15: Estresores Ambientales

Tipos de factores estresantes

Los diversos tipos de estresores ambientales se agrupan en clases, aunque no son del todo exclusivos.

• El estrés físico es una perturbación en la que existe una exposición intensa a la energía cinética, lo que ocasiona daños a hábitats y ecosistemas. Los ejemplos incluyen eventos disruptivos como un huracán o tornado, una ola sísmica marina (tsunami), la explosión de una erupción volcánica, una explosión o pisoteo por maquinaria pesada o excursionistas.
• El incendio forestal es otra perturbación, que implica la combustión incontrolada de la biomasa de un ecosistema. Un incendio forestal puede ser encendido por personas, o naturalmente por un rayo. Un incendio severo consume gran parte de la biomasa de un ecosistema, pero incluso un incendio forestal menos severo puede matar a muchos organismos al abrasar e intoxicar por gases tóxicos.
• La contaminación química ocurre cuando una o más sustancias ocurren en una concentración lo suficientemente alta como para provocar respuestas fisiológicas en los organismos, potencialmente causando toxicidad y cambio ecológico. Los estresantes químicos incluyen pesticidas, gases como el ozono y el dióxido de azufre, y elementos tóxicos como el arsénico y el mercurio. La contaminación también puede ser causada por el exceso de nutrientes, lo que puede distorsionar la productividad y otras funciones ecológicas. Obsérvese que la mera presencia de un agente potencialmente tóxico no necesariamente causa contaminación. (La distinción entre contaminación y contaminación se examina más adelante en este capítulo.)
• La contaminación térmica es causada por la liberación de calor (energía térmica) al ambiente, lo que resulta en estrés ecológico debido a que las especies varían en su tolerancia a temperaturas extremas. El estrés térmico puede ocurrir en manantiales naturales y respiraderos submarinos donde se emite agua geológicamente calentada. También se asocia con descargas de agua caliente de las centrales eléctricas.
• El estrés por radiación es causado por la exposición excesiva a la energía ionizante. La radiación puede ser emitida por desechos nucleares o explosiones, o puede ser rayos X de diagnóstico o energía solar ultravioleta.
• El estrés climático se asocia con regímenes insuficientes o excesivos de temperatura, humedad, radiación solar, viento o combinaciones de estos.
• Los estresores biológicos están asociados con interacciones que ocurren entre organismos, como competencia, herbivoría, depredación, parasitismo y enfermedad. Por ejemplo, individuos de la misma especie o de diferentes especies pueden competir por recursos esenciales que tienen un suministro limitado. Herbivoría, depredación, parasitismo y enfermedad son interacciones tróficas, en las que una especie explota a otra. La explotación puede ser antropogénica, como cuando los humanos cosechan animales salvajes o árboles, o puede ser natural, quizás asociada con insectos defoliantes o patógenos causantes de enfermedades.
• La contaminación biológica ocurre cuando las personas liberan organismos más allá de su área de distribución natural. Esto podría implicar la introducción de especies exóticas que invaden y alteran hábitats naturales, o puede ser la liberación de patógenos al medio ambiente a través de descargas de aguas residuales sin procesar.

Imagen 15.3. La “contaminación” biológica se produce cuando las especies se introducen en hábitats más allá de su área de distribución natural, donde pueden causar daños ecológicos. Este altramuz no nativo (Lupinus polyphyllus) ha sido introducido en el este de Canadá, donde prospera en jardines y a lo largo de los bordes de las carreteras. Aunque es una flor silvestre atractiva, desplaza a las plantas autóctonas. Fuente: B. Freedman.

Respuestas Ecológicas

Un ecosistema que se ha visto afectado por una perturbación suele sufrir mortalidad entre sus especies, junto con daños en sus propiedades estructurales (como la composición de especies y distribución de biomasa) y atributos funcionales (como la productividad y el ciclo de nutrientes). Una vez terminado el evento de perturbación, comienza un proceso de recuperación a través de la sucesión. Si la sucesión continúa por el tiempo suficiente, restaurará otro ecosistema maduro, tal vez uno similar al existente antes de la perturbación.

Los estresores crónicos operan durante períodos de tiempo más largos (en lugar de como eventos), e incluyen factores climáticos y muchos tipos de contaminación química y térmica. Dependiendo de la intensidad de la exposición, los organismos pueden sufrir toxicidad aguda que resulta en daño tisular o incluso la muerte, o un daño crónico menos obvio que resulta en una disminución de la productividad.

La exposición a una mayor intensidad de factores estresantes ambientales puede resultar en cambios evolutivos si los organismos individuales varían en su tolerancia y esas diferencias se basan genéticamente. En tales condiciones, la selección natural a favor de individuos tolerantes eventualmente dará como resultado una mayor tolerancia a nivel poblacional. A nivel comunitario, las especies relativamente vulnerables se reducirán o eliminarán del hábitat si la intensidad del estrés aumenta notablemente. Los nichos de esas especies pueden entonces ser ocupados por miembros más tolerantes de la comunidad, o por especies invasoras que son capaces de explotar un hábitat estresante pero débilmente competitivo.

Una intensificación prolongada del estrés provocará cambios ecológicos a largo plazo. Consideremos, por ejemplo, un caso en el que se construya una nueva fundición metálica en un paisaje boscoso. Si la fundición emite gas dióxido de azufre tóxico, el estrés tóxico dañará las plantas del bosque del tamaño de un árbol y eventualmente hará que cedan paso a la vegetación herbácea y arbustiva. Si el estrés a largo plazo es extremadamente severo, el paisaje podría perder por completo su vegetación. Este tipo de daños en realidad se han producido alrededor de una serie de fundiciones canadienses, como las cercanas a Sudbury (Capítulo 16).

Este tipo de daño ecológico implica cambios en la composición y dominación de las especies en las comunidades, en la distribución espacial de la biomasa y en funciones como la productividad, la descomposición de la hojarasca y el ciclo de nutrientes. Debido a que una fundición es una fuente puntual discreta de estrés ambiental, las respuestas ecológicas eventualmente se estabilizan a medida que los gradientes de cambio comunitario irradian hacia afuera, en dirección a favor del viento o aguas abajo de la fuente de contaminación.

