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TOXICOLOGIA AMBIENTAL 1 Toxicologia Ambiental TOXICOLOGIA AMBIENTAL 2 Toxicologia Ambiental 1. Introdução à toxicologia: 1.1 Introdução: Na natureza existem inúmeros de produtos químicos que podem exercer algum tipo de toxicidade. Além disso, vivenciamos um aumento no número de produtos químicos, sintetizados pelos seres humanos, que apresentam as mais variadas utilidades e, portanto, constituições químicas distintas, tais como: medicamentos, conservantes de alimentos, agroquímicos, produtos de limpeza, entre outros. A American Chemical Society mantém um registro de produtos químicos desde 1907, no qual estão atualmente registrados 43 milhões de substâncias orgânicas e inorgânicas. Um estudo realizado pela Agência de Proteção Ambiental Dinamarquesa calculou que, dos cerca de 4000 novos produtos químicos produzidos diariamente, 13,4% deles possuem toxicidade aguda, 2,5%, toxicidade reprodutiva, 3,9% são mutagênicos, 1,8%, cancerígenos e 3,5% são perigosos para o ambiente aquático. Adicione a isso as numerosas substâncias naturais, inorgânicas e orgânicas, que possuem potencial tóxico, e não é de se admirar que a sociedade manifeste preocupação e mesmo, às vezes, pânico sobre os efeitos nocivos que estes agentes podem exercer na sua saúde e no ambiente. Dezenas de milhares destes agentes nunca foram submetidos a um teste de toxicidade detalhado. Pode-se definir um veneno como um agente capaz de produzir uma resposta prejudicial em um sistema biológico. Praticamente todas as substâncias químicas conhecidas têm o potencial de produzir lesão ou morte caso estejam presentes em quantidade suficiente. Agentes tóxicos são classificados em função dos interesses e TOXICOLOGIA AMBIENTAL 3 das necessidades do classificador e podem ser discutidos em termos de seus órgãos- alvo, origem, uso e efeitos: • O termo toxina geralmente se refere a uma substância tóxica produzida por sistemas biológicos, como plantas, animais, fungos ou bactérias. • O termo toxicante é usado para caracterizar substâncias tóxicas (ou seus subprodutos) produzidas em atividades antropogênicas. Agentes tóxicos podem ser classificados em termos de seu estado físico, da estabilidade química ou reatividade, da estrutura química geral ou de seu potencial de intoxicação da população investigada. A Tabela 1 abaixo mostra a dosagem de produtos químicos necessária para produzir a morte de 50% dos animais tratados (DL50). É necessário perceber que as medidas de letalidade aguda, como DL50, podem não refletir o espectro de toxicidade ou o perigo associados à exposição a uma substância química. Alguns produtos químicos com baixa toxicidade aguda, por exemplo, podem ter efeitos cancerígenos ou teratogênicos em doses que não produzem nenhuma evidência de toxicidade aguda. *DL50 = dose letal que se pressupõe que irá causar a morte de 50% da população investigada. TOXICOLOGIA AMBIENTAL 4 Tabela 1. Valores de DL 50 1.2 Introdução à ecotoxicologia Os termos toxicologia, toxicologia ambiental e ecotoxicologia podem trazer a princípio certa confusão. Toxicologia é uma área da ciência que estuda os efeitos nocivos decorrentes das interações de substâncias químicas com o organismo. O termo Ecotoxicologia foi primeiramente proposto por René Truhaut, em 1969, como uma extensão natural da toxicologia, como a ciência dos efeitos ecológicos dos poluentes. Esta definição de Ecotoxicologia pode ser ampliada como a ciência de prever os efeitos de agentes potencialmente tóxicos sobre os ecossistemas naturais e espécies não alvo. Ecotoxicologia geralmente não inclui os campos que não fazem parte dos ecossistemas naturais, como toxicologia industrial, a saúde humana, animal doméstico e toxicologia de culturas agrícolas. No entanto, seus efeitos se impõem sobre estes. Assim sendo, mais recentemente, Newman definiu Ecotoxicologia como a ciência dos contaminantes na biosfera e seus efeitos sobre os componentes da biosfera, o que inclui os seres humanos. TOXICOLOGIA AMBIENTAL 5 Historicamente, algumas das primeiras observações sobre os efeitos antropogênicos ecotóxicos foram verificações de melanismo em mariposas (Figura 1 e 2), por volta de 1850, provavelmente devido ao início da Revolução Industrial e o consequente lançamento de inúmeros poluentes na atmosfera. Figura 1. Mariposa Figura 2. Mariposa No campo da Toxicologia aquática, Forbes (ano) foi um dos primeiros pesquisadores a reconhecer a importância da presença ou ausência de espécies e comunidades de peixes dentro de um ecossistema aquático, com base na tolerância de espécie em zonas de poluição nos rios. Ao mesmo tempo em que alguns dos primeiros testes de toxicidade aquática aguda foram originalmente interpretadas por Penny e Adams TOXICOLOGIA AMBIENTAL 6 (1863) e Weigelt, Saare e Schwab (1885), que estavam preocupados com produtos químicos tóxicos nas águas residuárias industriais. O primeiro método "padrão" foi publicado por Hart et al. em 1945 e, posteriormente adotado pela sociedade americana para testes e materiais. No que diz respeito à ecotoxicologia terrestre de contaminantes antropogênicos que afetam a circulação livre dos animais selvagens, as evidências começaram a acumular-se durante a Revolução Industrial. Estas incluíram casos de poluição de arsênico e toxicidade de emissões de chaminé industrial. Os objetivos dos estudos ecotoxicológicos são: compreender em qual grandeza as substâncias químicas, isoladas ou em forma de misturas, são nocivas e, como e onde manifestam seus efeitos. Destino dos poluentes Os destinos dos poluentes são basicamente três: ar; água: receptor final dos poluentes e solos/sedimentos. Os poluentes podem entrar nos ecossistemas como consequência da atividade humana das seguintes formas: • Liberação não intencional em atividades humanas (acidentes nucleares, operações de mineração, naufrágios e incêndios); • Eliminação de resíduos (efluentes industriais e esgotos); • Aplicação deliberada de biocidas (por exemplo, controle de pragas e vetores). Como resultado natural de processos como a meteorização das rochas (metais e ânions inorgânicos) alguns dos produtos químicos lançados também podem alcançar altos níveis localmente; • /Atividade vulcânica com incêndios florestais associados (SO2, CO2 e hidrocarbonetos aromáticos). Como observado na introdução, é difícil definir o que constitui realmente a poluição. Algumas autoridades preferem restringir os termos poluição e poluentes para as consequências das atividades humanas. No entanto, em alguns casos é impossível TOXICOLOGIA AMBIENTAL 7 determinar as contribuições relativas dos processos humanos e naturais que afetam o ambiente em geral. 1.3 Caracterização, distribuição e movimentação de tóxicos ambientais Os seres humanos podem ser expostos a um largo espectro de agentes tóxicos, desde os que ocorrem na natureza até aqueles sintetizados antropicamente. Devido à complexidade dos riscos ambientais típicos, avaliar a exposição humana a substâncias químicas ambientais não é um processo trivial. Existem várias técnicas para avaliar a exposição a tóxicos ambientais; no entanto, para compreender melhor o valor de cada técnica de avaliação de exposição, é importante entender o destino biológico e ambiental de um produto químico para que os procedimentos técnicos apropriados possam ser usados (Figura 3). Poluição de água, solo e ar Três componentes da biosfera, solo,ar e água, podem servir como drenos toxicológicos. Apesar de, muitas vezes, serem considerados separadamente devemos compreender tais componentes como um sistema integrado. Assim, a chuva irá transferir substâncias tóxicas para o solo e para a água; a água de superfície evaporada do solo como vapor, pode transportá-las de volta para o ar, onde eles podem ser transportados por grandes distâncias pelo vento. Além disso, o escoamento superficial do solo, o esgoto e descarga industrial são as principais fontes de contaminação da água. Escoamento em aquíferos profundos do solo e águas superficiais também pode ocorrer, e reservatórios de água doce estão ligados ao mar por rios e estuários. O solo, muitas vezes, torna-se o repositório de muitos resíduos tóxicos e alimentos cultivados em solo contaminado podem absorver produtos químicos, por esse motivo a pulverização de lavouras (Figura 4) com agroquímicos tem sido uma questão de considerável preocupação de saúde pública. TOXICOLOGIA AMBIENTAL 8 Figura 4. Pulverização Figura 3. Troca de substâncias tóxicas em um ecossistema A Poluição da água é de importância considerável por vários motivos. O mais óbvio é a possibilidade que xenobióticos (compostos tóxicos) possam entrar nas reservas de água potável e assim constituir uma ameaça direta para a saúde humana (Figura 5). A contaminação dos peixes, crustáceos e moluscos obtidos tanto a partir do mar (organismos marinhos), lagos de água doce e rios (organismos aquáticos) podem ameaçar a saúde humana quando estes alimentos são consumidos. Peixes maiores (e mais velhos), muitas vezes, têm níveis mais elevados de substâncias tóxicas. Muitas substâncias tóxicas são consumidas inicialmente por organismos unicelulares que servem como fonte de alimento para os maiores (mas ainda microscópicos) que, por sua vez, são alimento para maiores e assim por diante. Este processo pode levar a TOXICOLOGIA AMBIENTAL 