bioindicadores y biomarcadores de contaminacion

7/23/2019 Bioindicadores y Biomarcadores de Contaminacion

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BIOINDICADORES Y BIOMARCADORES DECONTAMINACIN AMBIENTAL

Dr. Rodrigo [email protected]

www.iio.cl



Contenido

Introduccion Nutrientes vs toxicos

Condicion fisiologica y estrés Monitoreo fisicoquimico de contaminantes

Biondicadores Conceptos y Criterios de seleccion Ventajas y desventajas

Biomarcadores Concepto y Clasificacion Ventajas y desventajas Usos

Ejemplos estrategia Bioindicador/Biomarcadoren ambientes costeros

PAHs Metals exposure Endocrine Disruption Pharmaceuticals



UMBRALDE SEGURIDAD

R E G I O N

D E N O - E F E C T O

R E G I O N

D E T O X I C I D A D

MUERTE

Nutrientesesenciales

Tóxicos(no-nutritivos)Homeostasis

Dosis (incremento en concentración)

R

e s p u e s t a



ZONA 1

OK

ZONA 2

ZONA 3

Homeostasis Compensación No-Compensación

DETERIORO

I N H A B I L I D A D

LimiteTolerancia Fisiológica

Saludable

Estrés

DAÑO(curable)

DAÑO SEVERO(no curable)

Mecanismosde reparación

Respuestascompensatorias

Rápida

adaptabilidad

EnfermedadDeterioro reproductivoMuerte



Monitoreo Ambiental

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

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

Generan información espacio-temporalmentemuy limitada.

Para contaminantes complejos es necesariorealizar análisis de alto costo (caso algunasSTPs).

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

Las desventajas de los análisis fisicoquímico de contaminantes en distintasmatrices ambientales se relacionan con :



AIRE

AGUA

SEDIMENTO

BIOTA

SUELO

SUSPENDIDO

K 5

K 1

K 2

K 4

K 3

BIOTA

Ambiente

Atmosférico

Terrestre

Ambiente

Acuático



12-08- 24 11:44 AMBioindicators: Using Organisms to Measure Environmental Impacts | Learn Science at Scitable

| Lead Editor : Carolyn MalmstromGLOBAL AND REGIONAL ECOLOGY

By: Emily A. Holt (Depar t m ent of Watersh ed Sciences, Utah Sta te Univers i t y ) & Scott W.

Miller (Depar t men t of Watershed Sciences, Utah Sta te Univers i t y ) © 20 11 Nature Education

Bioindicators: Using Organisms to Measure EnvironmentalImpacts

How do we assess the imp acts of hum an activities on natural ecosystems? What can the bi ota tell us about the

environment and its response to natural stress?

IntroductionWhat can the canary in the coal mine t ell us? Historically, canaries accompanied coal miners deep undergroun d. Their small lun g capacity and unidir ectional lung ventilation

system made them m ore vulnerable to small concentrations of carbon monoxid e and methane gas than their hum an companions. As late as 1986, t he acute sensitivity of these

birds served as a biological indicator of un safe conditions in undergr ound coal mines in t he United Kingdom. Since human health concerns continue to d rive the development

and application of bioind icators, the loss of ecosystem services (e.g., clean air, drinking water, plant p ollinators) has increasingly focused our attention on the health of natural

ecosystems. All species (or species assemblages) tolerate a limited range of chemical, physical, and biological conditions, which we can use to evaluate environmental quality.

Despite many technological advances, we find ou rselves turning to the b iota of n atural ecosystems to t ell us the story of our world .

Citation: Holt, E. A. & Miller, S. W. (2011) Bioindicators: Using Organisms to

Measure Environmental Impacts. Na tu re Educa t i on Know ledge 2(2):8



What can the canary in the coal mine tell us?

Historically, canaries accompanied coal minersdeep underground. Their small lung capacity andunidirectional lung ventilation system made them

more vulnerable to small concentrations of carbonmonoxide and methane gas than their humancompanions.

