contaminacion por metales

CURSO DE ESPECIALIZACIÓNVIGILANCIA AMBIENTAL Y OCUPACIONAL

Monitoreo AmbientalEvao-modulo 5

CONTAMINACIÓN POR METALES PESADOS: Monitoreo

Nelva Elena Alvarado G., PhDInstituto Especializado de

AnálisisUniversidad de Panamá

Mayo, 2013

Origen de la Contaminación

Crecimiento de la población Costera: Contaminación Marina

La salud de los océanos del mundo y la vida marina se está degradando rápidamente como resultado de las actividades humanas en exceso.

ECOSISTEMAS DE LOS SUELOS

METALES, LOS ECOSISTEMAS Y LA TOXICIDAD

GeneralidadesMETAL: Elemento químico caracterizado por una fuerte conductividad térmica y eléctrica, brillo peculiar (metálico), aptitud para la deformación y una marcada tendencia a formar cationes.

Metales Esenciales Metales No Esenciales

Concentration

Phy

siol

ogic

al

Eff

ects

Low Excessive

Defficiency Beneficial Toxic

Optimum

AccurateModerate High

-

+

Low ExcesiveModerate

Tolerable

High

Highly Toxic Serious health damageToxic

-

+

Su falta Provoca Alteraciones Patológicas Superan el Umbral Tóxico

No se conocen un papel biológico El Umbral Tóxico es pequeño

METALES, LOS ECOSISTEMAS Y LA TOXICIDAD

Cu

Cu

Pb

Ni

Ni

Cd

Cd

Pb

METALES PESADOS

•Presentes en cantidades pequeñas o trazas en el ambiente.

•Presentes en tejidos biológicos y gran afinidad por los complejos muy estables como cationes divalentes, libres o ligados a residuos sulfhidrilo, hidroxilo, carboxilo, imidazol, proteínas, ácidos nucleicos y polipéptidos.

•Se unen a los grupos donadores de electrones de las bases heterocíclicas, a la desoxirribosa de los nucleósidos y a los grupos fosfatos de los nucleótidos y los ácidos nucleicos

•Poseen una marcada preferencia por grupos donadores de azufre (en comparación con los donadores de oxígeno)

METALES PESADOS: grupo de elementos de P.M. 63,5 a 200,6 con una distribución electrónica similar en su capa externa (Rainbow, 1993).

Compuestos OrganómetalicosCompuestos Organómetalicos ImposexImposex

Contaminación por Metales

Antifouling agentForbidden 2003

Algunos Ejemplos

1979: Oysters arcachon (Francia)1979: Oysters arcachon (Francia) Compuestos organómetalicos (TBT)Compuestos organómetalicos (TBT)

Contaminación por Metales

Oysters in Cantabria

Algunos Ejemplos

NANOPARTICLES (NPs) 1 – 100 nm.

Minamata / HgEfectos Biológicos: Salud Humana

CONTAMINACIÓ

N

CONTAMINACIÓ

N

ForurensningForurensning

BesmettingBesmetting

POLLUTIONPOLLUTION

El Grito. Munch

दूषणदूषण

Efecto de los contaminantes de los MetalesEfecto de los contaminantes de los Metales

Los metales y metaloides pueden generar, carcinogénesis química, alteraciones en la expresión génica y estrés oxidativo

El metal interactúa con H2O2produciendo HO· mediante la reacción de Fenton. El HO· provoca:

Daños en lípidos de membranaDaños en proteínasDaños en ácidos nucleícosEn general: daños metabólicos en el organismo, que pueden conducirle a la muerte.Estos efectos pueden ser premutagénicos

Metales y Expresión Génica Metales y Expresión Génica

METAL

Los metales interaccionan con la cromatinaLos metales deben alcanzar el núcleo

En el núcleo, los metales se unen al ADN, a proteínas histónicas o a proteínas no histónicas.

Metales y Expresión Génica Metales y Expresión Génica

Los cambios en la secuencia de nucleótidos del ADN pueden modificar la expresión génica.Los cambios en la secuencia de nucleótidos del ADN pueden modificar la expresión génica.

