Testes Toxicológicos no Brasil: Estado Atual e Perspectivas para o Monitoramento de Recursos Hídricos"

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1 Testes Toxicológicos no Brasil: Estado Atual e Perspectivas para o Monitoramento de Recursos Hídricos" Adalto Bianchini Universidade Federal do Rio Grande Instituto de Ciências Biológicas Rio Grande, RS, Brasil adaltobianchini@furg.br FURG

2 Aspectos abordados: - Brasil como país em desenvolvimento - Uso dos recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos - Alternativas as para o monitoramento da qualidade das águas - Situação atual e perspectivas futuras

3 Brasil como país em desenvolvimento Antes de 22 deabril de 1500

4 Brasil como país em desenvolvimento Em 22 deabril de 1500

5 Brasil como país em desenvolvimento Após 22 de Abril de 1500

6 Uso de recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos Belém, PA

7 Uso de recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos Fortaleza, CE

8 Uso de recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos Recife, PE

9 Uso de recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos Vitória, ES

10 Uso de recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos Rio de Janeiro, RJ

11 Uso de recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos Florianópolis, SC

12 Brasil como país em desenvolvimento Produto Interno Bruto

13 Brasil como país em desenvolvimento Produto Interno Bruto per Capita Países pelo PIB per capita em 2008 (ONU, estimado em Outubro de 2008) Canadá 16 o Brazil 64 o

14 Brasil como país em desenvolvimento Índice de Desenvolvimento Humano Índice de Desenvolvimento Humanao (baseado em dados de 2006) Canada 3 o Brazil - 70 o

15 Brasil como país em desenvolvimento AMBIENTES AQUÁTICOS Problemática da poluição

16 Brasil como país em desenvolvimento Crescimento do PIB Divisão de Estatística da ONU (2008) Brasil 11% Canadá 10% Fundo Monetário Internacional (2008) Brasil 33% Canadá 25%

17 Uso de recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos Porto Alegre, RS

18 Uso de recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos Agricultura

19 Uso de recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos Atividades Industriais e Portuárias

20 Uso de recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos Mineração

21 Uso de recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos Exploração de Petróleo

22 Uso de recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos Exploração de Petróleo

23 Uso de recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos Maricultura

24 Uso de recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos Maricultura

25 Uso de recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos Pescaria artesanal

26 Uso de recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos Pescaria industrial

27 Uso de recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos Múltiplo uso dos recursos hídricos Rio Grande, RS

28 Uso de recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos Principais contaminantes aquáticos Metais (Cu, Cd, Zn e Pb) Esgoto doméstico Hidrocarbonetos Pesticidas

29 Uso de recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos Impactos biológicos e ecológicos Branqueamento de corais (Recife, PE)

30 Uso de recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos Introdução O equilíbrio ecológico dos sistemas aquáticos do Brasil está severamente ameaçado pelo incremento da poluição orgânica e inorgânica associada ao crescimento urbano, agrícola e industrial. O monitoramento, preservação e restauração destes ecossistemas requer uma melhor compreensão de como as atividades naturais e antrópicas afetam este equilíbrio.

31 Uso de recursos hídricos: aspectos políticos, econômicos e ecológicos Introdução A conservação dos recursos hídricos está se tornando progressivamente mais onerosa e problemática do ponto de vista político e ecotoxicológico. Aves migratórias no Sul do Brasil

32 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas ECOTOXICOLOGIA Ciência que estuda os efeitos das substâncias naturais ou sintéticas sobre a biota, em nível organísmico, populacional e de comunidades, nos ambientes terrestre e aquático.

33 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas PARADIGMA DA ECOTOXICOLOGIA reprodução, alimentação BIOTA triângulo ecotoxicológico AMBIENTE salinidade, temperatura CONTAMINANTES aporte variado

34 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas Legislação Ambiental

35 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas Legislação Ambiental

36 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas Legislação Ambiental

37 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas Alternativas para o monitoramento da qualidade da água - Medidas diretas - Testes toxicológicos - Biomarcadores

38 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas Alternativas para o monitoramento da qualidade da água - Medidas diretas Modelagem ecotoxicológica - Testes toxicológicos}