9 concentrações cada vez maiores ao longo da cadeia alimentar, e isso é chamado bioamagnificação. Organismos marinhos e de água doce são vulneráveis a substâncias tóxicas que possam ameaçar a sua sobrevivência. Substâncias tóxicas podem deslocar a vantagem de seleção para uma espécie, fazendo com que os mais resistentes possam proliferar em detrimento dos mais sensíveis. Toda água natural contém solo e todo o solo contém água, mas há uma variação considerável na mistura. Na verdade, é necessário distinguir entre vários tipos, porque o comportamento dos poluentes é diferente em cada um deles. Além disso, a natureza da água em si pode variar em relação à dureza, pH, temperatura e penetração de luz com consequências para o destino dos poluentes. Figura 5. Poluição da água A Figura 6 mostra uma representação esquemática de um corpo de água, evidenciando as fontes de contaminação (chuva, escoamento, descarga de efluentes, percolação através do solo) e alguns dos meios de transferência de substâncias tóxicas para os organismos aquáticos. TOXICOLOGIA AMBIENTAL 10 Figura 6. Corpo de água Cabe ressaltar a dinâmica da camada da mistura de solo/água na interface inferior. Isto é descrito como o sedimento ativo e contém, na superfície, uma camada de partículas coloidais suspensas na água dos poros. O sedimento contém carbono orgânico que tende a capturar substâncias lipofílicas tóxicas. Um estado de equilíbrio é assim estabelecido com a água dos poros, que está em equilíbrio com a solução aquosa em si. O sedimento ativo é um ambiente rico para muitas formas de vida aquática, porém pode concentrar muitas substâncias tóxicas nas partículas em suspensão. Considerando que os organismos filtrantes consomem a água dos poros, a diluição da toxicidade da água nos poros dos sedimentos irá remover uma fonte de contaminação e, consequentemente, o sedimento ativo poderá ter um menor nível de toxicidade . Portanto, este ambiente pode ser uma fonte ou um dreno de substâncias tóxicas de acordo com as condições locais. TOXICOLOGIA AMBIENTAL 11 Fatores que afetam a absorção de substâncias tóxicas do ambiente: Os fatores modificadores são classificados como abióticos (não relacionados com a atividade de formas de vida) ou bióticos (relacionados com a atividade de formas de vida). Abióticos modificadores Modificadores de abióticos incluem: pH. Como é o caso em qualquer interação soluto/solvente, o pH do solvente afetará o grau de ionização (dissociação) do soluto. A forma não dissociada é a mais lipofílica, o que influencia a absorção por organismos. O preservativo de madeira pentaclorofenol, por exemplo, dissocia-se em meio alcalino, assim a chuva ácida aumentaria sua biodisponibilidade favorecendo uma mudança para a forma lipofílica. O cobre (Cu), que é muito tóxico para peixes e outras formas de vida aquáticas, existe na forma do elemento Cu2+ em pH ácido, porém, ele é menos tóxico em ambientes onde o pH é neutro. Um aspecto importante do pH diz respeito à metilação de mercúrio por microrganismos de sedimentos. Isto ocorre em uma faixa estreita de pH e um mecanismo de desintoxicação que permite que os micro-organismos eliminem o mercúrio como uma pequena molécula complexada. Cerca de 1,5% de mercúrio ao mês é convertido em condições ótimas (pH 7). Dureza da água. Carbonatos podem se ligar a metais como o cádmio (Cd), zinco (Zn) e cromo (Cr), tornando-os indisponíveis para aquáticos organismos. Temperatura. Alguns mamíferos, além de espécies aquáticas e marinhas, são poiquilotérmicos, ou seja, a temperatura da água afeta grandemente a sua taxa metabólica que, por sua vez, influenciará o tempo de circulação do sangue através de brânquias, a atividade dos processos de transporte e, consequentemente, a taxa de absorção de xenobióticos. As taxas de biotransformação e excreção também podem ser afetada, e a temperatura também afetará a taxa de conversão de mercúrio em metilmercúrio. Carbono orgânico dissolvido. Estes complexos com uma variedade de substâncias tóxicas lipofílicas servem como um coletor de contaminantes nos sedimentos e partículas em suspensão. Novamente, um estado de equilíbrio vai existir e, quanto TOXICOLOGIA AMBIENTAL 12 mais os tóxicos dissolvidos são removidos ou diluídos, maior a diluição destes no ambiente. Sedimentos normalmente consistem de material inorgânico (areia, silte, argila) revestido e misturado com matéria orgânica, animal e vegetal, viva ou morta. Oxigênio. Como observado anteriormente, a depleção de oxigênio por flores de algas vai comprometer outras formas de vida (incluindo os micróbios que formam o metilmercúrio.) que podem, por sua vez, estarem envolvidas em processos de intoxicação ou desintoxicação. Estresse de luz. A radiação ultravioleta pode induzir mudanças químicas em contaminantes que podem resultar em formas mais tóxicas de uma substância química. Assim, a foto-oxidação pode aumentar a toxicidade de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAP) através da formação de radicais livres altamente reativos. Em água clara, este efeito pode ser significativo a uma profundidade de 6 metros, e pode ter um impacto marcante em níveis de substâncias tóxicas. Modificadores bióticos Estes modificadores são semelhantes aos fatores que podem afetar a resposta do organismo a uma droga. Espécies. Existem muitas diferenças quanto à sensibilidade de espécies de substâncias tóxicas. Espécies salmonídeas são geralmente mais vulneráveis que as carpas, que podem existir sob uma ampla variedade de condições ambientais.Distúrbios do ecossistema natural pela introdução de espécies exóticas podem ter consequências drásticas. Superlotação. Isto constitui um fator de estresse adicional que pode influenciar as respostas às substâncias tóxicas. Nutrição. O nível de nutrição irá afetar fatores como o acúmulo de lipídeos (um local de armazenamento importante para substâncias tóxicas lipofílicas) e a eficiência dos mecanismos de desintoxicação. O estado nutricional, por sua vez, pode ser afetado por fatores abióticos. TOXICOLOGIA AMBIENTAL 13 Variáveis genéticas. Variáveis genéticas não identificadas são, sem dúvida, significativas já que influenciam de formas diferenciadas as respostas dos indivíduos a xenobióticos. Poluição atmosférica. Quando as substâncias potencialmente nocivas são descarregadas para a atmosfera, há uma taxa que excede a sua capacidade para dispersá-las pela diluição e correntes de ar, o acúmulo resultante é a poluição atmosférica. Esta pode assumir a forma de neblina, poeira, névoa ou fumaça, e pode conter óxidos de enxofre e nitrogênio e outros gases que podem irritar os olhos, vias respiratórias ou pele, além de poderem estar presentes outras substâncias que podem ser prejudiciais ao meio ambiente ou à saúde humana. Tais poluentes atmosféricos podem ser gases ou partículas sólidas ou líquidas na natureza. ser. A absorção dessas substâncias pode ocorrer em quantidades suficientes para causar toxicidade sistêmica aguda ou crônica. A poluição do ar, obviamente, é um perigo de saúde pública importante, porém a poluição atmosférica tem sido grandemente subestimada como causa de doença e morte. Poluentes gasosos. Estes são derivados de materiais que tenham entrado em reações químicas ou processos de combustão. Eles incluem compostos de carbono como hidrocarbonetos, óxidos e ácidos; enxofre em compostos como o dióxido de, trióxido, e sulfetos; compostos de nitrogênio (amônia, aminas, óxidos); e substâncias halogenadas (haletos orgânicos e inorgânicos). Partículas. O tamanho das partículas ou gotículas pode variar de 0,01 a 100 µm de diâmetro. As partículas menores são referidas como aerossóis e podem permanecer suspensas, espalhando luz e comportando-se como se fossem um gás. Abaixo de 10 μm, as partículas são capazes de penetrar em todos os condutos no trato respiratório. Partículas industriais são geralmente sólidas carbonáceas, metálicas, óxidos, sais ou ácidos, e sua porosidade é tal que eles absorverão outros gases e líquidos. TOXICOLOGIA AMBIENTAL 14 Smog. A palavra é uma combinação de fumo e de nevoeiro e é um termo popular para uma mistura bastante uniforme de gases e partículas poluentes que se acumulam nos centros urbanos e persistem nessas localidades por um período prolongado. A poluição atmosférica (Figura 7) é uma névoa marrom ou amarela e geralmente ocorre durante o fenômeno da inversão de temperatura, quando uma massa de alto nível de ar frio e impedida de circular por uma massa de ar quente por baixo para evitar a dispersão e mistura de agentes químicos poluentes. Um smog especialmente ruim, chamado de "smog assassino” ocorreu em Londres, Inglaterra, em 1952. Durou mais de uma semana e foi responsável por cerca de 4 mil mortes, principalmente causadas por doenças respiratórias. Como resultado, o Clean Air Act foi aprovado em 1956, proibindo o uso de carvão para aquecimento doméstico. Figura 7. Poluição atmosférica Fontes de poluição do ar A poluição do ar pode surgir tanto de fontes naturais quanto de atividades humanas. Erupções vulcânicas, incêndios florestais e tempestades de poeira são fontes naturais cuja importância não deve ser subestimada. A explosão de 1980 no Monte Santa Helena, no estado de Washington, pulverizou metade de uma montanha e lançou milhões de toneladas de poeira na atmosfera. Em 1912, uma explosão