15.4: Toxicología Ambiental
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La toxicología ambiental es el estudio científico de las propiedades de las toxinas, los químicos que pueden causar daños a los organismos vivos, y los efectos en la salud asociados a la exposición a las mismas (tabla\(\PageIndex{a}\)). El campo también implica el manejo de estas toxinas y la protección de los humanos y ecosistemas de ellas. Los toxicólogos son científicos que estudian las propiedades de las toxinas, y estas propiedades causantes de daños, se llaman toxicidad. Es decir, los toxicólogos evalúan los peligros químicos.
| Ranking 2019 | Nombre de la sustancia |
|---|---|
| 1 | Arsénico |
| 2 | Plomo |
| 3 | Mercurio |
| 4 | Cloruro de vinilo |
| 5 | Bifenilos policlorados (PCB) |
| 6 | Benceno |
| 7 | Cadmio |
| 8 | Benzo [a] pireno |
| 9 | Hidrocarburos aromáticos policíclicos |
| 10 |
Benzo [b] fluoranteno |
| 11 | Ccloroformo |
| 12 |
Aroclor 1260 |
| 13 | p, P'-DDT |
| 14 | Aroclor 1254 |
| 15 | Dibenz [a, h] antraceno |
Tabla modificada de ATSDR/CDC (dominio público).
¿Qué formas toman los productos químicos?
Las sustancias químicas pueden tomar una variedad de formas. Pueden estar en forma de sólidos, líquidos, polvos, vapores, gases, fibras, nieblas y humos (figura\(\PageIndex{a}\)). La forma en que se encuentra una sustancia tiene mucho que ver con cómo entra en tu cuerpo y qué daño puede causar. Un químico también puede cambiar formas. Por ejemplo, los solventes líquidos pueden evaporarse y desprender vapores que puedes inhalar. A veces los químicos están en una forma que no se puede ver ni oler, por lo que no se pueden detectar fácilmente.
Rutas de Exposición a Químicos
Para causar problemas de salud, los químicos deben ingresar a tu cuerpo. Una vez que los químicos han ingresado a tu cuerpo, algunos pueden entrar en tu torrente sanguíneo y llegar a órganos internos “diana”, como los pulmones, el hígado, los riñones o el sistema nervioso. Hay tres vías principales de exposición, o formas en que un químico puede entrar en tu cuerpo (figura\(\PageIndex{b}\)).
La primera vía es la inhalación, que resulta de respirar gases químicos, nieblas o polvos que están en el aire. Debido a que los sacos de aire en los pulmones son estructura para el intercambio de gases, consistentes en una sola capa de células delgadas, las sustancias inhaladas pueden pasar rápidamente de los sacos de aire a los capilares y entrar en el torrente sanguíneo. Las toxinas inhaladas también pueden causar daño local a la boca, las vías respiratorias y los pulmones.
La segunda vía es la ingestión, deglución que ocurre que los químicos se han derramado o se han asentado en alimentos, bebidas, cigarrillos, barbas o manos. Las toxinas pueden entonces causar daño local en el tracto digestivo y pueden ser absorbidas, la mayoría de las veces a través de los intestinos, en el torrente sanguíneo.
La tercera vía es el contacto cutáneo o visual. Cuando los productos químicos tocan directamente la piel o entran en los ojos, pueden causar daños localizados o ser absorbidos a través de la piel hacia el torrente sanguíneo. Debido a que la piel consta de muchas capas celulares que están reforzadas con compuestos protectores, es más difícil que las toxinas ingresen al cuerpo a través de la piel en comparación con la inhalación y la ingestión. Sin embargo, las toxinas pueden entrar fácilmente a través de la piel dañada y algunas sustancias pueden ser absorbidas a través de la piel intacta Debido a que los ojos tienen un rico suministro de sangre, las toxinas pueden entrar listas al torrente sanguíneo a través del contacto visual.
¿Qué factores afectan la seguridad de un producto químico?
¿Por qué algunos químicos son más dañinos que otros? Se consideran muchos factores a la hora de evaluar la seguridad de una sustancia química, incluyendo potencia, persistencia, solubilidad, bioacumulación y biomagnificación. La potencia se refiere a la cantidad de una sustancia química necesaria para causar daño. Cuanto más potente sea una toxina, menor será la concentración necesaria para causar daño. La persistencia se refiere al tiempo que tarda una sustancia en descomponerse. Los químicos persistentes son de mayor preocupación porque permanecen en el medio ambiente (o incluso en organismos) por largos periodos de tiempo. La solubilidad se refiere a si el químico se disuelve en ciertos solventes, como el agua o la grasa. Generalmente, las toxinas liposolubles (liposolubles) son más peligrosas porque pueden acumularse en los tejidos grasos (ver más abajo) mientras que las toxinas solubles en agua podrían ser más fácilmente expulsadas del cuerpo. Además, las toxinas liposolubles son más fácilmente absorbidas por el cuerpo.
