Ecotoxicología: matemáticas ao rescate do medio ambiente
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
Acción humana e contaminación
O coñecemento de todo o percorrido dos nosos residuos e a súa incidencia nas poboacións humanas é normalmente imposible debido aos factores implicados e á nosa incapacidade paira xestionalos. Con todo, existen algúns seres vivos que poden contribuír a que a súa supervivencia require dunhas condicións específicas na contorna, no que a súa presenza ou ausencia nun ecosistema é un indicador da súa calidade. Coñécense como indicadores biolóxicos ou bioindicadores. Paira estudar a nocividad dalgúns compostos, estes poden entrar en contacto con poboacións illadas de bioindicadores. A información así obtida pode contribuír a mellorar a xestión dos residuos da nosa industria, así como a reducir o seu impacto ambiental.
A chegada diaria de contaminantes aos medios acuáticos é inmensa, tanto en grandes vertidos (contaminación puntual) como a través de filtracións e verteduras continuas menores e imprecisos (contaminación difusa). Estes últimos, a pesar de non ser tan espectaculares, son tan nocivos como os demais e son máis difíciles de controlar. Realízase una revisión continua da listaxe de compoñentes potencialmente perigosos e das doses mínimas de posible impacto ambiental. No entanto, cada ano comercialízanse miles de novos produtos (pesticidas, velenos de herba, compostos químicos paira usos industriais, etc.). Ao mesmo tempo, son cada vez máis abundantes as evidencias científicas de afección ao medio ambiente en cantidades inferiores ás mínimas legalmente recoñecidas, así como as que até entón non se consideraban prexudiciais.
Outro exemplo son os compostos químicos de cremas solares e outros produtos cosméticos recentemente atopados nos ríos. Estas sustancias pasan aos ríos a través de augas residuais (a maioría dos filtros actuais non os frean) e son disruptores endocrinos, é dicir, afectan o sistema endocrino dos seres vivos, que alteran o seu desenvolvemento, reprodución ou supervivencia, afectando así á biodiversidade do ecosistema.
En definitiva, o estudo de impacto ambiental dos compostos químicos utilizados polo home fai imprescindible a investigación e os controis permanentes. O método máis coñecido é a análise física-químico, que consiste na toma de mostras de auga e a análise da variables da auga (pH, temperatura, dureza, etc.) tras varios procedementos, así como a existencia de compostos químicos seleccionados polo seu perigo (por iso é importante revisar periodicamente a lista destes compostos perigosos). É un recurso imprescindible que nos ofrece una "foto" da estado da auga no momento da mostraxe.
No entanto, como se indicou, pode ocorrer que algunhas sustancias nocivas presentes na auga aínda non estean incluídas nas listas de control ou que non haxa análise químicos paira ditas sustancias. Tamén é posible que a vertedura se produza unhas semanas antes da mostraxe, xa que non quedarían restos na auga, pero produciríase un gran impacto sobre as poboacións de organismos especialmente sensibles a este composto. A análise física-químicos indican a situación nun momento dado, o que se compensa co seguimento do estado biolóxico das augas. Analízase a presenza e poboación dos seres vivos seleccionados pola súa sensibilidade á contaminación. Son os bioindicadores mencionados anteriormente. Entre estes bioindicadores atópanse algas, peces e artrópodos. Por exemplo, os macroinvertebrados bentónicos ou bentónicos (larvas de mosquitos, pequenos crustáceos, moluscos...) constitúen un grupo de especial interese: o seu tamaño facilita a mostraxe, pasan gran parte do seu ciclo de vida en sedimentos (lugar habitual de acumulación de residuos), ocupan un lugar fundamental na cadea trófica e a súa supervivencia é moi adecuada paira estudar os cambios posteriores ás verteduras. A sensibilidade á contaminación non é a mesma paira todas as especies nin paira todos os compostos. Por tanto, o predominio dunha ou outra especie, así como a diversidade de especies atopadas, axudan a identificar a orixe da contaminación.
Un exemplo próximo é: A Axencia Vasca da auga estableceu una rede de seguimento do estado das masas de auga superficiais da CAPV mediante controis periódicos nas estacións de mostraxe seleccionadas en toda a Comunidade. Realízanse estudos físico-químicos, biolóxicos e ecolóxicos, xa que a comparación de todos estes aspectos permite obter una imaxe real do estado das nosas augas. Una das estacións de mostraxe atópase no arroio Iñurritza de Zarautz. En 2010 o estado físico-químico deste pequeno río foi cualificado como "bo", xa que aínda que se descubriron fenoles, fluoruros, amonio e cobre, as súas cantidades non superaban a norma de calidade. Pero o estudo biolóxico, entre outras cousas, atopou lagoas nas poboacións dos macroinvertebrados; tamén se observaron variacións estacionales, así como a escasa presenza de especies máis sensibles e o predominio do mosquito de Chironomus riparius. Tras a análise de todas estas condicións observouse a presenza de falta de osíxeno e contaminación orgánica de orixe descoñecida. Este resultado xunto ás alteracións do estado hidromorfológico (vexetación de ribeira, canle, caudal de auga, etc.) foi o motivo da cualificación de “Estado Ecolóxico Deficiente”, a pesar da boa situación físico-química.
Medida de nocividad de tóxicos
Segundo o devandito até agora, como debemos medir o efecto dos tóxicos en diferentes lugares paira evitar os problemas mencionados? Seguindo as instrucións das guías editadas polo Consello de Europa, a Organización paira a Cooperación e o Crecemento Económico (OECD) e organismos oficiais similares, realízanse ensaios en laboratorio a diferentes doses e recóllese a resposta de organismos bioindicadores como mortalidade, crecemento, reprodución e bioacumulación.