39 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas Principais contaminantes aquáticos Metais (Cu, Cd, Zn e Pb) Esgoto doméstico Hidrocarbonetos Pesticidas

40 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas Testes de toxicidade - Critérios de qualidade de água (WQCs water quality criteria) - Baseados na concentração de metal total ORGANISMO TESTE CENO ou CEO N = ml 0,02 a 0,32 mg/l Duração de 24 h. Padrões de qualidade de água

41 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas - Testes de toxicidade - Concentração de exposição x efeito observado Testes sob condições de laboratório x Testes sob condições de campo Níveis de Cu no ambiente > CEO Menor toxicidade Sério risco ambiental

42 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas -WQCs baseadas em testes de toxicidade sob condições de laboratório SUPERPROTEÇÃO WER water effect ratio WER = CL50 campo / CL50 lab WQC campo = WER x WQC Grande demanda Resultados não confiáveis Resultados difíceis de interpetrar

43 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas Testes sob condições de laboratório Testes sob condições de campo Proteção contra toxicidade Características Químicas da água -Dureza - ph - matéria orgânica

44 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas -Dureza - ph - matéria orgânica Influencia a especiação de metais Nem todo metal presente no ambiente exerce toxicidade Níveis de metal > WQCs ausência de efeitos tóxicos

45 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas METAIS - AMBIENTES AQUÁTICOS Complexação Adsorção Absorção Interação iônica Ambientes Aquáticos Reações de oxi-redução Associação partículas Precipitação

46 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas Complexação Adsorção Absorção Interação iônica Ambientes Aquáticos Reações de oxi-redução Associação partículas Precipitação Espécie química do elemento no sistema ESPECIAÇÃO QUÍMICA

47 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas - Como explicar a influência da química da água na toxicidade? MODELOS Um modelo matemático é uma representação ou interpretação simplificada da realidade, ou uma interpretação de um fragmento de um sistema. É, portanto, uma estrutura composta de constantes, relações e funções definidas num conjunto - Pagenkopf et al. (1974) química sobre especiação de cobre Cu 2+ CuOH + TOXICIDADE

48 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas PARÂMETROS FÍSICO-QUÍMICOS ph (H + ) Alcalinidade (Carbonatos) Composição iônica (SALINIDADE) Dureza (Ca 2+ e Mg 2+ ) Matéria Orgânica Dissolvida (MOD) Temperatura (Energia Cinética)

49 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas ph A especiação química do cobre é altamente dependente do ph Em ambiente de água doce: Concentração Cobre (µm) Cobre Total Cu 2+ ph = 7,6 24% do cobre total se apresenta na forma de íon cúprico (Cu 2+ ) ph = 6 90% do cobre total pode estar sob a forma de Cu 2+ No entanto, a concentração de carbonatos no meio pode influenciar fortemente esta relação, pois o cobre forma complexos com os íons carbonato

50 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas ALCALINIDADE Capacidade do sistema aquoso em neutralizar ácidos sem perturbar de forma extrema as atividades biológicas que nele ocorrem Ocorre principalmente pela presença dos carbonatos e bicarbonatos CO 2 + H 2 O <--> H 2 CO 3 (Acido carbônico) <--> HCO 3- (bicarbonato)+ H + <--> CO 3 2- (carbonato)+ H +

51 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas ALCALINIDADE Concentração Cob bre (µm) Cu 2+ Cobre Total Cobre complexado Alcalinidade

52 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas SALINIDADE 200 Cobre Total B LC Concentração u/l) M) 50-48h (µg filtered Cobre (µm Cu a ab Cu 2+ b Salinity (ppt) Salinidade

53 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas DUREZA Concentração Cobr re (µm) Cu 2+ Cobre Total [ ]s de Ca 2+ e Mg 2+ Competem com os metais pelos sítios de ligação Em ambientes dulcícolas, a dureza é um fator de elevada importância para o estudo da especiação dos metais Dureza

54 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas MOD - Fração Filtrável (0,45 µm) da MON - Constitui considerável parcela do total de COD - Agente tamponante de íons metálicos -COOH -OH fenólico Podem ser protonados e desprotonados na amplitude de ph Altera a partição de metais passíveis de complexação, sequestrando ou liberando esses íons para o ambiente

55 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas MOD Concentração Cobre (µm M) Cu 2+ Cobre Total H 2 O doce > [ ] SH Cobre - MOD H 2 O salgada > [ ] SF MOD

