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TOXICOLOGIA AMBIENTAL PROF. Msc. Wilma Gomes Galvão Curso de Farmácia ECOTOXICOLOGIA • ESTUDA OS EFEITOS PREJUDICIAIS CAUSADOS PELAS SUBSTÂNCIAS QUÍMICAS DE ORIGEM ANTROPOGÊNICA AO MEIO AMBIENTE • PROPÕE MEDIDAS NECESSÁRIAS PARA PREVER, CONTER E TRATAR DANOS AMBIENTAIS ECOTOXICOLOGIA Técnicas de produção “verde” – menos resíduos Desenvolvimento sustentável – consenso mundial Ações menos agressivas para o meio ambiente Urbanização e Industrialização Poluição ambiental Local e Global “ Ciência que estuda os efeitos tóxicos de substâncias químicas em populações e comunidades de organismos vivos em ecossistemas”. CLASSES DOS POLUENTES AMBIENTAIS ORIGEM ANTROPOGÊNICA: •AGROTÓXICOS herbicidas, inseticidas e fungicidas • ÍONS INORGÂNICOSmetais • SOLVENTES ORGÂNICOS hidrocarbonetos • SUBSTÂNCIAS RADIOATIVAS césio • PRODUTOS FARMACÊUTICOS fármacos e rejeitos das fábricas RISCO TÓXICO PARA O AMBIENTE FATORES RELACIONADOS: Características físico químicas do poluente Toxicidade do poluente Fatores bióticos: tipos de organismos vivos e suas características Fatores abióticos: características do ambiente (ar, agua, solo) como temperatura, pH, oxigênio, pressão, etc RISCO TÓXICO PARA O AMBIENTE ECOSSISTEMAS E SUAS INTER-RELAÇÕES: Os Ecossistemas apresentam muitos componentes e muitos processos ecológicos envolvidos As inter-relações entre esses componentes, o meio ambiente e possíveis poluentes se mostram complexas. Modelos experimentais dessas relações podem fornecer informações importantes PARÂMETROS UTILIZADOS NAS RELAÇÕES ENTRE POLUENTES E O MEIO AMBIENTE: Distribuição Bioacumulação Bioamplificação Degradação Biotransformação Respostas bioquímicas e fisiológicas dos organismos vivos frente aos poluentes Avaliação do risco ecotoxicológico Uso de Biomarcadores/Bioindicadores Ambientais Gerenciamento dos Resíduos Tóxicos Métodos para remediar um dano ambiental Relações poluentes e o meio ambiente 1. DISTRIBUIÇÃO: Avalia a distribuição de um poluente e de seus derivados no ambiente e nos organismos vivos. Avalia a localização final e a concentração de um poluente após sua distribuição no meio Ex: água dos rios ou no ar Relações poluentes e o meio ambiente 1. DISTRIBUIÇÃO: Principais propriedades envolvidas na movimentação dos contaminantes nos diversos compartimentos ambientais 1. Polaridade (coeficiente de partição: Kow) e hidrossolubilidade 2. Pressão de vapor- volatilidade 3. Densidade da substância 4. Estabilidade da molécula: degradação Relações poluentes e o meio ambiente 1. DISTRIBUIÇÃO: Modelos matemáticos: contribuem para prever o destino e a preferência ambiental de poluentes. Sugerem quais poluentes, e em quais compartimentos, devem ser sistematicamente observados em programas de monitoramento. Ex1: Fugacidade - medida em unidades de pressão, descreve a tendência de escape de um composto químico orgânico em um compartimento, meio ou fase Relações poluentes e o meio ambiente 1. DISTRIBUIÇÃO: Modelos matemáticos: Ex2: Fator de Bioconcentração (BCF) indica o grau de afinidade de um poluente a organismos vivos. Ajuda a determinar concentração e localização final de um poluente nos organismos e no ambiente (água, solo e ar) após sua dispersão Coeficiente de sorção (Koc) mede a afinidade do poluente ao carbono orgânico do solo e pode ser usado como um indicador da afinidade do poluente pela matéria sólida do solo. O coeficiente de partição folha-ar (Kla), é um indicador da afinidade de um poluente por folhas. O coeficiente de partição ar-água (Kaw), pode ser usado para identificar os poluentes voláteis. O potencial de lixiviação de um poluente orgânico usa em seus cálculos, o coeficiente de sorção e a meia-vida do poluente no solo 2. BIOACUMULAÇÃO: relaciona-se ao acúmulo versus eliminação de substâncias químicas em organismos relaciona-se à via de absorção (oral, dérmica, respiratória