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  1. 1. 1 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNAD ESCUELA DE CIENCIAS AGRÍCOLAS, PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE TOXICOLOGÍA AMBIENTAL Autor: Ing. MSc. EDWIN CAMELO MARTÍNEZ BOGOTÁ Julio 5 de 2011
  2. 2. 2 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental ÍNDICE DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN ...................................................................................................8 UNIDAD 1. FUNDAMENTOS DE TOXICOLOGÍA AMBIENTAL.................................11 CAPITULO 1. DEFINICIÓN DE CONCEPTOS BÁSICOS.........................................................11 Lección 1. Toxicología, toxicología ambiental y ecotoxicología...................................11 Lección 2. Sustancias tóxicas........................................................................................13 Lección 3. Tipos, rutas y vías de exposición .................................................................16 Lección 4. Toxicocinética..............................................................................................19 Lección 5. Disponibilidad del tóxico en el ambiente....................................................25 CAPITULO 2. CARACTERIZACIÓN DE LA RESPUESTA TÓXICA ...........................................29 Lección 6. Clasificación de las respuestas tóxicas ........................................................29 Lección 7. Genotoxicidad: mutagénesis y carcinogénesis............................................31 Lección 8. Factores extrínsecos a la sustancia que afectan la respuesta tóxica ..........34 Lección 9. Relación dosis – respuesta. .........................................................................37 Lección 10. Unidades e índices de toxicidad................................................................40 CAPITULO 3. EVALUACIÓN Y ANÁLISIS DE RIESGOS.........................................................43 Lección 11. Introducción al análisis de riesgos.............................................................43 Lección 12. Evaluación de riesgo..................................................................................45 Lección 13. Caracterización del riesgo .........................................................................48 Lección 14. Manejo de riesgos y comunicación de riesgos.........................................52 Lección 15. Estudio de caso Colombia, riesgo ambiental por metales pesados en cultivos..........................................................................................................................54 UNIDAD 2. PRINCIPALES GRUPOS DE SUSTANCIAS TÓXICAS...............................59 CAPITULO 4. METALES......................................................................................................59 Lección 16. Principales elementos y compuestos........................................................59 Lección 17. Fuentes principales....................................................................................60 Lección 18. Movilidad en el ambiente..........................................................................62 Lección 19. Efectos en el medio ambiente...................................................................64 Lección 20. Efectos a la salud humana.........................................................................66 CAPITULO 5. CONTAMINANTES ORGÁNICOS Y ATMOSFÉRICOS .....................................69 Lección 21. Plaguicidas.................................................................................................69 Lección 22. Dioxinas y Furanos.....................................................................................72 Lección 23. PCB (Bifenilos Policlorados).......................................................................73 Lección 24. Compuestos BFR (Retardantes de llama bromados) ................................75 Lección 25. Contaminantes atmosféricos inorgánicos.................................................78
  3. 3. 3 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental CAPITULO 6. CONTEXTO GLOBAL PARA LA GESTIÓN DE SUSTANCIAS TÓXICAS..............81 Lección 26. El enfoque estratégico SAICM...................................................................81 Lección 27. Los COP y el Convenio de Estocolmo. .......................................................83 Lección 28. El Sistema Globalmente Armonizado........................................................86 Lección 29. Los estándares ambientales y la reducción de uso de sustancias peligrosas......................................................................................................................90 Lección 30. El convenio de Basilea y los residuos peligrosos.......................................94 UNIDAD 3. HERRAMIENTAS DE TOXICOLOGÍA AMBIENTAL APLICADA ................99 CAPITULO 7. CLASIFICACIÓN DE RESIDUOS Y SUSTANCIAS TÓXICAS...............................99 Lección 31. Fichas de seguridad para materiales MSDS. .............................................99 Lección 32. Fuentes oficiales de información toxicológica. .......................................102 Lección 33. Clasificación de mezclas, sistema GHS. ...................................................103 Lección 34. Ensayos físico-químicos para toxicidad...................................................107 Lección 35. Ensayos para corrosividad.......................................................................110 CAPITULO 8. BIOENSAYOS Y MONITOREO BIOLÓGICO..................................................113 Lección 36. Tipos de bioensayos. ...............................................................................113 Lección 37. Ensayos biológicos reglamentados en Colombia para ecotoxicidad. .....116 Lección 38. Bioética en el uso de animales para experimentación. ..........................121 Lección 39. Monitoreo Biológico................................................................................124 Lección 40. Marcadores o indicadores biológicos......................................................126 CAPITULO 9. ESCENARIOS DE RESIDUOS Y SUSTANCIAS TÓXICAS COTIDIANAS............129 Lección 41. El humo del cigarrillo...............................................................................129 Lección 42. Residuos de Plaguicidas en Alimentos. ...................................................131 Lección 43. Residuos de medicamentos.....................................................................132 Lección 44. Aparatos eléctricos y electrónicos. .........................................................136 Lección 45. Pilas primarias. ........................................................................................138 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................. 142
  4. 4. 4 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Propiedades físico-químicas que influyen en la toxicidad de una sustancia..........15 Tabla 2. Elementos y aspectos importantes en la descripción de una ruta de exposición..17 Tabla 3. Selectividad sistémica de algunos agentes tóxicos. ...............................................22 Tabla 4. Clasificación de las respuestas tóxicas....................................................................30 Tabla 5. Ocupaciones que incrementan el riesgo de ciertos tipos de cáncer......................35 Tabla 6. Algunos Factores de Incertidumbre utilizados por la USEPA .................................42 Tabla 7. Resultados de índice de riesgo para cultivo de papa ............................................56 Tabla 8. Resultados de índice de riesgo para cultivo de cebolla..........................................56 Tabla 9. Rango de concentración de algunos metales en el suelo.......................................61 Tabla 10. Principales efectos del Cadmio en la salud humana ............................................66 Tabla 11. Principales efectos del Zinc en la salud humana ..................................................66 Tabla 12. Principales efectos del Mercurio en la salud humana..........................................67 Tabla 13. Principales efectos del Plomo en la salud humana ..............................................67 Tabla 14. Principales efectos del Manganeso en la salud humana......................................68 Tabla 15. Principales efectos del Arsénico en la salud humana...........................................68 Tabla 16. Principales efectos del Cromo en la salud humana..............................................68 Tabla 17. Tipos de insecticidas. ............................................................................................69 Tabla 18. Descripción y ejemplos de los usos de los PCB.....................................................74 Tabla 19. Características y usos de los principales grupos de BFR.......................................77 Tabla 20. Sustancias incluidas en el Convenio de Estocolmo...............................................84 Tabla 21. Avances Plan Nacional de Aplicación COP............................................................86 Tabla 22. ETA para categoría de peligro a la salud por toxicidad aguda..............................89 Tabla 23. Comunicación de peligro, etiquetas correspondientes a toxicidad aguda. .........90 Tabla 24. Sustancias peligrosas contenidas en productos y aplicaciones............................91 Tabla 25. Contenidos máximos permitidos de mercurio en lámparas fluorescentes..........93 Tabla 26. Clasificación de características de peligrosidad, toxicidad...................................96 Tabla 27. Contenido de una hoja de seguridad....................................................................99 Tabla 28. Principio de extrapolación, toxicidad aguda.......................................................105 Tabla 29. Principio de ponderación....................................................................................106 Tabla 30. Característica de toxicidad, normativa Colombiana...........................................107 Tabla 31. Factores básicos de un bioensayo. .....................................................................119 Tabla 32. Ejemplo de ensayos in vivo con alternativas in vitro..........................................123 Tabla 33. Ejemplo de los lugares de muestreo necesarios para evaluar el impacto del plomo generado por el tránsito de los carros....................................................................124 Tabla 34. Resultados hipotéticos de 20 muestras de suelo colectadas cerca a una autopista.............................................................................................................................125 Tabla 35. Principales tipos de biomarcadores con función y descripción. ........................127 Tabla 36. Ejemplos de efectos crónicos ocasionados por analgésicos y antiinflamatorios no esteroideos.........................................................................................................................134
  5. 5. 5 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Tabla 37. Ejemplos de efectos crónicos ocasionados por agentes reductores de lípidos en la sangre..............................................................................................................................135 Tabla 38. Ejemplos de efectos crónicos ocasionados por componentes neuroactivos.....135 Tabla 39. Ejemplos de efectos crónicos ocasionados por antibióticos..............................136 Tabla 40. Información sobre ingredientes de una pila Zinc Carbón...................................139 Tabla 41. Información sobre ingredientes de una pila Alcalina .........................................139 Tabla 42. Clasificación de los componentes de pilas primarias .........................................140
  6. 6. 6 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.. Naturaleza multidisciplinaria de la toxicología y su división...................................... 12 Figura 2. Sectores que interactúan con la toxicología ambiental en el manejo del medio ambiente. ................................................................................................................................... 12 Figura 3. Estructura química de algunos grupos y sustancias caracterizados por su alta permanencia en el ambiente (A, B y D) o por su alta reactividad (C). ....................................... 16 Figura 4. Ejemplo de la caracterización de una ruta de exposición........................................... 18 Figura 5. Tipos de transporte en la membrana celular. ............................................................. 20 Figura 6. Ruta de Absorción, Distribución, Metabolismo y Excreción en Vertebrados. ............ 24 Figura 7. Estructura de la hoja.................................................................................................... 25 Figura 8. Ejemplo del proceso de biomagnificación del DDT..................................................... 27 Figura 9. Estructura del nucleótido y de la doble cadena en espiral del ADN. .......................... 32 Figura 10. Esquema de los efectos producidos por un genotóxico ........................................... 33 Figura 11. Categorías de exposición y efectos de los agentes tóxicos....................................... 34 Figura 12. Comportamiento y puntos relevantes de una curva dosis – respuesta.................... 38 Figura 13. Curva dosis – respuesta de dos sustancias................................................................ 39 Figura 14. Curvas dosis – respuesta de una sustancia con efectos de diferentes magnitudes . 41 Figura 15. Esquema simplificado del ciclo de análisis de riesgo ................................................ 44 Figura 16. Relaciones costo, nivel de riesgo e incertidumbre.................................................... 47 Figura 17. Efecto de la contaminación por metales en diferentes componentes del medio ambiente .................................................................................................................................... 65 Figura 18. Estructura química de (A) los furanos y (B) de la dioxina TCDD................................ 72 Figura 19. Estructura básica de los PCB...................................................................................... 74 Figura 20. Estructuras químicas básicas de los principales grupos de BFR................................ 76 Figura 21. Ciclo fotolítico del NO2. ............................................................................................. 79 Figura 22. Efectos tóxicos asociados a Dioxinas......................................................................... 83 Figura 23. Comunicación de riesgo para sustancias qímicas ..................................................... 87 Figura 24. Ejemplo de etiqueta para productos químicos ......................................................... 89 Figura 25. Normas y estándares de seguridad, eficiencia energética y ambiental.................... 91 Figura 26. Símbolo que indica la recogida selectiva................................................................... 93 Figura 27. Clasificación de los bioensayos................................................................................ 114 Figura 28. Microcosmos FIFRA, ejemplo de una unidad experimental muti-especie.............. 116 Figura 29. Principales rasgos morfológicos de Daphnia magna .............................................. 118 Figura 30. Vista microscópica Selenastrum capricornutum (Pseudokirchneriella subcapitata) .................................................................................................................................................. 119 Figura 31. Distribución del carbono 11 en el cuerpo de un fumador y un no fumador. ......... 129 Figura 32. Fuentes y vias de exposición de los residuos de medicamentos en el ambiente... 134 Figura 33. Presencia relativa de las clases de medicamentos encontradas en el ambiente ... 135
  7. 7. 7 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO El contenido didáctico del curso académico Toxicología Ambiental fue diseñado por Edwin Camelo Martínez, quien es Ingeniero Químico, Magíster en Ingeniería Ambiental. Se ha desempeñado como consultor para entidades estatales en la gestión integral de residuos peligrosos, de residuos de aparatos eléctricos y electrónicos y de residuos de consumo masivo. Para citar este material por favor hacerlo de la siguiente manera: Camelo, E. (2011). Toxicología Ambiental. Módulo didáctico. Bogotá: Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD.
