La toxicología ambiental se encarga del estudio de los efectos negativos de diversos agentes químicos, biológicos y físicos en los organismos vivos. Asimismo, estudia evaluar los riesgos de los tóxicos en el medio ambiente.

Definición de toxicología ambiental

La toxicología ambiental se define como los daños causados a los organismos vivos por diferentes sustancias o agentes químicos, llamados tóxicos o contaminantes ambientales.

La toxicología ambiental también se encarga de evaluar los riesgos de los tóxicos en el medio ambiente. ​

Dentro de la toxicología ambiental, podemos diferenciar dos ramas:​

• Toxicología ambiental: es un campo multidisciplinario de la ciencia que se ocupa del estudio de los efectos negativos de diversos agentes químicos, biológicos y físicos en los organismos vivos. ​ ​
• Ecotoxicología: Estudio de los efectos de los tóxicos ambientales sobre la estructura y el funcionamiento de los ecosistemas, considerados de forma integrada.
  • Diversidad.
  • Estabilidad.
  • Bioacumulación, biomagnificación.
  • Adquisición de resistencia.
  • Bioindicadores.

Además, la toxicología ambiental se apoya en ámbitos de estudio de la toxicología:​

• Toxicología analítica (descriptiva): Evaluación de la toxicidad de potenciales tóxicos. Normalmente se realiza sobre animales.
• Toxicología funcional: Examen de los procesos bioquímicos por los que determinados agentes tóxicos tienen un impacto en los organismos y los ecosistemas.
• Toxicología legal: Determinación de usos legales de tóxicos y evaluación de los riesgos ambientales del uso de esos tóxicos.
• Toxicología clínica: Estudia los aspectos de la exposición del hombre a los diferentes tóxicos, los mecanismos como estos actúan en el organismo y las manifestaciones clínicas a que dan lugar, la metodología para su diagnóstico, su prevención y su tratamiento, tomando en consideración todas las ramas de la toxicología y apoyándose en las demás disciplinas médicas.
• Toxicología laboral: Identificación de los agentes tóxicos presentes en el medio ambiente de trabajo y en los modos de producción, determinando los mecanismos de acción de los tóxicos, así como las medidas de prevención, el control de la exposición de los trabajadores y los límites de exposición segura permisibles.
• Toxicología forense: Trata de todos los aspectos médicos y legales de las intoxicaciones y está estrechamente vinculada con la Toxicología Clínica y la Toxicidad Laboral.
• Toxicología bromatológica: Evalúa el control sanitario de los alimentos, generados en la formación del alimento, por el propio alimento o por su fabricante.
• Toxicología farmacéutica: Estudio de las cualidades tóxicas de los medicamentos a corto y largo plazo, márgenes de seguridad y riesgos en su utilización.

¿Qué es un tóxico?

Son agentes químicos o físicos que producen efectos negativos en seres vivos.

Deriva de la palabra griega toxicon (punta de flecha).

Podemos dividir los tóxicos por su origen (mineral, vegetal o animal).

Las toxinas son sustancias tóxicas producidas por seres vivos (microorganismos, plantas o animales). Las producidas por animales también las podemos denominar venenos. Los xenobióticos (xenos significa extraño y bios vida) son las toxinas producidas de forma artificial.

Para estudiar el efecto de los tóxicos ambientales debemos tener en cuenta que la toxicidad va a depender de la dosis, el tiempo de exposición, la naturaleza de la sustancia, y la especificidad del organismo. ​

Además, es necesario conocer la concentración de tóxico que entra en el organismo, las transformaciones que se producen en el metabolismo y en las cantidades en las que se encuentra el contaminante en el cuerpo. Estos estudios pueden realizarse a través de muestreos biológicos o por el uso de biomarcadores.

Para estimar los riesgos que supone a la población la presencia de un tóxico determinado, se utilizan los índices toxicológicos, que se calculan a través de la relación existente entre la dosis del tóxico en cuestión y el índice de respuesta en la población.