Biological indicators are species usedto monitor the health of an environmentor ecosystem. They are any biological

species or group of species whosefunction, population, or status can beused to determine ecosystem orenvironmental integrity



BIOINDICADOR

Organismo vivo en el cual puede ser avaluada una respuesta producto de la exposición aun contaminante o una mezcla de ellos.

BIOMONITOR

Organismo que acumula contaminantes en sus tejidos, y por lo tanto pueden ser analizadospara identificar la abundancia y biodisponibilidad de estos en los ambientes acuáticos.

• Los contaminantes deben ser acumulados sin impactos letalessobre el organismo.

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

• Información de su biología básica

• Fácilmente disponible (cultivo/captura)

• Presentar ciclos de vida cortos

• Suficientemente sensible a la exposición

• Tener una amplia distribución geográfica (Cosmopolita)

• Encontrarse en un estado de conservación que permita su uso

• Fácil manipulación tanto en condiciones de laboratorio como en campo



FACTORESFISICOQUIMICOS

HIDRODINAMICA

HABITATDISPONIBLES

EUTROFICACION

DISPONIBILIDADALIMENTOS

CONTAMINACION

RESPUESTA

INTEGRADACRECIMIENTO REPRODUCCION

RESPUESTAPOBLACIONAL

CAMBIOSCOMUNIDAD

EFECTOSECOSISTEMICOS

(adapted from: Adams, 2001).



EL CONCEPTO DE BIOMARCADOR

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

Cambio bioquímico, celular, fisiológico o del comportamiento que puedeser medido en un tejido, fluido biológico, organismo o población y queproporciona evidencia de exposición a, y/o efectos de uno o máscontaminantes (Depledge, 1994).



SHORT-TERM RESPONSES

BIOENERGETIC

POPULATION / COMMUNITY

HIGH ECOLOGICAL RELEVANCE

REPRODUCTIVE

BIOCHEMICAL

PHYSIOLOGICAL

ENZIMATICAL DETOXICATION

IMMUNOLOGICAL

HISTOPATHOLOGICAL

LOW ECOLOGICAL RELEVANCE

LONG-TERM RESPONSES



Molecular, Bioquímica Individuo, Población,Comunidad

Alta Baja

Alta Baja

Alta Media - Baja

Meda - Alta Media - Baja

Baja Alta

BIOMARCADOR BIOINDICADOR

TIPO DERESPUESTA

SESIBILIDAD ALESTRESOR

RELACIÓN CONLA CAUSA

VARIABILIDAD DELA RESPUESTA

ESPECIFICIDADAL ESTRESOR

RELEVANCIAECOLÓGICA



¿POR QUÉ UTILIZAR BIOINDICADORES/BIOMARCADORES?

El análisis de los compartimentos ambientales estásometido a variaciones muy drásticas en función de lafuente de emisión ya sea puntual o difusa.

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

Los valores entregados por los análisis químicos de losdistintos compartimentos ambientales, no involucra elconocimiento de los efectos y de la biodisponibilidadde las sustancias contaminantes sobre los organismos.

Los bioindicadores proveen de un dato integrado en eltiempo

Los bioindicadores, a través de los biomarcadoresproporcionan información relativa a exposicion yefectos de las sustancias y también de procesosinteractivos bajo condiciones naturales (sinergismo,antagonismos)



CARACTERISTICAS DE LOS BIOMARCADORES

• Cuantificable

• Dependiente de la dosis o del tiempo de exposición

• El desarrollo de los BM es debido en gran parte por lainvestigación e identificación analítica de las sustanciasquímicas en los organismos

• Reproducibilidad, sensibilidad, especificidad,reversibilidad, aplicabilidad en diversos taxones

• La aplicación apropiada permite integracion en gradientes

espacio-temporales

VENTAJAS DE LOS BIOMARCADORES

• Cuantifica solo los contaminantes biodisponibles relevancia biológica.

•Como una medida de los efectos ellos pueden integrar efectos de múltiples estresoresy pueden ayudar a elucidar mecanismos de acción.

