Uma Introdução à Avaliação da Qualidade das Águas

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1 UFMG - Instituto de Ciências Exatas - Departamento de Química II Jornada de Inverno de Química 27 a 30 de julho de 2010 Profa Roberta Lourenço Ziolli Laboratório de Estudos Ambientais e Toxicologia (LEATox) Departamento de Química, PUC-Rio rlziolli@puc-rio.br Mini-curso: Introdução à Química Ambiental Um olhar... Para refletir (até amanhã, rsrsrs): Qual(is) composto(s) monitorar? Para quê? Como? Onde? Uma Introdução à Avaliação da Qualidade das Águas Usos da água Legislação esferas municipal, estadual e federal Padrões de Qualidade de Água e Efluentes Abastecimento doméstico; Abastecimento Industrial; Irrigação; Recreação; Lazer; Geração de energia; Transporte e navegação; Diluição de despejos; outros. 1

2 Parâmetros Indicadores da Qualidade da Água A qualidade da água pode ser avaliada por meio de diversos parâmetros que traduzem suas principais características físicas, químicas e biológicas (conforme definido pela legislação). Seguem alguns exemplos: Indicadores físicos: Indicadores químicos: Cor Turbidez Sabor e odor Temperatura Salinidade OD Sais minerais Matéria orgânica LEA Laboratório de Estudos Ambientais Departamento de Química, PUC-Rio Qualidade das águas foi (ainda é) baseada principalmente nos parâmetros físico-químicos e estabelecendo limites para determinadas espécies. Questão: Como foram estabelecidos esses limites??? Limites permissíveis de poluentes são determinados por Ensaios de Toxicidade Indicadores biológicos: Algas Microorganismos patogênicos rlziolli@puc-rio.br Toxicologia Ambiental Ensaios de Toxicidade São ensaios utilizados para determinar o potencial tóxico de um agente químico, mensurados pela resposta de organismos-teste. 1. Diluições da substância + controle 2. Adição do organismo-teste (algas, bactérias, peixes, etc) Os Ensaios de Medidas Toxicidade de toxicidade com organismos aquáticos têm sido utilizados, desde a década de 40, para prever o impacto do lançamento de efluentes em recursos hídricos, e, estabelecer as concentrações de vários compostos/substâncias que teoricamente poderiam ser dispostos sem prejuízo do equilíbrio natural do ambiente. 3. Tempo: 24h, 48 h ou 96 h agudo 1/10 a 100% ciclo vital crônico 4. Respostas: mortalidade (letal); redução da fecundidade; redução crescimento; motilidade, deformação, (sub-letais) 5. CL 50 ou NOEC Critérios de Avaliação da toxicidade a) Peso dos órgãos, expresso em % do peso corporal b) Crescimento do animal c) Testes fisiológicos (toxicidade hepática, função renal) d) Testes bioquímicos e) Avaliação do comportamento, estudo da ação e dos efeitos do tóxico sobre os reflexos f) Efeito sobre fertilidade e fetos g) CL 50 Tipos de testes Agudo: resposta rápida e brusca no organismo, sendo normalmente a imobilidade e/ou a letalidade; Crônico: efeitos deletérios nos organismos, afetando seu crescimento, reprodução, comportamento; 2

3 Cálculo da CL50 Exemplos: Testes de toxicidade usando peixes como organismo-teste Vários programas estatísticos; Estima a concentração que mata 50% dos organismos Normas: CETESB (1986), ABNT (1987) DIN (1989) e DIN (1989). Efeitos sobre o estágio larval e embrionário do peixe: número de embriões mortos, peso e comprimento das larvas, etc Estudo do ciclo de vida: 260 a 300 dias Critério de seleção para os testes de toxicidade 1) Espécies que existam em abundância e disponíveis devem ser consideradas 2) Espécies representantes do ecossistema que pode ser afetado 3) Espécies importantes do ponto de vista ecológico e comercial 4) Espécies devem ser fáceis de manusear dentro do laboratório para facilitar os testes 5) Espécies com considerável quantidade de informações já coletadas anteriormente Entretanto, ao longo dos anos 70, alguns pesquisadores observaram que os teores estabelecidos para os diversos agentes isoladamente poderiam, não preservar, efetivamente a qualidade das águas devido à mistura dos compostos constituintes da matriz (efeitos sinérgicos e antagônicos). (pudera! Efluente de indústria têxtil ~ 6 compostos orgânicos e 50 inorgânicos) Em 1987 a CETESB relatou que na grande São Paulo efluentes tratados (de acordo com os padrões de emissão) apresentaram, na maioria dos casos, toxicidade semelhante àqueles efluentes sem tratamento. A partir dessa observações, duas abordagens foram especificadas: (i) Controle da substância específica: usa os critérios de qualidade de água e de padrões de efluentes para substâncias específicas. (ii) Controle como um todo: usa testes de toxicidade (em complementação as análises químicas). Qualidade deveria considerar os efeitos tóxicos da matriz através de testes de toxicidade e não apenas considerar a concentração de seus constituintes específicos Na Europa os testes de toxicidade foram regulamentados pelos orgãos oficiais em 1993 e, nos Estados Unidos, pela EPA desde Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro Departamento de Química ENSAIOS DE ECOTOXICIDADE COM Artemia sp. No estado de SP, Resolução da CETESB de 2000 ( força de lei ), contemplando os testes de toxicidade no controle dos poluentes. 3