semelhante de TOXICOLOGIA AMBIENTAL 15 um vulcão no Alasca lançou na atmosfera cerca de 30 vezes mais poeira que o Mt. St. Helena. As fontes humanas de poluição incluem termoelétricas a carvão, as emissões industriais, e o aquecimento doméstico; a poluição pode surgir de todas as fontes de combustão industrial. As fontes de poluição ligadas a atividades humanas incluem os meios de transporte como automóveis, caminhões, locomotivas diesel etc. Fontes biológicas incluem micro- organismos como vírus, bactérias e fungos, pólen e substâncias químicas de decomposição de matéria orgânica. As taxas de fontes de poluição atmosférica em países industrializados são aproximadamente as seguintes: transporte 50%, indústria 18%, energia elétrica 13%, aquecimento 16% e 3% de eliminação de resíduos. O problema da poluição do arque envolve a fumaça do cigarro gera uma preocupação considerável. Os perigos do fumo do cigarro estão firmemente estabelecidos e isto levou ao aumento de restrições para fumar no local de trabalho e em locais públicos. Entre 1982 e 1989, a incidência global de câncer aumentou 0,3% para as mulheres e 0,5% para os homens. Em contraste, a incidência de câncer de pulmão em mulheres aumentou cerca de 43%, enquanto nos homens, aumentou em cerca de 8%. As mortes por câncer de pulmão superam mortes causadas por outros três tipos principais de câncer: mama, colo-retal e próstata. A poluição do ar geralmente começa como um problema local, mas pode tornar-se global se os poluentes entrarem no sistema de circulação atmosférico sob a forma de gases, vapores (a partir de líquidos voláteis), gotículas de aerossol ou partículas de pó fino. Movimento na troposfera A troposfera é a massa de ar da superfície terrestre até uma altitude de cerca de 10 milhas (aproximadamente 12km de altitude). No ar, dioxinas e compostos semelhantes, principalmente de incineradores municipais e industriais, podem ser espalhados por uma distância de 1500 km. Mercúrio é amplamente espalhado em todo o mundo, chegando a níveis significativos mesmo nas regiões polares. Regiões polares TOXICOLOGIA AMBIENTAL 16 são os primeiros lugares onde se podem observar os efeitos das alterações climáticas. Em 1996, bifenilos policlorados (PCB) foram sendo detectados no Ártico. Durante o inverno, poluentes, mercúrio e os hidrocarbonetos clorados inclusive, da Europa Oriental e Rússia são transportados para o Ártico e estes reentram. r na atmosfera através de sublimação do gelo e neve. O contínuo uso generalizado de hidrocarbonetos clorados tais como DDT pode vir a aumentar a carga poluente no Ártico. Poluentes atmosféricos deslocados para o solo e para a água. Gases poluentes atmosféricos podem ser dissolvidos na água da chuva e as partículas sólidas transportadas mecanicamente. A precipitação, portanto, carrega substâncias tóxicas para solo e águas superficiais, podendo chegar aos oceanos, lagos e rios por escoamento superficial das águas e por escoamento lateral causado pela erosão dos solos. Os oceanos são o repositório final para os poluentes e a evaporação pode conduzi-los de volta para a atmosfera. Vários estudos têm confirmado esta circulação biosférica das substâncias tóxicas. Na década de 1950, testes atmosféricos de bombas nucleares resultaram em ampla disseminação de precipitação radioativa. Uma preocupação particular foi a presença de estrôncio 90, que apresenta características químicas semelhantes ao cálcio, incluindo deposição no osso. Estrôncio 90 alcançou níveis significativos no leite de vaca, outros produtos lácteos e em frutas e legumes, e a preocupação com sua acumulação nos ossos de crianças foi um importante fator para a suspensão dos testes nucleares atmosféricos. Atualmente,a maior preocupação diz respeito ao problema da chuva ácida, cujo pH pode ser inferior a 4,0. Chuva ácida pode precipitar longe de sua fonte de origem. As principais rotas pelas quais os poluentes entram nas águas de superfície e no solo foram identificados. É estabelecida uma distinção entre lançamentos deliberados e regulamentados (por exemplo, aplicação de biocidas para controle de pragas) ou vetores de doenças, e liberação acidental e não regulamentada (por exemplo, acidentes nucleares, naufrágios e incêndios). Os poluentes são lançados por processos naturais e por atividades dos seres humanos, tornando assim difícil determinar as fontes dos problemas. Podemos incluir como exemplo a liberação de metais devido ao TOXICOLOGIA AMBIENTAL 17 intemperismo da rocha e a produção de SO2, CO2 e hidrocarbonetos aromáticos, através de atividade vulcânica e os incêndios florestais associados. 1.4 Conclusão: É importante que sejam consideradas as interconexões entre a integridade ecológica, ou saúde ecológica e saúde humana. É igualmente importante conhecer os efeitos de determinados produtos nos elementos do ambiente. Pela determinação de como as substâncias químicas ou os estressores antropogênicos degradam ecossistemas e impactam o bem estar e a saúde humana, e vice-versa, obtém-se um entendimento integral e dinâmico dos efeitos da contaminação ambiental. Os modelo conceituais tentam elucidaras interconexões entre o sistema natural e o social de uma maneira circular com retorno constante. O sistema natural produz para o social tanto desfechos positivos (recursos naturais e matéria- prima bruta) como negativos (doenças com as mais variadas características, alterações ambientais drásticas e intensas). A cultura e a instituição do sistema social, por sua vez, tratam os recursos naturais com as tecnologias disponíveis, transformando-os e oferecendo, subsequentemente, os produtos necessários positivos (bens de consumo e esforços de conservação) e negativos (poluição e desmatamento). Esses desfechos influenciam a quantidade e a qualidade de vida de todas as formas de vida do sistema natural, e o fluxo circular de recursos cria continuamente condições que influenciam o bem-estar de indivíduos, sociedades e ecossistemas. Esse modelo, bastante abstrato, formaliza as interconexões, algumas bastante óbvias e intuitivas para a maioria de nós, entre saúde humana e saúde ecológica. A contaminação química dos organismos aquáticos e marinhos, a contaminação dos solos e da atmosfera são o resultado desta interação bastante dinâmica. É notório que a compreensão dos processos que promovem a contaminação destes elementos no ambiente é fundamental para que o equilíbrio dos ecossistemas possam ser alcançados. TOXICOLOGIA AMBIENTAL 18 Aula 2 - Toxicologia Ambiental 2.1 Introdução Um aspecto crucial da dinâmica de fluxo de substâncias tóxicas entre compartimentos ambientais é a transferência de substâncias tóxicas para diferentes organismos na biosfera. As fontes de substâncias tóxicas que os organismos adquirem de seu entorno podem ser divididas em três categorias gerais: aquelas que são ingeridas com comida ou água e são absorvidos pelo sistema digestivo; aquelas que são absorvidos do ambiente envolvente, especialmente por peixes que vivem na água, e aquelas que são inaladas no ar e são absorvidas pelos pulmões. Tóxicos lipofílicos pouco metabolizados tendem a persistir e aumentar a concentração em níveis tróficos mais elevados, onde um nível trófico consiste de um grupo de organismos que derivam sua energia da mesma porção da teia alimentar em uma comunidade biológica. Isso pode levar a bioamagnificação de substâncias tóxicas em organismos superiores na cadeia alimentar. Produtos tóxicos lipofílicos podem atingir níveis particularmente elevados, como em algumas aves de rapina, que não apenas estão no topo das cadeias alimentares, como também não apresentam mecanismos metabólicos bem desenvolvidos para lidar com tais substâncias tóxicas. 2.2 Toxicologia de poluentes e metabolismos de xenobióticos A mobilidade dos organismos, especialmente das aves, pode promover uma disseminação das substâncias tóxicas, por grandes distâncias, em teias alimentares. Substâncias tóxicas suspensas e dissolvidas em água podem ser transferidas diretamente para peixes, invertebrados aquáticos e anfíbios que vivem na água. No caso de peixes, substâncias tóxicas podem ser absorvidos principalmente através das guelras e com os invertebrados aquáticos, através de superfícies respiratórias. Também pode haver alguma absorção direta de água através da pele destes organismos e anfíbios. TOXICOLOGIA AMBIENTAL 19 Uma consideração importante na captação de substâncias tóxicas por organismos é a biodisponibilidade de várias substâncias, que basicamente é a tendência de uma substância para entrar no sistema do organismo após a exposição. A biodisponibilidade do chumbo tem sido intensivamente estudada e, varia significativamente com a forma química do chumbo. Mercúrio também apresenta diferenças significativas: é muito tóxico quando ingerido e o vapor de mercúrio metálico é prontamente absorvida pelos pulmões. Pela absorção através da pele é possível chegar a doses fatais de dimetilmercúrio organometálico. No caso das plantas, as duas vias principais para a absorção de substâncias tóxicas são através de seu sistema radicular e através dos estômatos nas folhas. Estômatos são aberturas especializadas que permitem que o dióxido de carbono necessário para a fotossíntese seja captado e o oxigênio e o vapor de água liberados. No entanto, as substâncias tóxicas podem entrar nas plantas