La bioconcentración es la acumulación de una sustancia química dentro o sobre un organismo cuando la fuente de la sustancia química es únicamente agua. [1] Bioconcentración es un término que se creó para su uso en el campo de la toxicología acuática . [1] La bioconcentración también se puede definir como el proceso por el cual una concentración química en un organismo acuático excede la concentración en el agua como resultado de la exposición a una sustancia química en el agua. [2]
Hay varias formas de medir y evaluar la bioacumulación y la bioconcentración. Estos incluyen: coeficientes de partición octanol-agua (K OW ), factores de bioconcentración (BCF), factores de bioacumulación (BAF) y factor de acumulación de biota-sedimento (BSAF). Cada uno de estos se puede calcular utilizando datos empíricos o mediciones, así como a partir de modelos matemáticos . [3] Uno de estos modelos matemáticos es un modelo BCF basado en fugacidad desarrollado por Don Mackay . [4]
El factor de bioconcentración también se puede expresar como la relación entre la concentración de una sustancia química en un organismo y la concentración de la sustancia química en el entorno circundante . El BCF es una medida del grado de intercambio de sustancias químicas entre un organismo y el entorno circundante. [5]
En el agua superficial, el BCF es la relación entre la concentración de una sustancia química en un organismo y la concentración acuosa de la sustancia química. El BCF se expresa a menudo en unidades de litro por kilogramo (proporción de mg de sustancia química por kg de organismo a mg de sustancia química por litro de agua). [6] BCF puede ser simplemente una relación observada, o puede ser la predicción de un modelo de partición. [6] Un modelo de partición se basa en suposiciones de que los productos químicos se dividen entre el agua y los organismos acuáticos, así como en la idea de que existe un equilibrio químico entre los organismos y el medio acuático en el que se encuentran [6]
Cálculo
La bioconcentración se puede describir mediante un factor de bioconcentración (BCF), que es la relación entre la concentración química en un organismo o biota y la concentración en el agua: [2]
Los factores de bioconcentración también pueden estar relacionados con el coeficiente de partición octanol-agua, K ow . El coeficiente de partición octanol-agua (K ow ) se correlaciona con el potencial de bioacumulación de una sustancia química en los organismos; el BCF se puede predecir a partir de log K ow , mediante programas informáticos basados en la relación estructura-actividad (SAR) [7] o mediante la ecuación lineal :
Dónde:
en equilibrio
Capacidad de fugacidad
La fugacidad y el BCF se relacionan entre sí en la siguiente ecuación:
donde Z Pez es igual a la capacidad de fugacidad de una sustancia química en el pez, P Pez es igual a la densidad del pez (masa / longitud 3 ), BCF es el coeficiente de partición entre el pez y el agua (longitud 3 / masa) y H es igual a la constante de la ley de Henry (Longitud 2 / Tiempo 2 ) [6]
Ecuaciones de regresión para estimaciones en peces
Ecuación | Productos químicos utilizados para obtener la ecuación | Especies utilizadas |
---|---|---|
84 | Fathead Minnow , Bluegill Sunfish, Trucha arco iris , Mosquitofish | |
[4] | 44 | Varios |
36 | Trucha de arroyo , trucha arco iris , pez luna agallas azules, pececillo de cabeza gorda , carpa | |
[9] | 7 | Varios |
13 | Varios |
Usos
Usos reglamentarios
Mediante el uso del PBT Profiler y el uso de los criterios establecidos por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos en virtud de la Ley de Control de Sustancias Tóxicas (TSCA), se considera que una sustancia no es bioacumulativa si tiene un BCF inferior a 1000, bioacumulativa si tiene un BCF de 1000 a 5000 [10] y muy bioacumulativo si tiene un BCF superior a 5000. [10]
Los umbrales según REACH son un BCF de> 2000 L / kg bzw. para el criterio B y 5000 L / kg para el criterio vB. [11]
Aplicaciones
Un factor de bioconcentración mayor que 1 es indicativo de una sustancia química hidrófoba o lipófila . Es un indicador de la probabilidad de que una sustancia química se bioacumule . [1] Estos químicos tienen altas afinidades por los lípidos y se concentrarán en tejidos con alto contenido de lípidos en lugar de en un ambiente acuoso como el citosol . Los modelos se utilizan para predecir la partición química en el medio ambiente, lo que a su vez permite predecir el destino biológico de las sustancias químicas lipofílicas. [1]
Modelos de partición de equilibrio
Basado en un supuesto escenario de estado estacionario, el destino de una sustancia química en un sistema se modela dando fases y concentraciones de punto final pronosticadas. [12]
Debe tenerse en cuenta que alcanzar el estado estable puede requerir una cantidad considerable de tiempo, según se estima utilizando la siguiente ecuación (en horas). [13] [14]
Para una sustancia con un log (K OW ) de 4, se necesitan aproximadamente cinco días para alcanzar un estado estable efectivo. Para un log (K OW ) de 6, el tiempo de equilibrio aumenta a nueve meses.