La intensidad de un estresante también puede disminuir en tiempo y espacio. Cuando esto sucede, las respuestas ecológicas son, en muchos aspectos, el reverso del daño que se produce cuando el estrés se intensifica. Estos cambios representan un proceso de recuperación a través de la sucesión. En el caso de las fundiciones de Sudbury, las emisiones de contaminantes han disminuido mucho debido a la instalación de tecnologías de control de contaminación. Esto ha resultado en un estrés mucho menos tóxico en el ambiente circundante, lo que ha permitido que se produzca alguna recuperación ecológica (Capítulos 16 y 18).

Los ecologistas han descrito los atributos generales de los ecosistemas que han sido sometidos a estrés severo durante un periodo de tiempo. En general, a medida que el estrés ambiental se intensifica significativamente (por ejemplo, al aumentar la contaminación), se observan los siguientes cambios:

• aumenta la mortalidad, especialmente de las especies más vulnerables
• la riqueza de especies disminuye
• las reservas de nutrientes y biomasa se agotan
• la tasa de respiración comunitaria supera a la de producción, por lo que la producción neta se vuelve negativa.
• las especies sensibles son reemplazadas por otras más tolerantes
• depredadores superiores y especies de gran cuerpo pueden perderse del ecosistema
• los ecosistemas previamente automantenidos pueden requerir un manejo activo para mantener sus atributos deseables, por ejemplo, para mantener poblaciones en declive de especies raras o económicamente valiosas que se han visto amenazadas

Los ecosistemas que están expuestos crónicamente a estrés intenso (como la tundra estresada por el clima) eventualmente se estabilizan. Por lo general, los ecosistemas estables son bajos en riqueza de especies, simples en estructura y función, y dominados por especies relativamente pequeñas y de larga vida. Además, tienen bajas tasas de productividad, descomposición y ciclo de nutrientes.

Si un aumento en el estrés ambiental tiene una causalidad antropogénica, entonces los cambios ecológicos resultantes a menudo se consideran como daños y son vistos como una degradación de la calidad ambiental y la integridad ecológica (estos términos se examinan en el Capítulo 27).

La contaminación puede ser natural

La contaminación no sólo es causada por las actividades humanas —en algunos casos, es un fenómeno puramente natural. Las fuentes “naturales” de contaminación incluyen las emisiones de partículas y gases como el dióxido de azufre de los volcanes, las filtraciones de petróleo en el fondo oceánico, las altas concentraciones de metales en ciertos suelos y rocas, y el calor de las fuentes geotérmicas. La contaminación natural puede causar cambios ecológicos severos (que los humanos pueden ver como una especie de daño). Los efectos pueden ser tan intensos como los causados por la contaminación antropogénica. Sin embargo, aunque el hecho de la contaminación natural es interesante y bien reconocido, no justifica actividades humanas que causen daños similares.

Los estudios de los efectos ecológicos de la contaminación natural pueden proporcionar información sobre los posibles efectos a largo plazo de las emisiones antropogénicas. Esto se debe a que muchos ejemplos de contaminación natural son antiguos, y los patrones resultantes de cambio ecológico pueden ser similares a los causados por las emisiones antropogénicas más recientes.

Un ejemplo interesante ocurre en las Colinas de Fumar en los Territorios del Noroeste. Este es un desierto remoto, y está poco influenciado por la gente. En varios lugares a lo largo de la costa y ríos cercanos, la erosión ha expuesto depósitos de esquisto bituminoso. Estos depósitos ricos en carbono se han encendido espontáneamente en varios lugares y han estado ardiendo durante siglos y fumigando la tundra cercana con dióxido de azufre. El SO2 es tóxico para las plantas y también hace que el suelo y el agua se vuelvan altamente ácidos. La contaminación natural ha dañado severamente los hábitats terrestres y acuáticos de la tundra en las Colinas de Fumar (ver Capítulo 16).

Otro ejemplo de contaminación natural ocurre cuando los minerales ricos en metales ocurren cerca de la superficie del suelo, lo que resulta en condiciones tóxicas para la vegetación. Por ejemplo, los ecólogos de plantas han estudiado suelos que contienen minerales “serpentinos”, que son ricos en níquel y cobalto. Cuando ocurren en altas concentraciones, estos metales son tóxicos para la mayoría de las plantas. Los hábitats que contienen minerales serpentinos desarrollan una comunidad vegetal distintiva que está dominada por especies de bajo crecimiento que pueden tolerar el estrés tóxico del suelo rico en metales (ver Capítulo 18).

Un caso adicional de contaminación natural involucra ciertas especies de fitoplancton marino que ocasionalmente se vuelven abundantes y causan daños ecológicos. En eventos llamados floraciones tóxicas, estas algas liberan bioquímicos que son venenosos para una amplia gama de animales que están expuestos a través de la red alimentaria. En algunos casos, las ballenas jorobadas han muerto en el mar después de comer peces contaminados con saxitoxina, una potente neurotoxina sintetizada por algas dinoflageladas. Las toxinas algales también son un riesgo para las personas que comen peces contaminados por esta y otras sustancias químicas, como el ácido domoico.

La investigación y discusión sobre la contaminación natural es útil e informativa en la ciencia ambiental. Sin embargo, en este libro, enfatizamos la contaminación causada por las actividades humanas y sus daños resultantes. Este enfoque es sensato porque la contaminación antropogénica está aumentando rápidamente en muchos países, incluido Canadá. En consecuencia, existe una necesidad apremiante de evitar o gestionar los daños que la contaminación puede tener tanto en las personas como en los ecosistemas naturales.

