Ecotoxicologia: matemàtiques al rescat del medi ambient
2012/06/01 Urien, Josune - Urrutiko Hezkuntzarako Unibertsitate Nazionaleko irakasle-tutorea (UNED), Bergarako ikastetxe elkartuan; Kantabriako UnibertsitateaSimulazioan eta eredu matematikoen aplikazioetan aditua | Gil-Merino, Rodrigo - Urrutiko Hezkuntzarako Unibertsitate Nazionaleko irakasle-tutorea (UNED), Bergarako ikastetxe elkartuan; Kantabriako UnibertsitateaSimulazioan eta eredu matematikoen aplikazioetan aditua Iturria: Elhuyar aldizkaria
Acció humana i contaminació
El coneixement de tot el recorregut dels nostres residus i la seva incidència en les poblacions humanes és normalment impossible a causa dels factors implicats i a la nostra incapacitat per a gestionar-los. No obstant això, existeixen alguns éssers vius que poden contribuir al fet que la seva supervivència requereix d'unes condicions específiques en l'entorn, en el qual la seva presència o absència en un ecosistema és un indicador de la seva qualitat. Es coneixen com a indicadors biològics o bioindicadors. Per a estudiar la nocivitat d'alguns compostos, aquests poden entrar en contacte amb poblacions aïllades de bioindicadors. La informació així obtinguda pot contribuir a millorar la gestió dels residus de la nostra indústria, així com a reduir el seu impacte ambiental.
L'arribada diària de contaminants als mitjans aquàtics és immensa, tant en grans abocaments (contaminació puntual) com a través de filtracions i abocaments continus menors i imprecisos (contaminació difusa). Aquests últims, malgrat no ser tan espectaculars, són tan nocius com els altres i són més difícils de controlar. Es realitza una revisió contínua del llistat de components potencialment perillosos i de les dosis mínimes de possible impacte ambiental. No obstant això, cada any es comercialitzen milers de nous productes (pesticides, verins d'herba, compostos químics per a usos industrials, etc.). Al mateix temps, són cada vegada més abundants les evidències científiques d'afecció al medi ambient en quantitats inferiors a les mínimes legalment reconegudes, així com les que fins llavors no es consideraven perjudicials.
Un altre exemple són els compostos químics de cremes solars i altres productes cosmètics recentment trobats en els rius. Aquestes substàncies passen als rius a través d'aigües residuals (la majoria dels filtres actuals no els frenen) i són disruptors endocrins, és a dir, afecten el sistema endocrí dels éssers vius, que alteren el seu desenvolupament, reproducció o supervivència, afectant així la biodiversitat de l'ecosistema.
En definitiva, l'estudi d'impacte ambiental dels compostos químics utilitzats per l'home fa imprescindible la recerca i els controls permanents. El mètode més conegut és l'anàlisi física-químic, que consisteix en la presa de mostres d'aigua i l'anàlisi de les variables de l'aigua (pH, temperatura, duresa, etc.) després de diversos procediments, així com l'existència de compostos químics seleccionats per la seva perillositat (per això és important revisar periòdicament la llista d'aquests compostos perillosos). És un recurs imprescindible que ens ofereix una "foto" de l'estat de l'aigua en el moment del mostreig.
No obstant això, com s'ha indicat, pot ocórrer que algunes substàncies nocives presents en l'aigua encara no estiguin incloses en les llistes de control o que no hi hagi anàlisis químiques per a aquestes substàncies. També és possible que l'abocament es produeixi unes setmanes abans del mostreig, ja que no quedarien restes en l'aigua, però es produiria un gran impacte sobre les poblacions d'organismes especialment sensibles a aquest compost. Les anàlisi física-químics indiquen la situació en un moment donat, la qual cosa es compensa amb el seguiment de l'estat biològic de les aigües. S'analitza la presència i població dels éssers vius seleccionats per la seva sensibilitat a la contaminació. Són els bioindicadors esmentats anteriorment. Entre aquests bioindicadors es troben algues, peixos i artròpodes. Per exemple, els macroinvertebrados bentònics o bentònics (larves de mosquits, petits crustacis, mol·luscos...) constitueixen un grup d'especial interès: la seva grandària facilita el mostreig, passen gran part del seu cicle de vida en sediments (lloc habitual d'acumulació de residus), ocupen un lloc fonamental en la cadena tròfica i la seva supervivència és molt adequada per a estudiar els canvis posteriors als abocaments. La sensibilitat a la contaminació no és la mateixa per a totes les espècies ni per a tots els compostos. Per tant, el predomini de l'una o l'altra espècie, així com la diversitat d'espècies oposades, ajuden a identificar l'origen de la contaminació.