por essas aberturas especializadas. Bioconcentração A tendência de uma substância química deixar a solução aquosa e entrar na cadeia alimentar é importante na determinação de seus efeitos ambientais e é expressa através do conceito de bioconcentração (Figura 8). Bioconcentração aplica-se especificamente à concentração de materiais na solução aquosa, disponíveis aos organismos que vivem na água, especialmente peixes (Figura 9). Figura 8. Bioconcentração TOXICOLOGIA AMBIENTAL 20 Figura 9. Bioconcentração Figura 10. Bioconcentração O modelo de bioconcentração (Figura 10) é baseado em um processo pelo quais os contaminantes na água atravessam as guelras e o epitélio dos peixes e são transportados pelo sangue através de tecidos altamente vascularizados até o tecido adiposo, que serve como um coletor e armazenador de substâncias hidrofóbicas. O transporte através do sangue é afetado por vários fatores, incluindo a taxa de fluxo sanguíneo, o grau e a força de ligação a proteínas plasmáticas. Antes de atingir o tecido adiposo, alguns dos compostos podem ser metabolizados para formas diferentes. O conceito de bioconcentração é mais aplicável nas seguintes condições: • A substância é absorvida e eliminada através de processos de transporte passivo; TOXICOLOGIA AMBIENTAL 21 • A substância é metabolizada lentamente; • A substância tem uma solubilidade em água relativamente baixa; • A substância tem uma alta lipossolubilidade relativa. Substâncias que sofrem a bioconcentração são lipofílicas e hidrofóbicas e, portanto, tendem a sofrer transferência do meio aquoso para o tecido adiposo. O modelo mais simples de bioconcentração propõe o fenômeno com base nas propriedades físicas do contaminante e não leva em conta as variáveis fisiológicas (tais como o fluxo de sangue variável) ou o metabolismo da substância.Tal modelo simples constitui a base do modelo de hidrofobicidade de bioconcentração, no qual a bioconcentração é considerada do ponto de vista de um equilíbrio dinâmico entre a substância dissolvida em solução aquosa e a mesma substância dissolvida no tecido lipídico. Variáveis de bioconcentração Existem diversas variáveis importantes na estimativa de bioconcentração. Um requisito básico para a absorção de uma espécie química da água é a biodisponibilidade. Normalmente a absorção é vista em termos de efetiva absorção da solução aquosa. Biodisponibilidade pode ser severamente restringida para substâncias de solubilidade extremamente baixa em água ou que são vinculados a partículas em suspensão. Matéria orgânica dissolvida pode também se ligar a substâncias e limitar a sua biodisponibilidade. A absorção de um produto por uma espécie biológica pode ser um processo relativamente complexo, no qual o produto químico deve atravessar membranas nas brânquias e pele para chegar a uma camada adiposa final. Algumas evidências sugerem que o teor lipídico do organismo afeta a bioconcentração. Teores mais elevados de lipídios no organismo podem estar associadas com fatores relativamente maiores de bioconcentração (FBC). Os níveis de lipídios no local da entrada (as brânquias em peixes) podem ser relativamente mais importantes do que aqueles em todo o organismo. Tamanho e forma molecular. Parecem ter um papel significativo na bioconcentração. Há impedimentos estéricos, obstáculos à circulação de grandes moléculas através das membranas, em comparação com as moléculas de aproximadamente mesma massa mas com pequenas áreas transversais. Para TOXICOLOGIA AMBIENTAL 22 moléculas maiores, isso resulta em transferência mais lenta e um baixo FBC. Embora um modelo simples de bioconcentração assuma a rápida movimentação de contaminantes hidrofóbicos através de um organismo, a distribuição pode ser relativamente lenta. Neste caso, o fator limitante predominante é o fluxo de sangue. O transporte lento para coletores de tecido adiposo pode resultar em valores de FBC aparentes menores do que seria o caso se o verdadeiro equilíbrio fosse atingido. Biotransferência de sedimentos. Em função da forte atração de espécies hidrofóbicas para materiais insolúveis como matéria húmica, os poluentes orgânicos em ambientes aquáticos são mantidos nos sedimentos em corpos d'água (Figura 11). A Bioacumulação destes materiais deve, portanto, considerar a transferência do sedimento para a água e para o organismo, conforme ilustrado no figura abaixo. Figura 11. Dinâmica da bioconcentração dependente, do sedimento, solução aquosa e espécie de peixe Fator de bioconcentração. Particionamento de uma espécie química hidrofóbica entre tecido adiposo, água e sedimentos. As setas mais largas indicam a preferência do produto químico para o tecido adiposo ou para sedimentos (Tabela 2). TOXICOLOGIA AMBIENTAL 23 Fator de bioconcentração: Xaquoso. X lipídico. Usando Kc como a constante para o consumo e Ke como a constante para a eliminação, é possível chegar à seguinte definição de fator de bioconcentração: FBC = Kc/Ke = [x(lipídeo)] / [aquoso] Tabela 2. Exemplo de fatores de bioconcentração Fator de biotransferência. Uma medida útil de bioacumulação de alimentos e água potável por animais terrestres é o fator de biotransferência (FBT), definido como: FBT = concentração no tecido / consumo diário onde a concentração no tecido é geralmente expressa em mg/kg e o consumo diário em mg/dia. Esta expressão pode ser modificada para expressar outros parâmetros, tais como a concentração no leite. Como é o caso dos fatores de bioconcentração para peixes na água, FBT mostra uma correlação positiva com valores de Kow (constante octanol – água) FBT representante e os valores para biotransferência de carne bovina e leite são dados na Tabela 3. TOXICOLOGIA AMBIENTAL 24 Tabela 3. Exemplo de biotransferência Bioconcentração em vegetais Como peixes e mamíferos, a vegetação pode absorver contaminantes orgânicos. No caso de vegetação, o fator de bioconcentração pode ser expressão em relação a massa do composto por unidade de massa do solo. A expressão exata para vegetação é: FBC = concentração no tecido vegetal / concentração no solo Onde a concentração no tecido vegetal é dada em unidades de tecido de planta seca mg/kg e a concentração no solo é em unidades de mg/kg de solo seco. A Tabela 4 dá alguns valores típicos de FBC para plantas em relação ao logKow. É observável que para a absorção de substâncias hidrofóbicas, pelas plantas, os valores FBC são menores que 1 e tendem a diminuir com o aumento da Kow, o oposto da tendência observada em animais. Isto é explicado pelo transporte de substâncias orgânicas pela água do solo transportada para o tecido da planta, que aumenta com o aumento da solubilidade do composto em água e, portanto, com a diminuição de Kow. TOXICOLOGIA AMBIENTAL 25 Tabela 4. Exemplo de bioconcentração 2.3 Biomarcadores de contaminação ambiental Um aspecto crucial da ecotoxicologia é a medição dos efeitos das substâncias tóxicas em organismos em ecossistemas e nos ecossistemas como um todo. Isto foi feito tradicionalmente determinando os níveis de substâncias tóxicas em organismos e relacionando a estes níveis os efeitos prejudiciais sobre organismos. Alguns fatores dificultam a identificação de produtos tóxicos, tais como: alto custo dos exames, alterações bioquímicas de substâncias tóxicas, correlações entre níveis tóxicos e os efeitos tóxicos observados. A análise química completa para todos os possíveis contaminantes ambientais em solos, sedimentos, água, ar e todas as espécies e amostra de interesse não só seria excessivamente cara, mas traria as dificuldades técnicas para lidar com tantas amostras. Além disso, não há análise química que estabeleça apenas a presença de contaminantes, sem revelar como disponíveis ou ativo estavam no interior do organismo. Uma abordagem melhor é o uso de biomarcadores. Biomarcadores, às vezes chamados de Bioindicadores, consistem de observações e medições de alterações em componentes biológicos, estruturas, processos ou comportamentos imputáveis à exposição a substâncias xenobióticas. Assim, um biomarcador pode ser estudado em uma determinada espécie para avaliar o status dessa espécie ou em espécies sentinela para avaliar o status de habitat. Indivíduos espécie sentinela podem ser aqueles que existem no local de interesse ou podem ser organismos plenamente saudáveis trazidos para o local e mantidos em TOXICOLOGIA AMBIENTAL 26 aquários (peixe) ou capturados e recuperados (aves). Embora a maioria dos biomarcadores sejam medidos em amostras de tecido extraídos de organismos de estudo, a exposição em si deve ter ocorrido em um organismo vivo. As respostas podem variar de pequenas alterações bioquímicas ou fisiológicas em organismos individuais até respostas que evidenciem grande toxicidade (em um indivíduo, uma espécie, uma comunidade, ou um ecossistema). Pelo menos, uma resposta do biomarcador deve mostrar que um contaminante (ou contaminantes) está presente no ambiente, e que atingiu o organismo. As variações dos danos toxicológicos vão de uma simples resposta homeostática até a sua progressão para danos histológicos. A progressão inclui respostas que indicam que um processo que pode provocar um dano foi iniciado, sendo o processo definitivamente extensivo cujo efeito prejudicial pode conduzira morte ou a diminuição da reprodução para o indivíduo, ou que resultará em prejuízos para a