5.4: Enfoques basados en rasgos
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5.4. Enfoques basados en rasgos
Autor: Paul J. Van den Brink
Revisores: Nico van den Brink, Michiel Kraak, Alexa Alexander-Trusiak
Objetivos de aprendizaje:
Deberías ser capaz de
- describir cómo las características (rasgos) de las especies determinan su sensibilidad, recuperación y propagación de efectos a niveles más altos de organización biológica.
- explicar el concepto de rasgos de respuesta y efecto.
- explicar cómo se pueden implementar enfoques basados en rasgos en la evaluación de riesgos ambientales.
Palabras clave: Sensibilidad, niveles de organización biológica, rasgos de especie, recuperación, efectos indirectos
Introducción
Es imposible evaluar la sensibilidad de todas las especies a todos los químicos. Por lo tanto, las evaluaciones de riesgo necesitan métodos para extrapolar la sensibilidad de un número limitado de especies a todas las especies presentes en el ambiente que se desea. Los enfoques estadísticos, como el concepto de distribución de sensibilidad de especies, realizan esta extrapolación ajustando una distribución estadística (por ejemplo, distribución log-normal) a un conjunto seleccionado de datos de sensibilidad (por ejemplo, datos 96h-EC50) para obtener una distribución de la sensibilidad de todas las especies. A partir de esta distribución se puede elegir un valor umbral asociado con el extremo inferior de la distribución y usarse como valor umbral de protección (Figura 1).
La desventaja de este enfoque es que no incluye conocimientos mecanicistas sobre lo que determina la sensibilidad de las especies y utiliza la taxonomía de especies más que sus características. Para superar estos y otros problemas asociados con un enfoque basado en taxonomía (ver Van den Brink et al., 2011 para una revisión) se han desarrollado enfoques de bioevaluación basados en rasgos para evaluar los efectos de los químicos en el ecosistema acuático. En los enfoques de bioevaluación basados en rasgos, las especies no están representadas por su taxonomía sino por sus rasgos. Un rasgo es una característica fenotípica o ecológica de un organismo, generalmente medida a nivel individual pero a menudo aplicada como el estado/condición promedio de una especie. Ejemplos de rasgos son el tamaño corporal, los hábitos alimenticios, la preferencia alimentaria, el modo de respiración y el contenido lipídico. Los rasgos describen las características físicas, el nicho ecológico y el papel funcional de una especie dentro del ecosistema. Las fortalezas reconocidas de los enfoques de bioevaluación basados en rasgos incluyen: (1) los rasgos agregan conocimientos mecanicistas y diagnósticos, (2) los rasgos son transferibles a través de geografías, (3) los rasgos no requieren una nueva metodología de muestreo ya que los datos que se recopilan actualmente pueden ser utilizados, (4) el uso de rasgos tiene un largo tradición permanente en ecología y puede complementar el análisis taxonómico.
Cuando se utilizan rasgos para estudiar los efectos de los factores estresantes químicos sobre la estructura del ecosistema (composición de la comunidad) y la función (por ejemplo, el ciclo de nutrientes), es importante hacer una distinción entre los rasgos de respuesta y efectos (Figura 2). Los rasgos de respuesta son rasgos que permiten una respuesta de la especie a la exposición a una sustancia química. Un ejemplo de un rasgo de respuesta puede ser el área de superficie relacionada con el tamaño de un organismo. Los organismos más pequeños tienen áreas de superficie relativamente grandes, debido a que su relación superficie/volumen es mayor que para los animales más grandes Con esto, la tasa de absorción del estresor químico es generalmente mayor en animales más pequeños en comparación con los más grandes (Rubach et al., 2012). Los rasgos de efectos de los organismos influyen en el ambiente circundante por los organismos, alterando la estructura y funcionamiento del ecosistema. Un ejemplo de un rasgo de efecto es la preferencia alimentaria de un organismo. Por ejemplo, si los organismos pequeños (rasgo de respuesta) y con esto sensibles resultan ser herbívoros (rasgo de efecto), se puede esperar un aumento en la biomasa de algas cuando los organismos son afectados (Van den Brink, 2008). Entonces, para poder predecir las respuestas a nivel de ecosistema es importante conocer las (cor) relaciones entre los rasgos de respuesta y efecto, ya que los rasgos no son independientes entre sí sino que pueden vincularse filogenéticamente o mecanísticamente y así formar síndromes de rasgos (Van den Brink et al., 2011).