  8. 8. 8 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental INTRODUCCIÓN Si bien el desarrollo tecnológico y científico ha proporcionado al ser humano una gran cantidad de ventajas frente a los demás seres vivos, este mismo desarrollo le ha otorgado la responsabilidad frente a la conservación y preservación de lo que en este planeta existe. Las mejores herramientas, incluso las de uso diario y masivo, han transformado profundamente eso que se percibe como la cotidianidad: miles de teléfonos celulares activos simultáneamente, decenas de productos farmacéuticos en las gavetas de los hogares, toneladas de productos agrícolas, miles de automóviles circulando las ciudades. Aunque estas herramientas no están disponibles para todas las personas, es claro que el acceso, menos obstaculizado por los precios comerciales actuales, ha sido motivado por la percepción de bienestar que se le ha conferido a estos bienes, lo que nos lleva a un escenario de consumo masivo y a una consecuente dinámica de desarrollo de nuevos productos, nuevas necesidades y, por ende, de nuevos clientes. Para algunos sectores de la sociedad es claro que la mayoría de las sustancias contenidas en los nuevos productos, así como aquellas que se han usado para producirlos y, evidentemente, aquellas que se producen como residuo de la producción y el consumo, tienen asociados unos efectos que se consideran adversos o indeseables para el ambiente, así como para la salud humana, que son de obligatoria consideración para la toma de decisiones ambientalmente sostenibles. En este contexto, es necesario abordar los principios y marcos conceptuales de la toxicología ambiental para que los estudiantes del programa de Ingeniería Ambiental puedan analizar, caracterizar y proponer acciones concretas frente a la problemática creciente de la exposición a sustancias tóxicas, como parte de la cadena de actores involucrados en la toma de decisiones sociales, económicas y políticas. Para lograr este objetivo, el módulo se estructura en 3 unidades, equivalente a 9 capítulos y 45 lecciones. A través de su contenido se fomentan competencias relacionadas con la comprensión de los principios básicos y los desarrollos técnicos en la gestión, que desde diferentes niveles de la sociedad han surgido como respuesta a la problemática ambiental asociada a los agentes tóxicos. En la Unidad 1 el curso se enfoca en la descripción y desarrollo de los conceptos básicos para abordar el estudio de la toxicología ambiental. Se hace un breve recorrido por los principios físicos, químicos y biológicos asociados al estudio de las respuestas tóxicas. Posteriormente se determinan las principales respuestas tóxicas observadas, incluyendo aquellos factores que influyen en las mismas y la manera como la comunidad científica las ha descrito.
  9. 9. 9 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental En la Unidad 2 se presta atención a los principales grupos de sustancias asociadas con las respuestas tóxicas, dedicándose espacios descriptivos para los efectos a la salud y al ambiente, las fuentes principales y las características físico-químicas de las mismas. Dichas sustancias se contextualizan en las iniciativas globales que han surgido como respuesta a la creciente preocupación por la minimización de los riesgos ambientales asociados al uso de éstas. Finalmente, en la Unidad 3 se circunscriben las herramientas que para un profesional del área ambiental pueda apoyar la toma de decisiones en contextos mucho más específicos del sector productivo, incluyendo una revisión de los escenarios de algunos de los residuos tóxicos cotidianos en los que la toxicología ambiental es aplicada y que le permiten estructurar un análisis más detallado de esos y otros casos de contaminación. En cada una de estas unidades se han estructurado actividades grupales y de participación activa por parte de los estudiantes, buscando generar un espacio de discusión y análisis de las implicaciones que desde el punto de vista ambiental tienen las tendencias tecnológicas asociadas al desarrollo.
  10. 10. 10 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental UNIDAD 1 Nombre de la Unidad FUNDAMENTOS DE TOXICOLOGÍA AMBIENTAL CAPÍTULO 1 DEFINICIÓN DE CONCEPTOS BÁSICOS Lección 1 Toxicología, toxicología ambiental y ecotoxicología Lección 2 Sustancias tóxicas Lección 3 Tipos, rutas y vías de exposición Lección 4 Toxicocinética Lección 5 Disponibilidad del tóxico en el ambiente CAPÍTULO 2 CARACTERIZACIÓN DE LA RESPUESTA TÓXICA Lección 6 Clasificación de las respuestas tóxicas Lección 7 Genotoxicidad: mutagénesis y carcinogénesis Lección 8 Factores extrínsecos a la sustancia que afectan la respuesta tóxica Lección 9 Relación dosis – respuesta Lección 10 Unidades e índices de toxicidad CAPÍTULO 3 EVALUACIÓN Y ANÁLISIS DE RIESGOS Lección 11 Introducción al análisis de riesgos Lección 12 Evaluación de riesgo (COP2007 y COP2008) Lección 13 Caracterización del riesgo Lección 14 Manejo de riesgos y comunicación de riesgos Lección 15 Estudio de caso Colombia, riesgo ambiental por metales pesados en cultivos.
  11. 11. 11 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental UNIDAD 1. FUNDAMENTOS DE TOXICOLOGÍA AMBIENTAL CAPITULO 1. DEFINICIÓN DE CONCEPTOS BÁSICOS Lección 1. Toxicología, toxicología ambiental y ecotoxicología Un tóxico es una sustancia o agente de cualquier origen (natural o artificial) que provoca un efecto adverso sobre los organismos vivos (Vallejo, 1997), dicha sustancia o agente puede ser un elemento puro (Cadmio, Plomo, Mercurio, Cromo, entre otros), o un compuesto (como el Cianuro y los Hidrocarburos), y encontrarse en cualquiera de las tres formas físicas posibles. La toxicología, por ende, es la ciencia que estudia el efecto nocivo y la habilidad del tóxico (toxicidad) para alterar la estructura y respuesta de un organismo vivo dada la exposición al mismo, teniendo en cuenta la ocurrencia, naturaleza, incidencia, mecanismos y factores de riesgo que lo caracterizan. Esta ciencia, tiene gran relevancia y aplicación en la evaluación y prevención de daños en la salud y bienestar de los seres vivos (James, Roberts & Williams, 2000; Vallejo, 1997). La naturaleza multidisciplinaria de la toxicología permite su práctica y lógica división en tres ramas: La Toxicología Médica, Económica y Ambiental (Figura 1). La toxicología ambiental, a diferencia de las otras dos divisiones o disciplinas, le da una mayor importancia a los efectos dañinos producidos en el medio ambiente, sin dejar de destacar las alteraciones en los seres humanos (Loomis & Hayes, 1996), ya que de la interacción del hombre con su entorno también se derivan daños a la salud humana, tal como lo resalta Vallejo (1997) al citar “las enfermedades son la respuesta del individuo a su ambiente y la estructura de estas es un reflejo de las condiciones ambientales de su entorno”. Así como la toxicología y otras fuentes de conocimiento se retroalimentan, la toxicología ambiental interactúa con diferentes sectores de la sociedad para aportar en conjunto a la comprensión del ambiente y al manejo adecuado de los recursos. Sectores como el de la comunidad científica, el industrial, las instituciones de control y el público en general (Figura 2). La toxicología ambiental y la ecotoxicología son términos que en algunos contextos pueden ser usados indiscriminadamente. No obstante, es importante precisar que la ecotoxicología hace referencia específicamente al efecto de los tóxicos sobre los ecosistemas, es decir que para esta ciencia el sujeto de estudio principal es realmente el conjunto constituido por las poblaciones, la biocenosis y el hábitat, teniendo por tanto que analizar y describir unas condiciones poco controladas y un gran número de interacciones (Woolley, 2003).
  12. 12. 12 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Figura 1.. Naturaleza multidisciplinaria de la toxicología y su división. Fuente: Adaptado de Loomis, T. A & Hayes, W. (1996). Loomis’s essential of toxicology (4 a Ed.). USA: Academic Press. Figura 2. Sectores que interactúan con la toxicología ambiental en el manejo del medio ambiente. Fuente: Adaptado de Landis, W. G & Yu M. (2003). Introduction to environmental toxicology: Impacts of chemicals upon ecological systems (3a Ed.). Florida: Lewis Publishers.