Contaminación Antropogénica

En el mundo moderno, una enorme cantidad de contaminación está asociada con las actividades humanas. Esto ha causado importantes daños a la salud humana y a los ecosistemas manejados y naturales. Las personas causan contaminación de diversas maneras, y las examinamos en los siguientes capítulos. Más comúnmente, la contaminación antropogénica se asocia con este tipo de actividades:

• emisiones accidentales o deliberadas de productos químicos al medio ambiente, como dióxido de azufre, metales, pesticidas y petróleo
• liberaciones de sustancias que reaccionan en el ambiente para sintetizar químicos de mayor toxicidad — esto se conoce como contaminación secundaria (como ocurre cuando el ozono es creado por reacciones fotoquímicas en la atmósfera)
• emisiones de sustancias químicas que degradan el ozono estratosférico, como los clorofluorocarbonos
• liberaciones de calor industrial residual, como cuando una planta de energía descarga agua caliente en un río o lago
• descargas de aguas residuales cargadas de nutrientes o fertilizantes en cuerpos de agua
• emisiones de gases de efecto invernadero que amenazan el clima global
• liberaciones de especies exóticas que causan daños cuando invaden hábitats manejados o naturales, o son patógenos de personas, cultivos o especies nativas

Imagen 15.5. Muchas actividades humanas resultan en emisiones de contaminantes al medio ambiente. Esta imagen muestra una chimenea de 380 m en una fundición de metal cerca de Sudbury, Ontario. Fuente: B. Freedman.

Alteración natural

La perturbación es una fuerza natural que afecta a todos los ecosistemas. Por ejemplo, un incendio forestal puede matar árboles maduros sobre un área grande, pero ese evento de destrucción es seguido por la regeneración a través de la sucesión. El fuego es común en el bosque boreal y en ecosistemas propensos a la sequía como pradera y sabana. En promedio, alrededor de 2 millones de hectáreas de bosques se queman cada año en Canadá, principalmente en incendios iniciados por rayos. Los incendios forestales transforman las condiciones del hábitat y también provocan una contaminación severa por la emisión de partículas y gases como dióxido de carbono y óxidos de nitrógeno a la atmósfera.

Otros agentes naturales de perturbación incluyen huracanes, tornados, inundaciones e incluso glaciación (a lo largo del tiempo geológico). Estos también causan daños ecológicos a gran escala, a los que le sigue la recuperación sucesional. Después de la glaciación, que implica el entierro prolongado y la abrasión de la tierra por una enorme masa de hielo, la recuperación posterior al derretimiento es iniciada por organismos inmigrantes que colonizan el paisaje crudo.

Una erupción volcánica o terremoto puede generar una o más olas oceánicas devastadoras, o tsunamis. En 1883, la erupción cataclísmica de la isla volcánica de Krakatau en Indonesia creó una ola de tsunami de 30 m que mató a unas 36 mil personas. En 2004, más de 225 mil personas murieron por un tsunami en el Océano Índico (ver Global Focus 3.1). En 2011, un terremoto submarino generó un tsunami de hasta 40.5 m que devastó regiones costeras, viajó hasta 10 km tierra adentro sobre terrenos bajos, causó al menos 18 mil muertes, destruyó cientos de miles de edificios y creó una crisis tecnológica cuando las inundaciones hicieron inoperante el control sistemas de una gran central nuclear.

La explosión y el calor de una erupción volcánica también pueden dañar los ecosistemas, como ocurrió en 1980 cuando el Monte St. Helens en Washington estalló en una explosión lateral más o menos. La explosión derribó 21 mil ha de bosque de coníferas, mató a otras 10 mil ha por lesión por calor, y de otra manera dañó 30 mil ha adicionales. También hubo derrumbes devastadores, y una enorme área estaba cubierta con eyecta de partículas (conocida como tefra) que se asentaron desde la atmósfera a 50 cm o más de profundidad.

Una erupción volcánica también puede emitir enormes cantidades de dióxido de azufre, partículas y otros contaminantes en lo alto de la atmósfera. Alrededor de 2-5 millones de toneladas de SO2 (expresado como el contenido de azufre, o SO2-S) son emitidas por los volcanes en un año típico, y una erupción individual puede emitir más de 1 millón de toneladas. Este SO2 natural contribuye a la acidificación de la precipitación y a otros daños ambientales (Capítulo 19).

Los brotes poblacionales naturales (irrupciones) de herbívoros, depredadores o patógenos también pueden resultar en daños intensos a los hábitats naturales. Por ejemplo, la lombriz del abeto (Choristoneura fumiferana) defolia periódicamente enormes áreas de bosque de coníferas en el este de Canadá (más de 55 millones de hectáreas en 1975). Esto provoca una gran mortalidad de abetos y abetos y otros daños ecológicos (Capítulo 22). Un brote reciente del escarabajo del pino de la montaña (Dendroctonus ponderosae) ha causado daños igualmente extensos a los bosques de pino en el oeste de Canadá y el noroeste de Estados Unidos, con alrededor de 36 millones de hectáreas afectadas. Un ejemplo marino es el erizo verde de mar (Strongylocentrotus droebachiensis), que ocasionalmente irrumpe en hábitats submareales rocosos frente a Nueva Escocia. Estos invertebrados pueden sobrepastar “bosque” maduro de las algas Laminaria y Agarum, resultando en un “suelo estéril” con mucha menos productividad y biomasa. Después de que la población de erizos de mar colapsa, el bosque de algas se restabiliza rápidamente.

Las microperturbaciones también son una característica común de los ecosistemas naturales. Ejemplos de estas perturbaciones a menor escala incluyen la muerte de árboles grandes individuales dentro de un bosque que de otro modo estaría intacto, tal vez causado por una enfermedad o un accidente (como un rayo). Esto crea una brecha natural en el dosel, debajo de la cual se produce una microsucesión a medida que las plantas compiten para aprovechar oportunidades de recursos temporales como la luz adicional. El follaje de los árboles maduros finalmente llena el vacío. De manera similar, la muerte de una cabeza de coral individual dentro de un arrecife que de otro modo estaría intacto inicia una microsucesión dentro de ese ecosistema marino.

Los ecologistas intentan comprender los efectos de las perturbaciones naturales y aplicar ese conocimiento para diseñar sistemas de manejo que permitan cosechar o utilizar los recursos mientras controlan el daño ecológico resultante. Por ejemplo, comprender las características de las perturbaciones de fase de brechas en un bosque viejo puede ayudar en el diseño de un sistema de recolección selectiva que emula el régimen de perturbación natural. El uso de ese tipo de sistema dejará sustancialmente intacta la integridad física y ecológica del bosque, aun cuando los árboles individuales sean cosechados periódicamente para uso comercial. Esos individuos serían reemplazados por regeneración natural. En vista de la dinámica natural de perturbación en fase de brechas del bosque viejo, la tala clara seguida de la siembra de plántulas de árboles podría considerarse un sistema de manejo menos “natural”. Sin embargo, la tala clara podría ser una práctica apropiada para usar al momento de cosechar bosques que se adapten a perturbaciones de reemplazo comunitario, como incendios forestales o brotes de insectos (ver Capítulos 22 y 23).