população. Para que um biomarcador seja eficiente, há um número de propriedades de resposta que são desejáveis: • Deve haver uma especificidade conhecida da resposta à presença de contaminantes ou exposição; • Alguma correlação quantitativa da presença ou magnitude da resposta a concentração do contaminante presente; • Conhecida relação temporal entre exposição e efeito; • As amostras devem ser obtidas em quantidades necessárias para a medição. • Os métodos de ensaio devem ser precisos e reprodutíveis; • Os custos globais devem ser razoáveis em relação a equipamentos, suprimentos e tempo de análise técnica quando comparado com análises que não fazem uso de biomarcadores. Embora os biomarcadores possam ser analisados individualmente, sua aplicação mais eficaz pode ser feita com um conjunto de biomarcadores, a menos que a informação necessária se refira a apenas um determinado contaminante ou classe de contaminantes para o qual há um biomarcador altamente específico. TOXICOLOGIA AMBIENTAL 27 Tipos de biomarcadores Inibição da colinesterase Na maioria dos casos uma resposta de bioindicador para um determinado contaminante é fortuita porque contaminantes geralmente surgem de processos antropogênicos independentes de processos específicos em peixes e vida selvagem. No entanto, os pesticidas anticolinesterásicos, tais como os carbamatos e compostos organofosforados, foram concebidos para causar a morte por inibição da atividade da enzima colinesterase. Mesmo que concebido como inseticidas, eles são conhecidos como agentes causadores de mortes de vertebrados selvagens e, como tal, representam uma oportunidade incomum para avaliar a exposição de peixes e animais selvagens. Embora a atividade da colinesterase esteja presente em muitos tecidos, tal inibição em amostras ambientais geralmente é determinada a partir de amostras de tecido cerebral ou de sangue (soro ou plasma) (Figura 12). O cérebro contém principalmente a atividade da acetilcolinesterase, enquanto o sangue geralmente contém ambas as atividades da acetilcolinesterase e butilcolinesterase. Atividade colinesterásica diminuída no cérebro é indicativo de exposição significativa de agorquímicos anticolinesterásicos, e a inibição da atividade pode permanecer por várias semanas após exposição e se correlacionam bem com efeito. Atividade colinesterásica diminuída no sangue ou plasma é indicativo de exposição a pesticidas anticolinesterásicos, e a inibição da atividade é de curta duração. Apesar dessas limitações de amostra de sangue, há a vantagem de não ser necessário sacrificar os animais para amostragem. TOXICOLOGIA AMBIENTAL 28 Figura 12. Atividade colinesterásica Citocromo P450 O citocromo P450 é uma classe de proteínas presentes em todos os tecidos, mas encontrado especialmente em altas concentrações no fígado (Figura 13). Eles são indutíveis, isto é, o aumento de citocromos P450 específicos são encontrados após o tratamento de organismos com uma variedade de produtos químicos orgânicos. É de maior relevância para a biomonitorização pois, vários classes de contaminantes ambientais induzem tipos específicos de citocromo P450. Embora, em estudos de laboratório, a administração de grandes quantidades de agentes de indução podem aumentar a quantidade total citocromo P450, estas induções nesta classe de proteínas, são de magnitude maior em relação as verificadas ocorrer no ambiente. A exposição ambiental a contaminantes que induzem a síntese de citocromo P450 geralmente ocorre em concentrações muito abaixo aqueles por indução máxima em laboratório. Assim sendo, utiliza-se métodos sensíveis para discriminar o citocromo P450 induzido por substancias tóxicas. Esta classe de enzimas é fundamental na detoxificação, pois tornam substâncias tóxicas relativamente apolares em polares pela introdução de grupos funcionais polares não tóxicos. Desta forma os xenobiontes podem se solubilizar no sangue e serem excretados pela urina. TOXICOLOGIA AMBIENTAL 29 Figura 13. Citocromo P450 Problemas reprodutivos O afinamento severo da casca de ovo pode resultar em sua quebra antes da eclosão, impedindo a reprodução. Em tais casos, a determinação da espessura da casca dos ovos quebrados (a espessura da casca pode ser medida diretamente com um micrômetro ou o índice de espessura.) seria diagnóstico da exposição à substâncias tóxicas, especificamente para DDE, que é um metabólito do DDT (Figura 14). Assim sendo, tal fato é um biomarcador para a presença de DDT. Figura 14. Ovos quebrados TOXICOLOGIA AMBIENTAL 30 Efeito teratogênico Os contaminantes ambientais podem causar uma variedade de anormalidades no desenvolvimento de organismos aquáticos e terrestres (Figura 15 e 16). No ambiente, a exposição do embrião pode ocorrer através da mãe (formação de ovo ou transferência placentária) e também (em casos como aves e peixes) através da exposição direta dos ovos depois que eles são liberados. Algumas das relações mais claramente estabelecidas entre terata e contaminantes incluem as fitas cruzadas de DNA causadas por hidrocarbonetos clorados em água. Outras anormalidades são causadas por selênio em aves aquáticas e aves marinhas. Figura 15. Anormalidade Figura 16. Anormalidade Biomarcador para atividade estrogênica nos machos - Vitelogenina Desde a descoberta que os jacarés masculinos no lago Apopka, na Flórida, apresentavam menor genitália externa do que o normal, tem havido a preocupação sobre produtos químicos ambientais que modificam as atividades androgênica e estrogênica. Este é um biomarcador sensível em organismos masculinos imaturos e que não devem ter vitelogenina presente. Por outro lado, fêmeas maduras são menos sensíveis ao biomarcador. TOXICOLOGIA AMBIENTAL 31 Aberrações da síntese de hemoglobina - glóbulos vermelhos- Ácido aminolevulínico desidratase (ALAD) A atividade da ALAD, a enzima responsável pela condensação de duas moléculas de ácido aminolevulínico para formar porfobilinogênio na síntese de hemoglobina nos glóbulos vermelhos, é muito sensível à exposição ambiental ao chumbo. A inibição da atividade de ALAD em células vermelhas do sangue tem sido claramente demonstrada em vários estudos em humanos e em peixes e organismos de vida selvagem. Figura 17. Rota biossimétrica do grupo heme Porfiria Um número de produtos orgânicos clorados afeta a síntese de hemoglobina em pontos mais próximos à formação da hemoglobina e resultam em acúmulo de porfirinas altamente carboxiladas que podem ser encontradas em diversos órgãos como fígado, sangue, urina ou fezes (Figura 18 e 19). TOXICOLOGIA AMBIENTAL 32 Figura 18. Animal afetado Figura 19. Porfíria:Urina escura Danos ao DNA Após a absorção pelo organismo, alguns produtos químicos e/ou seus metabólitos são capazes de interagir com o DNA para modificar ou danificá-lo. Os métodos comuns para avaliar tais interações baseiam-se na medição direta de danos estruturais de DNA, avaliação da reparação do DNA, ou determinação de mutações presentes em genomas. As formas ativadas de uma variedade de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos podem tornar-se covalentemente vinculado ao DNA. Testes para avaliar a presença de tais adultos podem ser geral ou específico. Efeitos histopatológicos TOXICOLOGIA AMBIENTAL 33 Muitos contaminantessão capazes de danificar tipos de células específicas ou sistemas de órgãos. Tais danos podem ser avaliados por técnicas histopatológicas. Devido à variedade de tipos de células e muitos órgãos e sistemas presentes em qualquer indivíduo, há um enorme número de abordagens histológicas para detectar os efeitos de contaminantes. As principais limitações ao uso de abordagens histológicas são os estudos de validação de campo na espécie em questão, a avaliação de se a conveniência e o custo são melhores para esta abordagem, e se isto serviria como parte de um conjunto de biomarcadores. Tumores são, provavelmente, a aberração que é mais amplamente estudada por métodos histológicos. Tumores têm sido observados em uma variedade de espécies de peixes de áreas contaminadas, com a maioria das ocorrências comuns em peixes de fundo-moradia em áreas de contaminação PAH. Há boas correlações entre níveis PAH de sedimentos e presença de tumores em peixes. Stress oxidativo Contaminantes, tais como hidrocarbonetos policíclicos aromáticos, hidrocarbonetos aromáticos halogenados, metais pesados, selênio, solventes industriais e muitos de seus metabólitos são capazes de causar danos oxidativos dentro de um organismo. Em resposta ao estresse oxidativo, pode haver respostas adaptativas dos sistemas de proteção (antioxidante), modificação de macromoléculas celulares e, finalmente, danos a tecidos. Mudanças nos sistemas antioxidantes e macromoléculas modificadas podem servir como bioindicadores para uma variedade de exposições de contaminante. Competência imune Uma variedade de contaminantes são conhecidos por afetar o sistema imunológico. Filogeneticamente, a presença de um sistema imunológico é generalizada e os efeitos de contaminantes no sistema imunológico foram relatados desde minhocas (Lumbricus terrestris) até mamíferos. O comprometimento do sistema imunológico por contaminantes pode levar a sérios efeitos nos organismos aquáticos e terrestres. TOXICOLOGIA AMBIENTAL 34 Metalotioneína Metalotioneínas são uma classe de pequenas proteínas, ricas em cisteína e capazes de ligação a íons metálicos. São proteínas cuja síntese é induzida por cádmio, cobre, mercúrio, zinco, cobalto, bismuto, níquel e íons de prata. Pelo fato de serem induzidas pelos íons metálicos citados acima, são biomarcadores de exposição a esses íons metálicos. 