Toxicologia ambiental

TOXICOLOGÍA AMBIENTAL

Martha Isabel Mejía De Alba Ingeniera Química, Mg. en Ingeniería Ambiental

1. DEFINICIÓN DE CONCEPTOS BÁSICOS

DEFINICIONES Tóxico: Sustancia o agente de cualquier origen (natural o artificial) que provoca un efecto adverso sobre los organismos vivos (Vallejo, 1997).

Puede ser:  Elemento puro (Cadmio, Plomo, Mercurio, Cromo, entre otros).  Compuesto (como el Cianuro y los Hidrocarburos).

Y encontrarse en cualquiera de las tres formas físicas posibles:  Sólida.  Líquida.  Gaseosa.

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DEFINICIONES Toxicolog铆a: Ciencia que estudia el efecto nocivo y la habilidad del t贸xico (toxicidad) para alterar la estructura y respuesta de un organismo vivo dada la exposici贸n al mismo, teniendo en cuenta la ocurrencia, naturaleza, incidencia, mecanismos y factores de riesgo que lo caracterizan (James, Roberts & Williams, 2000; Vallejo, 1997).

Naturaleza multidisciplinaria de la toxicología Fisiología Salud pública e inmunología

Biología Toxicología

Ingeniería

Patología

Química

Farmacología

Fuente: Adaptado de Loomis, T. A & Hayes, W. (1996). Loomis´s essential of toxicology (4ª Ed.). USA: Academic Press.

División de la toxicología

Toxicología

Ambiental

Biota, Suelo, Aire y Agua

Económica

Alimentos, Cosméticos y Medicamentos

Médica

Salud humana

Fuente: Adaptado de Loomis, T. A & Hayes, W. (1996). Loomis´s essential of toxicology (4ª Ed.). USA: Academic Press.

Toxicología Ambiental

Sectores que interactúan con la toxicología ambiental en el manejo del medio ambiente Industria

• Prevención, manejo y remediación del uso de materiales tóxicos

Comunidad Científica

• Identificación de tóxicos y desarrollo de nuevas herramientas • Análisis de riesgos

Instituciones de Control

• Marco legislativo • Estándares de calidad

Público en general

• Percepción del valor económico, cultural y estético del medio ambiente

Fuente: Adaptado de Landis, W. G & Yu M. (2003). Introduction to environmental toxicology: Impacts of chemicals upon ecological systems (3a Ed.). Florida: Lewis Publishers.

DEFINICIONES Contaminación por sustancias tóxicas: La presencia o el

exceso en la concentración de una sustancia o agente (físico, químico o biológico) en un determinado medio con alteraciones dañinas se considera contaminación (Vallejo, 1997).

Ejemplos: Presencia de metales en el suelo.

El cobre es micronutriente esencial (constituyente de proteínas y enzimas y regula proceso de formación de tejidos en plantas. En exceso, inhibe actividad fotosintética (plantas) y causar daños en hígado y anemia (mamíferos).

Toxicología ambiental estudia las sustancias químicas tóxicas y se efecto adverso.

SUSTANCIAS TÓXICAS FUENTES: Producidas por la industria.

AGENTES QUÍMICOS DE MAYOR TOXICIDAD Y USO:       

Metales Hidrocarburos Compuestos orgánicos volátiles (COV) Dioxinas y furanos Plaguicidas Fertilizantes Bifenilos policlorados (PCB) y compuestos bromados retardantes de llama

SUSTANCIAS TÓXICAS FACTORES QUE INCIDEN EN LA TOXICIDAD 1. Propiedades físicas y químicas

SUSTANCIAS TÓXICAS FACTORES QUE INCIDEN EN LA TOXICIDAD 2. Estructura química (presencia de grupos funcionales)  Alta reactividad: Reacciona con grupos del organismo.