Bioacumulación
La bioacumulación es la acumulación de sustancias químicas en los tejidos de un organismo a lo largo de su vida útil. Si bien las toxinas bioacumuladas son comúnmente solubles en grasa, como el DDT y los PCB, las toxinas solubles en agua, como las formas inorgánicas de los metales pesados, también pueden bioacumularse. Por ejemplo, el plomo se acumula en los dientes y el hueso, y el mercurio puede acumularse en los riñones y el cerebro.
Biomagnificación
La biomagnificación es la concentración creciente de toxinas en los organismos en cada nivel trófico sucesivo. Cuando se consumen organismos con toxinas bioacumuladas, las toxinas se transfieren a sus depredadores (figura\(\PageIndex{d}\)). La biomagnificación explica por qué algunas especies de peces altas en la cadena alimentaria contienen altas concentraciones de mercurio y cadmio, otro metal pesado.
Además de la alta persistencia, solubilidad de grasa y bioacumulación, la biomagnificación explica por qué el insecticida ahora prohibido diclorodifeniltricloroetano (DDT) causó tanto daño. Los productores absorbieron el DDT y lo transmitieron a niveles sucesivos de consumidores a tasas cada vez más altas. Por ejemplo, rociar un pantano para controlar mosquitos hará que se acumulen trazas de DDT en las células de organismos acuáticos microscópicos, el plancton, en el pantano. Al alimentarse del plancton, filtro-comederos, como almejas y algunos peces, cosechan DDT así como alimentos. (Las concentraciones de DDT 10 veces mayores que las del plancton se han medido en almejas.) El proceso de concentración va justo en la cadena alimentaria de un nivel trófico al siguiente. Las gaviotas, que se alimentan de almejas, pueden acumular DDT a 40 o más veces la concentración en sus presas. Esto representa un aumento de 400 veces en la concentración a lo largo de esta cadena alimentaria corta. En última instancia, los depredadores ápice en la parte superior de la cadena alimentaria como Águilas Calvas, pelícanos, halcones y águilas pescadoras se alimentaron de peces contaminados, alcanzando niveles peligrosos de DDT.
Otra de las sustancias que biomagnifica es el bifenilo policlorado (PCB). La Administración Nacional Atmosférica y Oceánica (NOAA) estudió la biomagnificación de PCB en la Bahía Saginaw del Lago Huron de los Grandes Lagos de América del Norte (figura\(\PageIndex{d}\)). Las concentraciones de PCB aumentaron desde los productores del ecosistema (fitoplancton) a través de los diferentes niveles tróficos de las especies de peces. El depredador ápice, el leucoma, tuvo más de cuatro veces la cantidad de PCB en comparación con el fitoplancton. Además, la investigación encontró que las aves que comen estos peces pueden tener niveles de PCB que son al menos diez veces más altos que los que se encuentran en los peces del lago. Este ecosistema acuático ofreció una oportunidad ideal para estudiar la biomagnificación porque los PCB generalmente existen a bajas concentraciones en este ambiente, pero los depredadores ápice acumularon concentraciones muy altas de la toxina.
Contaminantes Orgánicos Persistentes
Los contaminantes orgánicos persistentes (COP) son un grupo de químicos orgánicos que plantean riesgos para la salud humana y los ecosistemas. Los ejemplos incluyen el pesticida diclorodifeniltricloroetano (DDT) y los químicos industriales bifenilos policlorados (PCB) y sustancias per- y polifluoroalquilo (PFAS). El contaminante en el Agente Naranja (2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina; TCDD) es otro POP (ver El Método Científico). Los contaminantes orgánicos persistentes tienen las siguientes tres características:
- Persistentes: Los COP son químicos que duran mucho tiempo en el medio ambiente. Algunos pueden resistir la descomposición durante años e incluso décadas, mientras que otros potencialmente podrían descomponerse en otras sustancias tóxicas.
- Bioacumulativo: Los COP pueden acumularse en animales y humanos, generalmente en los tejidos grasos y en gran parte a partir de los alimentos que consumen. A medida que estos compuestos suben en la cadena alimentaria, se concentran a niveles que podrían ser miles de veces superiores a los límites aceptables.