Modelos de fugacidad
La fugacidad es otro criterio predictivo para el equilibrio entre fases que tiene unidades de presión. Es equivalente a la presión parcial para la mayoría de los propósitos ambientales. Es la propensión a la fuga de un material. [1] El BCF se puede determinar a partir de los parámetros de salida de un modelo de fugacidad y, por lo tanto, se puede utilizar para predecir la fracción de sustancia química que interactúa inmediatamente con un organismo y que posiblemente tenga un efecto sobre él.
Modelos de redes alimentarias
Si se dispone de valores de fugacidad específicos de un organismo , es posible crear un modelo de red alimentaria que tenga en cuenta las redes tróficas . [1] Esto es especialmente pertinente para los productos químicos conservadores que no se metabolizan fácilmente en productos de degradación. La biomagnificación de sustancias químicas conservadoras, como metales tóxicos, puede ser perjudicial para los depredadores ápice como las ballenas orca , el águila pescadora y el águila calva .
Aplicaciones a la toxicología
Predicciones
Los factores de bioconcentración facilitan la predicción de los niveles de contaminación en un organismo en función de la concentración química en el agua circundante. [12] El BCF en este entorno solo se aplica a los organismos acuáticos. Los organismos que respiran aire no absorben productos químicos de la misma manera que otros organismos acuáticos. Los peces, por ejemplo, absorben sustancias químicas por ingestión y gradientes osmóticos en las laminillas branquiales . [6]
Cuando se trabaja con macroinvertebrados bentónicos , tanto el agua como los sedimentos bentónicos pueden contener sustancias químicas que afectan al organismo. El factor de acumulación de sedimentos biológicos (BSAF) y el factor de biomagnificación (BMF) también influyen en la toxicidad en los medios acuáticos.
El BCF no tiene en cuenta explícitamente el metabolismo, por lo que debe agregarse a los modelos en otros puntos mediante ecuaciones de absorción, eliminación o degradación para un organismo seleccionado.
Carga corporal
Las sustancias químicas con valores altos de BCF son más lipofílicas y, en el equilibrio, los organismos tendrán mayores concentraciones de sustancias químicas que otras fases del sistema. La carga corporal es la cantidad total de sustancia química en el cuerpo de un organismo, [12] y la carga corporal será mayor cuando se trata de una sustancia química lipófila.
Factores biologicos
Al determinar el grado en el que se produce la bioconcentración, deben tenerse en cuenta los factores biológicos. La velocidad a la que un organismo se expone a través de las superficies respiratorias y el contacto con las superficies dérmicas del organismo compite con la velocidad de excreción de un organismo. La tasa de excreción es una pérdida de sustancias químicas de la superficie respiratoria, dilución del crecimiento, excreción fecal y biotransformación metabólica . [15] La dilución del crecimiento no es un proceso real de excreción, sino que debido al aumento de la masa del organismo mientras la concentración del contaminante permanece constante, se produce la dilución.
La interacción entre entradas y salidas se muestra aquí:
[15]
Las variables se definen como:
C B es la concentración en el organismo (g * kg −1 ). [15] t representa una unidad de tiempo (d −1 ). [15] k 1 es la constante de velocidad para la absorción química del agua en la superficie respiratoria (L * kg −1 * d −1 ). [15] C WD es la concentración química disuelta en agua (g * L −1 ). [15] k 2 , k E , k G , k B son constantes de velocidad que representan la excreción del organismo desde la superficie respiratoria, la excreción fecal, la transformación metabólica y la dilución del crecimiento (d −1 ). [15]
Las variables estáticas también influyen en el BCF. Debido a que los organismos se modelan como bolsas de grasa, la relación entre lípidos y agua es un factor que debe tenerse en cuenta. [6] El tamaño también juega un papel, ya que la relación superficie / volumen influye en la tasa de absorción del agua circundante. [15] La especie en cuestión es un factor principal que influye en los valores de BCF debido a que determina todos los factores biológicos que alteran un BCF. [6]
Parámetros ambientales
Temperatura
La temperatura puede afectar la transformación metabólica y la bioenergética. Un ejemplo de esto es que el movimiento del organismo puede cambiar, así como las tasas de excreción. [15] Si un contaminante es iónico, el cambio de pH que se ve influenciado por un cambio de temperatura también puede influir en la biodisponibilidad [1]
Calidad del agua
El contenido de partículas naturales y el contenido de carbono orgánico en el agua pueden afectar la biodisponibilidad. El contaminante puede unirse a las partículas en el agua, lo que dificulta su absorción, además de ser ingerido por el organismo. Esta ingestión podría consistir en partículas contaminadas que harían que la fuente de contaminación fuera más que solo agua. [15]
Referencias
- ↑ a b c d e f g Landis WG, Sofield RM, Yu MH (2011). Introducción a la Toxicología Ambiental: Estructuras Moleculares a Paisajes Ecológicos (Cuarta ed.). Boca Raton, FL: CRC Press. págs. 117-162. ISBN 978-1-4398-0410-0.