Los metales provoca daños en el ADN El metal interactúa con, H2O2

produciendo HO· mediante la reacción de Fenton. El HO· provoca:

•Oxidación de bases o de la desoxirribosa•Pérdida de bases•Formación de hélices sencillas•Roturas de hélices dobles•Formación de “puentes” ADN-proteína•Formación de “puentes” ADN-ADN

Los metales afectan a la fidelidad de la replicación

•Inhibición de enzimas requeridas para la replicación•Inhibición de la síntesis de nucleótidos•Alteración de los procesos de metilacióndel ADN

•Alteración de los componentes del complejo de replicación del ADN

La introducción por el hombre directa o indirectamente, de sustancias o energías en el medio marino, ha originado efectos perjudiciales:

•Daños a los recursos vivos•Riesgos para la salud humana,•Obstáculos para las actividades marinas•Deterioro de la calidad para el uso del agua del mar y reducción de posibilidades de utilizar este medio para actividades de esparcimiento.

La contaminación es debida a un aporte por el hombre al agua del mar, agua dulce, ambiento marino costero, sedimentos u organismos de una sustancia por encima de los niveles naturales de la misma.

CONTAMINACIÓN MARINACONTAMINACIÓN MARINA

Metales en el medio Marino

Fuentes Naturales:

Degradación de las rocas (químico y físico)Lixiviado de lo sedimentos

Ambos procesos pueden estar controlados por factores biológicos y bacterianos

Vías de AccesoVías de Acceso

Aportes costeros: ríos y erosión por las olasAportes oceánicos: volcanismo submarino y procesos químicos en los sedimentosAportes atmosféricos: pueden alcanzar la superficie del mar por deposición seca (partículas) o húmeda (lluvia), así como por intercambio gaseoso.


Fuentes Antropogénicas:

MineríaUso de metales en las industriasQuema de combustibles fósilesVertidos humanos industriales

Vías de AccesoVías de Acceso

Tierra firme: ríos, emisarios y escorrentíasAtmósfera: compuestos volátiles y particulados de los complejos industriales.Aportes marítimas

Arsenico

TRANSPORTE DE METALES EN EL MEDIO MARINOTRANSPORTE DE METALES EN EL MEDIO MARINO

Los metales movilizados por el hombre se introducen en los ciclos biogeoquímicos naturales y se mueven entre los cuatro grandes compartimentos de la Tierra: atmósfera, hidrosfera, litosfera y biosfera.

La transferencia se realiza mediante tres grupos de mecanismos: reacciones químicas, actividad bacteriana y toma-deposición por parte de animales y plantas.

El transporte y la distribución depende del estado químico del elemento pudiendo transformarse en formas físico-químicas diferentes y aparecer en algún componente del ecosistema marino donde no deberían encontrarse provocando daños sobre los organismos marino sobre el ser humano.

DESTINO DE LOS METALES EN EL MEDIO MARINODESTINO DE LOS METALES EN EL MEDIO MARINO

Agua del mar: Los movimientos horizontales y verticales de las aguas aseguran una cierta redistribución de metales.

Procesos que modifican los niveles de metales el agua del mar:Dilución y dispersiónPrecipitaciónAdsorción

En general, un metal introducido en el mar permanece poco tiempo en el agua receptora

En general, un metal introducido en el mar permanece poco tiempo en el agua receptora


Sedimentos: Metales presentan gran afinidad por las partículas en suspensión, tanto sólidos como coloides orgánicos e inorgánicos, siendo transportados por ellas.

Se produce un enriquecimiento del contenido de metales en los sedimentos de fondo de estuarios y zonas costeras próximas a áreas industriales y urbana.

DESTINO FINALUnido a la dinámica de la materia particulada se

acumulan en zonas de baja energía hidrodinámica.

DESTINO FINALUnido a la dinámica de la materia particulada se

acumulan en zonas de baja energía hidrodinámica.