etc.) da substância pelo organismo é a via de absorção que define se o organismo vai apresentar uma concentração maior do que no meio ambiente o acúmulo depende da velocidade de absorção e da velocidade de eliminação, bem como da biotransformação Ex: quanto mais hidrofóbico é o xenobióticos maior será sua capacidade de bioacumular no organismo. Ex: Coeficiente de partição alto reflete em alta capacidade de se acumular. Relações poluentes e o meio ambiente 2. BIOACUMULAÇÃO: HIDROFOBICIDADE ABSORÇÃO COEFICIENTE PARTIÇÃO ELIMINAÇÃO BIOTRANSFORMAÇÃO Relações poluentes e o meio ambiente BIOACUMULAÇÃO BIOACUMULAÇÃO 2. BIOACUMULAÇÃO: DIRETA: ocorre direto do meio para o organismo Ex.: água do rio pelas brânquias de um peixe ou Ex.: ar respirado INDIRETA: ocorre de forma indireta por meio da alimentação dentro de uma cadeia alimentar Ex.: acúmulo de um agente tóxico nos diferentes níveis de uma cadeia alimentar Relações poluentes e o meio ambiente 3. BIOMAGNIFICAÇÃO: bioamplificação Relações poluentes e o meio ambiente -relaciona-se ao acúmulo de xenobióticos e/ou de seus derivados nos diferentes níveis tróficos, pela sua transferência ao longo da cadeia alimentar - Acúmulo de DDT no homem por meio de sua cadeia alimentar 4. Biotransformação e degradação de poluentes Mediada por enzimas – são específicas e estão presentes em bactérias, algas, fungos, plantas, invertebrados, vertebrados mamíferos, etc Velocidade de metabolização: permite estimar a toxicidade; parâmetro muito importante para controle ambiental Relações poluentes e o meio ambiente Metabólitos menos tóxicos menor o risco ambientaL Metabólitos mais tóxicos maior o risco ambiental (medidas de remediação do ambiente) Investigação de produtos de biotranformação presentes no ambiente é de difícil acompanhamento em função das inúmeras variáveis entre espécies Atividade das enzimas e a síntese das enzimas são induzidas pela exposição aos poluentes. Esse estudo da biotransformação dentro de uma população exposta pode elucidar a toxicidade. Biotransformação e degradação de poluentes Degradação das substâncias químicas nos diversos compartimentos ambientais Decomposição de moléculas orgânicas em moléculas menores. Tem influência direta na toxicidade (aumentando ou diminuindo). - Degradação abiótica a) químicas (hidrólise e reações de oxi-redução). b) fotólise: - direta. - indireta. c) adsorção/complexação com constituintes orgânicos Degradação das substâncias químicas nos diversos compartimentos ambientais - Degradação biótica (biodegradação): Mecanismo mais importante para orgânicos. Resulta em CO2, H2O e biomassa microbiana. Pode ser aeróbia ou anaeróbia. Variáveis influentes: a) Temperatura. b) pH. c) concentração do contaminante. d) concentração de microorganismos viáveis. e) tempo de adaptação (entre a exposição e o início da degradação). f) presença de nutrientes para o crescimento microbiano. g) teor de água. DESTINO DAS SUBSTÂNCIAS QUÍMICAS NOS DIVERSOS COMPARTIMENTOS AMBIENTAIS Mecanismos de biotransformação e degradação de poluentes Relações poluentes e o meio ambiente Precisam de O2 4. Biotransformação e degradação de poluentes Variantes da enzima CYP-450: existem cerca de 500 - 400 delas são apenas em mamíferos e as demais para outros organismos Relações poluentes e o meio ambiente 4. Biotransformação e degradação de poluentes FASE I – mono oxigenases do CYP-450 Relações poluentes e o meio ambiente - atividade enzimática é induzida pela exposição a poluentes - Atuam como oxidantes de átomos de carbono -Envolvem O2 e transporte de elétrons (NDPH) - acontecem tanto no reticulo endoplasmático como no citoplasma 4. Biotransformação e degradação de poluentes FASE I – mono oxigenases com Flavinas Relações poluentes e o meio ambiente - atividade enzimática não é induzida pela exposição a poluentes - Não Atuam com oxidantes de átomos de carbono - não apresentam