2.4 Modelos animais para ensaios toxicológicos Animais testes Testes de toxicidade são ensaios laboratoriais, realizados sob condições experimentais específicas e controladas, utilizados para estimar a toxicidade de substâncias, efluentes industriais e amostras ambientais (águas ou sedimentos). Nesses ensaios, organismos- testes são expostos a diferentes concentrações de amostra e os efeitos tóxicos produzidos sobre eles são observados e quantificados. Os testes de toxicidade não permitem obter uma resposta absoluta sobre o risco que uma determinada amostra apresenta para a população humana, uma vez que é muito difícil extrapolar para os seres humanos os resultados de toxicidade obtidos para os organismos em laboratório e até mesmo correlacionar os resultados de toxicidade entre organismos de diferentes espécies. Os testes de toxicidade são ferramentas desejáveis para avaliar a qualidade das águas e a carga poluidora de efluentes, uma vez que somente as análises físico-químicas tradicionalmente realizadas, tais como demanda química de oxigênio (DQO), demanda bioquímica de oxigênio (DBO), sólidos suspensos, concentrações de metais e de outras substâncias de caráter orgânico ou inorgânico, cujos limites encontram-se estabelecidos nas legislações ambientais, não são capazes de distinguir entre as substâncias que afetam os sistemas biológicos e as que são inertes no ambiente e, por isso, não são suficientes para avaliar o potencial de risco ambiental dos contaminantes. TOXICOLOGIA AMBIENTAL 35 Apesar disso, os testes de toxicidade não substituem as análises químicas tradicionais. Enquanto as análises químicas identificam e quantificam as concentrações das substâncias tóxicas, os testes de toxicidade avaliam o efeito dessas substâncias sobre sistemas biológicos. Assim, as análises químicas e os testes de toxicidade se complementam. Em se tratando de amostras de natureza química complexa, como é o caso de efluentes industriais, os quais são constituídos por uma variedade de substâncias químicas, seria analítica e economicamente inviável detectar, identificar e quantificar todas as substâncias presentes, mesmo que os padrões de emissão fossem estabelecidos para cada uma delas. Além disso, somente com a identificação e a quantificação dessas substâncias não seria possível estimar os efeitos que elas apresentam sobre a biota, uma vez que a atividade biológica de uma substância pode depender de suas interações com os outros componentes do efluente, incluindo aqueles que não são tóxicos mas que afetam as propriedades químicas ou físicas do sistema e, consequentemente, as condições de vida dos organismos. Assim, é impossível identificar uma única substância como responsável por um determinado efeito tóxico. Como vimos, a toxicologia tem como principais objetivos identificar os riscos associados a uma determinada substância e determinar em quais condições de exposição esses riscos são induzidos. A ocorrência, natureza, incidência, mecanismo e fatores de risco associados às substâncias tóxicas são parâmetros experimentalmente investigados pela toxicologia. Ela não serve somente para proteger os seres vivos e o ambiente dos efeitos deletérios causados pelas substâncias tóxicas, mas também para facilitar o desenvolvimento de agentes químicos nocivos mais seletivos, tais como drogas clínicas e pesticidas. O uso de algas como indicador biológico é importante porque, como produtores primários, elas se situam na base da cadeia alimentar e qualquer alteração na dinâmica de suas comunidades pode afetar os níveis tróficos superiores do ecossistema. Dentre as vantagens em se utilizar algas em testes de toxicidade podemos destacar sua grande sensibilidade às alterações ocorridas no meio ambiente e o seu ciclo de vida relativamente curto, o que possibilita a observação de efeitos tóxicos em várias TOXICOLOGIA AMBIENTAL 36 gerações. O efeito de inibição resultante sobre a população de algas, após um intervalo de tempo pré-estabelecido (geralmente 3 ou 4 dias), é determinado comparando-se o crescimento observado na presença de agente tóxico com o crescimento normal observado em um sistema livre de agente tóxico, o qual é chamado de controle. Nesses testes, a temperatura e a luminosidade devem ser rigorosamente controladas porque podem afetar significativamente o crescimento das algas. O crescimento algáceo pode ser determinado por contagem celular ao microscópio ótico, ou com um contador eletrônico de partículas, ou pelo conteúdo de clorofila medido por espectrofotometria ou fluorimetria, ou pela turbidez medida em 750 nm. As algas verdes e unicelulares de água doce Chlorella vulgaris, Scenedesmus subspicatus e Selenastrum capricornutum são frequentemente utilizadas em testes de toxicidade porque crescem rapidamente e suas culturas são facilmente preparadas em laboratório. Uma vez que a luz é um parâmetro imprescindível para o crescimento de algas, amostras que apresentam cor, como corantes e efluentes de indústrias têxteis, podem interferir nos testes de toxicidade com algas, levando a um resultado superestimado. Nesses casos, é difícil afirmar se o crescimento da população de algas foi realmente afetado pelainteração da amostra com sítios alvos do organismo ou se simplesmente foi afetado porque parte da luz foi absorvida pela amostra. Além disso, como métodos ópticos como espectrofotometria e fluorimetria são sugeridos para determinar a concentração das algas, amostras com cor acentuada podem ser interferentes. Crustáceos e peixes Crustáceos de água doce da ordem Cladocera e do gênero Daphnia, os quais são vulgarmente conhecidos como pulgas d’água, são bastante utilizados em testes de toxicidade porque são amplamente distribuídos nos corpos d’água doce, são importantes em muitas cadeias alimentares e são fonte significativa de alimento para peixes, possuem um ciclo de vida relativamente curto, são facilmente cultivados em laboratório, são sensíveis a vários contaminantes do ambiente aquático e porque, devido ao seu pequeno tamanho, necessitam de menores volumes de amostras-teste TOXICOLOGIA AMBIENTAL 37 e água de diluição do que os testes realizados com algas e peixes. Além disso, a reprodução assexuada desses crustáceos por partenogênese garante a produção de organismos geneticamente idênticos permitindo, assim, a obtenção de organismos- teste com sensibilidade constante. Várias espécies de Daphnia são utilizadas em testes de toxicidade, mas, a mais utilizada é a Daphnia magna, para a qual existe um grande número de informação sobre as técnicas de cultivo, os requisitos de temperatura, luz e nutrientes e sobre sua resposta a muitas substâncias tóxicas. As espécies de Daphnia são basicamente diferenciadas pelo seu tamanho e essa característica tem influência sobre a toxicidade das substâncias. No Brasil, Daphnia similis vem sendo bastante utilizada em testes de toxicidade. Apesar de não ser uma espécie nativa, é facilmente cultivada em laboratório e atende aos critérios estabelecidos pelos procedimentos padrões para a seleção de espécies alternativas. O crustáceo de água salgada Artemia salina também é uma espécie bastante utilizada em testes de toxicidade. A utilização dessa espécie é interessante porque seus ovos resistem à secagem e estocagem por longos períodos de tempo. Quando os ovos secos são colocados em água do mar e incubados a aproximadamente 23oC, eles eclodem dentro de 1 ou 2 dias e após isso os organismos já estão prontos para serem utilizados nos testes de ecotoxicidade. Os ovos de Artemia salina podem ser adquiridos em qualquer loja de artigos para aquários, uma vez que são utilizados como alimento para peixes. Nessas lojas também pode ser adquirido sal marinho para preparar água marinha artificial. O uso de Artemia salina é interessante quando se pretende avaliar a toxicidade de efluentes que apresentam alta salinidade e, portanto, alta condutividade, uma vez que esse parâmetro é um fator crítico para espécies de água doce. O efeito tóxico frequentemente avaliado em testes de toxicidade com microcrustáceos é a imobilidade porque, devido ao pequeno tamanho desses organismos, é difícil avaliar se estão mortos. Diversas espécies de peixes são utilizadas como bioindicadores. No Brasil a espécie mais utilizada é o Danio rerio, o qual é vulgarmente TOXICOLOGIA AMBIENTAL 38 conhecido como peixe paulistinha ou peixe zebra. Pimephales promelas, o qual é popularmente conhecido como “Vairão de cabeça grande”, também é utilizado em testes de toxicidade. O parâmetro avaliado nos testes de toxicidade aguda com peixes é a mortalidade e os testes de toxicidade crônica com esses organismos requerem longos períodos de tempo, uma vez que seu ciclo de vida e seu período reprodutivo são longos quando comparados aos de outras espécies. Bactérias Embora tradicionalmente algas, crustáceos e peixes sejam usados para medidas de toxicidade aquática, esses testes requerem maiores tempo de exposição e volume de amostra do que testes de toxicidade que utilizam bactérias. Dentre esses, o teste que utiliza a bactéria marinha bioluminescente Vibrio fischeri e recebe o nome de Microtox é, sem dúvida, o mais utilizado. Nesse teste é medida a redução da luminescência emitida naturalmente pela bactéria quando ela é posta em contato com um agente tóxico, o qual inibe a atividade da enzima luciferase. O tempo de duração do teste varia entre 15 e 30 min. Microtox é um teste de toxicidade rápido, sensível, fácil de executar e de baixo custo que pode ser utilizado no controle da poluição das águas e efluentes industriais. Apesar dessas vantagens é um teste criticado por empregar uma bactéria marinha de pouco significado ecológico. 