Los sedimentos reflejan bastante bien el estado de contaminación de un área porque acumulan los contaminantes (tanto en suspensión como en disolución).

Los contaminantes no permanecen ligados indefinidamente a los sedimentos, ya que por procesos físicos, químicos y biológicos pueden ser liberados de nuevo a la columna de agua y estar disponibles para los organismos marinos.

Sedimentos son una reserva y una fuente potencial de contaminantes al medio marino y reflejan de un modo fiel e integrado en el tiempo el estado de contaminación de un área por lo que son objeto de estudio en la mayoría de los programas de vigilancia y control de la contaminación marina.


Mayor incremento en los estudios desde 1965, envenenamiento en Minamata por Hg.

Los organismos acumulan los metales, directamente desde el agua o a partir de la alimentación, en proporciones muy superiores a las concentraciones existentes en el agua del mar.

Los factores de concentración dependen del metal (forma química), de factores ambientales (ciclos estacionales, temperatura, salinidad..); biológicos (crecimiento y reproducción).

No son biodegradables, se acumulan asociados a la materia orgánica e inorgánica. Los organismos los regulan y los no excretados permanecen en el cuerpo y se acumulan a lo largo de la vida del individuo.

Organismos

Reducción de la diversidad del sistema

Bioacumulación de metales pesados en los tejidos de los organismos marinos a lo largo de la cadena trófica hasta llegar al hombre

Mutaciones en las poblaciones que va en detrimento de la viabilidad genética y de la calidad del producto

EFECTOS QUE LAS ALTAS CONCENTRACIONES DE METALES PESADOS PRODUCEN

EFECTOS QUE LAS ALTAS CONCENTRACIONES DE METALES PESADOS PRODUCEN

ACUMULACIÓN DE LOS METALES EN EL MEDIO MARINOACUMULACIÓN DE LOS METALES EN EL MEDIO MARINO

Los metales no son biodegradables, se acumulan asociados a la materia orgánica e inorgánica.

Los organismos los regulan y los no excretados permanecen en el cuerpo y se acumulan a lo largo de la vida del individuo.

BIOACUMULACIÓNBIOACUMULACIÓN

Si la fuente del contaminante es solamente el agua, es más correcto hablar de

BIOCONCENTRACIÓNBIOCONCENTRACIÓN

BIOACUMULACIÓNLos organismos los regulan y los no excretados permanecen en el cuerpo y se acumulan a lo largo de la vida del individuo.

Las concentraciones de metal (metilmercurio) en un organismo vivo, aumentan con la edad

Metilmercurio

BIOCONCENTRACIÓN

La bioconcentración es el proceso por el cual los organismos, especialmente los acuáticos, pueden absorber y concentrar sustancias, como los plaguicidas, directamente del medio (agua) que les rodea, a través de su superficie respiratoria y de su piel.

ACUMULACIÓN DE LOS METALES EN EL MEDIO MARINOACUMULACIÓN DE LOS METALES EN EL MEDIO MARINO

El grado de acumulación en invertebrados y peces depende de la biodisponibilidad (capacidad de un compuesto para ser incorporado a un organismo) y de la fisiología de un organismo.

Los organismos que se alimentan de estos ejemplares presentan dieta enriquecida en metales y tampoco son capaces de excretarla por lo que aumenta su concentración corporal

BIOMAGNIFICACIÓNBIOMAGNIFICACIÓN

BIOMAGNIFICACIÓNLos organismos tróficamente superiores, entre ellos el hombre, se pueden encontrar expuestos a elevadas concentraciones de estos elementos.

DDTLas concentraciones de DDT en los organismos vivos, aumenta a lo largo de la cadena trófica.

