5.2: Ecotoxicología poblacional en entornos de laboratorio
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5.2. Ecotoxicología poblacional en entornos de laboratorio
Autor: Michiel Kraak
Revisores: Nico van den Brink y Matthias Liess
Objetivos de aprendizaje:
Deberías ser capaz de
· motivar la importancia de estudiar ecotoxicología a nivel poblacional.
· nombrar las propiedades de las poblaciones, únicas a este nivel de organización biológica.
· explicar las implicaciones de las sensibilidades específicas de edad y etapa de desarrollo para las respuestas de la población a la exposición a tóxicos.
Palabras clave: Ecotoxicología poblacional, densidad, estructura de edad, tasa de crecimiento poblacional
Introducción
La motivación para estudiar los efectos ecotoxicológicos a nivel poblacional es que generalmente los objetivos de protección ambiental son efectivamente poblaciones, comunidades y ecosistemas. Adicionalmente, varios fenómenos son únicos a este nivel, incluyendo la sensibilidad específica a la edad y la interacción entre individuos. El estudio del nivel poblacional se distingue del nivel individual e inferior por un vínculo menos directo entre la exposición química y los efectos observados, debido a la variabilidad individual y varios bucles de retroalimentación, aflojando las relaciones dosis-respuesta. La investigación a nivel poblacional se caracteriza así por un creciente nivel de incertidumbre si estos procesos no se abordan adecuadamente y por el incremento de tiempo y esfuerzos. De ahí que no sea sorprendente que los efectos en la población sean poco estudiados. Esto es aún más el caso de investigaciones en niveles superiores como meta-poblaciones, comunidades y ecosistemas (ver secciones sobre meta-poblaciones, comunidades y ecosistemas). Por lo tanto, es muy importante obtener datos y conocimientos sobre los mecanismos que conducen a efectos a nivel poblacional, teniendo en cuenta las interacciones relevantes con niveles cada vez más altos de organización.
Las propiedades de las poblaciones son exclusivas de este nivel de organización biológica e incluyen estructura social (ver sección sobre ecotoxicología comunitaria de invertebrados), composición genética (ver sección sobre variación genética), densidad y estructura de edad. Esto da lugar a la edad y las sensibilidades específicas de la etapa de desarrollo a los productos químicos. Para casi todas las especies, los individuos jóvenes como los recién nacidos o los primeros estadios son marcadamente más sensibles que los adultos o las larvas de estadio tardío. Esta diferencia puede llegar hasta tres órdenes de magnitud y, en consecuencia, las sensibilidades específicas de estadio pueden variar tanto como las sensibilidades específicas de las especies (Figura 1). También se han reportado sensibilidades específicas de la etapa de desarrollo poblacional. Las poblaciones de dafnidos de crecimiento exponencial expuestas al insecticida fenvalerato se recuperaron mucho más rápido que las poblaciones que alcanzaron la capacidad de carga (Pieters y Liess, 2006). Dadas las sensibilidades específicas de edad y etapa de desarrollo, el momento de la exposición a tóxicos en relación con la etapa crítica de la vida del organismo puede afectar seriamente la extensión de los efectos adversos, especialmente en poblaciones estacionalmente sincronizadas.
Una cuestión desafiante involucrada en la ecotoxicología poblacional es cuando una población se considera estable o en estado estacionario. A pesar de los diversos tipos de oscilación, todas las poblaciones representadas en la Figura 2 pueden considerarse estables. Incluso se podría argumentar que cualquier población que no se extinga puede considerarse estable. Por lo tanto, una sola población podría variar considerablemente en densidad a lo largo del tiempo, afectando potencialmente fuertemente el impacto de la exposición a tóxicos.
Cuando las poblaciones sufren de inanición y hacinamiento debido a las altas densidades y competencia intraespecífica, son marcadamente más sensibles a los tóxicos, a veces incluso hasta un factor de 100 (Liess et al., 2016). Esto puede incluso llevar a efectos imprevistos, indirectos. La tasa relativa de crecimiento poblacional (individuo/individuo/día) de poblaciones de alta densidad de quironómidos aumentó en realidad con la exposición a Cd, debido a que la mortalidad inducida por Cd disminuyó la escasez de alimentos para las larvas supervivientes (Figura 3). Sólo en la mayor exposición a Cd la tasa de crecimiento poblacional volvió a disminuir. Para poblaciones con densidades bajas, se observó la disminución anticipada en la tasa de crecimiento poblacional con concentraciones crecientes de Cd. Sin embargo, en todos los niveles de exposición a Cd la tasa de crecimiento de las poblaciones de baja densidad fue notablemente mayor que la de las poblaciones de alta densidad.
Pruebas de ecotoxicidad poblacional
En estudios de ecotoxicidad crónica, preferiblemente se seleccionan cohortes de individuos del mismo tamaño y edad para minimizar la variación en el resultado de la prueba, mientras que en la ecotoxicología poblacional se toma en cuenta la composición poblacional heterogénea natural. Sin embargo, esto hace que sea más difícil interpretar los datos experimentales obtenidos. Especialmente al estudiar poblaciones de organismos superiores en la naturaleza, el tiempo cada vez mayor para completar la investigación debido a la larga vida útil de estos organismos impone limitaciones prácticas (ver sección sobre ecotoxicología de poblaciones de vida silvestre). En el laboratorio, esto se puede eludir seleccionando especies de prueba con ciclos de vida relativamente cortos, como algas, bacterias y zooplancton. Para las algas, una prueba de tres o cuatro días puede considerarse como un experimento multigeneracional y durante 21 d los dafnidos hembras pueden liberar hasta tres nidadas de neonatos. Estas pruebas de ecotoxicidad poblacional ofrecen la posibilidad única de calcular el parámetro poblacional último, la tasa de crecimiento poblacional (r). Se trata de un parámetro demográfico poblacional, integrando supervivencia, tiempo de madurez y reproducción (ver sección sobre modelación poblacional). Sin embargo, tales experimentos crónicos se realizan típicamente con cohortes y no con poblaciones naturales, lo que hace que estos experimentos sean más bien una extensión de las pruebas de toxicidad crónica que las pruebas de ecotoxicidad poblacional verdaderas.
Referencias
Knillmann, S., Stampfli, N.C., Beketov, M.A., Liess, M. (2012). La competencia intraespecífica aumenta los efectos tóxicos en microcosmos al aire libre. Ecotoxicología 21, 1857-1866.
Liess, M., Foit, K., Knillmann, S., Schäfer, R.B., Liess, H.-D. (2016). Predecir la sinergia de múltiples efectos de estrés. Informes Científicos 6, 32965.
Pieters, B.J., Liess, M. (2006). La etapa de desarrollo poblacional determina el potencial de recuperación de las poblaciones de Daphnia magna tras la aplicación del fenvalerato. Ciencia y Tecnología Ambiental 40, 6157-6162.
Motivar la importancia de estudiar ecotoxicología a nivel poblacional y superior.
Nombrar las propiedades de las poblaciones que son únicas a este nivel de organización biológica.
¿Por qué es importante comprender las implicaciones de las sensibilidades específicas de la edad y la etapa de desarrollo para las respuestas de la población a la exposición a tóxicos?
Explicar los resultados observados en la Figura 3.