, ya que no podían alejarse del ambiente 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 tema más público y la era de los bioensayos en frascos de encurtidos comenzó 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, las autoridades públicas y los intereses gubernamentales se renovaron, en gran parte debido a la publicación de Silent Spring de Rachel Carson , y tres años más tarde se aprobó la Ley de Calidad del Agua de 1965 , que ordenaba 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, al final de la década, la investigación se había expandido para incluir la evaluación de peligros y el análisis de riesgos . [1] En las décadas siguientes, la toxicología acuática ha seguido 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 continúa evolucionando a medida que la evaluación de riesgos se practica más en el campo. El campo está ganando popularidad a medida que ha comenzado a vincular 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 (deletéreos) de un tóxico en los organismos acuáticos. Las pruebas de toxicidad se pueden utilizar para evaluar el potencial de daño a un medio ambiente 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 permanecer enjaulada durante un período determinado, y los experimentos de laboratorio generalmente se refieren a la exposición de una sola especie. La relación dosis-respuesta se utiliza más comúnmente con una curva sigmoidea para cuantificar los efectos tóxicos en un criterio de valoración o criterio seleccionado para el 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 para los efectos, o criterios de valoración evaluados, pueden incluir efectos letales y subletales (consulte Efectos toxicológicos). [1]
Existen diferentes tipos de pruebas de toxicidad que se pueden realizar en varias especies de prueba. Las diferentes especies difieren en su susceptibilidad a las sustancias químicas, 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 pececillo de cabeza gorda (Pimephales promelas), las dáfnidas ( Daphnia magna , D. pulex , D. pulicaria , Ceriodaphnia dubia ), el mosquito (Chironomus tentans, C. riparius), la trucha arco iris (Oncorhynchus mykiss), el pececillo cabeza de oveja ( Cyprinodon variegatu), [8] pez cebra ( Danio rerio ), [9] mísidos (Mysidopsis), ostra (Crassotreas), scud (Hyalalla Azteca), camarón pasto (Palaemonetes pugio) y mejillón ( Mytilus galloprovincialis ). [10] Según lo define ASTM, estas especies se seleccionan rutinariamente en función de su disponibilidad, importancia comercial, recreativa y ecológica, uso exitoso en el pasado y uso regulatorio. [1]
Se han publicado una variedad de 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 EE. UU. (EPA), ASTM International , la Organización Internacional de Normalización , Medio Ambiente y Cambio Climático de Canadá y la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico . 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 las agencias reguladoras. El tipo de prueba utilizada depende de muchos factores: agencia reguladora específica que realiza la prueba, recursos disponibles, características físicas y químicas del medio ambiente, tipo de tóxico, especies de prueba disponibles, pruebas de laboratorio versus pruebas de campo, selección del punto final y 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 están expuestos los controles y los organismos de prueba al tratar con agua tratada y diluida o con las soluciones de prueba.
Las pruebas agudas son pruebas de exposición a corto plazo (14 días o menos) [12] y generalmente utilizan la letalidad como criterio de valoración. En 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 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 superior al 10%. Sin embargo, este criterio de aceptabilidad del control depende de la especie y de la duración de la prueba. Los resultados se informan en EC50, o concentración que afectará al cincuenta por ciento del tamaño de la muestra. [1]
Las pruebas crónicas son pruebas a largo plazo (semanas, meses y años), en relación con la vida útil del organismo de prueba [13] (>10% de la vida útil), y generalmente utilizan criterios de valoración subletales. En 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 provocar efectos que se desarrollan lentamente. Las pruebas crónicas generalmente se consideran pruebas de ciclo de vida completo y cubren un tiempo generacional completo o un ciclo de vida reproductivo ("huevo a huevo"). Las pruebas crónicas no se consideran válidas si la mortalidad en la muestra 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 criterios de valoración dependen de la serie de concentraciones elegida para la prueba. Estos informes están empezando a convertirse en un tema de debate en el campo por la forma en que pueden alterar los resultados de las pruebas. Por ejemplo, si la tasa de concentración del NOEC es 100, 50, 25, 11,25, 6,25 y la toxicología se informa al 2%, el NOEC informaría la concentración como 6,25.