- Forma del metal: - inorgánica - soluble: ion, complejo o quelato iónico, molécula- orgánica - particulado: coloidal, precipitado, adsorbido,

- Presencia de - acción conjuntaotros metales - antagonismo - aditiva, más o menos que aditivao tóxicos - sin interacción

- Factores que afectan a la fisiología del organismo - T, pH, O2 disuelto, luz, salinidady probablementela forma del metal en agua

- estadio de desarrollo (ej: huevo, larva)- cambios en el ciclo vital (ej: reproducción)

- Condiciones - edad y tamañodel organismo - sexo

- estado nutricional- actividad,- estructuras de protección adicional (ej: concha)- adaptación a los metales

- Respuesta etológica - comportamiento alterado

Factores que determinan la toxicidad de los metales pesados disueltos (Bryan, 1976)Factores que determinan la toxicidad de los metales pesados disueltos (Bryan, 1976)

EXPOSICIÓN A METALES

El jardín de Camille Pisarro, 1898.


Exposición a Metales

Sustitución de elementos esenciales (p.e. centros activos de enzimas). Cambio en la conformación y reactividad de enzimas.

Sustitución de grupos (p.e. fosfato) por otros con dimensiones similares (p.e. arsenato ).

Precipitación y formación de complejos insolubles.

Alteración de la permeabilidad de las membranas.

Sustitución de elementos con funciones electroquímicas (s).

M M-MT

Lysosomes

MTMMT

?

2. El interior de la célula (ligandos celulares: MT, lisosomas)3. Transporte4. Acumulación en órganos diana5. Excreción

MM Cl2

0

M

M

M

M

M

M

MM

+

+

+

+

Lipid Permeation

Complex Permeation

Carrier Mediated

Ion Channel

Ion Pump

Endocytosis

Clathrincoated pit(modified from Simkiss & Taylor, 1989)

1. A través de la membrana hacia el interior de la célula.

ENTRADA E INCORPORACIÓN DE LOS METALES

COMPOSICIÓN CELULAR DE LA LAMINA BRANQUIAL COMPOSICIÓN CELULAR DE LA LAMINA BRANQUIAL

•Célula de cloruro (CC)

•Mucocitos (MC)

•Células respiratorias (CR)

•Células pavimentosas (PC)

•Célula de la lamina Basal (BLC)

Modified from Dang, et al., 1999

water

Gill

Lamellae

Blood

Nelva E. Alvarado, Iban Quesada, Ketil Hylland Ionan Marigómez, Manu Soto. 2006. Aquatic Toxicology 77:64–77

CCMC

PC

BLC

RC

PC

CV

PVC

RC

Célula de Cloruro

•Rol de regulación ionica

•Balance acido -base

•Transferencia del gas

Olsson et al., 1998

BRANQUIA DE RODABALLOBRANQUIA DE RODABALLO

Nelva E. Alvarado, Iban Quesada, Ketil Hylland, Ionan Marigómez, Manu Soto. 2006. Aquatic Toxicology 77:64–77

Inmunohistoquímica

Histoquímica Convencional

A Cont 7dAMG B Cd 1ppm 7dC

Cd 1ppm 1dPCNA

DC 7dPAS Zn 1ppm 1dE PAS

Autometalografía

Alvarado et al., 2006. Aquatic Toxicology 77:64–77

AControl 7d

B C

D

F

E

Cambios HistopatológicosCambios HistopatológicosN

elva

E. A

lvar

ado,

Iban

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n M

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u So

to. 2

006.

Aq

uatic

Tox

icol

ogy

77:6

4–77

Nelva E. Alvarado, Iban Quesada, Ketil Hylland Ionan Marigómez, Manu Soto. 2006. Aquatic Toxicology 77:64–77

A Con 1h B Cd 7d C Cd Detox

D Cu 7d E Zn 7d F Zn Detox

Localización autometalografíca de metales (BSD)

HÍGADOHÍGADOAl

vara

do e

t al,

2005

. 74

:110

–125

. Aq

uatic

Tox

icol

ogy

Cuantificación de los iones metálicos en hígado de rodaballo, tras la técnica de autometalografía

La cuantificación de los depósitos (iones metálicos) negros de plata (BSD por su siglas en inglés), se realizo mediante el Sistema de Análisis de Imagen (BMS) software desarrollado por Sevisan, S.A. (Biological Measurement System-BMS); Los parámetros que se obtienen son: Vv y Nv. Estos parámetros se refieren al volumen, y al número de iones metálicos.