grupo heme - Envolvem O2 e transporte de elétrons (NDPH) - acontecem tanto no reticulo endoplasmático como no citoplasma FLAVINAS (FMO) 4. Biotransformação e degradação de poluentes FASE II – glicuronidação, sulfonação, acetilação, metilação, conjugação com glutationa (GSH) e com aminoácidos Relações poluentes e o meio ambiente - Aumento do peso molecular - Aumento da polaridade - Estudo da toxicidade: Glutadiona (GSH) Compostos eletrofílicos resultantes da Fase I Conjugação catalisada pela glutadiona S transferase (GST) Inibidores: Organofosforados, hidrocarbonetos, carbamatos Respostas Bioquímicas e Fisiológicas frente à exposição a poluentes Qual a estratégia dos organismos (resistência) frente às adversidades do ambiente? Percepção, sinalização e resposta* (proteção) Poluentes induzem respostas de proteção recuperação dos danos causados diminuição da capacidade de interação entre o poluente e o organismo desenvolvimento de um processo de adaptação em exposições prolongadas doença e/ou morte Respostas Bioquímicas e Fisiológicas de organismos expostos a poluentes Estudos bioquímicos fornecem informações importantes 1. Relação entre exposição e efeitos 2. Mudanças provocadas para proteção celular 3. Determinar o mecanismo de ação mais provável do poluente 4. Repostas celulares podem ser utilizadas como SENSORES DE DIAGNOSTICO AMBIENTAL . Podem identificar respostas específicas. Ex: alterações genéticas transmitidas em uma população após exposição Respostas Bioquímicas e Fisiológicas - exposição a poluentes - Organismo vivo - Ambiente Estudos bioquímicos fornecem informações importantes 5. Estudar os mecanismos de resistência e adaptação frente a adversidades do ambiente 6. Usar as ferramentas da biologia moderna para compreender essas estratégias 7. Estudar a capacidade intrínseca dos organismos frente a situações de stress ambiental 8. Estudar os processos adaptativos de curto e médio prazo: Reorganização de vias metabólicas e ativação de proteínas de defesa – adaptação bioquímica resistência 9. Extrapolar os processos adaptativos de longo prazo – aumentam a aptidão dos organismos no processo evolutivo Respostas Bioquímicas e Fisiológicas - exposição a poluentes Respostas Bioquímicas e Fisiológicas do organismos frente à exposição a poluentes Mecanismos de resistência e adaptação frente a adversidades do ambiente Respostas ao stress ambiental: induzem a produção Metalotioneínas (MTs): proteínas de baixo peso molecular. Encontradas no citosol de células eucarióticas, especialmente no fígado, rins, intestino e cérebro . Função biológica: é uma importante proteína no metabolismo intracelular de Cu, Zn, Cd e Hg e na proteção contra danos oxidativos resultantes da exposição excessiva a metais. Respostas Bioquímicas e Fisiológicas do organismos frente à exposição a poluentes Mecanismos de resistência e adaptação frente a adversidades do ambiente Respostas ao stress ambiental: induzem a produção Fitoquelatinas: substância química que permite às plantas se livrar de metais pesados. Função ecológica: Utilização de plantas para a limpeza de solos contaminados com metais tóxicos, como chumbo, arsênio e cádmio. 5. Respostas Bioquímicas e Fisiológicas - exposição a poluentes Mecanismos de resistência e adaptação frente a adversidades do ambiente Respostas ao stress ambiental mudanças celulares provocadas por poluentes alteram os parâmetros populacionais Parâmetros populacionais: crescimento, desenvolvimento, reprodução e saúde Relações poluentes e o meio ambiente ECOSSISTEMA ALTERADO PELO HOMEM Atividade agropecuária, residencial e industrial: poluição da água, poluição atmosférica. Mudanças no relevo, mudam o transporte de uma substância de um local para outro (agua, poeira ou ar) Exposição de espécies a poluentes: mudanças qualitativas e quantitativas. Ex: Extinção ou aumento PRINCIPAL FOCO DA ECOTOXICOLOGIA Efeitos