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+
BIOINDICADORES Y BIOMARCADORES DECONTAMINACIN AMBIENTAL
Dr. Rodrigo [email protected]
www.iio.cl
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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
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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
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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
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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 :
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AIRE
AGUA
SEDIMENTO
BIOTA
SUELO
SUSPENDIDO
K 5
K 1
K 2
K 4
K 3
BIOTA
Ambiente
Atmosférico
Terrestre
Ambiente
Acuático
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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
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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
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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
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FACTORESFISICOQUIMICOS
HIDRODINAMICA
HABITATDISPONIBLES
EUTROFICACION
DISPONIBILIDADALIMENTOS
CONTAMINACION
RESPUESTA
INTEGRADACRECIMIENTO REPRODUCCION
RESPUESTAPOBLACIONAL
CAMBIOSCOMUNIDAD
EFECTOSECOSISTEMICOS
(adapted from: Adams, 2001).
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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).
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SHORT-TERM RESPONSES
BIOENERGETIC
POPULATION / COMMUNITY
HIGH ECOLOGICAL RELEVANCE
REPRODUCTIVE
BIOCHEMICAL
PHYSIOLOGICAL
ENZIMATICAL DETOXICATION
IMMUNOLOGICAL
HISTOPATHOLOGICAL
LOW ECOLOGICAL RELEVANCE
LONG-TERM RESPONSES
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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
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¿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)
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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.
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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
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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)
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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
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ECOSYSTEM EFFECTS
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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).
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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
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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
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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
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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
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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 . . .