• Potencial de predecir un efecto ecológicamente relevante (i.e. mortalidad, impedimentoreproductivo antes que los efectos se manifiesten en el ambiente). Predice el daño antesque sea demasiado tarde.

• Facilidad de uso y relacion coste/efectividad adecuado.



Los estudios de campo deben ser diseñados de talmanera que las mediciones sean representativas devarios niveles de organización biológica incluyendobiomarcadores de exposición y bioindicadores deefectos.

normalmente los recursos son escasos una mezclaóptima de biomarcadores sensibles y puntoscríticos ecológicamente relevantes deben serevaluados a nivel organismico.

Zona 1

Respuesta Rápida

Zona 2

Respuesta intermedia

Zona 3

Respuestas poblacionales ycomunitarias

Enzimas de detoxificación Histopatología Distribución de tamaño yfrecuencia

Daño al DNA Disfunción del sistema inmune Alteración de la proporciónmacho-hembra

Metabolitos biliares Impedimento bioenergetico Alteraciones en la cadenaalimentaria

Enzimas antioxidantes Integridad reproductiva Relaciones tróficas

Acetilcolinesterasa Crecimiento Diversidad comunitaria-riqueza

Proteínas de estress



Actividad Tipos mas importantesde estresores

Respuesta de exposiciónrepresentativa

Respuesta ecologicarelevante

Referencias

Agricultura Plaguicidas, nutrientes,sedimentos

Inhibición de la Acetilcolinesterasa

Impedimento reproductivo,crecimiento inducido,enfermedades

Bass et al, 1977

Sanchez et al, 2009

Pulpa y Papel Nutrientes, dioxinas,acidosresínicos, color,clorofenoles

fitosteroles

Inducción de la MFO,aparición de metabolitosbiliares

Impedimento reproductivo,alteraciones delcrecimiento

Disrupcion endocrina

Andersson et al, 1998Orrego et al., 2011

Petroquímica PAHs, metales pesados Elevada inducción de laMFO, metabolitos biliaresaromáticos

Impedimento reproductivo,crecimiento reducido,tumores hepáticos

Vetemaa et al, 1997

Fuentes et al., 2005

Minería Metales pesados,sedimentos

Metalotioneinas, enzimasantioxidantes, daño al DNA

Crecimiento reducido,histopatología branquial,impedimento metabólico,diversidad genética

Woodward et al., 1995

Efluentes domésticos Cloro, nutrientes,detergentes

Farmaceuticos

Inducción de la MFO,enzimas antioxidantes

Alteraciones reproductivas

Cambios en elcomportamiento,histopatología branquial yhepática, impedimentosreproductivo

bioenergéticos

Mitz and Giesy 1985

Desarrollo urbano,tala rasa

Aumento de latemperatura y sedimentos,altaración del régimenhidráulico

Proteínas de estress Disminución delcrecimiento,anormalidadesbranquiales, cambios en ladieta

Newcombe andMacdonadl, 1991

Plantas de energía Aumento de temperatura,cloro

Proteínas de estrés yenzimas antioxidantes

Impedimentobioenergético, cambios enel comportamiento

Coutant, 1997

Fuente: Adams (2001)