56 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas TEMPERATURA Concentração Cobre (µm) LC 50-48h (µg filtered Cu/L) Cobre Total ab a Cu 2+ b B Quanto à temperatura, sabese que ela está inversamente relacionada com a solubilidade dos compostos químicos na água Salinity (ppt) Temperatura ( C)

57 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas METAIS Biodisponibilidade versus Bioacumulação Concentração Complexação Competição

58 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas Concentração Concentração total versus Concentração dissolvida - Sedimentos em suspensão (adsorção/desorção) } - Matéria orgânica particulada (adsorção/desorção) - Matéria orgânica dissolvida (complexação) - Composição iônica (complexação) - Íon livre Fase particulada (> 0,45 µm) }Fase dissolvida (< 0,45 µm)

59 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas Complexação (Especiação) Formas complexadas versus Formas livres - Matéria orgânica dissolvida (complexos) - Composição iônica ânions (complexos) - ph e temperatura (formas livres) }Fase dissolvida (biodisponibilidade)

60 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas Biodisponibilidade - Concentração na fase dissolvida - Complexação (Especiação) Propriedades físico-químicas do meio Matéria orgânica dissolvida (complexos) Composição iônica ânions (complexos) ph e temperatura (formas livres)

61 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas Bioacumulação - Biodisponibilidade (complexos e formas livres) - Competição (cátions na água x íons metálicos livres) Propriedades físico-químicas do meio Composição iônica (concentração de cátions) Propriedades biológicas dos animais Sítios de ligação nas membranas e moléculas

62 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas Toxicidade - Bioacumulação Biodisponibilidade (concentração e complexação/especiação) Competição pelos sítios de ligação - Mecanismo de toxicidade do metal Bioacumulação no sítio de toxicidade

63 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas Legislação Ambiental - Limitações - Concentração de metais na fase dissolvida: não determina por si só a biodisponibilidade. não determina por si só a bioacumulação. não determina por si só a toxicidade. - Padrões de qualidade focados nas classes e uso das águas: considera parcialmente as propriedades físico-químicas do meio. considera parcialmente as propriedades biológicas dos animais.

64 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas BACIA AMAZÔNICA 1. Rio Amazonas 2. Rio Solimões 3. Rio Negro 4. Rio Xingu 5. Rio Tapajós 6. Rio Jurema 7. Rio Madeira 8. Rio Purus 9. Rio Branco 10. Rio Juruá 11. Rio Trombetas 12. Rio Uatumã 13. Rio Mamoré

65 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas ENCONTRO DAS ÁGUAS Rios Negro e Solimões

66 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas ESTUÁRIO DA LAGOA DOS PATOS (RS)

67 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas MODELO DO LIGANTE BIÓTICO (BLM) FORMAÇÃO DE COMPLEXOS METÁLICOS cátions LIGAÇÃO COMPETITIVA NOS SÍTIOS ATIVOS ânions dureza

68 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas Biodisponibilidade x Bioacumulação x Toxicidade Biodisponibilidade Concentração dissolvida e as propriedades físico-químicas do meio. Bioacumulação Propriedades físico-químicas do meio e biológicas do animal. Toxicidade Bioacumulação no sítio de toxicidade. Mecanismo de ação do contaminante.

69 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas CONCLUSÃO A modelagem ecotoxicológica pode ser utilizada com sucesso no monitoramento da qualidade ambiental, desde que considere adequadamente os aspectos físico-químicos e biológicos do ecossistema em avaliação.

70 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas Legislação Ambiental

71 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas Alternativas para o monitoramento da qualidade da água - Medidas diretas - Modelagem Ecotoxicológica - Biomarcadores

72 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas BIOMARCADORES Biomarcadores são alterações biológicas nos fluídos corporais, células ou tecidos indicativas da exposição a concentrações sub-letais de poluentes ambientais, detectadas em nível molecular, celular e fisiológico (Livingstone 1993; Walker et al., 1996).