- Tóxico: Los COP pueden causar una amplia gama de efectos sobre la salud en humanos, vida silvestre y peces. Se han relacionado con efectos sobre el sistema nervioso, problemas reproductivos y de desarrollo, supresión del sistema inmune, cáncer y alteración endocrina. La producción y el uso deliberados de la mayoría de los COP ha sido prohibida en todo el mundo, con algunas exenciones hechas por consideraciones de salud humana (por ejemplo, DDT para el control de la malaria) y/o en casos muy específicos donde no se han identificado sustancias químicas alternativas. Sin embargo, la producción no deseada y/o el uso actual de algunos COP siguen siendo un tema de preocupación mundial. A pesar de que la mayoría de los COP no se han fabricado ni utilizado durante décadas, siguen estando presentes en el medio ambiente y, por lo tanto, potencialmente dañinos. Las mismas propiedades que originalmente los hicieron tan efectivos, particularmente su estabilidad, los hacen difíciles de erradicar del medio ambiente.
La relación entre la exposición a contaminantes ambientales como los COP y la salud humana es compleja. Cada vez hay más evidencia de que estos químicos persistentes, bioacumulativos y tóxicos (PBT) causan daños a largo plazo a la salud humana y al medio ambiente. Sin embargo, establecer un vínculo directo entre la exposición a estos químicos y los efectos sobre la salud es complicado, particularmente porque los humanos están expuestos diariamente a muchos contaminantes ambientales diferentes a través del aire que respiran, el agua que beben y los alimentos que comen. Numerosos estudios vinculan los COP con una serie de efectos adversos en humanos. Estos incluyen efectos sobre el sistema nervioso, problemas relacionados con la reproducción y el desarrollo, cáncer e impactos genéticos. Además, existe una creciente preocupación pública por los contaminantes ambientales que imitan las hormonas en el cuerpo humano (disruptores endocrinos).
A través de procesos atmosféricos, se depositan en tierra o en ecosistemas acuáticos donde se acumulan y potencialmente causan daños. De estos ecosistemas, se evaporan, ingresando nuevamente a la atmósfera, viajando típicamente de temperaturas más cálidas hacia regiones más frías. Se condensan fuera de la atmósfera cada vez que baja la temperatura, alcanzando finalmente las concentraciones más altas en los países circumpolares. A través de estos procesos, los COP pueden moverse miles de kilómetros de su fuente original de liberación en un ciclo que puede durar décadas.
Al igual que con los humanos, los animales están expuestos a COP en el ambiente a través del aire, el agua y los alimentos. Los COP pueden permanecer en los sedimentos durante años, donde las criaturas que viven en el fondo los consumen y que luego son devorados por peces más grandes. Debido a que las concentraciones tisulares pueden biomagnificarse en cada nivel de la cadena alimentaria, los depredadores superiores, incluyendo ballenas, focas, osos polares, aves rapaces, atún, pez espada y lubina pueden tener concentraciones de COP un millón de veces mayores que el agua misma. Una vez que los COP se liberan al medio ambiente, pueden transportarse dentro de una región específica y a través de fronteras internacionales transfiriendo entre aire, agua y tierra.
Aunque generalmente están prohibidos o restringidos (figura\(\PageIndex{e}\)), los COP se abren paso en y en todo el medio ambiente diariamente a través de un ciclo de transporte aéreo de largo alcance y deposición llamado el “efecto saltamontes”. ” Los procesos de “saltamontes” comienzan con la liberación de COP al medio ambiente. Cuando los COP ingresan a la atmósfera, pueden ser transportados con corrientes de viento, a veces por largas distancias.
¿Cuáles son los efectos de las toxinas en la salud?