crônicos em função de exposições prolongadas de concentrações baixas (efeitos de acumulação) Relações poluentes e o meio ambiente ECOSSISTEMA ALTERADO PELO HOMEM Baía de Minamata (Japão) – utilização de Hg para produzir PVC. O mercúrio atinge o SNC, causando os sintomas de fraqueza muscular, dormência dos membros, falta de coordenação motora e muscular, deficiência visual, perda da audição, dificuldade da fala, letargia. Em mães contaminadas causa danos cerebrais no feto e morte. Serra pelada mineiros contaminados por Hg na extração do ouro Relações poluentes e o meio ambiente ECOSSISTEMA ALTERADO PELO HOMEM Desrreguladores endócrinos: - encontrados no meio ambiente em concentrações de μg/l e ng/l. - Podem mimetizar a ação de hormônios; bloquear receptores de hormônios ou afetar a síntese, transporte, metabolismo ou excreção dos hormônios endógenos. - Ex1: inseticidas organofosforados - Ex2: estrogênios sintéticos usados para evitar o aborto: levou o aparecimento de câncer nas filhas (1940 a 1970). Nos filhos desordens no numero de espermatozoides ou câncer de testículo. Relações poluentes e o meio ambiente 6. AVALIAÇÃO DO RISCO AMBIENTAL Prever exatamente os danos ocasionados por poluentes é um processos complexo distribuição do poluente desigual – afeta o grau de exposição grande variação entre as espécies tipos de interação entre as espécies diversidade de poluentes e de suas interações entre si Bases cientificas confiáveis procuram usar: o conhecimento dos mecanismos moleculares, bioquímicos e fisiológicos aumento da probabilidade de exatidão Relações poluentes e o meio ambiente 6. AVALIAÇÃO DE RISCO AMBIENTAL Desenvolver métodos e testes que forneçam dados científicos confiáveis Avaliação do risco: relação entre ambiente e sua interação com os organismos vivos. Usa dados de Toxicidade para avaliar o risco, ou seja, a probabilidade de ocorrência de um dano sob condições específicas estabelecer limites de segurança Relações poluentes e o meio ambiente 6. AVALIAÇÃO DE RISCO AMBIENTAL Avaliação do risco: baseada em modelos experimentais - parâmetros estabelecidos pela Agência de Proteção Ambiental dos USA - organiza e analisa os dados para prever os efeitos ecológicos. Etapas: - 1º formulação do problema: modelo conceitual, avaliando todas as informações (fonte, características da exposição e do ecossistema em risco e possíveis efeitos) - 2º analise do risco: avaliação da exposição e a relação do poluente com os efeitos provocados ao ambiente. - 3º Caracterização do risco: estimativa final do risco, estabelece evidencias dos efeitos ecológicos Gerenciamento do risco : estuda as soluções para o problema elabora um plano de comunicação estabelece medidas regulatórias baseadas na avaliação do risco Relações poluentes e o meio ambiente 6. AVALIAÇÃO DE RISCO AMBIENTAL Avaliação do risco: no Brasil - estabelece o Potencial de Periculosidade Ambiental (PPA) pelo Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e Recursos Naturais Renováveis – IBAMA Avalia os seguintes parâmetros: - características físico-químicas dos poluentes; - interações do poluente com meio ambiente (degradação, distribuição, acumulação) - toxicidade do poluente em organismos (modelo) - genotoxicidade, embriofetotoxicidade,carcinogenicidade Relações poluentes e o meio ambiente 6. AVALIAÇÃO DE RISCO AMBIENTAL Padronização de Métodos confiáveis para avaliar e classificar a toxicidade de poluentes ambientais prever efeitos sobre ecossistemas visando diminuir o impacto ambiental Relações poluentes e o meio ambiente 6. AVALIAÇÃO DE RISCO AMBIENTAL ENSAIOS DE BIOTOXICIDADE Detecta concentrações baixas Os testes podem ser realizados em laboratório, no ambiente, ou em sistemas controlados que simulam as mesmas condições Depende da escolha de alguns organismos adequados: leva em conta alguns fatores como: sensibilidade, facilidade de cultivo ou criação, conhecimento