2.5 Biomonitoramento de áreas impactadas Ao longo das últimas décadas muitas mudanças ocorreram no campo de monitoramento e gestão de fontes de dados de recursos ambientais. As mudanças ocorreram devido aos avanços na tecnologia que permitem fácil acesso a grandes conjuntos de dados e recursos aprimorados para avaliar, analisar e visualizar estes dados. Desenvolvimentos em sensoriamento remoto, sistemas de informação geográfica (SIG), a internet, computadores pessoais, dados pessoais e gravadores forneceram os cientistas, gestores e público em geral a capacidade de acessar e avaliar os dados de gestão. Hoje, mapas e gráficos podem ser gerados no local e servidos por rede de conexões, permitindo ao público avaliar as opções imediatamente. TOXICOLOGIA AMBIENTAL 39 Monitoramento é um termo que se tornou muito mais comum na gestão dos recursos naturais. As fontes identificadas fornecem uma visão para os enfrentados com determinação como usar dados de biomonitorização para apoiar o manejo a longo prazo dos recursos naturais. Monitoramento de dados, existentes e novos, pode desempenhar um papel importante na concepção e avaliação de estudos ecotoxicológicos. Impactos antropogênicos fornecem inúmeros estresses aos sistemas ambientais. O advento da análise química de baixo nível e técnicas para avaliar os efeitos genéticos do estresse ambiental fornecem novas ferramentas para os cientistas entenderem melhor como os sistemas biológicos podem ser impactados por tensões químicas. No entanto, é importante que os cientistas usem informações existentes de fontes identificadas, bem como outros dados para identificar o grau e tipo de ação de gestão necessários e entender como esta informação deve ser usada em contexto. O Ministério da Saúde constituiu o Sistema Nacional de Informações Tóxico- farmacológicas (Sinitox) em 1980. A ideia partiu da necessidade de criar um sistema abrangente de informação e documentação em toxicologia e farmacologia de alcance nacional. Dessa forma, a prioridade do governo era obter dados sobre medicamentos e demais agentes tóxicos existentes no meio, a fim de que gestores e profissionais de saúde pública e a população em geral pudessem ter acesso às mais diversas formas de uso e proteção. Até 1986, o Sinitox era vinculado diretamente à Presidência da Fiocruz mas posteriormente foi incorporado à estrutura do Centro de Informação Científica e Tecnológica (Cict/Fiocruz), sendo hoje parte do Instituto de Comunicação e Informação Científica e Tecnológica em Saúde (Icict/Fiocruz). O Sistema Nacional de Informações Tóxico-Farmacológicas (Sinitox) tem como principal atribuição coordenar a coleta, a compilação, a análise e a divulgação dos casos de intoxicação e envenenamento notificados no país. A Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA) criou, em 2005, a Rede Nacional de Centros de Informação e Assistência Toxicológica (Renaciat) pela Resolução da Diretoria Colegiada (RDC) nº 19 da ANVISA. Composta atualmente de 35 unidades TOXICOLOGIA AMBIENTAL 40 localizadas em 18 estadose no distrito federal, tem como função fornecer informação e orientação sobre o diagnóstico, prognóstico, tratamento e prevenção das intoxicações e envenenamentos, assim como sobre a toxicidade das substâncias químicas e biológicas e os riscos que elas ocasionam à saúde. Atende tanto o público em geral quanto os profissionais de saúde. A ANVISA criou ainda o Disque-Intoxicação, meio pelo qual os profissionais de saúde obtém informações sobre tratamentos, além de o público em geral poder tirar dúvidas gratuitamente. Através do número 0800-722-6001, a ligação é transferida para o Centro de Informação e Assistência Toxicológica mais próximo de onde está o usuário. Por meio de uma rede de informação sistematizada é possível delinear um mapa da situação do país em relação à intoxicação. Os profissionais dos Centros documentam os atendimentos prestados e encaminham as fichas para um banco de notificações. Posteriormente, as informações coletadas chegam à ANVISA e ao Sistema Nacional de Informações Tóxico-Farmacológicas (Sinitox). 2.6 Métodos de detoxificação Biodegradação A Biodegradação pode envolver relativamente pequenas alterações na molécula absorvida, tais como substituição ou modificação de um grupo funcional para facilitar sua remoção do corpo. Mais frequentemente, no entanto, o composto é completamente degradado, e o resultado final é a conversão de compostos orgânicos relativamente complexos para CO2, H2O e sais inorgânicos, um processo chamado de mineralização. Geralmente os produtos de biodegradação são formas moleculares, que tendem a ocorrer na natureza e que são em maior equilíbrio termodinâmico com seu entorno. TOXICOLOGIA AMBIENTAL 41 Aspectos bioquímicos de biodegradação Deve-se ressaltar que a biodegradação de um composto orgânico ocorre de forma gradual e geralmente não é o resultado da atividade de um organismo específico (Figura 20). Geralmente várias espécies de microrganismos, que muitas vezes existente em sinergia, estão envolvidas. Estas podem utilizar diferentes vias metabólicas e uma variedade de sistemas enzimáticos. Apesar de biodegradação ser normalmente considerada como degradação de espécies inorgânicas simples, como dióxido de carbono, água, sulfatos e fosfatos, deve sempre ser considerada a possibilidade de formação de espécies químicas mais complexas ou mais perigosas. Um exemplo deste último é a produção de formas metiladas voláteis, solúveis, tóxicas do arsênico e mercúrio de espécies inorgânicas destes elementos por bactérias em condições anaeróbias. Há alguns indícios que sugerem que o tolueno, um composto antropogênico, pode ser produzido metabolicamente do aminoácido fenilalanina por bactérias anaeróbias; este processo ocorrerá por desaminações sucessivas e descarboxilação do seguinte modo: Figura 20. Aspecto bioquímico de biodegradação é sabido que as comunidades microbianas expostas a compostos xenobióticos desenvolvem a habilidade de degradar estes compostos metabolicamente. Isto tornou- se particularmente evidente a partir de estudos de produtos tóxicos no ambiente. Em geral, esses compostos são prontamente degradados por bactérias que foram expostas aos compostos por períodos prolongados, mas não por bactérias de locais não expostos. O desenvolvimento de culturas microbianas com a capacidade de degradar materiais a que estão expostas é descrito como adaptação metabólica. A rápida TOXICOLOGIA AMBIENTAL 42 multiplicação de culturas microbianas, adaptação metabólica pode incluir alterações genéticas que favorecem microrganismos que podem degradar a um tipo específico de poluente. Adaptação metabólica também pode incluir o aumento do número de micro-organismos capazes de degradar o substrato em questão e indução enzimática. Fatores na biodegradação As taxas e a eficácia de biodegradação de matérias orgânicas dependem de vários fatores. Estes incluem a concentração do substrato composto, a natureza e a concentração do aceptor final de elétrons (mais comumente O2), a presença de nutrientes, fósforo e nitrogênio, a disponibilidade de nutrientes como elementos traço, a presença de um organismo adequado, a ausência de substâncias tóxicas e a presença de condições físicas adequadas (temperatura, e meio de crescimento). Além de suas propriedades bioquímicas, as propriedades físicas dos compostos, incluindo a volatilidade, solubilidade em água, organofilicidade, tendência a ser sorvido por sólidos e carga elétrica, desempenham um papel na determinação da biodegradabilidade de compostos orgânicos. Biodegradabilidade A acessibilidade de um composto ao ataque químico por micro-organismos é expressa em sua biodegradabilidade. A biodegradabilidade de um composto é influenciada por suas características físicas, tais como solubilidade em água e a pressão de vapor; e por suas propriedades químicas, incluindo massa molecular, estrutura molecular e a presença de vários tipos de grupos funcionais, alguns dos quais fornecem um identificador bioquímico para dar início à biodegradação. Com os organismos adequados e, sob as condições certas, até mesmo substâncias que são biocidas para a maioria dos micro-organismos podem sofrer biodegradação. Substâncias recalcitrantes ou biorrefratárias são aquelas que resistem à biodegradação e tendem a persistir e a se acumular no ambiente. Estes materiais não são necessariamente tóxicos para os organismos, mas simplesmente resistem ao seu ataque metabólico. Até mesmo alguns compostos considerados como biorrefratários podem ser degradados por micro-organismos adaptados à sua biodegradabilidade. Exemplos de tais compostos e os tipos de microrganismos que podem degradá-los incluem: endrina TOXICOLOGIA AMBIENTAL 43 (Arthrobacter); DDT (Hydrogenomonas); acetato de fenilmercúricos (Pseudomonas) e borracha crua (actinomicetos). 