4 Artemia sp É um crustáceo da ordem Anostraca (sem carapaça). Vive em lagos de água salgada e salinas do mundo todo. Tolera grandes variações de salinidade de 3,5 a 70. Fácil obtenção de cistos e de manuseio em laboratório. Teste de Toxicidade Aguda Tem como objetivo determinar a concentração letal média (CL 50 ) de uma determinada substância frente a um organismo-teste em um curto espaço de tempo. O ensaio de toxicidade aguda com Artemia sp é um teste rápido, de baixo custo, eficiente e que requer pequenas quantidades de amostra. Este tipo de ensaio tem boa correlação com atividade citotóxica de tumores humanos sólidos e levou à descoberta de uma nova classe de agentes antitumorais ativos. (McLaughlin, 1998) ENSAIO COM ARTEMIA sp. ENSAIO COM ARTEMIA sp. Eclosão dos cistos 48 h; - utilizado em testes de toxicidade de novos compostos; - utilizado em monitoramento de efluentes; - utilizado no monitoramento ambiental; -... ENSAIO COM ARTEMIA sp. Transferência dos náuplios para novo recipiente 48 h; TESTES DE TOXICIDADE com Daphnia sp microcrustáceo espécie do zooplâncton de água doce altamente sensível à variação física e química do meio Exposição dos náuplios ao composto de interesse 48 h; Contagem dos indivíduos mortos e vivos. Daphnia magna 4

5 Daphnia magna Então, o adequado seria considerarmos os testes de toxicidades junto aos padrões de qualidade estabelecidos na legislação??? Testes de toxicidade têm uma importante, mas limitada função, em estudos de poluição. Por quê? Os testes de toxicidade podem fornecer: Os limites permissíveis de poluentes na água; Os efeitos biológicos de um determinado efluente frente a um organismo; Para refletir (até amanhã, rsrsrs): Qual(is) composto(s) monitorar? Para quê? Como? Onde? Indicar quais os constituintes de um efluente são provavelmente responsáveis pelo impacto observado. Mas, embora úteis... eles não fornecem o impacto real de um efluente no ambiente natural... Sistema real: Baía de Guanabara, RJ. Alterações ambientais na Baía de Guanabara e em sua bacia de drenagem: início no século XVI pelo processo de ocupação urbana do Rio de Janeiro ECOTOXICOLOGIA 5

6 AS BASES TOXICOLÓGICAS DA ECOTOXICOLOGIA AS BASES TOXICOLÓGICAS DA ECOTOXICOLOGIA Ecotoxicologia Paradigma do Bumerangue: O que você joga fora pode voltar e machucar você Ciência que estuda os efeitos das substâncias naturais ou sintéticas sobre os organismos vivos, populações e comunidades, animais ou vegetais, terrestres ou aquáticos, que constituem a biosfera, incluindo assim a interação das substâncias com o meio nos quais os organismos vivem num contexto integrado Ecotoxicologia Ensaios de toxicidade Biomarcadores Definição Biomarcador Resposta a um químico ou químicos que da uma medida de exposição e, algumas vezes, também, de efeito tóxico Peakall, 1994 Qualquer resposta biológica a um químico no nível de indivíduo ou abaixo que demonstre um desvio do estado normal Walker et. al., 2001 Quatro etapas da Ecotoxicologia Substância é liberada no ambiente: quantidades, formas e locais das liberações devem ser conhecidos Substância é transportada geograficamente e para dentro de diferentes biotas, e, possivelmente, quimicamente transportada, dando lugar a compostos cujos padrões de comportamento ambiental são um pouco diferentes Exposição de um ou mais organismos-alvo Deve ser avaliada a resposta de um organismo individual, população ou comunidade ao poluente específico em um período apropriado Perspectiva histórica dos biomarcadores 6