Alteración antropogénica

Los humanos también perturban los ecosistemas de diversas maneras, muchos ejemplos de los cuales se describen en los siguientes capítulos. Las perturbaciones antropogénicas están asociadas con muchas actividades, como la conversión de ecosistemas, la recolección de recursos naturales, la introducción de especies exóticas, la construcción de carreteras y edificios, y la guerra.

La recolección de recursos tanto renovables como no renovables siempre causa perturbaciones a los ecosistemas. También lo hace el manejo poscosecha de los recursos renovables. Por ejemplo, la perturbación intensa es causada por la extracción en tiras de la superficie para carbón o arena de petróleo. De igual manera, la recolección de un bosque por tala clara representa una perturbación que reemplaza a la comunidad, a la que le sigue la regeneración por sucesión. Alteraciones adicionales pueden estar asociadas con el manejo silvícola, como la escarificación para preparar la tierra para plantar plántulas arbóreas, y la fumigación con herbicidas para disminuir la abundancia de malezas. La recolección también puede ser selectiva, como cuando especies o tamaños particulares de árboles o peces son objeto de cosecha. Esto puede representar una especie de perturbación de fase de brecha.

La conversión de ecosistemas naturales en usos agrícolas o urbanizados también representa una grave perturbación. En estos casos, la recuperación sucesional se maneja de cerca para fomentar el desarrollo de un ecosistema antropogénico. Por lo general, los hábitats están dominados por especies exóticas de plantas y animales, y a veces por los ladrillos y concreto del entorno construido. Estas conversiones desplazan a casi todas las especies nativas originales y comunidades naturales.

La gente ha introducido deliberada o accidentalmente muchas especies más allá de su área de distribución natural. A menudo, los extraterrestres introducidos se vuelven invasivos de hábitats naturales, en el sentido de desplazar especies nativas y causar otro tipo de daños ecológicos. Los ejemplos de América del Norte incluyen la introducción de mejillones cebra (Dreissena polymorpha) en los Grandes Lagos, la salicaria púrpura (Lythrum salicaria) en los humedales y estorninos (Sturnus vulgaris) y palomas domésticas (palomas de roca, Columba livia) en áreas urbanas.

La guerra también produce una amplia gama de reemplazo comunitario y microperturbaciones a través de explosiones, el paso de vehículos pesados sobre el paisaje, derrames de combustible y otros químicos tóxicos, caza para proporcionar alimento a un gran número de soldados, e incluso (como ocurrió durante la Guerra de Vietnam) extensas fumigaciones de herbicida en áreas forestales y agrícolas.

Estrenores Antropogénicos en Contexto

Para resumir, la contaminación y la perturbación pueden ser fenómenos naturales. Desde que comenzó la vida, ambos factores estresantes ambientales han afectado la estructura y función de los ecosistemas. En los tiempos modernos, sin embargo, la contaminación y las perturbaciones asociadas a las actividades humanas son cada vez más importantes causas de daño. La prevención de la contaminación y perturbación antropogénica, y la reparación de los daños ya causados, se encuentran entre los desafíos más importantes de la crisis ambiental global.

1. Sensibilidad Biológica

La sensibilidad a las exposiciones químicas varía mucho entre organismos y especies individuales. Los estudios en toxicología, que generalmente se realizan en condiciones controladas de laboratorio, a menudo comparan la susceptibilidad de diferentes organismos a sustancias tóxicas. La toxicidad aguda se define como la que ocurre cuando una exposición a corto plazo a un químico en una concentración alta da como resultado daños bioquímicos o anatómicos o incluso la muerte (un punto final agudo común). La toxicidad crónica implica una exposición a largo plazo a concentraciones bajas a moderadas de un químico. Con el tiempo, las exposiciones crónicas pueden causar daños bioquímicos o anatómicos, o tal vez una afección letal como el cáncer.

Los datos del Cuadro 15.1 ilustran las sensibilidades de varias especies al químico extremadamente tóxico, TCDD (2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina). El TCDD no tiene usos industriales ni medicinales, pero se sintetiza incidentalmente durante las combustiones a alta temperatura en incineradores, durante incendios forestales, en el proceso de blanqueamiento con cloro para pulpa de madera, y en la fabricación de ciertos químicos industriales, particularmente el triclorofenol, que se utiliza para producir el herbicida 2,4,5-T y el agente antibacteriano hexaclorofeno. Estas síntesis pueden resultar en la emisión de TCDD al ambiente, donde los humanos y otros organismos pueden estar expuestos. Debido a su notoriedad toxicológica, la TCDD y sus parientes químicos son sustancias relativamente bien estudiadas.

Los datos del Cuadro 15.1 sugieren que las especies difieren mucho en su sensibilidad a la TCDD. Entre las especies para las que se dispone de datos, el cobayo es especialmente vulnerable a la TCDD, mientras que los hámsters y las ranas lo son menos. La sensibilidad a los productos químicos también varía con la vía de exposición y con el sexo y la edad de los animales.

En el Cuadro 15.2 se presentan ilustraciones de datos que muestran toxicidades agudas y crónicas. El químico que se ilustra aquí es el glifosato, un herbicida ampliamente utilizado en agricultura, silvicultura y horticultura (ver Capítulo 22). Los datos sugieren que, si la concentración de glifosato es lo suficientemente grande, provocará toxicidad aguda. Sin embargo, las pruebas de toxicidad crónica a largo plazo no demostraron efectos observables en los niveles de exposición examinados. Obsérvese también, que las dosis experimentales necesarias para causar toxicidad aguda, y las probadas para toxicidad crónica, son muy superiores a las exposiciones que se encontrarían durante el uso rutinario del glifosato como herbicida.

