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Articulo de referencia

Bioconcentración

En toxicología acuática , la bioconcentración es la acumulación de una sustancia química presente en el agua en un organismo expuesto al agua. [ 1 ] [ 2 ] Existen varias formas ...

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En toxicología acuática , la bioconcentración es la acumulación de una sustancia química presente en el agua en un organismo expuesto al agua. [ 1 ] [ 2 ]

Existen varias formas de medir y evaluar la bioacumulación y la bioconcentración. Estas incluyen: coeficientes de partición octanol-agua (K OW ), factores de bioconcentración (BCF), factores de bioacumulación (BAF) y factor de acumulación biota-sedimento (BSAF). Cada uno de estos se puede calcular utilizando datos o mediciones empíricas, así como a partir de modelos matemáticos . [ 3 ] Uno de estos modelos matemáticos es un modelo BCF basado en fugacidad desarrollado por Don Mackay . [ 4 ]

El factor de bioconcentración también puede expresarse como la relación entre la concentración de una sustancia química en un organismo y la concentración de dicha sustancia en el entorno circundante . El FBC es una medida del grado de intercambio químico entre un organismo y el entorno circundante. [ 5 ]

En aguas superficiales, el BCF es la relación entre la concentración de una sustancia química en un organismo y su concentración acuosa. El BCF se suele expresar en unidades de litros por kilogramo (relación entre mg de sustancia química por kg de organismo y mg de sustancia química por litro de agua). [ 6 ] El BCF puede ser simplemente una relación observada o la predicción de un modelo de partición. [ 6 ] Un modelo de partición se basa en la suposición de que las sustancias químicas se distribuyen entre el agua y los organismos acuáticos, así como en la idea de que existe un equilibrio químico entre los organismos y el medio acuático en el que se encuentran. [ 6 ]

Cálculo

La bioconcentración se puede describir mediante un factor de bioconcentración (FBC), que es la relación entre la concentración química en un organismo o biota y la concentración en el agua: [ 2 ]

BdoF=doonortedominortetrationorteBiotadoonortedominortetrationorteWatmir{\displaystyle BCF={\frac {Concentración_{Biota}}{Concentración_{Agua}}}}[ 2 ]

Los factores de bioconcentración también pueden relacionarse con el coeficiente de reparto octanol-agua, K ow . El coeficiente de reparto octanol-agua (K ow ) se correlaciona con el potencial de bioacumulación de una sustancia química en los organismos; el BCF puede predecirse a partir de log K ow , mediante programas informáticos basados ​​en la relación estructura-actividad (SAR) [ 7 ] o mediante la ecuación lineal :

registro⁡BdoF=metroregistro⁡KOW+b{\displaystyle \log BCF=m\log K_{OW}+b}[ 8 ]

Dónde:

KAY=doonortedominortetrationorteoctanoldoonortedominortetrationorteagua=doOdoW{\displaystyle K_{\text{OW}}={\frac {Concentración_{\text{octanol}}}{Concentración_{\text{agua}}}}={\frac {C_{\text{O}}}{C_{\text{W}}}}}en equilibrio

Capacidad de fugacidad

La fugacidad y el BCF se relacionan entre sí en la siguiente ecuación:

ZPez=PAGPez×BdoFH{\displaystyle Z_{\text{Pez}}={\frac {P_{\text{Pez}}\times {BCF}}{H}}}[ 6 ]

donde Z Fish es igual a la capacidad de fugacidad (mol/m 3 /Pa) de un químico en el pez, P Fish es igual a la densidad del pez (masa/longitud 3 ), BCF es el coeficiente de partición entre el pez y el agua (longitud 3 /masa) y H es igual a la constante de la ley de Henry (Pa m 3 /mol) [ 6 ]

Ecuaciones de regresión para estimaciones en peces

Usos

Usos regulatorios

Mediante el uso del PBT Profiler y los criterios establecidos por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos en virtud de la Ley de Control de Sustancias Tóxicas (TSCA), una sustancia se considera no bioacumulativa si tiene un BCF menor de 1000, bioacumulativa si tiene un BCF de 1000 a 5000 [ 10 ] y muy bioacumulativa si tiene un BCF mayor de 5000. [ 10 ]

Los umbrales según REACH son un BCF > 2000 L/kg bzw. para el criterio B y 5000 L/kg para el criterio vB. [ 11 ] Un BCF superior a 5000 en especies acuáticas es también el umbral para un contaminante orgánico persistente según el Convenio de Estocolmo . [ 12 ]

Aplicaciones

Un factor de bioconcentración mayor que 1 indica que se trata de una sustancia química hidrofóbica o lipofílica . Es un indicador de la probabilidad de bioacumulación de una sustancia química . [ 1 ] Estas sustancias químicas tienen alta afinidad por los lípidos y se concentran en tejidos con alto contenido lipídico en lugar de en un entorno acuoso como el citosol . Se utilizan modelos para predecir la distribución de sustancias químicas en el medio ambiente, lo que a su vez permite predecir el destino biológico de las sustancias químicas lipofílicas. [ 1 ]

Modelos de partición de equilibrio

Basándose en un escenario de estado estacionario supuesto, se modela el destino de una sustancia química en un sistema, proporcionando fases y concentraciones finales previstas. [ 13 ]

Es necesario considerar que alcanzar el estado estacionario puede requerir una cantidad considerable de tiempo, según se estima utilizando la siguiente ecuación (en horas). [ 14 ] [ 15 ]

tmiSS=0,00654⋅KOW+55.31{\displaystyle t_{eSS}=0.00654\cdot K_{OW}+55.31}

Para una sustancia con un log(K OW ) de 4, se necesitan aproximadamente cinco días para alcanzar el estado estacionario efectivo. Para un log(K OW ) de 6, el tiempo de equilibrio aumenta a nueve meses.