2.7 Conclusão Um ecossistema é composto por uma variedade de comunidades de organismos e seu ambiente circundante, existentes em um estado geralmente estável. Um aspecto importante dos ecossistemas é o fluxo de energia e matéria. Em um ecossistema existem intricadas relações entre os organismos, uns com os outros e com seu entorno, que podem ser perturbadas pelos efeitos de substâncias tóxicas (Figura 21). O fluxo de materiais inerentes aos ecossistemas pode estar envolvido na dispersão e exposição a substâncias tóxicas. Exposição à xenobióticos pode alterar a homeostase (estado de equilíbrio ecológico no ambiente) de organismos individuais, levando a efeitos sobre as populações de tipos específicos de organismos, as comunidades de organismos e o ecossistema como um todo. Há muitas interconexões entre os ecossistemas terrestres e aquáticos, e muitos ecossistemas têm componentes tanto terrestres quanto aquáticos. A ecotoxicologia aquática é relativamente mais simples do que a Ecotoxicologia terrestre. A exposição de organismos de substâncias tóxicas em sistemas aquáticos é normalmente feita através do contato direto dos organismos com a água contaminada, que pode ser analisada quimicamente para a presença de substâncias tóxicas. Os organismos em ecossistemas aquáticos são largamente confinados a áreas relativamente pequenas, embora haja exceções, como o salmão, que migra ao longo de grandes distâncias para se reproduzir. A ecotoxicologia terrestre é complexa por uma série de fatores. Um grande número de organismos existem em vários níveis tróficos, encaixando uma variedade de peças de teias alimentares e ocupando uma variedade de nichos ecológicos. Animais terrestres podem moverdistâncias significativas como forragem, migrar, defender seus territórios e procuram locais mais favoráveis à sua existência. Considerando que TOXICOLOGIA AMBIENTAL 44 um corpo de água apresenta um alto grau de inércia, particularmente em direção a mudanças de temperatura por causa da alta capacidade de calor da água, ambientes terrestres podem sofrer mudanças repentinas e dramáticas na temperatura, umidade e outros fatores que afetam o meio ambiente. É neste contexto variável que a ecotoxicologia terrestre deve tentar determinar os efeitos, muitas vezes sutis e pequenos, de produtos químicos xenobióticos, que muitas vezes estão presentes em concentrações baixas e variáveis tóxicas no sangue dos patos femininos e causando envenenamento fatal como resultado Efeitos sobre a distribuição populacional podem servir como prova de tipos de substâncias tóxicas: uma diminuição acentuada no número de juvenis pode indicar a presença de venenos reprodutivas; uma baixa população de indivíduos mais velhos pode resultar da exposição a agentes cancerígenos, o que leva um tempo relativamente longo para ocorrer, para que os membros mais velhos desenvolvam câncer e morram. Muitos dos fatores que podem afetar adversamente a organismos são estressores inerentes, incluindo a disponibilidade de nutrição, qualidade da água, temperatura e outros extremos climáticos, doença e predação. É importante ser capaz de separar os efeitos dos estressores inerentes dos produtos químicos tóxicos. Existem muitas vezes importantes relações sinérgicas entre estressores inerentes e os efeitos de substâncias químicas tóxicas. Os organismos que estão sob estresse de estressores inerentes são, provavelmente, mais suscetíveis aos efeitos dos xenobióticos e substâncias tóxicas. A observação das mortes de organismos e resultantes declínios nas populações, embora simples e inequívoca, são muitas vezes insuficientes para explicar os efeitos das substâncias tóxicas sobre os ecossistemas. Também é importante considerar os efeitos subletais, que podem causar efeitos nocivos em populações sem matar diretamente os indivíduos. A exposição a substâncias tóxicas pode reduzir as taxas de reprodução de organismos e afetar as taxas de sobrevivência dos juvenis à idade adulta. A capacidade de evitar predadores pode ser restringida, as capacidades de forrageamento podem ser reduzidas e instintos homing e migração podem ser adversamente afetados. TOXICOLOGIA AMBIENTAL 45 Variados testes são usados para monitorar os efeitos subletais. Um determinado teste examina a indução de enzimas oxigenase de função mista, que são produzidas por organismos para metabolizar substâncias tóxicas. Alguns dos efeitos mais bem estudados de substâncias tóxicas sobre os ecossistemas foram aqueles que lidam com os efeitos do ácido sobre os ecossistemas de água doce. O declínio do pH de uma variedade quase neutra de 6.5 a 7.5 para valores em torno de 5,5 a 6,0 têm sido observado em alguns lagos escandinavos durante o período aproximado de 30 anos após 1940. Estes declínios foram acompanhados de perdas dramáticas de populações de truta e salmão comercialmente valiosos. Os lagos com valores de pH inferior a 5,0 tornaram-se livres de peixe. Estudos experimentais da acidificação do lago também demonstraram alterações nas comunidades de fitoplâncton e zooplâncton, com uma perda generalizada de diversidade da população. Em alguns casos, esteiras compostas de apenas algumas espécies de algas verdes filamentosas, mudaram o caráter inteiro dos lagos. Figura 21. Efeitos da contaminação TOXICOLOGIA AMBIENTAL 46 AULA 3 - Compostos tóxicos e seu efeito na saúde humana 3.1 Introdução O objetivo desta tópico é identificar e descrever os efeitos dos contaminantes ambientais significativos e outros processos antropogênicos capazes de produzir desequilíbrios em ecossistemas: hidrocarbonetos, HPAs, metais pesados, arsênico, selênio, moléculas inorgânicas, resíduos perigosos, entre outros. Hidrocarbonetos de fontes antropogênicas são encontrados em todo o mundo, em todos os componentes dos ecossistemas. Mais da metade do petróleo no ambiente como contaminante é originado de derramamentos e descargas associadas com o transporte de petróleo. Outros hidrocarbonetos vem de despejos industriais, municipais e domésticos, assim como de veículos motorizados. Chumbo (Pb) é um metal pesado altamente tóxico, não-essencial, e todos os efeitos conhecidos de chumbo em sistemas biológicos são deletérios; emissões de chumbo antropogênicas presentes resultaram em solo e água contaminados e de várias ordens de magnitude maiores do que o estimado para emissões naturais. A extensão geográfica generalizada e as consequências negativas da poluição pelo mercúrio continuam a solicitar a investigação científica considerável. Globalmente o aumento das concentrações de metilmercúrio é encontrado na biota aquática, mesmo em locais remotos, como consequência de múltiplas fontes antropogênicas e seus lançamentos de mercúrio no ambiente. O selênio é um elemento de semimetálico natural que é essencial para a nutrição animal em pequenas quantidades, mas torna-se tóxico em maiores concentrações dietéticas que não são muito superiores às necessárias para a boa saúde. A maioria dos impactos de vida aquática associados com urbanização são provavelmente relacionados, a longo prazo, a problemas causados pelos sedimentos poluídos e perturbações na cadeia alimentares por radiação de fundo natural; a irradiação ocorre desde a operação normal de usinas nucleares e reatores de produção de plutónio, acidentes nucleares, armas nucleares, testes e contato com ou vazamento de locais de armazenamento de resíduos radioativos. Avaliar os impactos das TOXICOLOGIA AMBIENTAL 47 instalações de energia nuclear no ambiente das liberações de rotina e acidentais de radionuclídeos de ecossistemas aquáticos e terrestres é importante para a proteção destes ecossistemas e seus componentes da espécie. Anualmente quase 17 milhões ha de florestas tropicais estão sendo liberados para novas terras agrícolas. Os efeitos globais do desmatamento incluem a perda insubstituível de espécies, as emissões para a atmosfera de gases quimicamente ativos e a retenção do calor rastreamento (dióxido de carbono metano, óxido nitroso e monóxido de carbono) e o consequente aquecimento global. .O desmatamento corresponde acerca de 25% do aquecimento global calculado, como resultado de todas as atuais emissões antropogênicas de gases com efeito de estufa. 3.2 Tóxicos orgânicos em água, solo e ar A toxicológica de compostos orgânicos abrange uma área de estudo muito ampla. Hoje se conhece mais de 18 milhões de compostos orgânicos, e aqui trataremos dos que podem exercer toxicidade e, entre estes os mais usuais como os hidrocarbonetos, compostos orgânicos constituídos apenas por carbono e hidrogênio. Classificação dos hidrocarbonetos Para fins de discussão das toxicidades de hidrocarbonetos no presente capítulo, os hidrocarbonetos serão agrupados em cinco categorias: • Alcanos; • Hidrocarbonetos não aromáticos insaturados; • Hidrocarbonetos aromáticos; • Hidrocarbonetos aromáticos com anéis múltiplos policíclicos e • Hidrocarbonetos mistos. Toxicologia de alcanos A exposição do trabalhador aos alcanos, tem maior probabilidade de acontecer por inalação, especialmente dos compostos de baixa massa molecular. TOXICOLOGIA AMBIENTAL 48 Metano e etano: Metano tem a fórmula CH4 e etano C2H6 e ambos são asfixiantes simples, o que significa
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