2. Toxicidad inherente

Los químicos varían enormemente en su toxicidad intrínseca o relativa. Algunos químicos son extremadamente tóxicos en dosis diminutas, mientras que otros solo causarán envenenamiento a una intensidad de exposición mucho mayor. Esto se ilustra con los datos del Cuadro 15.3, que compara la toxicidad aguda de una amplia gama de productos químicos. Hay dos mensajes centrales:

• los productos químicos varían enormemente en toxicidad relativa
• a una dosis suficientemente grande, cualquier químico puede ser tóxico

3. Exposición

La exposición tiene una influencia fundamental en la toxicidad. Se puede definir como la dosis de sustancia química que recibe cualquier individuo o grupo de organismos por unidad de tiempo. La exposición a cualquier químico potencialmente tóxico se ve afectada por muchos factores, incluidas las influencias ambientales. Por ejemplo, la exposición de un ratón en un campo agrícola rociado con un insecticida podría verse afectada por factores tales como la velocidad de pulverización, el tipo de equipo que se utiliza, el clima, la persistencia del químico (cuánto tiempo permanece activo) y el comportamiento y elecciones de alimento y hábitat del ratón. Si un toxicólogo está evaluando la exposición de las personas a sustancias potencialmente tóxicas, habría una consideración de la cantidad ingerida con alimentos sólidos y líquidos, la ingesta al respirar y las cantidades presentes tanto en ambientes laborales como ambientales (o no ocupacionales).

4. Efectos Indirectos

También son importantes en ecotoxicología los efectos indirectos de los químicos tóxicos, o efectos distintos al envenenamiento directo de organismos. Los efectos indirectos se asocian más comúnmente con cambios en el hábitat o en la condición del sistema inmune de un organismo. En algunos casos, el daño indirecto es peor que los efectos tóxicos directos de los productos químicos. Por ejemplo, el uso de un herbicida en la silvicultura provoca cambios en la vegetación, lo que afecta a los animales que viven en el hábitat, aunque el propio herbicida no sea directamente tóxico para ellos.

Todos los productos químicos son tóxicos

La discusión anterior sugiere que si una exposición es lo suficientemente intensa, incluso los químicos que se encuentran rutinariamente pueden ser venenosos. De hecho, incluso el agua puede ser tóxica si una persona bebe lo suficiente en poco tiempo. Esto sucede porque la capacidad fisiológica para regular las sales en el plasma sanguíneo puede verse abrumada al beber demasiada agua con demasiada rapidez, provocando un síndrome tóxico llamado hiponatremia. Dependiendo del peso corporal, la dosis letal para un adulto es de 5-10 L, ingerida más de una hora o menos. De igual manera, si la dosis es lo suficientemente grande, el dióxido de carbono, el azúcar de mesa (sacarosa), la sal de mesa (cloruro de sodio), la Aspirina (ácido acetilsalicílico), el consumo de alcohol (etanol) y otros productos químicos que se ingieren rutinariamente pueden causar envenenamiento (Cuadro 15.3).

Esta regla fundamental de la biología fue enfatizada por primera vez por Philip von Paracelso (1493-1541), médico y alquimista suizo que es considerado el padre de la toxicología “moderna”. Una de sus conclusiones más famosas puede parafrasearse como “La dosis determina el envenenamiento”.

Quizás en todos los casos, existen umbrales de tolerancia a los productos químicos potencialmente tóxicos. La tolerancia ocurre porque los organismos tienen mecanismos fisiológicos para excretar toxinas del cuerpo, metabolizarlas en sustancias menos tóxicas, o secuestrarlas (almacenarlas) en ciertos tejidos corporales donde no causarán daño. Los organismos también cuentan con mecanismos para reparar los daños causados a los tejidos o sistemas bioquímicos, siempre que las exposiciones químicas no sean demasiado altas y excesivamente dañinas. Para que un químico cause toxicidad, las capacidades de estos sistemas fisiológicos deben ser abrumadas.

Interpretación de Daños

La noción de umbrales fisiológicos de tolerancia ayuda a definir la diferencia entre contaminación y contaminación, que examinamos previamente. La idea de umbrales también indica por qué es mejor enmarcar la discusión en términos de exposiciones “potencialmente” tóxicas a productos químicos. Esto es especialmente el caso cuando no se conocen las concentraciones ambientales reales, y cuando no se comprenden suficientemente los riesgos biológicos de dosis extremadamente pequeñas. Sin embargo, la noción de umbrales biológicos de tolerancia es algo controvertida, y no todos los toxicólogos estarían de acuerdo con la explicación que se acaba de dar. Esos científicos creen que la exposición a incluso una o unas pocas moléculas de algún tipo de sustancias químicas puede ser de importancia toxicológica. Esto es particularmente cierto de los productos químicos que se cree que son cancerígenos a exposiciones extremadamente pequeñas, y también de los radionucleidos y formas altamente energéticas de energía ionizante, como los rayos X y la radiación gamma.

A menudo, los riesgos para los humanos expuestos a los productos químicos se interpretan de manera diferente a los de otras especies, particularmente animales y plantas silvestres. Esto se debe a que las actitudes culturales predominantes valoran mucho más la vida y la salud de las personas individuales que en las de otras especies. Como tal, existe una especial renuencia, tanto social como regulatoria, a permitir exposiciones humanas a muchos tipos de químicos potencialmente tóxicos.

Sin embargo, las regulaciones y pautas tienden a ser considerablemente menos estrictas para las exposiciones humanas que ocurren en un lugar de trabajo, en comparación con las exposiciones no ocupacionales. Esto reconoce que los riesgos considerables son inherentes a las actividades y condiciones ambientales de muchas ocupaciones. Peligros particularmente significativos que enfrentan bomberos, policías, miembros de las fuerzas armadas, operadores de maquinaria pesada y trabajadores de industrias químicas. Dentro de los límites, las exposiciones químicas asociadas con ganarse la vida generalmente se interpretan como un “costo de hacer negocios” y, por lo tanto, pueden considerarse aceptables.