El efecto de una toxina está determinado por muchos factores. En primer lugar, la misma toxina y la misma concentración pueden afectar a los individuos de manera diferente dependiendo de la edad, la salud general, la genética, el género y otros factores. Por ejemplo, los niños pequeños son especialmente susceptibles a los metales pesados y al bisfenol A (BPA). Adicionalmente, como muchas toxinas son procesadas por el hígado, y la función hepática disminuye con la edad, los adultos mayores son más susceptibles a ciertas toxinas. De manera similar, es probable que un individuo generalmente sano resista las toxinas de exposición mejor que alguien que enfrenta otros problemas de salud. En cuanto a la genética, algunos individuos pueden tener versiones de genes que los hacen más susceptibles o resistentes a ciertas toxinas. Además de los factores individuales, la duración de la exposición, la presencia de otras toxinas y la concentración (dosis), todos impactan la toxicidad
Efectos agudos vs. crónicos
Un efecto agudo de una toxina es aquel que ocurre rápidamente después de la exposición a una gran cantidad de esa sustancia. Un efecto crónico de un contaminante es el resultado de la exposición a pequeñas cantidades de una sustancia durante un largo período de tiempo. En tal caso, el efecto puede no ser inmediatamente obvio. Los efectos crónicos son difíciles de medir, ya que es posible que los efectos no se vean desde hace años. Se cree que la exposición a largo plazo al tabaquismo, la exposición a bajo nivel de radiación y el consumo moderado de alcohol producen efectos crónicos.
Interacciones Toxicológicas
La exposición a múltiples productos químicos simultáneamente puede resultar en una variedad de efectos, o interacciones químicas (figura\(\PageIndex{f}\)). Estos pueden aplicarse a cualquier químico que afecte al organismo, incluyendo drogas y toxinas (en este último caso, se llaman interacciones toxicológicas). Si el efecto de los dos químicos combinados es la suma de sus efectos individuales, la interacción química se denomina efecto aditivo. Supongamos que el fármaco A y el fármaco B tienen el mismo efecto en el cuerpo (por ejemplo, cada uno aumenta la frecuencia cardíaca en cinco latidos por minuto). Se produciría un efecto aditivo si tomar ambos medicamentos juntos aumentara la frecuencia cardíaca en 10 latidos por minuto. Por ejemplo, el tolueno y el xileno, que se encuentran ambos en disolventes y pinturas tienen un efecto aditivo. Cada uno causa irritación de ojos, nariz y garganta, mareos, dolores de cabeza y confusión. Un estudio encontró que sus efectos combinados sobre la memoria, la función cognitiva y la coordinación fueron aproximadamente iguales a la suma de sus efectos individuales.
En contraste, si tomar ambos fármacos A y B simultáneamente aumentaba la frecuencia cardíaca en menos de 10 latidos por minuto (menos de su suma), su interacción se consideraría un efecto antagónico, indicando que interfieren entre sí. Por ejemplo, el etanol (que se encuentra en las bebidas alcohólicas) y el metanol (alcohol de madera) ambos tienen efectos tóxicos, pero el metanol es más dañino de inmediato. Cuando se ingiere metanol, el cuerpo lo convierte en compuestos peligrosos que no se pueden eliminar fácilmente del cuerpo. El etanol puede usarse para tratar la intoxicación por metanol porque bloquea las enzimas que facilitan estas reacciones, brindando al organismo la oportunidad de eliminar el metanol.
Si la combinación de los fármacos A y B aumentara la frecuencia cardíaca más de 10 latidos por minuto, su interacción sería un efecto sinérgico; es decir, su efecto combinado fue mayor que la suma de sus efectos individuales. Por ejemplo, fumar combinado con la exposición al asbesto tiene un efecto sinérgico en la causa de cáncer de pulmón.
La curva dosis-respuesta
Durante siglos, los científicos han sabido que casi cualquier sustancia es tóxica en cantidades suficientes. Es un dicho así común entre los toxicólogos que “la dosis hace el veneno”. De hecho, una dosis (cantidad) demasiado alta de un medicamento de otra manera útil puede causar efectos negativos para la salud o incluso la muerte. De igual manera, los organismos vivos requieren pequeñas cantidades de selenio para su correcto funcionamiento, pero grandes cantidades pueden causar cáncer.
El efecto de un determinado químico en un individuo depende de la dosis del químico. Esta relación a menudo se ilustra mediante una curva dosis-respuesta, que muestra la relación entre la dosis y la respuesta del individuo. Las dosis letales en humanos se han determinado para muchas sustancias a partir de información recopilada de registros de homicidios, intoxicaciones accidentales, pruebas en animales y experimentos en cultivos celulares. Una dosis que es letal para el 50% de una población de animales de prueba se llama la dosis letal -50%, o LD 50 (Tabla\(\PageIndex{b}\)). Se requiere la determinación del LD 50 para nuevos químicos sintéticos con el fin de dar una medida de su toxicidad. Debido a que una sola prueba convencional LD 50 puede matar hasta 100 animales, Estados Unidos y otros miembros de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos acordaron en diciembre de 2000 eliminar gradualmente la prueba LD 50 en favor de alternativas que reduzcan en gran medida (o incluso eliminar) muertes de los animales de prueba.