Nelva E. Alvarado, Amaya Buxens , Luis Ignacio Mazón , Ionan Marigómez, Manu Soto, 2005. 74 :110–125. Aquatic Toxicology

HÍGADO-GRADO DE VACUOLIZACIÓNAl

vara

do e

t al,

2005

. 74

:110

–125

. Aq

uatic

Tox

icol

ogy

Cuantificación del grado de vacuolización mediante densidad volumétrica en hepatocitos de rodaballo.

Autometalografía

Esta tinción se basa en la técnica fotográfica tradicional o tinción de plata, durante el revelado o tinción se acumula plata metálica que sustituye al metal presente en la muestra biológica.

Nelva E. Alvarado, Amaya Buxens , Luis Ignacio Mazón , Ionan Marigómez, Manu Soto, 2005. 74 :110–125. Aquatic Toxicology

ESTUDIO DE BIOMONITOREO

Joaquin Sorolla y Bastida

CICIMAR Oceánides 25(2): 121-134 (2010)Frías-Espericueta, M. et al., (2010)

MÚSCULO: Pb Y CdMÚSCULO: Pb Y Cd

Quezada, A.O et al (2006)

Facultad de Medicina Veterinaria, Universidad de Santa Cruz de la Sierra-Bolivia.

Espectrofotometría de absorción atómica con un sistema de horno de grafito.

MÚSCULO: PbMÚSCULO: Pb

Especies

Tuna

Jurel

Jurel del mediterráneo

Sardina

Boquerón

Pez escarcha

Merluza

Brotola de roca

Pagel

Gallo (puntos negros en las aletas dorsal y ventral)

Gallo

Pez rosa

Salmonete de fango

Congrio

Bejel

Raya marrón

Raya estrellada

Raya común

Técnica Utilizada

Espectrofotometría de absorción atómica con un sistema de horno de grafito.

M.M. Storelli, 2008Food and Chemical Toxicology 46 (2008) 2782–2788

South-Eastern Mediterranean Italian coast (Adriatic Sea)

Food and Chemical Toxicology 45 (2007) 1968–1974

Roser Martı´-Cid et al., 2007. Espectrometría de masas (ICP-MS)

Barcelona, Tarragona, Lleida, L’Hospitalet de Llobregat, Terrassa y Girona) de Cataluña.

METALES: Pb, Hg, As, CdMETALES: Pb, Hg, As, Cd

BIBLIOGRAFÍA

1. Alvarado, N.E., Buxens, A., Mazón, L.I., Marigoméz, I., Soto. M.2005. Aquatic Toxicology 74: 110-125.

2. Alvarado, N.E., Quesada, I., Hylland, K., Marigómez, I., Soto, M. 2006. Aquatic Toxicology 77:64–77.

3. Dang, Z., Lock, R.A.C., Flick, G., Wenderlaar Bonga, S.E. 1999. American Journal Physiology. 277: R320-R331.

4. Den Besten, P.J., 1998. Marine Environmental Resesarch. 46:253–256.5. Frías-Espericueta, M. 2010. CICIMAR Oceánides 25(2): 121-134 .6. Marigomez,I. , Soto, M., Cancio, I., Orbea, A., Garmendia, L., Cajaraville, M.P. 2006. Marine

Pollution Bulletin 53: 287–304.7. Roser Martı´-Cid. 2007. Food and Chemical Toxicology 45:1968–1974.8. Storelli, M.M. 2008. Food and Chemical Toxicology 46:2782–2788.9. Soto, M., Zaldibar, B., Cancio, I., Taylor, M.G., Turner, M., Morgan, A.J., Marigomez, I., 2002.

Histochemical Journal 34:273–280.10. Soto, M. 2013. Toxicity of metallic pollutants in relation with cellular accumulation and storage

processes. UPV/EHU-PIE. UPV/EHU-PIE

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