Tales actitudes pueden, sin embargo, cambiar marcadamente con el tiempo. Ciertos riesgos laborales que antes se consideraban rutinarios y tolerables ahora se consideran inaceptables. Por ejemplo, cuando los insecticidas orgánicos sintéticos, como el DDT, se introdujeron por primera vez a mediados de los años 40 y 50, la gente era notablemente casual acerca de usarlos. Los trabajadores a menudo aplicaban estos insecticidas con solo la mínima atención para evitar la exposición a ellos mismos y a los demás. Tales usos mal controlados serían impensables hoy en día, especialmente en países relativamente bien regulados como Canadá.

Además, muchas personas eligen voluntariamente exponerse a dosis toxicológicamente significativas de ciertos químicos. Estas opciones incluyen tomar ocupaciones peligrosas, fumar cigarrillos e ingerir medicamentos y drogas recreativas. Las consecuencias de este tipo de exposiciones “voluntarias” se interpretan utilizando criterios distintos de los aplicados a las “involuntarias”.

Si los productos químicos causan toxicidad a especies distintas de los humanos, la importancia de ese efecto se interpreta sobre la base de las siguientes consideraciones:

• ¿Se observan cambios medibles en las poblaciones de las especies afectadas? Desde una perspectiva ecológica, el daño a nivel poblacional es la consideración más importante, aun cuando se reconoce que la muerte de un organismo individual es lamentable. Las poblaciones de todas las especies tienen cierto grado de resiliencia y pueden tolerar cierta mortalidad causada por químicos tóxicos sin sufrir una disminución general.
• ¿Las especies afectadas son importantes para mantener la integridad de su comunidad? Las filosofías ecológicas sugieren que todas las especies tienen valor intrínseco. Sin embargo, las especies varían mucho en su contribución al funcionamiento y estructura de su comunidad. Las llamadas especies clave tienen una influencia dominante (Capítulo 9). Los cambios sustanciales en su abundancia deben ser juzgados como relativamente importantes en comparación con los daños infligidos a especies más menores.
• ¿El daño es de importancia económica? Esta consideración implica el daño a los recursos que necesitan los seres humanos y por lo tanto tienen valor económico. En este sentido, se considera que el daño es relativamente importante si se causa a animales cazados como venados o truchas, a árboles que se pueden cosechar para fabricar pulpa o madera, o a servicios ecológicos vitales como el suministro de agua potable y aire. Desde una perspectiva puramente utilitaria, el daño causado a los valores no económicos, tanto de especies como de servicios, puede ser visto como menos importante.
• Otras consideraciones, menos tangibles que las que acabamos de mencionar, implican valorar el daño en términos estéticos o éticos. Estas consideraciones también son importantes, pero son difíciles de interpretar en términos de riesgos o beneficios para el bienestar humano. Como resultado, las consideraciones estéticas o éticas rara vez se reflejan en criterios regulatorios o en el manejo de químicos potencialmente tóxicos en el medio ambiente.

Evaluación de Riesgos Ambientales

Una evaluación de riesgos ambientales es una evaluación de los riesgos asociados a un peligro en el medio ambiente. Una evaluación de riesgos puede cuantificar las amenazas a las personas, así como a otras especies y a valores ecológicos más amplios. Una evaluación de riesgos requiere el conocimiento de tres factores:

1. la probabilidad de encontrar el peligro
2. la probable intensidad del peligro
3. el daño biológico que es probable que resulte de la exposición prevista

Un meteorólogo, por ejemplo, puede predecir la probabilidad de que un lugar en particular sea alcanzado por un rayo bajo diversas condiciones climáticas. La probabilidad es mucho mayor durante una tormenta eléctrica que en condiciones soleadas, y es mayor debajo de un árbol grande en campo abierto que junto a un arbusto en una zanja. También se conoce el contenido energético de un rayo típico, al igual que el daño biológico a una persona que podría ser golpeada. Con esta información, es relativamente sencillo modelar los riesgos de una lesión causada por un rayo asociada con estar parado en medio de un campo abierto, o debajo de un árbol en ese mismo campo, en un día soleado o durante una tormenta eléctrica. Este es un ejemplo sencillo de una evaluación de riesgos ambientales. Se puede realizar una evaluación de riesgos para exposiciones potencialmente tóxicas a productos químicos para organismos individuales, poblaciones o para funciones ecológicas como productividad, descomposición y ciclo de nutrientes. Para evaluar los riesgos asociados con la exposición a productos químicos, se requiere el conocimiento de dos factores: la intensidad de la exposición (la dosis anticipada) y el daño biológico que probablemente sea causado por la exposición prevista. La integración de estos dos tipos de información se conoce como relación dosis-respuesta (Figura 15.1).

Una relación dosis-respuesta se puede determinar mediante la realización de experimentos en los que, por ejemplo, poblaciones de organismos están expuestas a diversas cantidades de un químico. Los resultados de experimentos simples de dosis-respuesta que involucran varios herbicidas se muestran en la Figura 15.2.

A veces es posible inferir relaciones dosis-respuesta mediante el estudio de patrones de daño en el mundo real. Por ejemplo, la intensidad de la contaminación se puede determinar a diversas distancias desde una fuente puntual de emisiones grande, como una planta de energía o una fundición. La exposición a la contaminación puede entonces relacionarse con el patrón de daño ecológico que se puede observar a lo largo del gradiente de estrés tóxico. Los patrones de contaminación y daños ecológicos alrededor de una gran fundición cerca de Sudbury son un ejemplo de tal relación (ver Capítulos 16 y 18).

Una evaluación de la exposición investiga todas las formas en que los organismos pueden encontrar un nivel potencialmente tóxico de una sustancia química. Por ejemplo, los humanos pueden estar expuestos al mercurio a través de diversas vías, cada una de las cuales puede cuantificarse (ya sea medida o calculada usando un modelo predictivo). Las principales vías de exposición incluyen: inhalar vapor de mercurio presente en la atmósfera, ingerir mercurio disuelto en el agua potable y consumir el metal en los alimentos, especialmente en ciertos tipos de peces y órganos de animales. También se incluyen entre las principales vías de exposición fuentes diversas como ciertos pigmentos utilizados en cerámicas y pinturas, y empastes dentales de mercurio-amalgama.