Un exemple pròxim és: L'Agència Basca de l'Aigua ha establert una xarxa de seguiment de l'estat de les masses d'aigua superficials de la CAPV mitjançant controls periòdics en les estacions de mostreig seleccionades en tota la Comunitat. Es realitzen estudis físic-químics, biològics i ecològics, ja que la comparació de tots aquests aspectes permet obtenir una imatge real de l'estat de les nostres aigües. Una de les estacions de mostreig es troba en el rierol Iñurritza de Zarautz. En 2010 l'estat físic-químic d'aquest petit riu va ser qualificat com a bo "", ja que encara que es van descobrir fenols, fluorurs, amoni i coure, les seves quantitats no superaven la norma de qualitat. Però l'estudi biològic, entre altres coses, va trobar llacunes en les poblacions dels macroinvertebrados; també es van observar variacions estacionals, així com l'escassa presència d'espècies més sensibles i el predomini del mosquit de Chironomus riparius. Després de l'anàlisi de totes aquestes condicions es va observar la presència de falta d'oxigen i contaminació orgànica d'origen desconegut. Aquest resultat al costat de les alteracions de l'estat hidromorfológico (vegetació de ribera, llit, cabal d'aigua, etc.) va ser el motiu de la qualificació de “Estat Ecològic Deficient”, malgrat la bona situació físic-química.
Mesura de nocivitat de tòxics
Segons el que s'ha dit fins ara, com hem de mesurar l'efecte dels tòxics en diferents llocs per a evitar els problemes esmentats? Seguint les instruccions de les guies editades pel Consell d'Europa, l'Organització per a la Cooperació i el Creixement Econòmic (OECD) i organismes oficials similars, es realitzen assajos en laboratori a diferents dosis i es recull la resposta d'organismes bioindicadors com a mortalitat, creixement, reproducció i bioacumulació.
A més d'obtenir les dades necessàries per a establir els límits legalment permesos, aquests assajos ajuden a comprendre la influència de la substància en l'organisme a través de paràmetres d'absorció, distribució, metabolisme i eliminació, com es fa en els estudis farmacològics que es duen a terme des de fa dècades en la indústria farmacèutica quan investiguen un nou component actiu.
Revisem la situació: l'enorme nombre de substàncies nocives en constant augment i que han de mesurar-se en la carrera contrarellotge, l'extensa llista d'indicadors biològics --alguns dels quals encara no s'entén completament la fisiologia - i nombrosos escenaris: abocaments puntuals, crònics, mescles de compostos que poden influir sinèrgicament... Per a analitzar totes aquestes combinacions en un ordre hem de recórrer a les matemàtiques.
Una de les millors aportacions dels últims anys ha estat l'ús de models matemàtics i simulació per ordinador aplicats a l'estudi d'ecosistemes. Els models matemàtics d'ecotoxicologia no necessiten grans quantitats de dades, tant de camp com de laboratori, per a trobar fórmules matemàtiques que indiquin la influència del tòxic en un o diversos organismes. Això ajuda a conèixer per endavant els efectes d'un determinat producte sobre un determinat ecosistema i, en alguns casos, a prendre decisions adequades, i no sols a prendre decisions que ajudin a establir límits legals. Suposem, per exemple, que l'abocament en un riu implica l'elecció d'un producte de neutralització o un procediment de neteja. Un model adequat simularia totes les opcions i ens ajudaria a triar el procediment amb menor impacte ambiental. La simulació també permet analitzar situacions imaginàries. En més d'una ocasió es recullen resultats inesperats que obren la porta a nous enfocaments i plantejaments no contemplats inicialment.