Ej: Oxidación del ión ferroso de la sangre por grupos nitro (NO2) y amino (NH2)  Impide transporte eficiente de oxígeno en el organismo.  Estabilidad en el medio: No solubilidad en agua y presencia de enlaces químicos estables  Bioacumulación.

Ej: Presencia de halógenos y anillos aromáticos.  Fácil degradación o eliminación: Solubilidad en agua.

Ej: Grupos hidroxilos y carboxilos.

SUSTANCIAS TÓXICAS FACTORES QUE INCIDEN EN LA TOXICIDAD Estructura química de algunos grupos y sustancias caracterizados por su alta permanencia en el ambiente (A, B y D) o por su alta reactividad (C)

Nota: A. Benceno.

B. Naftaleno.

C. Trinitrotolueno.

D. DDT –diclorodifeniltricloroetano-

TIPOS, RUTAS Y VÍAS DE EXPOSICIÓN Exposición: Contacto de un organismo o una población con un agente tóxico (Peña, Carter & Ayala-Fierro, 2001), considerándose como el estado inicial de la manifestación de la toxicidad.

1. Tipos de exposición. Se clasifican según: i. Concentración del tóxico (dosis). ii. Tiempo de exposición. iii. Aparición de efectos.

TIPOS, RUTAS Y VÍAS DE EXPOSICIÓN 1. Tipos de exposición. Se clasifican en: i.

Aguda o instantánea: Exposición dada por una dosis, en un solo evento, generando efectos a corto plazo, es decir, inmediatos o dentro de las 24 horas siguientes.

ii.

Subcrónica o repetida por periodos cortos: Exposición en dosis bajas que se produce en varios eventos. La respuesta o alteración dañina depende del grado de exposición.

iii.

Crónica o continua por periodos largos: Exposiciones a muy bajas concentraciones del tóxico, en periodos largos o vitalicios, generando efectos tardíos que pueden aparecer después de meses o años.

TIPOS, RUTAS Y VÍAS DE EXPOSICIÓN 2. Ruta de exposición: i. ii. iii. iv.

Fuente de liberación Mecanismo de transporte Punto de contacto con el individuo o población.

Vía de ingreso o de exposición al organismo.

Fuente: Peña, C. E., Carter D.E & Ayala-Fierro F. (2001).

Toxicología Ambiental: Evaluación de Riesgos y Restauración Ambiental.

TIPOS, RUTAS Y VÍAS DE EXPOSICIÓN 3. Vías de exposición:  Inhalatoria.  Oral.  Cutánea.

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TOXICOCINÉTICA Estudia el proceso que sufre un tóxico desde el ingreso a un organismo hasta su eliminación.

Este proceso ha sido dividido etapas.  Absorción.  Distribución.  Almacenamiento.  Metabolismo.  Excreción.

Fuente: Landis, W. G & Yu M. (2003). Introduction to environmental toxicology: Impacts of chemicals upon ecological systems (3a Ed.). Florida: Lewis Publishers.

TOXICOCINÉTICA Absorción: Paso del exterior a la circulación dentro del organismo.

Se realiza a través de:  Difusión simple.  Difusión facilitada.  Transporte activo.

Fuente: Curtis, H & Barnes, N.S. (2000). Biología (6a Ed.).

Buenos Aires: Editorial Medica Panamericana

TOXICOCINÉTICA Absorción: Mecanismos de defensa:  Para el tracto gastrointestinal: pH bajo, degradación y/o transformación por la actividad enzimática y microbiana (flora intestinal).  En el aparato respiratorio: Filtrado de los vellos nasales, expulsión física (estornudo), producción de moco nasal.  En la piel: Baja permeabilidad, disposición de varias capas, baja irrigación sanguínea en las capas externas, ausencia de transporte activo.

TOXICOCINÉTICA Distribución: En ésta etapa el tóxico deja de estar en el sistema circulatorio para pasar a ubicarse en otros tejidos y órganos del cuerpo.