  13. 13. 13 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Podría considerarse que la ecotoxicología es una ciencia más específica que la toxicología ambiental, en cuanto a su sujeto de estudio, pero que fundamentalmente tienen el mismo objetivo y estructuración, proveniente de la definición de toxicología. En una era industrial, mecanizada y atómica, la toxicología y en especial la toxicología ambiental, se ha potencializado, convirtiéndose en una ciencia dinámica, responsable de evaluar las consecuencias de la producción masiva de nueva sustancias y de nuevas formas de contaminación. Una herramienta fundamental para apoyar las decisiones frente a la conservación de los recursos naturales y los seres vivos, con miras al crecimiento, desarrollo y bienestar de la sociedad humana. Lección 2. Sustancias tóxicas La presencia o el exceso en la concentración de una sustancia o agente (físico, químico o biológico) en un determinado medio con alteraciones dañinas se considera contaminación (Vallejo, 1997). Es importante resaltar que la mayoría de efectos nocivos son consecuencia del exceso en la presencia de un determinado agente. Por ejemplo, los metales hacen parte de los elementos que conforman el suelo, siendo algunos de ellos micronutrientes esenciales para plantas y animales, como el Cobre, que es constituyente de proteínas y enzimas y que regula además procesos tan importantes para las plantas como la formación de tejidos estructurales a través del proceso de lignificación (Bonilla, 2000). Sin embargo, en altas concentraciones el cobre puede inhibir la actividad fotosintética, y en mamíferos rumiantes ocasionar daños en el hígado y anemia (Bjerregaard & Andersen, 2007) La contaminación biológica se produce cuando un virus, bacteria, parásito o especie invasora, aumenta su presencia o se adueña de un nuevo sustrato, generando en uno o varios organismos efectos negativos. La contaminación física por su parte, se refiere a un cambio significativo en formas de energía (ruido, temperatura o radiación) que igualmente causan alteraciones a niveles neurológicos y sensoriales (Vallejo, 1997) Las sustancias químicas, de origen natural o sintético, capaces de modificar negativamente al medio ambiente y al ser humano, son los tóxicos principalmente estudiados por la toxicología ambiental, por tanto constituyen la base de los temas y ejemplos que serán desarrollados en este curso.
  14. 14. 14 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Sustancias químicas contaminantes Fuentes Son producidas por la industria. Según el registro CAS1 actualmente se comercializan 51.667.003 sustancias químicas, un número elevado de sustancias que son procesadas, manipuladas, usadas y posteriormente desechadas sin el adecuado conocimiento de su toxicidad. Las emisiones industriales constituyen el 39% de los contaminantes atmosféricos liberados por año, haciendo su mayor aporte las industrias metalúrgicas y de petróleo. Vallejo (1997) reporta como el 0.1 % del petróleo transportado por vía marítima es arrojado al mar, contaminando los cuerpos de agua. Principales sustancias Agentes químicos de mayor uso y toxicidad: metales, hidrocarburos, compuestos orgánicos volátiles, dioxinas, furanos, plaguicidas, fertilizantes, bifenilos policlorados y compuestos bromados retardantes de llama. Sustancias en las que se profundizará en los capítulos 4 y 5, respectivamente. La toxicidad es la capacidad de una sustancia para producir una alteración dañina en un organismo vivo. Esta cualidad del tóxico depende de factores inherentes a la sustancia, factores del organismo expuesto y de las condiciones ambientales en las que se encuentra el individuo (Vallejo, 1997). Entrando en los factores inherentes a la sustancia encontramos que sus propiedades físicas y químicas son determinantes en la toxicidad que producen (Tabla 1). Con respecto a la estructura química, la presencia de ciertos grupos funcionales dentro de la molécula, le otorga a ésta ciertas cualidades que determinan su toxicidad, se pueden citar:  Alta reactividad: La molécula es capaz de reaccionar con grupos endógenos del organismo, aumentando la capacidad del tóxico de alterar procesos metabólicos. Ejemplo de ello es la oxidación, por parte de los grupos nitro (NO2) y amino (NH2), del ion ferroso que contiene la hemoglobina de la sangre. Esta interacción impide el transporte eficiente de oxígeno en el individuo y puede provocarle grandes daños. Otros grupos de alta reactividad son los alquilos de azufre o de fósforo. 1 Registro de la Chemical Abstract Service, una división de la American Chemical Society.
  15. 15. 15 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Tabla 1. Propiedades físico-químicas que influyen en la toxicidad de una sustancia.  Estabilidad en el medio: Por otro lado, si una molécula no es soluble en agua y además su estructura tiene un predominio de enlaces químicos muy estables, es una sustancia poco reactiva y, por ende, se convierte en un agente fácilmente acumulable dentro de un individuo o ecosistema. El DDT, un agroquímico organoclorado conocido por su alta toxicidad, es degradado en un 50% en un periodo de 2 a 15 años, dependiendo del tipo de suelo (ATSDR, 2002). La presencia de halógenos y de anillos aromáticos en las moléculas brindan a las sustancias las características de permanencia descritas (Figura 3).  Fácil degradación o eliminación: Los tóxicos solubles en agua son fácilmente excretados por el cuerpo, los grupos hidroxilos y carboxilos, presentes en cadenas abiertas de pocos carbonos, son los responsables de darle a la sustancia tal característica. Dichos grupos unidos a anillos aromáticos otorgan polaridad a la molécula, lo que favorece su solubilidad y su degradación.
  16. 16. 16 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Figura 3. Estructura química de algunos grupos y sustancias caracterizados por su alta permanencia en el ambiente (A, B y D) o por su alta reactividad (C). Nota. (A) Benceno. (B) Naftaleno. (C) Trinitrotolueno. (D) DDT –diclorodifeniltricloroetano- Teniendo en cuenta que la identificación de las características de una molécula están relacionados con su comportamiento físico y químico, resulta de mucha utilidad poder predecir cuál o cuáles serán los efectos que una sustancia conocida puede tener. En este contexto, el QSAR (Quantitative Structure Activity Relationship) se propone como un método de estimación de la toxicidad de un agente, basado en los efectos observados para sustancias con propiedades físicas y estructurales parecidas a aquella objeto de estudio. QSAR es una herramienta útil que tiene en cuenta el aporte de cada característica de la estructura molecular, permitiendo calcular su toxicidad potencial. Este método permite la selección de sustancias químicas de menor impacto en el medio ambiente, que igual cumplen con las propiedades deseadas a nivel industrial (Landis & Yu, 2003) Otros factores inherentes a los agentes químicos y que determinan su toxicidad son: Las vías de ingreso al organismo, la magnitud a la exposición y la toxicocinética de la sustancia. Estos temas serán abordados y profundizados en las próximas lecciones. Lección 3. Tipos, rutas y vías de exposición En términos de la toxicología, la Exposición se entiende como el contacto, de un organismo o una población, con un agente tóxico (Peña, Carter & Ayala-Fierro, 2001), considerándose como el estado inicial de la manifestación de la toxicidad. Los tipos de exposición se clasifican de acuerdo a: (1) la concentración del tóxico asociada a la dosis, (2) al tiempo de exposición y (3) a la aparición de los efectos, obteniendo tres categorías principales (Vallejo, 1997): Aguda o instantánea En la cual la exposición está dada por una dosis, en un solo evento, generando efectos a corto plazo, es decir inmediatos o dentro de las 24 horas siguientes.
  17. 17. 17 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Subcrónica o repetida por periodos cortos: Es una exposición en dosis bajas que se produce en varios eventos, está asociada a las actividades del individuo, especialmente a las jornadas laborales en los seres humanos. La respuesta o alteración dañina depende del grado de exposición. Crónica o continua por periodos largos: Se produce por exposiciones a muy bajas concentraciones del tóxico, en periodos largos o vitalicios, generando efectos tardíos que pueden aparecer después de meses o años. Está asociada a la cotidianidad y está principalmente relacionada a contaminación del agua, aire y/o los alimentos. Dos aspectos adicionales y de importancia son la ruta y la vía de exposición, estos términos participan en la caracterización y evaluación del estado inicial de la toxicidad. La ruta de exposición hace referencia al proceso del tóxico desde el lugar de emisión hasta el contacto con el individuo o población, constando así de cuatro principales elementos: la fuente de liberación, el mecanismo de transporte, el punto de contacto con el individuo o población, y la vía de ingreso o de exposición al organismo (Peña et al., 2001). Para describir la ruta se tienen en cuenta los cuatro elementos, asociados a aspectos importantes tal y como se observa en la Tabla 2. Tabla 2. Elementos y aspectos importantes en la descripción de una ruta de exposición
  18. 18. 18 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Figura 4. Ejemplo de la caracterización de una ruta de exposición Fuente: Peña, C. E., Carter D.E & Ayala-Fierro F. (2001). Toxicología Ambiental: Evaluación de Riesgos y Restauración Ambiental. La vía de exposición al ser el elemento final, es un término de gran importancia, dado que determina la entrada del tóxico al organismo. Este ingreso puede darse principalmente de tres formas (Loomis & Hayes, 1996; Vallejo, 1997): Vía inhalatoria: Mecanismo de ingreso de tóxicos en forma gaseosa, y de partículas y fibras que no superen 10 µm de tamaño. La contaminación atmosférica es común en ambientes industriales y en áreas urbanas con alta densidad poblacional, lo que ha hecho que entidades de vigilancia y control establezcan y supervisen las concentraciones permitidas de compuestos químicos emitidos a la atmósfera, por las chimeneas de las industrias como Dioxinas y Furanos, o por tubos de escape de vehículos, como los óxidos de azufre o plomo. Vía Oral: Vía de ingreso de las sustancias tóxicas que sean ingeridas. Las condiciones de pH y los fluidos particulares del tracto digestivo, hacen que la respuesta al tóxico sea particular al mismo, es decir, existen algunos tóxicos, como los fenoles, que a determinadas concentraciones dañan solamente las mucosas que recubren el aparato digestivo, llegando a una necrotización o muerte del tejido. Cuando los tóxicos son absorbidos por las mucosas y pasan a otros órganos se producen alteraciones que pueden resultar sistémicas. Una variable adicional a la toxicidad iniciada por ésta vía es la interacción del tóxico con las secreciones gástricas, biliares y pancreáticas, y el contenido preexistente del estómago, puesto que la toxicidad puede aumentar o disminuir acorde a dicha interacción.
  19. 19. 19 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Vía Cutánea: Aunque la piel es un órgano eficiente de aislamiento y protección, existen tóxicos especialmente liposolubles capaces de producir reacciones adversas al tener contacto con la piel, como por ejemplo el ácido fórmico, que logra alterar la integridad de la piel rompiendo su capa superficial. Por lo general, la respuesta inicia en el lugar de la exposición, no obstante esta puede extenderse y convertirse en sistémica. Los principales factores que determinan la capacidad de una sustancia para atravesar la piel son el pH, el tamaño molecular, la liposolubilidad y el lugar del cuerpo donde hizo contacto. Lección 4. Toxicocinética La Toxicocinética estudia el proceso que sufre un tóxico desde el ingreso a un organismo hasta su eliminación. Dada la exposición, la sustancia genera toxicidad siempre y cuando supere las estrategias de protección a los tejidos diana (inmovilización, inactivación y eliminación), que el organismo le presenta (Peña et al., 2001). Este proceso ha sido dividido en cuatro etapas principales: Absorción, Distribución, Metabolismo y Excreción, por lo que es conocido como ADME. Absorción: Es la etapa inicial, el paso del exterior a la circulación dentro del organismo. El tóxico debe traspasar en ésta etapa las barreras y membranas biológicas, lo cual realiza a través de mecanismos de transporte como:  Difusión simple, para moléculas polares de bajo peso, preferiblemente hidrófobas, que depende del gradiente positivo entre el medio contaminado y la sangre (o sistema circulatorio del organismo).  La Difusión facilitada, en la cual se requieren de proteínas especializadas para transportar moléculas hidrofílicas.  Transporte Activo, en el que las proteínas transportan solutos de alto peso molecular en contra del gradiente de concentración, consumiendo energía (Curtis y Barnes, 2000).