Las pruebas en 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 y sensibles etapas de la vida de un organismo. Estas exposiciones también se denominan pruebas de etapa crítica de la vida, embrionario-larval o de huevo frito. Las pruebas de etapas tempranas de la vida no se consideran válidas si la mortalidad en la muestra de control es superior al 30%. [1]
Se utilizan pruebas subletales de corta duración para evaluar la toxicidad de los efluentes para los organismos acuáticos. Estos métodos son desarrollados por la EPA y solo se centran en las etapas más sensibles de la vida. Los criterios de valoración de estas pruebas incluyen cambios en el crecimiento, la reproducción y la supervivencia. En estas pruebas se informan NOEC, LOEC y EC50.
Las pruebas de bioacumulación son pruebas de toxicidad que se pueden utilizar para sustancias químicas hidrofóbicas que pueden acumularse en el tejido adiposo de los organismos acuáticos. Los tóxicos con baja solubilidad en agua generalmente pueden almacenarse en el tejido adiposo 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 concentraciones de contaminantes hidrofóbicos en los organismos. El BCF es la relación entre la concentración promedio de la sustancia problema acumulada en el tejido del organismo de prueba (en condiciones de estado estacionario) y la concentración promedio medida en el agua.
Las pruebas de agua dulce y las pruebas de agua 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 números iguales 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 (p. ej., fábricas, plantas de energía, refinerías , minas, plantas de tratamiento de aguas residuales municipales ) deben realizar pruebas periódicas de toxicidad total de efluentes (WET) según el programa de permisos del Sistema Nacional de Eliminación de Descargas Contaminantes (NPDES), de conformidad con a la Ley de Agua Limpia . En el caso de las instalaciones que vierten a agua dulce, el efluente se utiliza para realizar pruebas de toxicidad estática-aguda multiconcentración con Ceriodaphnia dubia (pulga de agua) y Pimephales promelas (pececillo de cabeza gorda), entre otras especies. Los organismos de prueba se exponen durante 48 horas en condiciones estáticas a 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 las descargas a aguas marinas y estuarinas, las especies de prueba utilizadas son el pececillo cabeza de oveja ( Cyprinodon variegatus ), el pejerrey continental ( Menidia beryllina ), Americamysis bahia y el erizo de mar morado ( Strongylocentrotus purpuratus ). [14] [15]
En algún momento, la mayoría de las sustancias químicas procedentes tanto de fuentes antropogénicas como naturales se acumulan en los sedimentos. Por esta razón, la toxicidad de los sedimentos puede desempeñar un papel importante en los efectos biológicos adversos observados en los organismos acuáticos, especialmente aquellos que habitan en hábitats bentónicos. Un enfoque recomendado para las pruebas de sedimentos es aplicar la tríada de calidad de los 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 los SQT, ahora se los 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 esta razón, se han desarrollado métodos estándar para este propósito. [1]
La toxicidad se puede dividir en dos categorías amplias de toxicidad directa e indirecta. La toxicidad directa resulta de un tóxico que actúa en el lugar de acción dentro o sobre el organismo. La toxicidad indirecta ocurre con un cambio en el ambiente físico, químico o biológico.
La letalidad es el efecto más común utilizado en toxicología y como criterio de valoración para las pruebas de toxicidad aguda. Al realizar pruebas de toxicidad crónica, los efectos subletales son criterios de valoración que se analizan. Estos criterios de valoración incluyen cambios conductuales, fisiológicos, bioquímicos e histológicos. [1]
Hay una serie de efectos que ocurren cuando un organismo se expone simultáneamente a dos o más tóxicos. 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 un tóxico, y la combinación tiene un efecto mayor que el del 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]
Todos los términos se derivaron de Rand. [1]
En los Estados Unidos, la toxicología acuática juega un papel importante en el programa de permisos de aguas residuales del NPDES . Si bien la mayoría de los descargadores de aguas residuales suelen realizar pruebas químicas analíticas para detectar contaminantes conocidos , las pruebas de toxicidad de efluentes completos se han estandarizado y se realizan de forma 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 los sedimentos no están destinadas a la regulación, proporcionan una forma 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 muchos productos químicos diferentes. [26]