Los compartimentos de destino pueden ser órganos de almacenamiento o el blanco del tóxico.

Algunos contaminantes tienen afinidad por ciertos tejidos, como es el caso de los hidrocarburos aromáticos policíclicos y su especificidad hacia la melanina del ojo, o de algunos metales que se fijan a las proteínas hepáticas para, posteriormente, depositarse en huesos y dientes,

TOXICOCINÉTICA Distribución:

Fuente: Vallejo, M. (1997). Toxicología ambiental: Fuentes, cinética y efectos de los contaminantes. Bogotá: Fondo Nacional Universitario.

TOXICOCINÉTICA Metabolismo:

Conjunto de biotransformaciones que sufre el tóxico dentro del organismo, que tienen por objetivo reducir su efecto (detoxificación) y pasar de un complejo liposoluble a uno hidrosoluble, facilitando su eliminación.

Esta etapa está dada por lo general, pero no exclusivamente, en el hígado (Vallejo, 1997) y es mediada en su totalidad por enzimas.  Fase I: Introducción de un grupo polar (hidrofílico) al contaminante, a través de reacciones de oxidación, reducción o hidrólisis, obteniendo un metabolito primario.  Fase II: Son reacciones de conjugación, en las que el metabolito primario es combinado con sustancias endógenas para formar un complejo más hidrosoluble.

TOXICOCINÉTICA Excreción:

Etapa final del proceso en la que el contaminante es expulsado del organismo.

El tóxico puede ser eliminado en su forma original o como el metabolito resultante de las fases de biotransformación (Barile, 2008).

La excreción se da por:  La orina.  Heces.  Vía pulmonar.  Secreciones de la glándula mamaria.  Otras secreciones: Las lágrimas, la saliva, el sudor y los folículos del cabello, son otros mecanismos de eliminación de contaminantes.

DISPONIBILIDAD DEL TÓXICO EN EL AMBIENTE Bioacumulación: Aumento de la concentración del tóxico dentro de los organismos respecto a la concentración del tóxico en el ambiente.

Se evalúa como consecuencia del conjunto de las vías de exposición (inhalación, cutánea y oral).

Para analizar la proporción en la que se está acumulando el agente, se usa el factor de bioacumulación (BAF por sus siglas en inglés): BAF = C1 / Cm Donde: C1 es la concentración del tóxico en el organismo.

Cm es la concentración del tóxico en el medio.

DISPONIBILIDAD DEL TÓXICO EN EL AMBIENTE Biomagnificación: Transferencia de un agente contaminante a través de la dieta, obteniendo una mayor concentración en el organismo que en la fuente o alimento del mismo.

Ejemplo del proceso de biomagnificación del DDT Fuente: Greenpeace España.

(2004). El DDT en España, un caso único en Europa. España.

DISPONIBILIDAD DEL TÓXICO EN EL AMBIENTE Biomagnificación (Cont.): En su análisis se utiliza, principalmente, como objeto de estudio las cadenas alimenticias o redes tróficas.

Para analizar este fenómeno, se usa el factor de biomagnificación (BMF, por sus siglas en inglés) conocido también como factor de transferencia trófica (TTF, por sus siglas en inglés) (DeForest et al., 2007): BMF ó TTF = C1 / C2 Donde: C1 es la concentración del tóxico en el organismo o en un tejido determinado y C2 es la concentración del tóxico en su alimento.

DISPONIBILIDAD DEL TÓXICO EN EL AMBIENTE Persistencia: Fenómeno relacionado con la resistencia de la sustancia a ser degradada por procesos, químicos o biológicos, que se dan de forma natural en el ambiente.