  20. 20. 20 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Figura 5. Tipos de transporte en la membrana celular. Fuente: Curtis, H & Barnes, N.S. (2000). Biología (6 a Ed.). Buenos Aires: Editorial Medica Panamericana. Los tejidos que recubren el tracto gastrointestinal y el aparato respiratorio, así como la piel, son las superficies más comunes de absorción, dado que estas son las principales vías de exposición. Estos tejidos además de estar particularmente expuestos a tóxicos, son aquellos responsables del intercambio de sustancias vitales para el organismo, siendo eficientes en este proceso, gracias a su alta irrigación sanguínea, al aumento en la superficie de absorción (ej. Vellosidades del intestino), al bajo espesor de la membrana (ej. Los alvéolos pulmonares) y a un periodo prolongado de exposición (O’ Flaherty, 2000; Peña et al., 2001). Dentro de los mecanismos de protección o defensa contra la absorción de contaminantes desarrollados por estos tejidos encontramos:  Para el tracto gastrointestinal: pH bajo, degradación y/o transformación por la actividad enzimática y microbiana (flora intestinal).  En el aparato respiratorio: Filtrado de los vellos nasales, expulsión física (estornudo), producción de moco nasal.  En la piel: Baja permeabilidad, disposición de varias capas, baja irrigación sanguínea en las capas externas, ausencia de transporte activo.
  21. 21. 21 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Distribución: En ésta etapa el tóxico deja de estar en el sistema circulatorio para pasar a ubicarse en otros tejidos y órganos del cuerpo. Los compartimentos de destino pueden ser órganos de almacenamiento o el blanco del tóxico. Algunos contaminantes tienen afinidad por ciertos tejidos, lo cual influye en su distribución, como es el caso de los hidrocarburos aromáticos policíclicos y su especificidad hacia la melanina del ojo, o de algunos metales que se fijan a las proteínas hepáticas para posteriormente depositarse en huesos y dientes, otros ejemplos citados por Vallejo (1997) se observan en la Tabla 3. Los mecanismos de defensa en esta fase, que logran proteger a órganos más susceptibles e importantes del cuerpo, están dados por la acumulación en órganos especializados y por la existencia de membranas o barreras de exclusión que impiden la entrada del tóxico. Teniendo en cuenta las propiedades físicas y químicas antes mencionadas, el contaminante puede estar almacenado temporalmente o ser rápidamente eliminado (Landis & Yu, 2003). Los órganos de depósito son principalmente los pulmones, los riñones, el hígado, el tejido óseo y el adiposo. En el caso de los riñones y el hígado, debido al predominante mecanismo de transporte activo y su alta irrigación, se favorece la tendencia a la acumulación del tóxico y por ende su susceptibilidad a una intoxicación. En el tejido adiposo pueden quedar atrapados contaminantes hidrofóbicos, no obstante esta acumulación no es permanente y permite que el tóxico vuelva a circular en el cuerpo, ligado a los lípidos que se movilizan en la sangre, producto de una actividad prolongada del organismo. En el tejido óseo específicamente, se tiene el depósito de potasio y el sitio de acción de los fluoruros (Peña et al., 2001). Como ejemplo de las barreras de exclusión, está la barrera cerebro-sangre o BBB (Blood- Brain Barrier), cuyo mecanismo de protección consiste en una membrana constituida por células capilares estrechamente unidas que no permiten la difusión pasiva, dada la ausencia de poros o espacios, una capa adicional de células gliales, y una baja concentración de proteínas transportadoras de lípidos (Barile, 2008).
  22. 22. 22 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Tabla 3. Selectividad sistémica de algunos agentes tóxicos. Nota. Fuente: Vallejo, M. (1997). Toxicología ambiental: Fuentes, cinética y efectos de los contaminantes. Bogotá: Fondo Nacional Universitario. Metabolismo: Es el conjunto de biotransformaciones que sufre el tóxico dentro del organismo, que tienen por objetivo reducir su efecto (detoxificación) y pasar de un complejo liposoluble a uno hidrosoluble, facilitando su eliminación. Esta etapa está dada por lo general, pero no exclusivamente, en el hígado (Vallejo, 1997) y es mediada en su totalidad por enzimas. La biotransformación de los contaminantes se divide en dos fases (Landis & Yu, 2003):  Fase I: Se caracteriza por la introducción de un grupo polar (hidrofílico) al contaminante, a través de reacciones de oxidación, reducción o hidrólisis, obteniendo un metabolito primario.  Fase II: Son reacciones de conjugación, en las que el metabolito primario, producido en la Fase I, es combinado con sustancias endógenas para formar un complejo más hidrosoluble. Los sustratos endógenos utilizados en la conjugación son el ácido glucorónico (gluconidación), ácido sulfúrico (sulfatación) y el glutatión. Es importante decir que algunos contaminantes durante las fases de biotransformación pasan a su forma activa (bioactivación), o logran vencer las defensas del organismo, generando una respuesta tóxica.
  23. 23. 23 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Excreción: Etapa final del proceso en la que el contaminante es expulsado del organismo. El tóxico puede ser eliminado en su forma original o como el metabolito resultante de las fases de biotransformación (Barile, 2008). La excreción se da por:  La orina: Los riñones son el órgano más importante en la eliminación de tóxicos, puesto que remueven los contaminantes de la sangre. La excreción por este medio es posible gracias al bajo pH de la orina y al aumento de la solubilidad en agua del tóxico, producto del metabolismo.  Heces: Los tóxicos transformados en el hígado, los no absorbidos, los acumulados en la flora intestinal y los que pasan por difusión pasiva de la sangre al intestino, son eliminados a través de la materia fecal.  Vía pulmonar: Algunos gases y líquidos volátiles son expulsados por difusión simple a través de la exhalación, su eliminación por este medio es inversa a la solubilidad de estos en la sangre, así por ejemplo el dióxido de etileno al ser poco soluble en la sangre es fácilmente exhalado, contrario al cloroformo y al etanol.  Secreciones de la glándula mamaria: La leche producida durante la época de lactancia es una sustancia acuosa con un elevado componente lipídico, lo que conlleva al paso sin mayor restricción de cualquier sustancia tanto hidrofílica como hidrofóbica a la leche, constituyéndose en un factor de riesgo para los consumidores de la misma.  Otras secreciones: Las lágrimas, la saliva, el sudor y los folículos del cabello, son otros mecanismos de eliminación de contaminantes. En plantas la toxicocinética es similar, dada la exposición a un contaminante atmosférico, el ingreso del mismo al organismo vegetal está determinado inicialmente por la forma, orientación y características de la epidermis de las hojas. La siguiente barrera está mediada por el aparato estomático (Abertura de la epidermis de las hojas y tallos, rodeada de células oclusivas que regulan el intercambio gaseoso). Una vez el tóxico entra a la hoja se desplaza por el espacio intercelular donde puede permanecer en su forma original o cambiar a un estado de mayor actividad, si el tóxico entra a las células puede ser acumulado, en tejidos como el parénquima, o causar daños directamente en las membranas, enzimas y organelos de las células, alterando procesos tan importantes como el de la fotosíntesis. No obstante, la planta a través de sustancias endógenas, como el ascorbato, logra neutralizar algunos contaminantes. La excreción puede darse por el aparato estomático y/o por medio de secreciones (Landis & Yu, 2003).
  24. 24. 24 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Las etapas y el proceso ADME son análogos en un ecosistema, tomando a éste como un organismo. El contaminante puede llegar a un ecosistema por medio del aire y/o las descargas de desechos domésticos e industriales a los cuerpos de agua. Una vez se da la exposición, el tóxico puede distribuirse libremente a través de los compartimientos del ecosistema (aire, agua, suelo, flora, fauna) y ser secuestrado por alguno de estos (ej. Suelos arcillosos), retrasando así sus efectos (Woolley, 2003). De las características del contaminante, del medio en el que se encuentra y de la magnitud de la exposición, depende la expansión, permanencia o fácil eliminación del mismo. Figura 6. Ruta de Absorción, Distribución, Metabolismo y Excreción en Vertebrados. Fuente: Landis, W. G & Yu M. (2003). Introduction to environmental toxicology: Impacts of chemicals upon ecological systems (3 a Ed.). Florida: Lewis Publishers.