Modelos de fugacidad

La fugacidad es otro criterio predictivo para el equilibrio entre fases que se expresa en unidades de presión. Equivale a la presión parcial para la mayoría de los fines ambientales. Representa la propensión de un material a dispersarse. [ 1 ] El factor de concentración biológica (BCF) puede determinarse a partir de los parámetros de salida de un modelo de fugacidad y, por lo tanto, utilizarse para predecir la fracción de sustancia química que interactúa inmediatamente con un organismo y que posiblemente tenga un efecto sobre él.

Modelos de redes alimentarias

Si se dispone de valores de fugacidad específicos para cada organismo , es posible crear un modelo de red alimentaria que tenga en cuenta las redes tróficas . [ 1 ] Esto es especialmente pertinente para los compuestos químicos conservativos que no se metabolizan fácilmente en productos de degradación. La biomagnificación de compuestos químicos conservativos, como los metales tóxicos, puede ser perjudicial para los depredadores ápice, como las orcas , las águilas pescadoras y las águilas calvas .

Aplicaciones a la toxicología

Predicciones

Los factores de bioconcentración facilitan la predicción de los niveles de contaminación en un organismo basándose en la concentración química en el agua circundante. [ 13 ] En este contexto, el BCF solo se aplica a organismos acuáticos. Los organismos que respiran aire no absorben sustancias químicas de la misma manera que otros organismos acuáticos. Los peces, por ejemplo, absorben sustancias químicas mediante la ingestión y los gradientes osmóticos en las lamelas branquiales . [ 6 ]

Al trabajar con macroinvertebrados bentónicos , tanto el agua como los sedimentos bentónicos pueden contener sustancias químicas que afectan al organismo. El factor de acumulación biota-sedimento (BSAF) y el factor de biomagnificación (BMF) también influyen en la toxicidad en los ambientes acuáticos.

El modelo BCF no tiene en cuenta explícitamente el metabolismo, por lo que es necesario agregarlo a los modelos en otros puntos a través de ecuaciones de absorción, eliminación o degradación para un organismo seleccionado.

Carga corporal

Las sustancias químicas con valores de BCF altos son más lipofílicas, y en equilibrio los organismos tendrán concentraciones más elevadas de la sustancia química que en otras fases del sistema. La carga corporal es la cantidad total de sustancia química en el cuerpo de un organismo, [ 13 ] y las cargas corporales serán mayores cuando se trate de una sustancia química lipofílica.

Factores biológicos

Para determinar el grado de bioconcentración, deben tenerse en cuenta los factores biológicos. La tasa de exposición de un organismo a través de las superficies respiratorias y el contacto con las superficies dérmicas compite con la tasa de excreción. La tasa de excreción comprende la pérdida de sustancias químicas por la superficie respiratoria, la dilución por crecimiento, la excreción fecal y la biotransformación metabólica . [ 16 ] La dilución por crecimiento no es un proceso de excreción propiamente dicho, sino que se produce debido al aumento de la masa del organismo mientras la concentración del contaminante permanece constante.

Aquí se muestra la interacción entre las entradas y las salidas: ddoBdt=(k1doWD)−(k2+kmi+kMETRO+kGRAMO)doB{\displaystyle {\frac {dC_{B}}{dt}}=(k_{1}C_{WD})-(k_{2}+k_{E}+k_{M}+k_{G})C_{B}}[ 16 ] Las variables se definen como: CBes la concentración en el organismo (g*kg−1). [ 16 ] t representa una unidad de tiempo (d−1). [ 16 ] k1es la constante de velocidad para la absorción química del agua en la superficie respiratoria (L*kg−1*d−1). [ 16 ] CWDes la concentración química disuelta en el agua (g*L−1). [ 16 ] k2,kE,kG,kBson constantes de velocidad que representan la excreción del organismo desde la superficie respiratoria, la excreción fecal, la transformación metabólica y la dilución del crecimiento (d−1). [ 16 ]

Las variables estáticas también influyen en el BCF. Dado que los organismos se modelan como bolsas de grasa, la proporción de lípidos a agua es un factor que debe considerarse. [ 6 ] El tamaño también influye, ya que la relación superficie-volumen afecta la tasa de absorción del agua circundante. [ 16 ] La especie en cuestión es un factor primordial que influye en los valores de BCF, ya que determina todos los factores biológicos que alteran un BCF. [ 6 ]