73 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas Que biomarcadores utilizar? I. Citopatologia e Histopatologia (comprometimento estrutural de órgãos e sistemas) II. Neurotoxicidade (alteração no funcionamento do sistema nervoso periférico e central) III. Estresse Oxidativo (danos de macromoléculas: lipídios, proteínas e DNA) IV. Osmoregulação e Nefrotoxicidade (perda parcial ou total de adaptação a variações de salinidade) V. Genotoxidade (danos à estrutura do material genético) VI. Imunologia Inespecífica (imunossupressão)

74 Dano de DNA (Ensaio cometa) 150 * Escores controle poluído

75 Dano de DNA Micropogonias furnieri - RS Controle Poluído Escore a A* Inverno a A* Verão Células micronuclead das (%) a B* Inverno a A Verão

76 Explosão respiratória Micropogonias furnieri - RS a * a * Controle Poluído Explosão respirat tória (Densidade óptica a) a B a B Inverno Verão

77 CATALASE Controle Poluído Lutjanus synagris U CAT/min/mg proteín nas b a a b 0 Inverno Verão

78 GST Controle Poluído Lutjanus synagris U GST/min/mg proteín nas 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 a a a b 0,0 Inverno Verão

79 LPO Controle Poluído Lutjanus synagris b a a a Inverno Verão Peroxidação lipídica (nmoles CHP/g tecido úmido)

80 Atividade colinesterásica Micropogonias furnieri - RS * Atividade Esp pecífica nmol/mg de prot teínas/min Controle Poluído Ambiente

81 Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Toxicologia Aquática (INCT-TA) CONCLUSÃO Os biomarcadores de exposição e de efeito podem ser utilizados com sucesso no monitoramento da qualidade ambiental. No entanto, algumas precauções devem ser consideradas, tais como escolha da espécie monitora e do biomarcador a ser analisado (especificidade e variabilidade).

82 Alternativas para o monitoramento da qualidade das águas MODELO DO LIGANTE BIÓTICO (BLM) FORMAÇÃO DE COMPLEXOS METÁLICOS cátions LIGAÇÃO COMPETITIVA NOS SÍTIOS ATIVOS ânions dureza

83 Situação atual e perspectivas futuras MODELO DO LIGANTE BIÓTICO (BLM) FORMAÇÃO DE COMPLEXOS METÁLICOS cátions ânions dureza

84 Situação atual e perspectivas futuras Rede brasileira de monitoramento de qualidade de água Fonte: SIH / ANEEL, estações - 4/5 amostragens por ano - avaliação de diversos parâmetros físico-químicos

85 Situação atual e perspectivas futuras Base de dados (redes estaduais e regionais): - Bahia 205 estações - Minas Gerais 242 estações - Pernambuco 6 estações - Rio de Janeiro 40 estações - Rio Grande do Sul 70 estações - Santa Catarina 30 estações - São Paulo 149 estações TOTAL: 742 estações

86 Situação atual e perspectivas futuras State Temp o C ph Cl mg/l min max min max min max Bahia Minas Gerais Pernambuco Rio de Janeiro Rio Grande do Sul Santa Catarina São Paulo

87 Situação atual e perspectivas futuras State Alcalinity - mg/l Hardness - mg/l DOC - mg/l min max min max min max Bahia Minas Gerais Pernambuco Rio de Janeiro Rio Grande do Sul Santa Catarina São Paulo

88 Situação atual e perspectivas futuras State Ca mg/l Na mg/l K mg/l min max min max min max Bahia Minas Gerais Pernambuco Rio de Janeiro Rio Grande do Sul Santa Catarina São Paulo

89 Situação atual e perspectivas futuras MODELO DO LIGANTE BIÓTICO (BLM) LIGAÇÃO COMPETITIVA NOS SÍTIOS ATIVOS

90 Situação atual e perspectivas futuras ENSAIOS ECOTOXICOLÓGICOS TESTE DE TOXICIDADE - Tempo - Contaminante - Controle - Organismos - Condições constantes Resposta:?