  25. 25. 25 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Figura 7. Estructura de la hoja. Fuente: Curtis, H & Barnes, N.S. (2000). Biología (6 a Ed.). Buenos Aires: Editorial Medica Panamericana. Lección 5. Disponibilidad del tóxico en el ambiente Como parte de la descripción del proceso que sufre un tóxico dentro de un determinado ambiente, se encuentran fenómenos de bioacumulación, bioconcentración, biomagnificación y persistencia. Términos de la toxicología ambiental asociados a la disponibilidad final que alcanza el agente contaminante dentro del ambiente infectado y que por ende, influyen en su toxicidad. Bioacumulación Se entiende Bioacumulación como el aumento de la concentración del tóxico dentro de los organismos respecto a la concentración del tóxico en el ambiente (Landis & Yu, 2003). La Bioacumulación se evalúa como consecuencia del conjunto de las vías de exposición (inhalación, cutánea y oral). Para analizar la proporción en la que se está acumulando el agente, se usa el factor de bioacumulación (BAF por sus siglas en inglés), el cual relaciona la concentración del tóxico en el organismo (C1) y la del medio (Cm) de acuerdo a la expresión:
  26. 26. 26 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental BAF = C1 / Cm En la literatura puede encontrarse el término Bioconcentración para describir también el incremento en la concentración del agente, no obstante, en un sentido estricto, al hablar de bioconcentración no se tiene en cuenta la dieta, es decir, la exposición oral dada por la ingesta de alimentos contaminados (Mackay & Fraser, 2000). DeForest, Brix & Adam (2007) en una investigación en ambientes acuáticos evaluando diferentes metales, encontraron que el factor de Bioacumulación (BAF) excede al factor de bioconcentración (BCF) de 100 a 1.000 veces, mostrando la importancia de la dieta en la exposición. Adicionalmente, hallaron una correlación negativa entre los factores y la concentración de exposición en el agua, para la mayoría de especies evaluadas, la cual relacionaron con mecanismos metal-especie específicos, como regulación interna, sistema de absorción saturable y la existencia previa de metales presentes en el organismo. No obstante, encontraron también algunas especies con mecanismos deficientes de protección y/o excreción, es decir con tasas de absorción proporcionales a la concentración del medio. Por tanto, el análisis adecuado de los fenómenos de acumulación debe tener en cuenta las características de la especie objeto de estudio, y estar basado, tanto en los resultados de los factores BAF o BCF, como en la concentración de exposición del tóxico en el ambiente, Cm. Biomagnificación La biomagnificación es la transferencia de un agente contaminante a través de la dieta, obteniendo una mayor concentración en el organismo que en la fuente o alimento del mismo (Connell, 1989 citado en Gray, 2002). En el análisis de éste fenómeno se utiliza principalmente como objeto de estudio las cadenas alimenticias o redes tróficas (Figura 8). El factor de biomagnificación (BMF, por sus siglas en inglés) es la relación entre la concentración del organismo o la de un tejido determinado (C1) y la de su alimento (C2). Dicho factor también es conocido como factor de transferencia trófica (TTF por sus siglas en inglés) (DeForest et al., 2007) calculado de acuerdo a la expresión: BMF ó TTF = C1 / C2 No obstante, el uso de ésta herramienta es limitado, teniendo en cuenta que un solo individuo tiene varias fuentes de alimento, cada una con concentraciones diferentes del agente (Mackay & Fraser, 2000), lo que hace necesario el uso de condiciones controladas
  27. 27. 27 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental dentro de un laboratorio, o el empleo de modelos particulares para cada objeto de estudio. Figura 8. Ejemplo del proceso de biomagnificación del DDT. Fuente: Greenpeace España. (2004). El DDT en España, un caso único en Europa. España. Investigaciones en cadenas alimenticias de ambientes acuáticos muestran como el fenómeno de magnificación está influenciado por variables como edad, sexo, cantidad de tejido adiposo, posición en la cadena alimenticia, tiempo (estaciones) y espacio (gradientes de la concentración de exposición). McIntyre & Beauchamp (2007) estudiaron el fenómeno de biomagnificación del Mercurio y de algunas sustancias organocloradas, asociándolo a la red trófica del Lago Washington. La investigación encontró que la edad y la posición dentro de la red son las variables de mayor influencia en la magnificación de los tóxicos evaluados. La edad no es un aspecto muy común en este tipo de análisis, no obstante a través del estudio de McIntyre & Beauchamp (2007) se demuestra que predadores de mayor edad tienen una tasa de biomagnificación mayor que los predadores juveniles. La cantidad de lípidos en el organismo es una variable normalmente asociada a una mayor acumulación, especialmente de tóxicos liposolubles, en éste caso las sustancias organocloradas; sin embargo, el estudio no encontró relaciones significativamente fuertes que muestren una relación causal entre la proporción de tejido adiposo y la magnificación de los contaminantes analizados, mostrando así que cada ambiente es un objeto de estudio particular a describir.
  28. 28. 28 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Persistencia La persistencia de un contaminante en el ambiente, es un fenómeno relacionado con la resistencia de la sustancia a ser degradada por procesos, químicos o biológicos, que se dan de forma natural en el ambiente. Muchas investigaciones sobre el fenómeno están asociadas concretamente al estudio de los agroquímicos utilizados como pesticidas, especialmente los que pertenecen a los organoclorados (DDT, HCH, Endosulfan, entre otros). El Endosulfan, pese a su restricción, es uno de los pesticidas más utilizados en los países en vía de desarrollo, gracias a su bajo costo y amplio rango de acción. Tal como lo menciona Jayashree & Vasudevan (2007), algunos trabajos reportan los efectos genotóxicos, neurotóxicos, y las alteraciones sobre el ambiente acuático y las gónadas de los mamíferos, ocasionados por el pesticida. La persistencia en el ambiente es medida a través del monitoreo de la sustancia o del metabolito resultante. El endosulfan, por ejemplo, está constituido por la mezcla de dos isómeros: el α-endosulfan y el β-endosulfan. En estudios sobre cultivos arroceros de la India, la concentración de β-endosulfan en el suelo recién aplicado el pesticida fue de 6.39 mg/kg, disminuyéndose a 0.8 mg/kg en un periodo de 150 días (Jayashree & Vasudevan, 2007). El sulfato de endosulfan, resultante del proceso de oxidación que realizan hongos y algunos microorganismos, es el metabolito más persistente del pesticida, éste fue precisamente encontrado por Jayashree & Vasudevan (2007) en la cascarilla (0.09 mg/kg) y en el grano de arroz (2.2 mg/kg) de los cultivos con aplicación del pesticida. El monitoreo de la concentración de los agentes contaminantes en los diferentes componentes del ambiente, es importante para conocer la tasa de degradación y eliminación del tóxico, así como el periodo de acción y la concentración que permanece a través de la ruta de exposición.
  29. 29. 29 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental CAPITULO 2. CARACTERIZACIÓN DE LA RESPUESTA TÓXICA Lección 6. Clasificación de las respuestas tóxicas La exposición a un agente contaminante y su posterior proceso dentro del organismo (ADME), genera en el individuo o en el objeto de estudio un conjunto de efectos negativos o respuestas tóxicas (intoxicación). La caracterización de las respuestas tóxicas está asociada, en primer lugar, al tipo de contacto con el contaminante, es así como tenemos parámetros de clasificación similares para la exposición y para las intoxicaciones. Intoxicación aguda: Alteraciones en el organismo inmediatas, o en un periodo máximo de 24 horas, dadas por una dosis, generalmente sobredosis, de un agente tóxico Intoxicación Subaguda: Respuestas tóxicas que se manifiestan a mediano plazo, siendo originadas por exposiciones repetitivas o en varias dosis. Asociada frecuentemente en humanos a su ocupación y jornada laboral. Intoxicación Crónica: Se presentan efectos tardíos o a largo plazo, producidos por exposiciones a muy bajas concentraciones del tóxico, en periodos largos o durante todo el ciclo de vida del organismo. Además de la clasificación por el tipo de exposición, Vallejo (1997) menciona clases de efectos determinadas por alcance, duración y tiempo de manifestación, tal como se muestra en la Tabla 4. Es importante resaltar que un mismo efecto puede clasificarse en varias clases, por ejemplo, la quemadura con un agente químico por lo general ocasiona efectos locales, reversibles e inmediatos. Por ende, la caracterización de la respuesta tóxica es la combinación adecuada de las categorías. Las respuestas sistémicas más comunes se dan en los riñones, en el hígado y en el sistema nervioso, debido a sus estructuras y funciones, así pues la capacidad de inducir daños en dichos órganos se denominan: nefrotoxicidad, hepatoxicidad y neurotoxicidad, respectivamente. Nefrotoxicidad Según Middendorf & Williams (2000), los riñones son los principales órganos de excreción del cuerpo. Su función principal es filtrar la sangre, removiendo los residuos y eliminándolos a través de la orina. Los daños en estos órganos se pueden manifestar inicialmente a través del incremento en el contenido de proteínas en la orina y cambios en el volumen de la misma. Los mecanismos de acción de los agentes nefrotóxicos, son:
  30. 30. 30 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental  La vasoconstricción (reducción del volumen del vaso sanguíneo), que disminuye, tanto la cantidad de sangre a filtrar como la entrega de oxígeno al órgano,  El daño directo a las estructuras especializadas en la filtración dentro de los riñones (glomérulos, túbulos proximal y distal, asa de Henle), causando un desbalance en la regulación de las sustancias importantes para el cuerpo (glucosa, amino ácidos) y las que deben ser eliminadas (tóxicos). Los principales nefrotoxicos son: cadmio, mercurio, plomo y cloroformo. Tabla 4. Clasificación de las respuestas tóxicas
  31. 31. 31 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Neurotoxicidad El sistema nervioso es una red intercomunicada de neuronas que se distribuye por todo el cuerpo. Su función de regulación y control está ligada al resto de sistemas del organismo, por lo que las alteraciones neurotóxicas se pueden manifestar en cambios en las frecuencias cardiaca y respiratoria, en la percepción sensorial, coordinación y hasta en niveles cognitivos y comportamentales, lo que dificulta muchas veces su adecuada identificación, cuantificación y manejo. Los mecanismos de acción de los neurotóxicos se basan principalmente en la interrupción de la red neuronal, a través del daño de las células, de la síntesis o función de los neurotransmisores, y la alteración de enzimas reguladores del proceso de neurotransmisión (Donkin & Williams, 2000). Hepatoxicidad El hígado es el órgano del cuerpo encargado de filtrar la sangre proveniente del tracto gastrointestinal, encargándose del almacenamiento y metabolismo de carbohidratos, de la formación de la bilis y de la urea, del metabolismo de grasas y hormonas, y de la biotransformación de los agentes extraños posiblemente tóxicos. Dadas sus funciones, el hígado es un paso obligado de los contaminantes, especialmente aquellos que ingresaron por la vía oral. Si el proceso de biotransformación ocasiona la activación del agente o la formación de metabolitos tóxicos, es el hígado el órgano que inicialmente recibe el impacto del mismo, haciéndose susceptible a intoxicaciones. Los mecanismos de acción son principalmente intracelulares, afectando los organelos de las células hepáticas, lo que deriva en la degeneración y necrosis (muerte de un conjunto de células) de los tejidos o del órgano en conjunto. Los daños celulares ocasionan alteraciones en las funciones hepáticas, las cuales se manifiestan en daños vasculares, cirrosis, hígado graso, colestasis y formación de tumores (Roberts, James & Franklin, 2000). Lección 7. Genotoxicidad: mutagénesis y carcinogénesis El ácido desoxirribonucleico (ADN) es una molécula conformada por dos cadenas de nucleótidos entrelazados que forman una doble hélice (Figura 9). El ADN contiene la información que codifica y determina la expresión de las proteínas del cuerpo (Griffiths, Gelbart, Miller & Lewontin, 2000).