La tasa de asimilación de un químico en el torrente sanguíneo y órganos varía mucho entre las vías de exposición. La asimilación depende de varios factores, entre ellos las características metabólicas del órgano en el que se absorbe la sustancia química, como los pulmones, el tracto gastrointestinal o la piel. La forma físico-química de la sustancia también afecta su dinámica de absorción. Por ejemplo, el mercurio puede ocurrir como vapor elemental o líquido, como compuestos inorgánicos como el cloruro mercúrico, y como complejos organoméricos como el metilmercurio (un compuesto especialmente biodisponible y venenoso). La exposición total para una persona es la suma de los químicos asimilados a través de todas las vías, que típicamente varían mucho en su efecto.

La importancia relativa de diversas fuentes de un químico depende en cierta medida del estilo de vida y ocupación de una persona. Estos influyen en la frecuencia y en qué grado se encuentran las diversas fuentes. Los trabajadores odontológicos, por ejemplo, pueden entrar en contacto con vapores de mercurio porque este metal a veces se usa para hacer empastes. Además, una dieta rica en ciertas especies de peces oceánicos grandes, como el fletán, el tiburón, el pez espada y el atún, es relativamente rica en mercurio (ver Capítulo 18). Por lo tanto, tanto los trabajadores dentales como los consumidores de peces grandes pueden tener un mayor riesgo de exposición al mercurio.

Una vez que se ha realizado una evaluación de la exposición, los peligros biológicos se pueden predecir sobre la base de las relaciones dosis-respuesta conocidas. Desafortunadamente, la información dosis-respuesta a menudo es incompleta, o incluso falta. Por ejemplo, la mayoría de las hipótesis sobre las posibles relaciones dosis-respuesta en humanos se deducen de la investigación que se ha llevado a cabo en laboratorios que utilizan otros mamíferos, como perros, ratones, monos, cerdos y ratas. Estas especies tienen características fisiológicas, anatómicas y conductuales que son ampliamente similares a las de los humanos, pero también difieren en aspectos importantes. En consecuencia, la mayoría de las evaluaciones de la exposición humana a niveles traza de químicos ambientales son inexactas.

Además, la información sobre las relaciones dosis-respuesta es casi inexistente para las especies silvestres y para las funciones ecológicas como la productividad y el ciclo de nutrientes. Al igual que con las evaluaciones centradas en el ser humano, es común usar datos para especies sustitutas (o sustitutivas), que se cree que son típicas en sus respuestas a la dosis.

Por ejemplo, se puede realizar un estudio para predecir los efectos potenciales de los insumos de sustancias químicas particulares a un lago determinado. Es muy poco probable que se disponga de datos relevantes de dosis-respuesta para las especies de peces en el ecosistema. En consecuencia, las predicciones se realizarán típicamente utilizando información para especies proxy, como la trucha arco iris (Salvelinus gairdneri) o el pececillo fathead (Pimephales promelas). Estos peces han sido bien estudiados en laboratorios toxicológicos y son ampliamente utilizados como indicadores. De igual manera, los efectos potenciales sobre la comunidad del zooplancton podrían predecirse utilizando información disponible para especies bien estudiadas, como las pulgas acuáticas Daphnia magna y Ceriodaphnia dubia, mientras que la evaluación del riesgo para el fitoplancton podría utilizar datos para las algas unicelulares Selenastrum capricornutum y Chlorella vulgaris.

Los resultados de una evaluación de riesgos para un ecosistema o una parte de él (como una comunidad), si se basan en estudios de laboratorio de especies sustitutas, siempre son inciertos. Esto es especialmente cierto si se están pronosticando los efectos potenciales de las exposiciones químicas en un contexto ambiental natural. Dichas evaluaciones de riesgo son, sin embargo, las mejores que se pueden hacer en la mayoría de las circunstancias porque rara vez hay suficiente financiamiento o tiempo para hacer estudios más completos. Sin embargo, debido a que estos métodos sobreestiman deliberadamente los riesgos potenciales, proporcionan una orientación conservadora para fines de manejo.

En Detalle 15.2. Mutágenos, teratógenos e imitadores hormonales Los mutágenos, teratógenos y sustancias hormonalmente activas son trazas químicas y otros agentes que están presentes en el ambiente y tienen el potencial de afectar la genética o el metabolismo de los animales cuando están presentes en concentraciones diminutas. Pueden estar presentes de forma natural o asociados con emisiones antropogénicas. Las exposiciones relativamente intensas de animales salvajes a estos agentes pueden ocurrir en hábitats acuáticos afectados por efluentes de fábricas, aguas residuales o campos tratados con pesticidas. Las exposiciones humanas se asocian con fumar (incluidas las exposiciones involuntarias), comer carnes grasas (especialmente si se asan a la parrilla) y algunos otros alimentos, y vivir en un entorno urbano que generalmente está contaminado con una variedad de sustancias.

Un mutágeno es una sustancia o agente que induce una mutación genética, es decir, un cambio en la secuencia codificante de ácidos nucleicos en ADN o ARN. La exposición a mutágenos puede resultar en mutaciones que son “inofensivas”, lo que significa que no se sabe que el cambio genético dé como resultado una consecuencia bioquímica grave. En otros casos, sin embargo, una mutación puede resultar en una deformidad o enfermedad, como muchos tipos de cáncer. Un cáncer puede ser un punto final de las mutaciones que ocurren en las células del cuerpo (somáticas), mientras que las mutaciones de espermatozoides y óvulos pueden resultar en cambios heredables que pueden transmitirse a la descendencia. Un mutágeno ambiental es aquel que se encuentra en el ambiente. Se han observado incidentes de genotoxicidad en animales salvajes, como ocurrencias de tumores de peces y ranas nacidas con exceso de extremidades. En humanos, la genotoxicidad puede estar asociada con algunos tipos de cáncer y con defectos congénitos de nacimiento, que normalmente ocurren en aproximadamente 3% de los nacimientos. La genotoxocidad puede ser causada por la exposición a diversos químicos y otros agentes. Los mutágenos potentes que se utilizan en la investigación biomédica incluyen el etilmetanosulfonato y la nitrosoguanidina. Otras fuentes de genotoxicidad ambiental y de laboratorio son las siguientes:

• radiación altamente energética (ionizante) asociada con rayos ultravioleta-B, rayos X y radiación gamma
• hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), como benzo (a) pireno
• bifenilos policlorados (PCB) y ciertos plaguicidas
• metilmercurio y algunos otros metales
• aflatoxina presente en frutos secos y granos mohosos
• dimetil nitrosamina presente en alimentos tratados con nitritos
• escape diesel
• efluente de plantas de pulpa
• humo de tabaco y barbacoa

Un teratógeno es un agente que induce el desarrollo anormal de un embrión o feto. Puede actuar por mutagenicidad o por algún otro medio, como la irritación física de células o tejidos. Un famoso ejemplo de daño teratogénico fue causado por la talidomida, medicamento que se recetó como sedante a mujeres embarazadas entre 1950 y 1961. La talidomida demostró ser capaz de cruzar la placenta y causó anomalías devastadoras en las extremidades (acortamiento extremo o ausencia de extremidades) en el feto, y su uso médico resultó en una epidemia de niños gravemente deformados. Otro teratógeno bien conocido es el alcohol etílico (alcohol en bebidas), que si se toma en exceso durante el embarazo puede causar síndrome alcohólico fetal. La exposición al virus de la rubéola durante el embarazo también puede conducir a una deformidad severa de un feto. Un teratógeno ambiental se encuentra en el ambiente, y esta exposición puede haber aumentado la incidencia de deformidades de animales salvajes, incluyendo moluscos, peces y anfibios.

Una sustancia hormonalmente activa es una hormona u otro químico que tiene un efecto similar en la regulación de la bioquímica. Las hormonas son mensajeros químicos que viajan por el sistema circulatorio hasta llegar a células receptoras específicas en órganos diana, donde regulan la fisiología. Se producen en el sistema endocrino, que consiste en diversas glándulas, como la glándula suprarrenal, los ovarios, el páncreas, la glándula pituitaria, los testículos y la glándula tiroides. Las hormonas ayudan a regular el crecimiento, el desarrollo, el metabolismo, la deposición de grasa, el mantenimiento del equilibrio electrolítico en los fluidos, la sexualidad y las respuestas conductuales a estímulos externos (como excitación y susto). Los ejemplos de hormonas incluyen los siguientes:

• adrenalina (epinefrina) y noradrenalina (norepinefrina), que son hormonas suprarrenales que estimulan al cuerpo a reaccionar ante una afección estresante al aumentar la presión arterial, el azúcar en la sangre y la frecuencia cardíaca (esto a veces se conoce como una respuesta de “huida o pelea”)
• estrógeno, una hormona sexual femenina producida por los ovarios, y andrógenos, hormonas masculinas producidas por los testículos
• insulina, formada por el páncreas para regular el uso y almacenamiento de carbohidratos (incluido el azúcar en la sangre)
• hormona tiroidea, que influye en el crecimiento y metabolismo de prácticamente todas las células del cuerpo

Debido a que las hormonas son necesarias para la fisiología, el desarrollo y el comportamiento saludables, cualquier alteración grave de su actividad puede tener graves consecuencias para los organismos. Algunos químicos presentes en el medio ambiente, entre ellos los naturales y otros que son antropogénicos, pueden causar dicha interferencia y se conocen como imitadores hormonales. Por ejemplo, ciertas plantas contienen los llamados fitoestrógenos que pueden afectar la fisiología hormonal de los animales que se alimentan de ellas. Ejemplos de plantas con niveles relativamente altos de fitoestrógenos incluyen soja (Glycine max), trébol rojo (Trifolium pratense), lino (Linum vulgare) y cohosh negro (Cimicifuga racemosa). Algunas mujeres utilizan preparaciones a base de hierbas de estas plantas para aliviar los síntomas de la menopausia. Otros fitoestrógenos naturales se han utilizado en píldoras anticonceptivas para controlar la fertilidad humana.

Muchas otras sustancias presentes en el medio ambiente también son hormonalmente activas, incluyendo una amplia gama de sustancias químicas liberadas por las actividades humanas. Incluso a exposiciones extremadamente pequeñas, pueden imitar o bloquear la acción de ciertas hormonas, resultando en un cambio fisiológico. Esto puede tener efectos perjudiciales en los animales salvajes y domésticos y también en las personas. Se cree que los siguientes químicos antropogénicos son hormonalmente activos a través de exposiciones ambientales:

• organoclorados, incluidas las dioxinas (como TCDD), los bifenilos policlorados (PCB) y los insecticidas DDT, dieldrina y lindano
• otros tipos de pesticidas, incluyendo atrazina, permetrina y trifluralina
• tributilestaño, que se utiliza como antifoulant marino
• alquilfenoles utilizados como tensioactivos, tales como nonilfenol
• ciertos plastificantes, como ftalato de dibutilo y ftalato de butilbencilo
• hormonas naturales y esteroides sintéticos de anticonceptivos que se liberan al medio ambiente en las aguas residuales u ocurren como residuos en los alimentos, incluyendo estradiol, estrona y testosterona
• fitoestrógenos en efluentes de molinos de pulpa, incluyendo cumestanos, isoflavonas y lignanos

Los efectos biológicos de los mutágenos ambientales, los teratógenos y las sustancias hormonalmente activas aún no se conocen bien. Si bien la presencia de muchos de estos agentes en el medio ambiente ha sido ampliamente notada, los científicos aún no conocen el nivel de contaminación al que puede resultar una cantidad inaceptable de daños biológicos. Esto ha generado controversia sobre los efectos potenciales de estos químicos bioactivos en animales salvajes y humanos: algunas personas recomiendan un enfoque altamente precautorio, mientras que otras creen que se necesita más evidencia de daños consecuentes antes de implementar estrictas prácticas de control. Si bien hay observaciones de algunas poblaciones locales de animales salvajes que sufren daños significativos, aún no hay evidencia convincente de los efectos en las personas de las exposiciones ambientales a estos agentes. Por supuesto, cualquier nivel significativo de daño genético o de desarrollo a los humanos se consideraría inaceptable.

Referencias: Phillips y Venitt (1995), Machachlan y Guillet (2002), Servos et al. (2008)