Es medida a través del monitoreo de la sustancia o del metabolito resultante.

http://www.monografias.com/trabajos10/evaries/ evaries.shtml

2. CARACTERIZACIÓN DE LA RESPUESTA TÓXICA

CLASIFICACIÓN DE LAS RESPUESTAS TÓXICAS  Intoxicación aguda: Alteraciones en el organismo inmediatas, o en un periodo máximo de 24 horas, dadas por una dosis, generalmente sobredosis, de un agente tóxico.  Intoxicación subaguda: Respuestas tóxicas que se manifiestan a mediano plazo, siendo originadas por exposiciones repetitivas o en varias dosis. Asociada frecuentemente en humanos a su ocupación y jornada laboral.  Intoxicación crónica: Se presentan efectos tardíos o a largo plazo, producidos por exposiciones a muy bajas concentraciones del tóxico, en periodos largos o durante todo el ciclo de vida del organismo.

CLASIFICACIÓN DE LAS RESPUESTAS TÓXICAS

CLASIFICACIÓN DE LAS RESPUESTAS TÓXICAS

CLASIFICACIÓN DE LAS RESPUESTAS TÓXICAS

CLASIFICACIÓN DE LAS RESPUESTAS TÓXICAS Las respuestas sistémicas más comunes se dan en los riñones, en el hígado y en el sistema nervioso, debido a sus estructuras y funciones:  Nefrotoxicidad  Hepatoxicidad  Neurotoxicidad

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CLASIFICACIÓN DE LAS RESPUESTAS TÓXICAS Nefrotoxicidad: Los riñones son los principales órganos de excreción del cuerpo. Su función principal es filtrar la sangre, removiendo los residuos y eliminándolos a través de la orina.

Mecanismos de acción de agentes nefrotóxicos:  La vasoconstricción (reducción del volumen del vaso sanguíneo).  El daño directo a las estructuras especializadas en la filtración dentro de los riñones.

Los principales nefrotóxicos mercurio, plomo y cloroformo.

son:

cadmio,

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CLASIFICACIÓN DE LAS RESPUESTAS TÓXICAS Hepatotoxicidad: El hígado es el órgano del cuerpo encargado de filtrar la sangre proveniente del tracto gastrointestinal, encargándose del almacenamiento y metabolismo de carbohidratos, de la formación de la bilis y de la urea, del metabolismo de grasas y hormonas, y de la biotransformación de los agentes extraños posiblemente tóxicos.

Mecanismos de acción:  Intracelulares, afectando los organelos de las células hepáticas, lo que deriva en la degeneración y necrosis (muerte de un conjunto de células) de los tejidos o del órgano en conjunto. Los daños celulares ocasionan alteraciones en las funciones hepáticas, las cuales se manifiestan en daños vasculares, cirrosis, hígado graso, colestasis y formación de tumores.

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CLASIFICACIÓN DE LAS RESPUESTAS TÓXICAS Neurotoxicidad: El sistema nervioso es una red intercomunicada de neuronas que se distribuye por todo el cuerpo.

Las alteraciones neurotóxicas se pueden manifestar en cambios en las frecuencias cardiaca y respiratoria, en la percepción sensorial, coordinación y hasta en niveles cognitivos y comportamentales.

Mecanismos de acción:  Interrupción de la red neuronal, a través del daño de las células, de la síntesis o función de los neurotransmisores, y la alteración de enzimas reguladores del proceso de neurotransmisión (Donkin & Williams, 2000).

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GENOTOXICIDAD: MUTAGÉNESIS Y CARCINOGÉNESIS Estructura del nucleótido y de la doble cadena en espiral del ADN

En la actualidad, un gran rango de agentes naturales y sintéticos es capaz de inducir alteraciones en el ADN (genotoxicidad), generando cambios en la estructura y por ende en la información contenida en la molécula (mutación).

Fuente: Curtis, H & Barnes, N.S. (2000). Biología (6a Ed.). Buenos Aires: Editorial Medica Panamericana.