  32. 32. 32 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental En la actualidad, un gran rango de agentes naturales y sintéticos es capaz de inducir alteraciones en el ADN (Genotoxicidad), generando cambios en la estructura y por ende en la información contenida en la molécula (mutación). Figura 9. Estructura del nucleótido y de la doble cadena en espiral del ADN. Fuente: Curtis, H & Barnes, N.S. (2000). Biología (6 a Ed.). Buenos Aires: Editorial Medica Panamericana. La mutagénesis (generación de cambios en el ADN) puede afectar células somáticas o germinales (Figura 10). En las células somáticas (cualquier célula del cuerpo) la mutación puede transmitirse por división celular ocasionando degeneraciones, como el cáncer, o muerte celular. En las células germinales (óvulo, espermatozoide) causa disminución en la fertilidad, abortos espontáneos, y defectos en las progenie, estas alteraciones pueden ser dominantes o recesivas, es decir manifestarse o no en la primera generación (Teaf & Middendorf, 2000). Los daños en las células somáticas embrionarias, causados después de la concepción y antes del nacimiento, es decir durante el desarrollo del feto, se denomina teratogénesis, este tipo de alteraciones se producen cuando la hembra en gestación se expone a un agente tóxico. La teratogénesis es consecuencia de diferentes tóxicos, no sólo aquellos asociados a genotoxicidad (Vallejo, 1997; Philp, 2001).
  33. 33. 33 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Figura 10. Esquema de los efectos producidos por un genotóxico Fuente: Teaf, C & Middendorf, P. J. (2000). Mutagenesis and Genetic Toxicology. En P. L. Williams, R. C. James & S. M. Roberts (Eds.), Principles of toxicology: Environmental and industrial applications (pp 239 - 265). New York: John Wiley & Sons, Inc. Los mecanismos a través de los cuales se producen las mutaciones, son clasificados por Philp (2001) en:  Mutaciones puntuales: Alteración de unas pocas pares de bases, a través de la deleción, adición, o sustitución de pares de bases.  Aneuploidización: Cambio en el número de cromosomas.  Clastogénesis: Daños en el cromosoma dados por fragmentación y/o translocaciones en la estructura del mismo. La carcinogénesis es la proliferación anormal de células, consecuente a una mutación, que induce la producción de tumores malignos, los cuales destruyen los tejidos adyacentes y se distribuyen (metástasis) a través de la sangre (Vallejo, 1997). La inducción de cáncer ha sido descrita en tres pasos principales, tal como los describe Philp (2001). 1. Iniciación: la interacción del agente genotóxico con el ADN, 2. Promoción: Es el incremento en la tasa de crecimiento de los tumores o la reducción de su estado de latencia, a través de agentes promotores que no interactúan con el ADN. Algunas sustancias además de promotores pueden ser co-carcinógenos (agentes que junto a los carcinógenos aumentan la producción de tumores). 3. Progresión: Desarrollo particular de la enfermedad.
  34. 34. 34 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Conociendo los tipos y vías de exposición, y ahora los efectos o respuestas tóxicas, podemos entonces identificar las asociaciones más comunes entre estos términos, tal como lo hace Vallejo (1997) a través de la Figura 11. Figura 11. Categorías de exposición y efectos de los agentes tóxicos Fuente: Vallejo, M. (1997). Toxicología ambiental: Fuentes, cinética y efectos de los contaminantes. Bogotá: Fondo Nacional Universitario. Lección 8. Factores extrínsecos a la sustancia que afectan la respuesta tóxica Recordemos que la toxicidad, y por ende la respuesta tóxica, dependen de factores inherentes a la sustancia (referidas en lecciones anteriores), de factores del organismo expuesto y de las condiciones ambientales en las que se encuentra el individuo. Los aspectos relacionados con el organismo y su ambiente son factores extrínsecos a las sustancias que alteran significativamente los efectos que ésta produce. Dentro de los factores ambientales tenemos: Condiciones climáticas Las características de una región, lugar o estación (presión atmosférica, humedad y temperatura), influyen en las propiedades, movilización y eliminación de un determinado agente tóxico (Vallejo, 1997). Por ejemplo, en regiones con climas cálidos (o en el verano) vías de eliminación como el sudor se incrementan, facilitando la eliminación de algunos tóxicos.
  35. 35. 35 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental País de residencia (cultura – tradiciones) Estudios epidemiológicos demuestran, que la población de un determinado país es más propensa a cierta enfermedad, que los habitantes de otro país. A través de estudios y estadísticas, se ha descartado una explicación genética y se ha fortalecido el argumento cultural y geográfico, puesto que personas que residen en un país distinto al de su residencia, por lo general, tienen la misma probabilidad de los residentes nativos (Peña et al., 2001). Las particularidades de índole geográfico y cultural de una región o país, determinadas por la dieta, el grado de industrialización, la cotidianidad, el marco legislativo, entre otros aspectos, determinan las características de exposición de la población allí residente a agentes contaminantes. Ocupación El tipo de ocupación o actividad laboral desarrollada por el individuo, influye en la exposición a materiales tóxicos, tanto en el tipo de sustancia, como en el periodo de exposición a la misma. Peña et al. (2001) muestra algunos ejemplos de ocupaciones que incrementan el riesgo de sufrir cáncer (Tabla 5). Tabla 5. Ocupaciones que incrementan el riesgo de ciertos tipos de cáncer Nota. Fuente: Peña, C. E., Carter D.E & Ayala-Fierro F. (2001). Toxicología ambiental: Evaluación de riesgos y restauración ambiental. Los factores que dependen del organismo receptor del agente tóxico son: Edad En los extremos de la vida de un individuo (ej. niñez y vejez) algunos procesos, como la biotransformación y la excreción de sustancias, se hacen menos eficientes. En neonatos,
  36. 36. 36 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental el desarrollo completo del sistema enzimático se cumple entre los 6 y 12 meses de edad, incrementando el riesgo de intoxicaciones en bebes con edad inferior. La composición del organismo cambia con la edad, a medida que se va envejeciendo el cuerpo disminuye su proporción de agua, pasando de un 75% a un 50%, y aumenta el de grasas, lo que ocasiona una recepción y acumulación diferencial entre tóxicos con alta o baja liposolubilidad (Philp, 2001). Sexo La desigualdad en la respuesta a un tóxico entre géneros, está fundamentada en las diferencias en el tamaño corporal, contenido de grasa, tasa metabólica basal, y presencia y expresión hormonal (Philp, 2001). La producción de estrógeno, por ejemplo, favorece la síntesis enzimática, no obstante y acorde a la sustancia del caso, las enzimas generadas pueden activar o eliminar al agente contaminante, evidenciando mayor susceptibilidad o resistencia en hembras (Vallejo, 1997). Factor genético Los procesos de biotransformación están regulados por varios genes, la diferencia en uno de ellos determina la variabilidad en la respuesta a nivel poblacional o individual en su proceso ADME, puesto que la variación puede derivar en efectos distintos entre organismos para una misma sustancia (Peña et al., 2001). Enfermedades Una patología que represente daños en órganos importantes dentro de la biotransformación, acumulación y eliminación de los contaminantes (hígado, riñones), o que haya dejado secuelas en el funcionamiento de los mismos, aumenta la toxicidad del agente. Algunas enfermedades alteran mecanismos de protección, como el daño en la barrera sangre-cerebro o BBB causado por la meningitis, generando el paso de sustancias que generalmente serían retenidas (Philp, 2001) La enfermedad y la posterior intoxicación sobre un órgano pueden ocasionar la pérdida total de sus funciones, lo que como consecuencia lleva al detrimento de la vida del individuo o a su muerte inmediata. Estado nutricional El régimen nutricional influye en la toxicidad de una sustancia, la interacción del tóxico con alimentos, antes o después de su ingesta, altera los efectos del mismo. Es así como, por ejemplo, la deficiencia de proteínas y de ácidos grasos, y el exceso de carbohidratos
  37. 37. 37 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental afectan la fase II de la Biotransformación (ver lección 4), al limitar tanto la disponibilidad de sustratos, como la síntesis de enzimas importantes para las reacciones de ésta etapa (Peña et al., 2001). Las flavonas, las xantinas y los indoles son compuestos que al tener una participación importante dentro de la dieta, favorecen e incrementan en el organismo las rutas metabólicas de oxidación y salida de los contaminantes, demostrando que una alimentación rica en ciertas sustancias puede proporcionar al organismo mayor resistencia a intoxicaciones. Lección 9. Relación dosis – respuesta. Conociendo los tipos de respuesta y las variables asociadas a la naturaleza del agente tóxico, del organismo y del medio que intervienen en la misma, se profundizará en esta lección acerca de la relación entre la cantidad de sustancia por unidad de peso corporal (dosis) y la magnitud del efecto que se produce. Curva dosis – respuesta Una forma clara y práctica de describir, entender y representar la respuesta de una enzima, un organismo, población o comunidad biológica a un rango de concentración de un agente tóxico, es una gráfica conocida como curva dosis – respuesta (Landis & Yu, 2003). El efecto a analizar puede estar a cualquier nivel (molecular, órgano, organismo, poblacional), lo importante es que sea medible y tenga un valor de cero cuando la dosis sea cero (Peña et al., 2001). La curva se puede construir midiendo, a diferentes dosis o concentraciones de agente tóxico, un efecto asociado. Es decir que los efectos observados se modelan como una curva continua ubicando en el eje X del logaritmo de la dosis, y en el eje Y el porcentaje acumulado de la respuesta, obteniendo generalmente una curva sigmoidea o en forma de “S” (Figura 12). Como se observa en la Figura 12 la curva inicia en el origen o punto cero, continúa con una región en la que no se observa respuesta a pesar del suministro de tóxico, una vez se llega a la dosis en la que empieza a observarse efecto, que es equivalente a la dosis máxima a la que no se tiene efecto se denomina NOAEL (No Observed Adverse Effects Level – Dosis de efectos adversos no observados). Posteriormente, al ir aumentando la dosis se comienza a manifestar levemente el efecto (aumento gradual en la pendiente de la curva), punto conocido como LOAEL (Lowest Observed Adverse Effects Level), llegando a un valor máximo en la pendiente en el que la respuesta es directamente proporcional a la dosis
  38. 38. 38 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental (región de la curva en línea recta). Finalmente, a dosis mayores la pendiente comienza a decrecer hasta llegar a cero, punto en el cual el efecto es máximo (Emax). En la curva se pueden identificar dos puntos o parámetros importantes en la descripción del tóxico analizado: 1. La dosis o concentración en la que el efecto es del 50%, junto con la pendiente que tiene la curva en dicho punto. 2. La cantidad de sustancia a la que la respuesta es máxima (Emax). El primer parámetro puede ser nombrado como DL50, CL50, CI50 y CE50, dependiendo del tipo de experimento y respuesta evaluada (Landis & Yu, 2003). Figura 12. Comportamiento y puntos relevantes de una curva dosis – respuesta Para evaluar efectos letales: DL50 : Dosis que causa la muerte al 50% de los individuos evaluados. CL50: Concentración a la cual mueren el 50% de los individuos de la muestra. En análisis de efectos no letales: CI50: Concentración que inhibe en un 50% la respuesta normal de un individuo. DE50: Dosis que tiene un efecto en el 50% de los individuos. CE50: Concentración que tiene un efecto en el 50% de los individuos. Una de las utilidades de la curva dosis – respuesta es la descripción y comparación entre tóxicos, manejando los parámetros anteriormente definidos y la medida de potencia. La Potencia se refiere al rango de concentración en la que el agente es capaz de producir un efecto creciente (Hughes, 1996), es decir la región de la curva donde la respuesta aumenta con la dosis, un agente es más potente que otro si dicha región está más cerca al
