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.
Metales en el medio Marino
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
DESTINO DE LOS METALES EN EL MEDIO MARINODESTINO DE LOS METALES EN EL MEDIO MARINO
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.
DESTINO DE LOS METALES EN EL MEDIO MARINODESTINO DE LOS METALES EN EL MEDIO MARINO
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.
DESTINO DE LOS METALES EN EL MEDIO MARINODESTINO DE LOS METALES EN EL MEDIO MARINO
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
DESTINO DE LOS METALES EN EL MEDIO MARINODESTINO DE LOS METALES EN EL MEDIO MARINO
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.
Metales en el medio Marino
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
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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.
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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
Gracias, Gracias, por su amable por su amable atenciónatención
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