GENOTOXICIDAD: MUTAGÉNESIS Y CARCINOGÉNESIS La mutagénesis (generación de cambios en el ADN) puede afectar células somáticas o germinales.  En células somáticas (cualquier célula del cuerpo): la mutación puede transmitirse por división celular ocasionando degeneraciones, como el cáncer, o muerte celular.  En células germinales (óvulo, espermatozoide) causa disminución en la fertilidad, abortos espontáneos, y defectos en las progenie. Estas alteraciones pueden ser dominantes o recesivas, es decir manifestarse o no en la primera generación (Teaf & Middendorf, 2000).

Los daños en las células somáticas embrionarias, causados después de la concepción y antes del nacimiento, es decir durante el desarrollo del feto, se denomina teratogénesis (Vallejo, 1997; Philp, 2001).

GENOTOXICIDAD: MUTAGÉNESIS Y CARCINOGÉNESIS Esquema de los efectos producidos por un genotóxico - mutagénico

Fuente: Teaf, C & Middendorf, P. J. (2000). Mutagenesis and Genetic Toxicology. En P. L. Williams, R. C. James & S. M. Roberts (Eds.), Principles of toxicology: Environmental and industrial applications (pp 239 - 265). New York: John Wiley & Sons, Inc.

GENOTOXICIDAD: MUTAGÉNESIS Y CARCINOGÉNESIS Mecanismos de mutagénesis:  Mutaciones puntuales: Alteración de unas pocas pares de bases, a través de la deleción, adición, o sustitución de pares de bases.  Aneuploidización: Cambio en el número de cromosomas.

 Clastogénesis: Daños en el cromosoma dados por fragmentación y/o translocaciones en la estructura del mismo.

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GENOTOXICIDAD: MUTAGÉNESIS Y CARCINOGÉNESIS La carcinogénesis es la proliferación anormal de células, consecuente a una mutación, que induce la producción de tumores malignos, los cuales destruyen los tejidos adyacentes y se distribuyen (metástasis) a través de la sangre (Vallejo, 1997).

La inducción de cáncer ha sido descrita en tres pasos principales (Philp, 2001): 1. Iniciación: Interacción del agente genotóxico con el ADN. 2. Promoción: Incremento en la tasa de crecimiento de los tumores o la reducción de su estado de latencia, a través de agentes promotores que no interactúan con el ADN. Algunas sustancias además de promotores pueden ser cocarcinógenos.

3. Progresión: Desarrollo particular de la enfermedad.

GENOTOXICIDAD: MUTAGÉNESIS Y CARCINOGÉNESIS Categorías de exposición y efectos de los agentes tóxicos

Fuente: Vallejo, M. (1997). Toxicología ambiental: Fuentes, cinética y efectos de los contaminantes. Bogotá: Fondo Nacional Universitario.

FACTORES EXTRÍNSECOS AL TÓXICO QUE AFECTAN LA RESPUESTA TÓXICA  Factores ambientales:   

Condiciones climáticas.

País de residencia (cultura – tradiciones).

Ocupación.

Fuente: Peña, C. E., Carter D.E & Ayala-Fierro F. (2001). Toxicología ambiental: Evaluación de riesgos y restauración ambiental.

FACTORES EXTRÍNSECOS AL TÓXICO QUE AFECTAN LA RESPUESTA TÓXICA  Factores del organismo receptor: 

Edad: Por baja eficiencia de procesos de biotransformación y excreción de sustancias y cambios en composición del organismo con la edad (agua y grasa).



Sexo: Por Diferencias en el tamaño corporal, contenido de grasa, tasa metabólica basal, y presencia y expresión hormonal.



Factor genético: Porque los procesos de biotransformación están regulados por varios genes.



Enfermedades: Una patología que represente daños en órganos importantes dentro de la biotransformación, acumulación y eliminación de los contaminantes (hígado, riñones), o que haya dejado secuelas en el funcionamiento de los mismos, aumenta la toxicidad del agente.



Estado nutricional: La interacción del tóxico con alimentos, antes o después de su ingesta, altera los efectos del mismo.