  39. 39. 39 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental origen de la gráfica, puesto que esto indica su capacidad de causar efectos adversos a concentraciones menores (Figura 13). La eficacia se mide a través de la respuesta máxima (Emax), una sustancia es más eficaz que otra si el porcentaje de respuesta es mayor (Hughes, 1996; Peña et al., 2001). En la Figura 13 se observa la curva dosis – respuesta de dos sustancias, la curva roja (sustancia A) describe a un agente potente pero menos eficiente, y la curva azul (sustancia B) a un agente eficaz pero menos potente. Generalmente, la comparación entre sustancias se hace teniendo en cuenta únicamente el parámetro de la concentración que produce el 50% del efecto, medida de comparación útil, pero que puede subestimar la toxicidad de una sustancia. Figura 13. Curva dosis – respuesta de dos sustancias. En la Figura 13 se observa la comparación de la sustancia A con la B, según el parámetro LD50 tienen una toxicidad similar, no obstante, la sustancia A tiene una pendiente inferior, y como se observa en la gráfica tiene un efecto mayor a bajas dosis, lo que le da relevancia en escenarios, como el medio ambiente, donde por lo general, los tóxicos se hallan en concentraciones bajas. Si la comparación se realiza sólo por el parámetro DL50 se subestima la toxicidad de la sustancia A bajo ciertas condiciones, por lo que se hace necesario tener en cuenta varios parámetros y la observación de la gráfica, para describir y comparar adecuadamente una sustancia. La exactitud y precisión de los estimadores de los parámetros hallados a través del gráfico o la curva dependen de características del ensayo como: el uso de una población representativa y el número de réplicas. Existen otros métodos estadísticos para analizar la relación dosis – respuesta y hallar los estimadores, estos son: (1) Método Probit, (2)
  40. 40. 40 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Método de Litchfield-Wilcoxon, y (3) Método de Sperman-Karber. La selección del método a ejecutar depende del experimento y de los datos obtenidos, tal como lo explica Díaz Báez, Bulus & Pica (2004). Lección 10. Unidades e índices de toxicidad Los estimadores hallados a través de la relación dosis – respuesta (DL50, CL50, CI50, CE50 y Emax, entre otros) están asociados a la caracterización de la toxicidad de una sustancia, que a su vez, da la posibilidad de compararlas entre sí. No obstante, en el medio ambiente se presentan mezclas de los agentes tóxicos, generando interacciones (Sinergismo, Antagonismo, Adición) que modifican su toxicidad individual, similar a lo que sería un efecto conjunto. La Unidad Tóxica (TU, por sus siglas en inglés) es uno de los métodos de aproximación que buscan establecer la toxicidad de cada uno de los componentes de una mezcla. La TU, propuesta por Sprague (1970), estima la toxicidad individual de una sustancia (subíndice i) a través de la relación entre su concentración (ci) y el efecto medido o determinado (ECxi). La expresión matemática para la TU de una sustancia i se define como: La toxicidad de la mezcla en conjunto TUmix, según el método, será la sumatoria de las TU individuales, manteniendo, por supuesto, el mismo porcentaje de efecto para todos los componentes, resultando la siguiente expresión, donde n es el número de componentes de la mezcla (i = 1,2, 3... n): El método es empleado con éxito en casos donde los componentes tienen un mecanismo de acción similar, como es el caso de algunos pesticidas, aunque es preciso decir que, bajo condiciones de mecanismos diferenciales, la estimación está por encima o por debajo en un factor de 2.6 (Junghans, Backhaus, Faust, Scholze & Grimme, 2006), lo que hace necesario el empleo de otros métodos más complejos de estimación. Algunos de los índices de toxicidad más comunes son el margen de seguridad (MS), la dosis de referencia (RfD) o concentración de referencia (RfC), la ingestión diaria aceptable (ADI), y la ingestión tolerable (TI), utilizados o referenciados según el país o la institución.
  41. 41. 41 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental El margen de seguridad (MS) relaciona las curvas de respuesta tóxica y respuesta leve de un agente, entre más alto sea el valor del índice, más seguro es utilizar la sustancia (James et al., 2000). Para hallar el índice se utilizan, generalmente, las dosis que producen un efecto del 50% en las respectivas curvas, tal como lo muestra la Figura 14. Figura 14. Curvas dosis – respuesta de una sustancia con efectos de diferentes magnitudes Nota. SD: curva de efectos leves (irritación leve en ojos y nariz), TD: curva de efectos tóxicos (daño en órganos), y LD: curva de efectos letales. Fuente: James, R. C., Roberts, S. M. & Williams, P. L. (2000). General principles of toxicology. En P. L. Williams, R. C. James & S. M. Roberts (Eds.), Principles of toxicology: Environmental and industrial applications (pp 3 – 7). New York: John Wiley & Sons, Inc. Para el caso observado en la Figura 14 el MS se expresaría: MS= TD50 / SD50 Los demás índices toxicológicos estiman el nivel de exposición diaria que no genera respuestas negativas en poblaciones humanas, incluyendo subpoblaciones sensibles (Instituto Nacional de Ecología & SEMARNAT, 2003; Peña et al., 2001). En la obtención de los índices se tiene en cuenta el tipo y vía de exposición, el efecto evaluado, los datos obtenidos de la relación dosis – respuesta (NOAEL o LOAEL) y los factores de incertidumbre (FI). Los FI son inherentes a la extrapolación de los datos obtenidos. La aplicación de los FI se da para tener en cuenta la variabilidad de la población, para proteger poblaciones más sensibles (niños, ancianos), y cuando los datos se quieren extrapolar a otras especies diferentes a las utilizadas en la obtención de los datos (Peña et al., 2001). El valor de los FI
  42. 42. 42 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental lo asignan los investigadores acorde a evidencias empíricas y a las condiciones de sus investigaciones. En la Tabla 6 se muestran algunos FI utilizados por la USEPA (United States Environmental Protection Agency). Tabla 6. Algunos Factores de Incertidumbre utilizados por la USEPA Nota. Fuente: Adaptado de México, Instituto Nacional de Ecología & Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales – SEMARNAT-. (2003). Introducción al análisis de riesgos ambientales. México. Los índices son el cociente entre la dosis máxima a la cual no se observan efectos tóxicos (NOAEL) y la multiplicación de los FI. Como ejemplo de lo anterior, se tomará la RfC del cloruro de vinilo hallada por la USEPA y reportada por el Instituto Nacional de Ecología & SEMARNAT (2003): El cloruro de vinilo es un tóxico capaz de producir quistes en las células hepáticas de ratón, así los investigadores, al extrapolar los resultados de estudios en ratón a seres humanos, encontraron una concentración NOAEL de 2.5 mg/m3 . Los FI establecidos fueron: Un factor de protección a poblaciones sensibles (FIS) de 10 y un factor de extrapolación de animal al ser humano (FIH) de 3. Entonces, la RfC para el cloruro de vinilo es:
  43. 43. 43 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental CAPITULO 3. EVALUACIÓN Y ANÁLISIS DE RIESGOS Lección 11. Introducción al análisis de riesgos Inicialmente es pertinente definir lo que es el riesgo y sus elementos principales. Según Tarazona (2003) la definición de riesgo incluye como elementos básicos la probabilidad y la severidad de un efecto adverso, sea sobre el ser humano o sobre el ambiente, como consecuencia de una exposición a un agente causal. En el contexto de la toxicología ambiental esto significa que, frente a la presencia de una sustancia o agente tóxico, existe la probabilidad de observar efectos adversos, evaluada su severidad, sobre uno o más de los organismos que estén expuestos al agente. Señala INE (2003) que los riesgos nos rodean en la vida cotidiana, existiendo en varios niveles o con diferentes grados de severidad, en actividades de diversas índoles como conducir un vehículo, tomar medicamentos o invertir dinero. Para el caso de riesgos asociados a la salud INE (2003) incluye una diferenciación entre aquellas exposiciones voluntarias, en las que media una intención de realizar la actividad con conocimiento de sus posibles consecuencias, como el caso del hábito de fumar, frente a aquellas exposiciones involuntarias, cuyo caso más relevante es la contaminación ambiental. De lo anterior se infiere que el riesgo dependerá de todos aquellos factores, tanto intrínsecos del agente causal, como externos a la sustancia misma y de la forma como éste actúa en cada organismo, es decir, en otros términos riesgo es el conjunto resultante de peligro y de exposición. Teniendo en cuenta que en lecciones anteriores se abordó con detalle la exposición y sus elementos, solo resta aclarar lo que en este contexto se considera peligro. El peligro que se asocia a un agente, tóxico en nuestro contexto, gira en torno a establecer si dicho agente puede causar efectos adversos en la salud humana o sobre el medio ambiente. De aquí que INE (2003) señala que la identificación del peligro no contempla una cuantificación sino que se basa en la revisión de la información disponible (epidemiológica – toxicológica) para dicho agente en particular, lo que resulta en una característica tipo presencia – ausencia. Una vez se determina el peligro (presente) y se identifican los elementos asociados a la exposición, debe incluirse un tercer elemento: Uno o más sujetos (receptor). Estos tres elementos son indispensables en los escenarios que tienen implícito la determinación del riesgo. El procedimiento que permite estimar el riesgo, como resultado de la interacción entre peligro y exposición sobre el receptor, es la evaluación de riesgo. La evaluación del riesgo se constituye en una herramienta de la que disponen los actores en la toma de decisiones, en muchos campos de la gestión, no solamente científicos, pues como señala Tarazona (2003) involucra la totalidad de los campos científicos, que resultan
  44. 44. 44 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental fundamentales en los ámbitos de decisión sobre salud humana, seguridad alimentaria y protección del medio ambiente. La evaluación de riesgo es uno de tres pasos o fases del de análisis del riesgo, cada uno de los cuales serán abordados en una lección particular de éste capítulo, dichas fases incluyen además la gestión del riesgo y la comunicación del riesgo, como se presenta en la Figura 15. Además de lo anterior, puede considerarse como fase de partida, para un proceso de análisis de riesgo, la formulación o identificación del problema, que se constituye en un filtro que determinará el alcance y la perspectiva con la que se analizarán los riesgos y las condiciones o limitaciones de dicho análisis. Vale la pena mencionar que la evaluación del riesgo es la fase que mayor cantidad de herramientas de base científica tiene. Como señala MAVDT (2007a), este hecho permite que el conocimiento científico se incorpore en la toma de decisiones aportando en claridad y transparencia a las bases de la evaluación y de la incertidumbre de la misma, separándola de los demás criterios que median la toma de decisión, como la viabilidad económica, el impacto social, entre otros. Del análisis de riesgo se derivan las posibles medidas o acciones que deberán tomarse para prevenir, mitigar o reducir los riesgos que han sido identificados. Dentro de estas acciones deberán contemplarse las alternativas disponibles en cada contexto, contemplando factores sociales y económicos, para soportar la decisión más adecuada. Figura 15. Esquema simplificado del ciclo de análisis de riesgo Fuente: MAVDT (2007a).