7 Uso e valor dos Biomarcadores em Ecotoxicologia Sinais Tornam possível uma avaliação integrada no tempo de no espaço dos poluentes biologicamente disponíveis. Podem integrar o efeito de estressores múltiplos e auxiliar na elucidação de mecanismos de efeitos. Biomarcador Efeito sinalizador de stress induzido por poluição. Oferecem um sinal de aviso de um desvio do estado saudável induzido por poluição. Especificidade das respostas e a compreensão dos mecanismos da contaminação são maiores nos níveis mais baixos do que nos mais altos de organização biológica. Detecção antecipada dos efeitos poluentes no tempo Detecção de respostas abaixo daquelas que causam efeitos irreversíveis Questão IV. O que acontece com um composto quando ele é ingerido por (entra em) um organismo aquático? Metabolismo em peixes dos xenobióticos: Xenobiótico Metabolizado por enzimas Formação de compostos polares Excretado BIOTRANSFORMAÇÃO Conjunto de alterações químicas que as substâncias sofrem no organismo com o objetivo de formar derivados mais polares, facilitando a eliminação renal. As enzimas são as responsáveis pelas reações de biotransformação e encontram-se presentes em todo o organismo, principalmente no fígado constituem o sistema monoxigenases ou sistema citocromo P450 possui importantes funções metabólicas, sistema de sentinela que primeiro apreende e transforma vários xenobióticos no organismo METABOLISMO DE XENOBIÓTICOS HIDROCARBONETOS POLICÍCLICOS AROMÁTICOS: BIOATIVAÇÃO Metabolismo em peixes: FASE I FASE II Mecanismo de ativação: Xenobiótico Oxidação, Redução, Hidrólise Monooxigenases do Cit. P-450 Monoaminooxidases (MAO) flavinas monooxigenases (FMO) Produtos Primários Glicuronidação, Sulfoconjugação, Conjugação com GSH GST, UGT, ST Produtos Secundários Excreção Lipofílico Hidrofílico GST: glutation S-transferases UGT: uridina difosfoglicuronosil transferases ST: sulfotransferases 7

8 METABOLISMO DO PIRENO BIOTRANSFORMAÇÃO FASE I FASE II pireno 1-hidroxi-pireno pireno-1-glicuronídeo Hidroxilação aromática HIDROCARBONETOS POLICÍCLICOS AROMÁTICOS: EXCREÇÃO ANÁLISE DE HPAs EM PEIXES Bílis: principal rota de excreção dos HPAs - produzida no fígado; - atua na digestão e absorção de gorduras; Tecido: Extração e clean up; Bílis: - excreção de xenobióticos; - composição: água; ácidos biliares; colesterol; sódio e bicarbonato; pigmentos biliares. Usada no monitoramento ambiental A assimilação dos xenobióticos na cadeia alimentar é determinada por sua disponibilidade à biota. Assimilação direta (guelras, pele) ou indireta (alimentos, água) Exemplo: Organismo pode ser estudado como um sistema de óleo-água Coeficiente de partição: K ow Teor de lipídeos Teor de lipídeos x Bioacumulação Alguns compostos são difíceis de excretar e tendem a acumular no organismo por serem lipossolúveis. Assim, apresentam-se em concentrações mais altas nos tecidos mais gordurosos. Isto apresenta 2 riscos: Nas ocasiões de uma alimentação precária, os animais usam as suas reservas, aumentando a concentração do xenobiótico no corpo. Possibilidade de transmissão através da cadeia alimentar ocorrendo a biomagnificação. Influências: idade, estágio de maturação, sexo, etc 8

9 Toxicologia Ambiental Molecular Bioconcentração: descreve a assimilação de um xenobiótico em um organismo por contato direto com o contaminante (do meio). Bioacumulação: descreve a acumulação de um xenobiótico em um organismo. Biomagnificação: descreve a acumulação de uma substância em um organismo através da cadeia alimentar. Fatores externos e internos que interferem no potencial de bioconcentração de substâncias orgânicas Fatores que interferem na absorção Tamanho do organismo Tamanho da molécula Disponibilidade Fatores ambientais Fatores que afetam a velocidade da excreção Tamanho do organismo Teor lipídico Metabolismo As fases da intoxicação (divisão apenas didática) a) Fase da exposição: fase de contato do organismo com o toxicante. Importante nesta fase é a biodisponibilidade. b) Fase da toxicocinética: inclui processos envolvidos desde a biodisponibilidade química até a concentração do toxicante nos orgãosalvo (absorção, distribuição, armazenamento, biotransformação e eliminação das substâncias inalteradas e/ou metabólitos) c) Fase da toxicodinâmica: compreende os mecanismos de interação entre o toxicante e os sítios de ação do organismo, assim como o aparecimento dos efeitos nocivos decorrentes da ação tóxica. d) Fase clínica: evidências de sinais e sintomas ou alterações detectáveis por provas diagnósticas que caracterizam os efeitos deletérios causados ao organismo. 9