91 Situação atual e perspectivas futuras Expressões dos Efeitos Tóxicos CE 50 = concentração efetiva que afeta 50% da população CL 50 = concentração letal para 50% da população CENO = concentração de efeito não observado CEO = concentração de efeito observado Mortalidade (%) CL50 Concentração Metal

92 TESTES DE TOXICIDADE NO BRASIL: SITUAÇÃO ATUAL

93 Ecotoxicologi a Química Biologia BIOMARCADORES BASE DE DADOS TOXICOLÓGICOS

94 Parâmetros ecotoxicológicos NOEC ou LOEC IC 25, IC 50 EC 15, EC 50 desenvolvimento anormal LC 50 ou letalidade LT 50 Contaminantes Hidrocarbonetos Pesticidas Metais traços Efluentes Espécies testadas Moluscos Crustáceos Equinodermos Peixes

95

96 Planilha de base de dados

97 Toxicity tests aiming to protect Brazilian aquatic systems: current status and implications for management Samantha Eslava Martins & Adalto Bianchini To be submitted to Journal Integrated Environmental Assessment and Management

98 Situação atual e perspectivas futuras 50 To otal research (%) Metals Acidity Pesticides Hydrocarbons Effluents 10 0 Mollusk Crustacean Echinoderm Fish Animal Group Distribuição dos testes de toxicidade no Brasil de acordo com os organismos testes utilizados e os respectivos contaminantes testados..

99 DISTRIBUIÇÃO DOS TESTES ECOTOXICOLÓGICOS NO BRASIL Toxicidade Bioacumulação Ausência de testes Maioria no Sul e Sudeste Pantanal e Norte - bioacumulação

100 Situação atual e perspectivas futuras 2.82% 11.27% 0% Distribuição dos testes de toxicidade (peixes, crustáceos, equinodermos e moluscos). 33.8% 49.3%

101 Situação atual e perspectivas futuras PONTOS IMPORTANTES - Uso de espécies nativas Desenvolvimento de protocolos padronizados - Seleção de espécies chaves para cada grande ecossistema - Diferentes espécies = diferentes sensibilidades - Falta de dados no Nordeste, Norte e Centro-Oeste mais pesquisa é necessária - Diversificar o grupo de animais estudados - Estabelecer regulação nacional e regional com base em espécies representativas de cada grande ecossistema

102 Situação atual e perspectivas futuras Escolha do Organismo teste: Representatividade Importância ecológica Facilidade de manutenção em laboratório Estabilidade genética (populações uniformes)

103 Situação atual e perspectivas futuras Distribuição de Sensibilidade de Espécies (SSD) Proteção de toda a comunidade (Newman et al. 2000) Holoplâncton Moluscos Meroplâncton Equinodermos SSD Macrocrustáceos Peixes

104 Situação atual e perspectivas futuras Distribuição de Sensibilidade de Espécies (SSD) SMAV - Valores agudos médios das espé écies (µg/l) FAV (Valor agudo final) = 12,4 µg Cu/L CMC (Concentração máxima do critério) = FAV/2 = 6,2 µg Cu/L FCV (valor crônico final) = FAV/ACR 5% MEA AT 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 TM MM AC Probabilidade Cumulativa (%) FP Equinodermos Moluscos Crustáceos Decápodes Crustáceos Holoplanctônicos Peixes Martins (2008)

105 Situação atual e perspectivas futuras Aplicações do BLM em Regulamentação Padrões baseados na [metal] dissolvido Inserção do BLM Estimativa das espécies tóxicas biodisponibilidade Variação das condições ambientais Permite verificar a biodisponibilidade do metal em uma ampla faixa de condições ambientais, sem a necessidade da execução de mais testes SÍTIO-ESPECÍFICA US-EPA - Padrão de qualidade de água doce para o cobre

106 Situação atual e perspectivas futuras Aplicações do BLM - Predição da toxicidade aguda - Assimilação de metais a partir da fase dissolvida (contato com o ambiente externo) - Biodisponibilidade e toxicidade de metais em ambientes de água doce

107 Situação atual e perspectivas futuras Aplicações do BLM - Avaliação de risco ecológico - Caracterização do ambiente - Avaliação da Exposição - Avaliação de Efeitos - Caracterização do risco - Refinamento de Padrões de qualidade de água

108 Situação atual e perspectivas futuras Regulamentação no Brasil Perspectivas - Padrões sítio-específicos BLM Fonte:

109 Situação atual e perspectivas futuras Perspectivas Futuras - Modelar a assimilação de metais via dieta - Modelar a toxicidade crônica de metais - Extender o BLM para ambientes estuarinos e marinhos - Divulgar esta ferramenta - Basear a emissão de metais levando em consideração as características particulares de cada recurso hídrico BLM

110 OBRIGADO!