Parámetros ambientales

Temperatura

La temperatura puede afectar la transformación metabólica y la bioenergética. Un ejemplo de esto es que el movimiento del organismo puede cambiar, así como las tasas de excreción. [ 16 ] Si un contaminante es iónico, el cambio en el pH influenciado por un cambio de temperatura también puede influir en la biodisponibilidad. [ 1 ]

Calidad del agua

El contenido de partículas naturales, así como el contenido de carbono orgánico en el agua, pueden afectar la biodisponibilidad. El contaminante puede unirse a las partículas en el agua, dificultando su absorción, además de ser ingerido por el organismo. Esta ingestión podría consistir en partículas contaminadas, lo que implicaría que la fuente de contaminación provenga de algo más que el agua. [ 16 ]

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 6 Landis WG, Sofield RM, Yu MH (2011). Introducción a la toxicología ambiental: de las estructuras moleculares a los paisajes ecológicos (Cuarta  ed.). Boca Raton, FL: CRC Press. págs. 117–162 . ISBN  978-1-4398-0410-0.
  2. 1 2 3 Gobas FAPC ; Morrison HA (2000). "Biococoncentración y biomagnificación en el medio acuático". En Boethling RS; Mackay D (eds.). Manual de métodos de estimación de propiedades para productos químicos: ciencias ambientales y de la salud . Boca Raton, FL, EE. UU.: Lewis. págs. 189–231 . 
  3. ↑ Arnot, Jon A.; Frank APC Gobas (2004). "Un modelo de bioacumulación de redes tróficas para sustancias químicas orgánicas en ecosistemas acuáticos". Toxicología y química ambiental . 23 (10): 2343– 2355. Bibcode : 2004EnvTC..23.2343A . doi : 10.1897/03-438 . PMID 15511097. S2CID 23843677 .  
  4. 1 2 Mackay, Don (1982). "Correlación de factores de bioconcentración". Environmental Science and Technology . 16 (5): 274– 278. Bibcode : 1982EnST...16..274M . doi : 10.1021/es00099a008 . PMID 22257252 . 
  5. ↑ "Capítulo 173–333 Toxinas persistentes bioacumulativas WAC" (PDF) . Departamento de Ecología . Archivado del original (PDF) el 9 de febrero de 2017. Recuperado el 6 de febrero de 2012 .
  6. 1 2 3 4 5 6 7 8 Hemond, Harold (2000). Destino y transporte químico en el medio ambiente . San Diego, CA: Elsevier. págs. 156–157 . ISBN  978-0-12-340275-2.
  7. ↑ EPA. "Categoría para sustancias químicas nuevas, persistentes, bioacumulativas y tóxicas" . Documentos ambientales del Registro Federal . USEPA. Archivado del original el 29 de octubre de 2004. Consultado el 3 de junio de 2012 .
  8. ↑ Bergen, Barbara J.; William G. Nelson; Richard J. Pruell (1993). "Bioacumulación de congéneres de PCB por mejillones azules ( Mytilus edulis ) desplegados en el puerto de New Bedford, Massachusetts". Toxicología y química ambiental . 12 (9): 1671– 1681. Bibcode : 1993EnvTC..12.1671B . doi : 10.1002/etc.5620120916 .
  9. ↑ Chiou CT, Freed VH, Schmedding DW, Kohnert RL (1977). "Coeficiente de partición y bioacumulación de compuestos orgánicos seleccionados". Environmental Science and Technology . 29 (5): 475– 478. Bibcode : 1977EnST...11..475C . doi : 10.1021/es60128a001 .
  10. 1 2 "Criterios de bioacumulación" . Archivado del original el 1 de mayo de 2016. Recuperado el 3 de junio de 2012 .
  11. ↑ Guía sobre requisitos de información y evaluación de la seguridad química: Capítulo R.11: Evaluación PBT (Versión 1.1) Archivado el 14 de marzo de 2014 en Wayback Machine , 2012, pág. 15
  12. ↑ Convenio de Estocolmo sobre contaminantes orgánicos persistentes (COP): Texto y anexos (PDF) . PNUMA. 2025. pág. 71. 
  13. 1 2 3 Rand, Gary (1995). Fundamentos de toxicología acuática . Boca Raton: CRC Press. págs. 494–495 . ISBN  978-1-56032-091-3.
  14. ↑ DIRECTRICES DE LA OCDE PARA EL ENSAYO DE SUSTANCIAS QUÍMICAS: Ensayo n.º 305: Bioacumulación en peces: Exposición acuosa y dietética, pág. 56, doi: 10.1787/9789264185296-en
  15. ↑ Hawker DW y Connell DW (1988), Influencia del coeficiente de partición de compuestos lipofílicos en la cinética de bioconcentración con peces. Wat. Res. 22: 701–707, doi: 10.1016/0043-1354(88)90181-9 .
  16. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Arnot, Jon A; Gobas, Frank APC (2006). "Una revisión de las evaluaciones del factor de bioconcentración (BCF) y del factor de bioacumulación (BAF) para sustancias químicas orgánicas en organismos acuáticos". Environmental Reviews . 14 (4): 257– 297. doi : 10.1139/a06-005 .
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