(mg/kg)
Una dosis que provoca que 50% de una población presente alguna respuesta significativa, ya sea terapéutica o dañina (caída del cabello, retraso en el desarrollo, etc.), se conoce como la dosis efectiva -50%, o ED 50 (figura\(\PageIndex{h}\)). Algunas toxinas tienen una dosis umbral por debajo de la cual no existe un efecto aparente sobre la población expuesta, denominada nivel de efecto adverso no observado (NOAEL; figura\(\PageIndex{i}\)). La dosis más baja a la que cualquier efecto negativo es aparente se denomina el nivel de efecto adverso más bajo observado (LOAEL). Entre NOAEL y LOAEL, puede haber un efecto notable pero inofensivo.
Efectos en la salud humana, ambientales y económicos del uso de plaguicidas en la producción de papa en Ecuador
El Centro Internacional de la Papa (CIP) realizó un proyecto de intervención de investigación interdisciplinaria e interinstitucional sobre los impactos de plaguicidas en la producción agrícola, la salud humana y el medio ambiente en Carchi, Ecuador. Carchi es el área de cultivo de papa más importante en Ecuador, donde los pequeños agricultores dominan la producción. Utilizan tremendas cantidades de pesticidas para el control del gorgojo andino de la papa y el hongo del tizón tardío. Prácticamente todos los agricultores aplican pesticidas altamente peligrosos (clasificados por la Organización Mundial de la Salud como clase Ib) usando pulverizadores de mochila con bomba manual (figura\(\PageIndex{g}\)). El LD 50 para pesticidas clase Ib es de 5-50 o 20-200 mg/kg para ingestión oral en forma sólida o líquida, respectivamente. Para la exposición dérmica (piel), el LD 50 es de 10-100 o 40-400 mg/kg para sólidos y líquidos, respectivamente. Los pesticidas LD 50 clase III, que se consideran solo ligeramente peligrosos, son al menos 10 veces mayores que los de los pesticidas de clase Ib.
El estudio encontró que los problemas de salud causados por los pesticidas son severos y están afectando a un alto porcentaje de la población rural. A pesar de la existencia de soluciones tecnológicas y políticas, las políticas gubernamentales continúan promoviendo el uso de plaguicidas. Las conclusiones del estudio coincidieron con las de la industria de plaguicidas, “que cualquier empresa que no pudiera garantizar el uso seguro de plaguicidas altamente tóxicos debería sacarlos del mercado y que es casi imposible lograr un uso seguro de plaguicidas altamente tóxicos entre los pequeños agricultores de los países en desarrollo”.
Fuente: Yanggen et al. 2003.
Principio de Precaución
Determinar una dosis segura a partir de una curva dosis-respuesta emplea el principio de precaución, que en pocas palabras, encarna la frase “Es mejor seguro que lamentar”. Las acciones que siguen el principio de precaución permiten un margen para garantizar la seguridad en el caso de que posteriormente se encuentre que una toxina o fármaco tiene un efecto negativo a una dosis menor a la detectada primero. La dosis segura a menudo se establece en 1% o incluso 0.1% del NOAEL.
El principio de precaución a veces se aplica a otros componentes de la toxicología ambiental. Por ejemplo en la Unión Europea (UE), los fabricantes deben demostrar la seguridad de su producto antes de venderlo. Si bien esto también se requiere en Estados Unidos para los productos químicos que no se han utilizado antes, no existe tal regla para los productos existentes. En cambio, es responsabilidad de la Agencia de Protección Ambiental demostrar que los productos que ya están en el mercado no son seguros antes de prohibirlos. En resumen, el principio de precaución se aplica para regular las toxinas potenciales en productos tanto en la UE como en Estados Unidos; sin embargo, la UE aplica el principio de precaución de manera más amplia. La UE errores por el lado de la precaución, potencialmente prohibiendo los productos químicos que son inofensivos hasta que se demuestre que son seguros, pero Estados Unidos corre el riesgo de exposición a posibles toxinas antes de que se determine su seguridad.
Atribución
Modificado por Melissa Ha de las siguientes fuentes:
- Contaminantes Orgánicos Persistentes: Traseros a Fronteras. 2004. Banco Mundial. (licenciado bajo CC-BY)
- Biología Ambiental por Matthew R. Fisher (licenciado bajo CC-BY)
- Biomagnificación, Insecticidas y la prueba LD50 de Biología por John W. Kimball (licenciado bajo CC-BY)