Ademais de obter os datos necesarios paira establecer os límites legalmente permitidos, estes ensaios axudan a comprender a influencia da sustancia no organismo a través de parámetros de absorción, distribución, metabolismo e eliminación, como se fai nos estudos farmacolóxicos que levan a cabo desde hai décadas na industria farmacéutica cando investigan un novo compoñente activo.
Revisemos a situación: o enorme número de sustancias nocivas en constante aumento e que deben medirse na carreira contrarreloxo, a extensa lista de indicadores biolóxicos --algúns dos cales aínda non se entende completamente a fisiología - e numerosos escenarios: verteduras puntuais, crónicos, mesturas de compostos que poden influír sinérgicamente... Paira analizar todas estas combinacións nunha orde debemos recorrer ás matemáticas.
Una das mellores achegas dos últimos anos foi o uso de modelos matemáticos e simulación por computador aplicados ao estudo de ecosistemas. Os modelos matemáticos de ecotoxicología non necesitan grandes cantidades de datos, tanto de campo como de laboratorio, paira atopar fórmulas matemáticas que indiquen a influencia do tóxico nun ou varios organismos. Isto axuda a coñecer de antemán os efectos dun determinado produto sobre un determinado ecosistema e, nalgúns casos, a tomar decisións adecuadas, e non só a tomar decisións que axuden a establecer límites legais. Supoñamos, por exemplo, que a vertedura nun río implica a elección dun produto de neutralización ou un procedemento de limpeza. Un modelo adecuado simularía todas as opcións e axudaríanos a elixir o procedemento con menor impacto ambiental. A simulación tamén permite analizar situacións imaxinarias. En máis dunha ocasión recóllense resultados inesperados que abren a porta a novos enfoques e formulacións non contempladas inicialmente.
Modelos e Simulación en Ecotoxicología
En ecotoxicología, a estatística é o punto de partida paira a formulación de modelos matemáticos. Paira iso é necesario tomar datos experimentais, crear a expresión matemática que será este modelo matemático e buscar parámetros que se adapten aos datos. Atopar esta expresión matemática, é dicir, una función matemática adecuada que explique o modelo, é o paso máis difícil neste proceso. A miúdo comeza coa distribución exponencial normal e vaise modificando progresivamente até conseguir un axuste óptimo dos datos. Por exemplo, cambiando a distribución exponencial simple, podemos chegar á distribución de Weibull (reafirmando o propio expoñente cun parámetro), ou á distribución de Gonperas (con outro exponencial no expoñente), entre outros. Ás veces, a natureza dos datos obtidos é tan especial que conseguir a súa distribución pode ser una tarefa moi difícil. Nestes casos, as probas realízanse coas combinacións das distribucións anteriormente citadas ou outras. A miúdo tamén se utilizan divisións independentes do exponencial. Si por primeira vez proponse una combinación ou función paira un problema concreto, se o resultado é exitoso, a expresión terminará por tomar o nome do seu descubridor.
Os parámetros de axuste da distribución seleccionada están normalmente relacionados con variables coñecidas. Por exemplo, a EC50, a dose ou concentración necesaria para que o efecto obxecto de estudo prodúzase no 50% da poboación. Noutras ocasións é máis difícil dar sentido biolóxico a todos os parámetros do modelo.
Paira superar estas dificultades hai outra vía de modelización que recolle a fisiología e o metabolismo dos organismos estudados. Por iso, os seguintes modelos coñécense como "modelos toxicolóxicos baseados na fisiología" (PBTK en inglés: Phisiology Based ToxikoKinetic models). Trátase, por tanto, dunha técnica máis sofisticada que se aplica nos seguintes casos: o ser divídese en compartimentos, ás veces uno, ás veces máis dun, e estúdase como pasa o tóxico por estes compartimentos, obtendo as taxas de metabolismo, absorción, distribución e eliminación antes mencionadas. No caso de mamíferos ou peixes a fisiología é máis coñecida, pero esta técnica convértese nun verdadeiro reto cando tratamos de aplicala a certos invertebrados. É paradoxal que os datos reducidos destes animais fan necesario o modelo.
Outra forma de expor os modelos é relacionalos cos efectos que producen a estrutura molecular dos tóxicos paira poder extrapolarlos a outros tóxicos de estrutura molecular similar. Estas estruturas son modelos de "relación cuantitativa estrutura de actividades" (en inglés, QSAR: Quantitative Structure Activity Relationship). A relación obtense xestionando grandes cantidades de datos, inicialmente mediante regresión estatística e, na actualidade, con axuda da computación, utilizando redes neuronais artificiais.
Por tanto, se se valora o modelo que se realiza cunha cantidade limitada de datos, é dicir, se se demostra que serve paira expresar ou predicir outros datos experimentais, o seguinte paso será realizar simulacións. É dicir, podemos modificar algúns parámetros do modelo paira ver a influencia desta variación noutros parámetros. Ou analizar a evolución de todos os parámetros ao longo do tempo paira comprender o efecto a longo prazo do tóxico no organismo seleccionado.
Conclusións
A pesar de que a actividade humana supón en moitas ocasións a degradación dos ecosistemas, na actualidade contamos con recursos matemáticos eficaces paira estudar este efecto. A identificación dos indicadores biolóxicos dos diferentes ecosistemas, así como a súa descrición a nivel funcional e orgánico, pode ser imprescindible paira frear a deterioración do medio ambiente. Si somos capaces de comprender os efectos sobre bioindicadores utilizando modelos matemáticos concretos, poderemos deseñar estratexias adecuadas paira evitar ou procesar tóxicos que permitan un desenvolvemento sustentable da actividade humana.
Bibliografía
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