Models i Simulació en Ecotoxicologia
En ecotoxicologia, l'estadística és el punt de partida per al plantejament de models matemàtics. Per a això és necessari prendre dades experimentals, crear l'expressió matemàtica que serà aquest model matemàtic i buscar paràmetres que s'adaptin a les dades. Trobar aquesta expressió matemàtica, és a dir, una funció matemàtica adequada que expliqui el model, és el pas més difícil en aquest procés. Sovint comença amb la distribució exponencial normal i es va modificant progressivament fins a aconseguir un ajust òptim de les dades. Per exemple, canviant la distribució exponencial simple, podem arribar a la distribució de Weibull (reafirmant el mateix exponent amb un paràmetre), o a la distribució de Gonperas (amb un altre exponencial en l'exponent), entre altres. A vegades, la naturalesa de les dades obtingudes és tan especial que aconseguir la seva distribució pot ser una tasca molt difícil. En aquests casos, les proves es realitzen amb les combinacions de les distribucions anteriorment citades o unes altres. Sovint també s'utilitzen divisions independents de l'exponencial. Si per primera vegada es proposa una combinació o funció per a un problema concret, si el resultat és reeixit, l'expressió acabarà per prendre el nom del seu descobridor.
Els paràmetres d'ajust de la distribució seleccionada estan normalment relacionats amb variables conegudes. Per exemple, l'EC50, la dosi o concentració necessària perquè l'efecte objecte d'estudi es produeixi en el 50% de la població. En altres ocasions és més difícil donar sentit biològic a tots els paràmetres del model.
Per a superar aquestes dificultats hi ha una altra via de modelització que recull la fisiologia i el metabolisme dels organismes estudiats. Per això, els següents models es coneixen com a models "toxicològics basats en la fisiologia" (PBTK en anglès: Phisiology Based ToxikoKinetic models). Es tracta, per tant, d'una tècnica més sofisticada que s'aplica en els següents casos: l'ésser es divideix en compartiments, a vegades un, a vegades més d'un, i s'estudia com passa el tòxic per aquests compartiments, obtenint les taxes de metabolisme, absorció, distribució i eliminació abans esmentades. En el cas de mamífers o peixos la fisiologia és més coneguda, però aquesta tècnica es converteix en un veritable repte quan tractem d'aplicar-la a certs invertebrats. És paradoxal que les dades reduïdes d'aquests animals fan necessari el model.
Una altra manera de plantejar els models és relacionar-los amb els efectes que produeixen l'estructura molecular dels tòxics per a poder extrapolar-los a altres tòxics d'estructura molecular similar. Aquestes estructures són models de relació "quantitativa estructura d'activitats" (en anglès, QSAR: Quantitative Structure Activity Relationship). La relació s'obté gestionant grans quantitats de dades, inicialment mitjançant regressió estadística i, en l'actualitat, amb ajuda de la computació, utilitzant xarxes neuronals artificials.
Per tant, si es valora el model que es realitza amb una quantitat limitada de dades, és a dir, si es demostra que serveix per a expressar o predir altres dades experimentals, el següent pas serà realitzar simulacions. És a dir, podem modificar alguns paràmetres del model per a veure la influència d'aquesta variació en altres paràmetres. O analitzar l'evolució de tots els paràmetres al llarg del temps per a comprendre l'efecte a llarg termini del tòxic en l'organisme seleccionat.
Conclusions
A pesar que l'activitat humana suposa en moltes ocasions la degradació dels ecosistemes, en l'actualitat comptem amb recursos matemàtics eficaços per a estudiar aquest efecte. La identificació dels indicadors biològics dels diferents ecosistemes, així com la seva descripció a nivell funcional i orgànic, pot ser imprescindible per a frenar la deterioració del medi ambient. Si som capaços de comprendre els efectes sobre bioindicadors utilitzant models matemàtics concrets, podrem dissenyar estratègies adequades per a evitar o processar tòxics que permetin un desenvolupament sostenible de l'activitat humana.
Bibliografia
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