- ^ a b c Gobas FAPC ; Morrison HA (2000). "Biococentración y biomagnificación en el medio acuático". En Boethling RS; Mackay D (eds.). Manual de métodos de estimación de propiedades para productos químicos: ciencias ambientales y de la salud . Boca Raton, FL, Estados Unidos: Lewis. págs. 189–231.
- ^ Arnot, Jon A .; Frank APC Gobas (2004). "Un modelo de bioacumulación de la red alimentaria de productos químicos orgánicos en ecosistemas acuáticos". Toxicología y Química Ambiental . 23 (10): 2343–2355. doi : 10.1897 / 03-438 .
- ^ a b Mackay, Don (1982). "Correlación de factores de bioconcentración". Ciencia y Tecnología Ambiental . 16 (5): 274–278. doi : 10.1021 / es00099a008 .
- ^ "Capítulo 173-333 WAC Toxinas bioacumulativas persistentes" (PDF) . Departamento de Ecología . Archivado desde el original (PDF) el 9 de febrero de 2017 . Consultado el 6 de febrero de 2012 .
- ^ a b c d e f g h Hemond, Harold (2000). Destino químico y transporte en el medio ambiente . San Diego, CA: Elsevier. págs. 156-157. ISBN 978-0-12-340275-2.
- ^ EPA. "Categoría de nuevas sustancias químicas persistentes, bioacumulativas y tóxicas" . Documentos ambientales del Registro Federal . USEPA . Consultado el 3 de junio de 2012 .
- ^ Bergen, Barbara J .; William G. Nelson; Richard J. Pruell (1993). "Bioacumulación de congéneres de PCB por mejillones azules ( Mytilus edulis ) desplegados en New Bedford Harbor, Massachusetts". Toxicología y Química Ambiental . 12 : 1671-1681. doi : 10.1002 / etc.5620120916 .
- ^ Chiou CT, Freed VH, Schmedding DW, Kohnert RL (1977). "Coeficiente de partición y bioacumulación de productos químicos orgánicos seleccionados". Ciencia y Tecnología Ambiental . 29 (5): 475–478. doi : 10.1021 / es60128a001 .
- ^ a b "Criterios de bioacumulación" . Archivado desde el original el 1 de mayo de 2016 . Consultado el 3 de junio de 2012 .
- ^ Orientación sobre los requisitos de información y la evaluación de la seguridad química: Capítulo R.11: Evaluación PBT (Versión 1.1) , 2012, p. 15
- ^ a b c Rand, Gary (1995). Fundamentos de la toxicología acuática . Boca Ratón: CRC Press. págs. 494–495. ISBN 978-1-56032-091-3.
- ^ DIRECTRICES DE LA OCDE PARA PRUEBAS DE PRODUCTOS QUÍMICOS: Prueba No. 305: Bioacumulación en peces: Exposición acuosa y dietética, S. 56, doi: 10.1787 / 9789264185296-en
- ^ Hawker DW y Connell DW (1988), Influencia del coeficiente de partición de compuestos lipofílicos en la cinética de bioconcentración con peces. Wat. Res. 22: 701–707, doi: 10.1016 / 0043-1354 (88) 90181-9 .
- ^ a b c d e f g h yo j Arnot, Jon A; Gobas, Frank APC (2006). "Una revisión de las evaluaciones del factor de bioconcentración (BCF) y factor de bioacumulación (BAF) para productos químicos orgánicos en organismos acuáticos". Revisiones ambientales . 14 (4): 257-297. doi : 10.1139 / a06-005 .
enlaces externos
- Generador de perfiles PBT
- Ruth "El martillo" Sofield
- Contaminantes orgánicos persistentes
- agencia de Proteccion Ambiental de los Estados Unidos