Modelos predictivos de sensibilidad usando rasgos de respuesta
Uno de los santos griales de la ecotoxicología es averiguar qué rasgos de especie hacen que una especie sea más sensible a un estresante químico que a otra. En el pasado, se han utilizado dos enfoques para evaluar las (cor) relaciones entre los rasgos de las especies y su sensibilidad, uno basado en correlaciones empíricas entre los rasgos de las especies y su sensibilidad tal como lo representan las EC50 (Rico y Van den Brink, 2015) y otro basado en un enfoque más mecanicista utilizando Experimentos y modelos toxicocinéticos/toxicodinámicos (Rubach et al., 2012). Los modelos toxicocinético-toxicodinámicos (modelos TTKTD) simulan el curso temporal de los procesos que conducen a efectos tóxicos en los organismos (Jager et al., 2011). La toxicocinética describe lo que un individuo hace con la sustancia química y, en su forma más simple, incluye los procesos de captación y eliminación, traduciendo así una concentración externa de un tóxico a una concentración interna del cuerpo a lo largo del tiempo (ver Sección Toxicocinética y Bioacumulación). La toxicodinámica describe lo que hace el químico con el organismo, vinculando la concentración interna con el efecto a nivel del organismo individual a lo largo del tiempo (p. ej., mortalidad) (Jager et al., 2011) (ver Secciones sobre Toxicocinética y Bioacumulación y sobre Toxicodinámica e Interacciones Moleculares). Rubach et al. (2012) mostraron que casi 90% de la variación en las tasas de absorción y 80% de la variación en las tasas de eliminación de un insecticida en un rango de 15 especies de artrópodos de agua dulce podrían explicarse por 4 rasgos de especies. Estos rasgos fueron: i) área superficial (sin agallas), ii) alimentación detrívora, iii) uso de oxígeno atmosférico y iv) filogenia en caso de captación, e i) espesor del exoesqueleto, ii) esclerotización completa, iii) uso de oxígeno disuelto y iv)% de lípidos de peso seco en caso de eliminación. Para la mayoría de estos rasgos, se puede hacer una hipótesis mecanicista entre los rasgos y su influencia en la captación y eliminación (Rubach et al., 2012). Por ejemplo, una mayor proporción de superficie a volumen aumenta la absorción del químico, por lo que se espera que la absorción sea mayor en animales pequeños en comparación con animales más grandes. Esto demuestra que es posible construir modelos mecanicistas que son capaces de predecir la toxicocinética de los químicos en las especies y con ello la sensibilidad de las especies a los químicos en función de sus rasgos.
El uso de rasgos de efecto para modelar la recuperación y los efectos indirectos
Los rasgos que determinan la forma en que los organismos dentro de un ecosistema reaccionan al estrés químico están relacionados con la sensibilidad intrínseca de los organismos por un lado (rasgos de respuesta) y su potencial de recuperación y las relaciones de la red alimentaria (rasgos de efecto) por otro lado (Van den Brink, 2008). La recuperación de invertebrados acuáticos está determinada, por ejemplo, por rasgos como el número de ciclos de vida por año, la presencia de etapas de vida insensibles como huevos en reposo, capacidad de dispersión y tener una etapa de vida aérea (Gergs et al., 2011) (Figura 3).
Además de la recuperación, los rasgos de efecto también determinarán cómo los efectos de nivel individual se propagarán a niveles más altos de organización biológica como la comunidad o el nivel de ecosistema. Por ejemplo, cuando las Daphnia son afectadas por un químico, su rasgo relacionado con la preferencia alimentaria (algas) asegurará que, en condiciones ricas en nutrientes, las algas no serán sometidas a control de arriba hacia abajo y aumentarán en abundancia. Estos últimos efectos se denominan efectos indirectos, que no son un resultado directo de la exposición al tóxico sino uno indirecto a través de la competencia, las relaciones alimento-web, etc.
Referencias
Gergs, A., Classen, S., Hommen, U. (2011). Identificación de especies realistas de macroinvertebrados acuáticos del peor caso para la evaluación de riesgos prospectivos utilizando el concepto de rasgo. Ciencia Ambiental e Investigación en Contaminación 18, 1316-1323.
Jager, T., Albert, C., Preuss, T.G., Ashauer, R. (2011). Modelo general de umbral unificado de supervivencia: un marco toxicocinético-toxicodinámico para ecotoxicología. Ciencia y Tecnología Ambiental 45, 2529-2540
Rico, A., Van den Brink, P.J. (2015). Evaluar la vulnerabilidad de los invertebrados acuáticos a insecticidas en base a la sensibilidad intrínseca, los rasgos biológicos y el modo de acción tóxico. Toxicología y Química Ambiental 34, 1907-1917.
Rubach, M.N., D.J. Baird, M-C. Boerwinkel, S.J. Maund, I. Roessink, Van den Brink P.J. (2012). Rasgos de especies como predictores de sensibilidad intrínseca de invertebrados acuáticos al insecticida clorpirifos. Ecotoxicología 21, 2088-2101.
Van den Brink, P.J. (2008). Evaluación de riesgos ecológicos: desde la contabilidad hasta la ecología del estrés químico. Ciencia y Tecnología Ambiental 42, 8999-9004.
Van den Brink P.J., Alexander, A., Desrosiers, M., Goedkoop, W., Goethals, P., Liess, M., Dyer, S. (2011). Enfoques basados en rasgos en bioevaluación y evaluación de riesgos ecológicos: fortalezas, debilidades, oportunidades y amenazas. Evaluación y Gestión Ambiental Integrada 7, 198-208.
¿Cuáles dos rasgos pueden determinar la sensibilidad de los invertebrados a los insecticidas?
¿Dos dafnidos iguales excepto en su tamaño serán igualmente sensibles a un químico?
¿Cuál es la diferencia entre un rasgo de respuesta y un efecto?
¿Qué rasgos son importantes para la recuperación de las poblaciones impactadas?
¿Cómo se propagará la muerte inducida por insecticidas de las pulgas de agua al nivel del ecosistema bajo circunstancias eutróficas, y cómo se denominan estos tipos de efectos?