cientifico da espécie Relações poluentes e o meio ambiente 6. AVALIAÇÃO DE RISCO AMBIENTAL ENSAIOS DE BIOTOXICIDADE Submete organismos-testes a diferentes concentrações do poluente estudado, por um período de tempo observa efeitos agudos, crônicos, subletais e letais estimam a dose tóxica (DL50) ou (DE50) Relações poluentes e o meio ambiente 6. AVALIAÇÃO DE RISCO AMBIENTAL ENSAIOS DE BIOTOXICIDADE Escolha de organismos deve ser regulamentada Ex1 : Avaliar a toxicidade em ambientes aquáticos: - uso de microcrustáceos (normatizado pela ABNT – NBR nº 12.713) avalia efeitos agudos - uso de ceriodaphnia (crustáceo) avalia efeitos crônicos (NBR nº 13.3730) - uso de algas, peixes ( bioconcentradores) Ex2 : Avaliar a toxicidade em ambientes do solo: - uso de bactérias ou minhocas ou plantas Relações poluentes e o meio ambiente 6. AVALIAÇÃO DE RISCO AMBIENTAL BIOENSAIOS – USO DE BIOMARCADORES - Fornecem dados sobre exposição - Fornecem dados mais confiáveis para estimativa de efeitos. Avaliam o potencial efeito tóxico de compostos químicos no meio ambiente. BIOMARCADORES: são uma reposta biológica a uma ou várias substâncias químicas escolha de um biomarcador deve seguir alguns critérios: - organismo a ser utilizado - relação dose-resposta - facilidade de medida do biomarcador - especificidade da resposta Relações poluentes e o meio ambiente 6. AVALIAÇÃO DE RISCO AMBIENTAL BIOMARCADORES - Especificidade da resposta - ex: inibição da enzima ALA-D – participa da síntese do heme – inibida especificamente pelo chumbo- permitir quantificar os danos causados por Pb - ex: indução da monooxidades – MAO causada por uma série de substancias diferentes. Indica a presença de poluentes no geral Os Biomarcadores são usados em programas governamentais para monitorar e avaliar possíveis danos ecológicos sofridos em ambientes poluídos “Os bioensaios representam ferramentas fundamentais na conclusão do risco ambiental” Relações poluentes e o meio ambiente Biomarcador Organismo Poluente Inibição da Colinesterase Peixes, moluscos Pesticidas Indução do P450 Peixes Dioxinas Inibição da ALA-D Peixes Chumbo Indução da vitelogenina Peixes jovens e machos Subs. Estrogênicas 7. GERENCIAMENTO DE RESÍDUOS TÓXICOS Os resíduos representam riscos para o meio ambiente A ABNT – NBR Nº 10.004 – classifica resíduos como tóxicos em função de parâmetros como: 1. Ensaio de lixiviação 2. Natureza do tóxico 3. Potencial de distribuição no ambiente 4. Potencial de Bioacumulação 5. Potencial de degradação 6.Efeitos nocivos (teratogênico, mutagênico, carcinogênico, ecotóxico, etc) 7. Parametros com DL50 em cobaias Relações poluentes e o meio ambiente 7. GERENCIAMENTO DE RESÍDUOS TÓXICOS Legislação Ambiental ÁGUAS - CONAMA 20 / PORTARIA 518 AR - CONAMA 03 RESÍDUOS SÓLIDOS - NBR 10004 * Legislações de outros países Relações poluentes e o meio ambiente 7. GERENCIAMENTO DE RESÍDUOS TÓXICOS DESTINO DE RESÍDUOS •Aterros (chorume= líquido proveniente do próprio líquido, pode conter ácidos, metais, sais de cádmio, bactérias) • Incineração (redução de volume, todavia formação de gases e cinzas) • Reciclagem (Brasil= somente 2% do lixo são coletados seletivamente • Remediação (disposição inadequada) • Destruição (tratamento químico) • Biorremediação (tratamento biológico) Relações poluentes e o meio ambiente 7. GERENCIAMENTO DE RESÍDUOS TÓXICOS DESTINO DE RESÍDUOS • Remediação (disposição inadequada) - casos de contaminação do solo, decorrentes do desconhecimento daqueles que utilizam o local sobre formas de prevenir que substâncias estranhas vazem e o contaminem • Sistema de bombeamento (pump and treat); • Sistema de Extração de vapores (soil vapor extraction); • Sistema de Extração Multifásica (MPE); • Processos Oxidativos Avançados (POA); • Barreiras Reativas, Barreiras Hidráulicas Relações poluentes e o meio ambiente
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