BIOMARCADORES DE EXPOSICIÓN

MFOENZIMAS

METABOLITOSBILIARES

METALO-TIONINA

DAÑO

ADN

ENZIMASANTIOXI-DANTES

ACETILCO-LINESTERASA

PROTEINAS DEESTRÉS

COMUNIDAD

REPRODUCCION

BIOENERGETICOS

CRECIMIENTO

INCREMENTO

DECRECIMIENTO

HISTOPATOLOGIA

BRANQUIAS

HIGADO

B I O

I N D I C A D O R E S D

E

E F E C T O S

X

X

X

X

X

X

X

XX

X

XX

X

X

X

X

XX

X

X

X

P E T R O Q U I M I C A

P U L P A

Y P A P E L

M I N E R I A

D E S C A R G A S

D O M E S T I C A S

A G R I C U L T U R A

P L A N T A S

D E E N E R G I A

D E S A R R O L L O

U R

B A N O

X

X



ECOSYSTEM EFFECTS



EXPOSURE TO POTENTIAL ENVIRONMELTAL EDs

MOLECULAR, CELULAR AND BIOCHEMICAL RESPONSES

BEHAVIOURAL AND MORPHOLOGICAL EFFECTS

INDIVIDUAL REPRODUCTIVE EFFECTS

POPULATION EFFECTS

ECOSYSTEM EFFECTS

Exogenous endocrine disrupter(e.g. xenoestrogen)

Natural endocrine disrupter(e.g. environmental stress)

Non-endocrine factors(e.g.nutritional defficiences)

Changes in blood hormone levels, Vtgand Zr-protein synthesis

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

Impaired or failed synthesis ofessential enzymes or hormones

Impaired reproductive success

(reduced fecundity, fertilization, hatchability, decline in embryo-larval viability, gender distribution)

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

Decrease in gamete quality, changes insecondary sex characteristics affectingbehaviour

Inmuno-suppression, reducedgamete quality and quantity

Impaired development and survival,delay in metamorphosis or sexualmaturation

(Cambell & Hutchinson, 1998).



Pulp mill effluent’s SPE

ME3

ME1 (untreated)ME2 (Primary Treated)ME3 (SecondaryTreated)

ME1 ME2

ODS-C18

OH

HO17--Estradiol

O

OH

Testosterone

Intraperitoneal injectionof juveniles



Day 4 Day 7 Day 14 Day 21 Day 28

Vtg(ng/mlplasma)

0

100

200

300

400

500

Day 0 Day 4 Day 7 Day 14 Day 21 Day 28

0

100

200

300

400

500

a a a aa

a a a a a

ab abab

abab

bb b b

bcbc

bc

c

b b

cd

cd

cd

cd

c

a

Day 4 Day 7 Day 14 Day 21 Day 28

VTG

(ng/mlplasma)

0

100

200

300

400

500

ab

b

bcbc

bc

cc

cc

c

ME2

ME3

EC

CO

TZ

BS

E2

DHAA/E2

DHAA

Female

Male

Tim e: Day 4

ME3BSE2

ME2

DHAA

/E2

DHAACOEC

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

VTG

Tim e: Day 7

ME3BSE2

ME2

DHAA

/E2

DHAACOEC

Time : Day 14

ME3BSE2

ME2

DHAA

/E2

DHAACOEC

Tim e: Day 21

ME3BSE2

ME2

DHAA

/E2

DHAACOEC

Time : Day 28

ME3BSE2

ME2

DHAA

/E2

DHAACOEC



Waterborne exposure Post-fertilizedembryos

5 ppm

ME 1

ME 2

ME 3

E 2

T E

B S

C O

25 ppm

E C

1 ppm

Flagfish



Flagfish

0 4 5 7 609 14

Medaka

0 8 11 16 8723 43

D e l a y e d l a s t

e g g s h a t c h

C o n t r o l e g g s

f i r s t h a t c h

C o n t r o l e g g s

l a s t h a t c h

1 0 L

S e x r a t i o

1 0 0 0 L

F e r t i l i z e d

e g g s

v i a b i l i t y

C o l l e c t i o n

e x p o s u r e

E x p o s u r e

p e r i o d

H a t c h i n g

p e r i o d

G r o w t h

p e r i o d

hpf dpf dph

Trout

0 24 28 33 22643 47 64



Instead of trying to measure everything, choose something to measure that

gives you an earlier indicator that something requires attention…

. . . That’s what BIOMARKERS are for . . .

They were used as sentinels to be early

warning systems of toxic gases in the

mine. The canaries would become sickfrom toxic fumes sooner than miners

would notice them, and that would give

them time to either escape or put on

respirators . . . .

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

thing . . .

bioindicadores y biomarcadores de contaminacion

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