  45. 45. 45 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Lección 12. Evaluación de riesgo Según el MAVDT (2008) la evaluación de riesgos es un proceso por el cual se analiza la información disponible para estimar la probabilidad de que se produzcan efectos como consecuencia de una acción o actividad y la magnitud de los mismos. De acá que la información que se tenga disponible sobre los factores involucrados: el agente causal, las vías de exposición, la presencia de organismos receptores, es determinante para asegurar el nivel de incertidumbre de la estimación, aunque es preciso señalar que las menores incertidumbres generalmente están asociadas a los mayores costos de estudio. En este sentido, cuando se trata de establecer cuál es la probabilidad y magnitud de posibles efectos adversos sobre un ecosistema, tal como señala MADVT (2008), es fundamental definir adecuadamente cuales efectos serán considerados adversos y ecológicamente relevantes. No obstante, como señala Tarazona (2003), el hecho que no se prevean efectos sobre los individuos (sobre supervivencia, crecimiento y tasa de reproducción) no implica directamente que no se tendrán efectos sobre poblaciones ni comunidades, pues factores no determinados inicialmente en los individuos, como la variación en la relación macho/hembra de nacimientos al interior de la población podrá llevar a observar efectos sobre la tasa global de reproducción de dicha población. De otra parte, dado que el desarrollo de una evaluación de riesgo requiere una gran cantidad de información, de una naturaleza técnico-científica en su mayoría, es importante establecer una metodología que optimice los recursos que se inviertan a su consecución. Por tanto, MAVDT (2008) señala los niveles en la evaluación de riesgos que serán descritos mas adelante. Una etapa inicial y necesaria en la evaluación del riesgo, de nivel bajo o alto, es el planteamiento y descripción del problema. La definición del problema, como propone INE (2003), comprende los factores causantes de estrés ambiental, los efectos ecológicos potenciales y las características de los ecosistemas involucrados (en riesgo). El proceso de definición o descripción del problema requiere de información que describa las condiciones del sitio, a nivel geográfico, hidrogeológico, ecológico, así como el tipo de uso que las poblaciones le han asignado. Esto determina, entre otras, las condiciones de dispersión de los agentes tóxicos, las vías de exposición para los receptores y además, el tipo de medidas de manejo que pueden ser consideradas para mitigar los efectos. Un ejemplo de modelo conceptual está en la Figura 4, donde se muestra la fuga en un tanque de almacenamiento de una sustancia. En este ejemplo se observa que no se dispone de una descripción detallada del sitio, que permita evaluar la pertinencia de considerar una o más vías de exposición como prioritarias y, además, solo considera como receptores a la población humana.
  46. 46. 46 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Evaluación de riesgo de bajo nivel Las evaluaciones de riesgo de bajo nivel (o nivel I), toman como referencia valores propuestos por normatividad específica aplicable al sitio que se está considerando. Dado que en muchos casos, como el de Colombia, esta normatividad específica aplicable no ha sido consolidada o está en proceso de ser expedida, pueden ser usadas normas o niveles de referencia de otros países o regiones. Generalmente se usan Directivas Europeas y normas o estándares norteamericanas (EEUU y Canadá). En general, como describe MAVDT (2007a), los modelos conceptuales base para la evaluación a este nivel son simplificados, se asignan valores fijos a cada compartimiento considerado (agua, aire, suelo, alimentos) y se determina la concentración más alta esperada en cada uno de éstos a la hora de estimar la exposición de los receptores. Así mismo, para evaluar la magnitud de los efectos, se usan ensayos toxicológicos estándar, propuestos en normativas o estándares internacionales, que usan organismos muy sensibles de cada grupo taxonómico relevante, para tomar como punto de referencia aquel que resulte más sensible. Como puede observarse, este proceso tiene un alto nivel de seguridad al cubrir “los peores casos teóricamente posibles”, aunque puede resultar, como señala MAVDT (2008) “poco real”, sobreestimando el riesgo, y llevando a tomar medidas extremadamente cautelosas y por ende más costosas. Frente a estos casos, MAVDT (2008) recomienda tomar medidas de mitigación de riesgos como primera opción, y realizar una evaluación de riesgo de mayor nivel, sustituyendo los modelos conceptuales y las estimaciones de exposición y de efectos tóxicos. En conclusión, puede decirse que al encontrar un riesgo alto en este nivel de evaluación se puede incurrir en una sobreestimación, pero si por el contrario, se obtiene como resultado de la evaluación un bajo riesgo, ésta puede ser de entrada y con seguridad la finalización del proceso. Evaluación de riesgo de alto nivel Para desarrollar una evaluación de riesgo de alto nivel se requiere una mayor y mejor información técnica-científica, lo que corresponde a un modelo conceptual mucho más detallado y depurado que el previsto anteriormente. Esto está directamente relacionado con los costos de la evaluación, dado que el personal encargado y los medios tecnológicos usados para medición son especializados. No obstante, al obtener una estimación mucho más real, los costos de remediación o mitigación, como señala MAVDT (2008), pueden ser menores por aplicarse tecnologías más económicas o llegar más rápido a la meta de remediación.
  47. 47. 47 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental Las técnicas para mejorar o refinar las estimaciones en cada etapa del proceso de evaluación de riesgo, pueden ser tan específicas y complejas como se quiera, así mismo las estimaciones se acercarán mucho más a la situación real del sitio considerado. Además de lo anterior, estos métodos tienen unos niveles de incertidumbre asociados, que pueden calcularse de forma precisa, y ser reportados con claridad, para que aquellos encargados de la toma de decisión puedan contemplarla de igual forma. La ilustración del proceso de refinación propuesta por MAVDT (2007a), presentada en la Figura 16, contempla los costos asociados a la evaluación de riesgo en diferentes niveles. De allí puede observarse que para un nivel bajo el riesgo estimado puede corresponder a la sobreestimación dada la elevada incertidumbre, por desconocimiento de datos en la mayoría de los casos. Luego, a medida que se hace más refinado el modelo, niveles más altos de evaluación, la incertidumbre se reduce gracias a las herramientas desarrolladas por la ciencia, haciendo la estimación del riesgo más cercana a la realidad, aunque en general la reducción de la incertidumbre no corresponde al aumento del costo de la evaluación, sobre todo en los niveles más altos de evaluación. Figura 16. Relaciones costo, nivel de riesgo e incertidumbre Fuente: MAVDT (2008) Los actores sociales involucrados en la toma de decisión frente a los resultados de la evaluación de riesgos juegan un papel importante, sobretodo, en la gestión del riesgo y en la comunicación del mismo, pero deberán tener claramente definido el nivel al que se
  48. 48. 48 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Toxicología Ambiental puede aceptar el riesgo, aceptabilidad que depende en gran medida del criterio científico que respalda la evaluación, además de factores sociales y económicos relativos a sus competencias. Lección 13. Caracterización del riesgo La caracterización del riesgo es, como propone MAVDT (2007a), la comparación de los niveles de exposición (concentraciones o dosis estimadas o determinadas) frente a los efectos esperados para el agente causal. Por ende, como insumo para la caracterización del riesgo es preciso conocer, por un lado, el comportamiento de la sustancia que determina la exposición y, por otro lado los efectos tóxicos esperados o previstos para el agente causal, para determinar con certeza, como señala INE (2003), qué tan significativos son esos efectos que se pronostican dadas las condiciones de exposición. Exposición Se deberán tener en cuenta los elementos descritos previamente sobre las rutas de exposición, pero como complemento importante se encuentra el uso de modelos matemáticos desarrollados para la estimación de dispersión de sustancias en los diferentes compartimientos ambientales (agua, aire, suelo) y que ofrecen datos cuantitativos sobre la cantidad esperada de las sustancias en función del tiempo y de la posición. Estos métodos tienen unos niveles de incertidumbre que pueden ser medidos o determinados a partir de ensayos de calibración en campo. Ejemplo de estos modelos, para el caso de calidad del agua, son OTIS (http://water.usgs.gov/software/OTIS/) y QUAL2K (http://www.epa.gov/athens/wwqtsc/html/qual2k.html), que son modelos matemáticos de simulación usado para describir la dispersión de sustancias en corrientes de agua. Las ventajas, limitaciones, supuestos y/o requerimientos de información para aplicar los modelos matemáticos, así como la incertidumbre asociada, deben ser plenamente conocidas por el experto del equipo técnico encargado. Los modelos para predecir la dispersión de contaminantes en otros medios o compartimientos pueden ser complejos o no estar documentados, por ejemplo, la determinación de la cantidad de plaguicida residual en hojas, flores y frutos, la adsorción de metales en el material particulado que arrastra el aire, entre otros. No obstante, puede recurrirse a un criterio técnico para establecer la cantidad (concentración, dosis) de agente y así proseguir con la caracterización del riesgo. El resultado de esta etapa será la estimación de la concentración que, en un momento y un sitio determinado, se espera para la sustancia de interés, para de esta forma poder

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