El índice toxicológico más utilizado es la Dosis Letal 50 (DL50), es decir, la dosis letal con unidades de miligramos de tóxico por kilogramo de peso del ejemplar que, habiendo sido administrada por vía oral a un grupo, produce la muerte del 50% de la población en un periodo de dos semanas después del tratamiento. ​

Historia de la toxicología ambiental

Rachel Carson está considerada como la madre de la toxicología ambiental, ya que lo convirtió en un campo distinto dentro de la toxicología en 1962 con su libro Silent Spring. Habla sobre los efectos del uso descontrolado de pesticidas. El libro de Carson está basado en una serie de informes de Lucille Farrier Stickel sobre los efectos ecológicos del pesticida DDT. ​

Los organismos pueden estar expuestos a varios tipos de tóxicos en cualquier etapa de su ciclo de vida, siendo unos más sensibles que otros.

La toxicidad también puede variar según su localización en la cadena trófica.

La bioacumulación ocurre cuando un organismo almacena tóxicos en sus tejidos grasos, que puede desarrollar una cascada trófica y la biomagnificación de tóxicos específicos.

La biodegradación libera dióxido de carbono y agua como subproductos al medio ambiente. Este proceso generalmente está limitado en áreas afectadas por tóxicos presentes en el medio.

Los efectos nocivos de agentes químicos y biológicos, como los tóxicos de los contaminantes, insecticidas, pesticidas y fertilizantes pueden afectar a un organismo y su comunidad reduciendo la diversidad de especies y abundancia. Estos cambios en la dinámica de la población afectan al ecosistema reduciendo su productividad y estabilidad.

Aunque la legislación implantada desde principios de los años 70 intentó minimizar los efectos nocivos de las sustancias tóxicas para el medio ambiente, McCarty (2013 ​) advirtió que “existen limitaciones para la implantación de un modelo conceptual simple, que es la base de la ley actual para los protocolos de muestreo de toxicología acuática” pudiendo conducir a una inminente “edad oscura” de la toxicología ambiental.

Fuentes de toxicidad ambiental

PCBs

Los Bifenilos Policlorados (PCB), son contaminantes orgánicos que todavía están presentes en el medio ambiente hoy en día, a pesar de estar prohibidos en muchos países, incluidos EE. UU. y Canadá.

Debido a la persistencia en la naturaleza de los PCBs en los ecosistemas acuáticos, muchas especies acuáticas contienen altos niveles de este químico.

Por ejemplo, el salmón salvaje (Salmo salar) en el Mar Báltico se ha demostrado que tiene niveles significativamente más altos de PCBs que el salmón de piscifactoría, ya que los peces salvajes viven en ambientes mucho más contaminados. ​

Los PCBs pertenecen a un “grupo de químicos orgánicos artificiales conocidos como Hidrocarburos clorados”. ​

Las propiedades químicas y físicas de los PCBs determinan la cantidad y localización del cloro.

A diferencia de otros químicos, no existe forma de identificarlos. ​ El rango de toxicidad no está definido y, debido a que los PCBs tienen ciertas propiedades (estabilidad química, y no inflamabilidad), se han utilizado una cantidad descomunal en prácticas comerciales e industriales.

Algunos de sus usos incluyen: “equipos eléctricos, de transferencia de calor y equipos hidráulicos, plastificantes en pinturas, productos de plástico y caucho y pigmentos, tintes, y papel de copia sin carbón”. ​

Metales pesados

Los metales pesados encontrados en las fuentes de alimentación, como el pescado, también pueden tener efectos nocivos.

Estos metales pueden incluir mercurio, plomo y cadmio.

Se ha demostrado que peces como la trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss) están expuestos a grandes niveles de cadmio y crecen a un ritmo más bajo que los peces expuestos a niveles más expuestos o sin exposición a estos metales. Además, el cadmio puede alterar potencialmente la productividad y comportamiento de estos peces.

Los metales pesados no solo pueden afectar al comportamiento, sino también al genoma de los organismos acuáticos.

En Canadá, un estudio examinó la diversidad genética en la perca amarilla salvaje (Perca flavescens) en varios gradientes de concentración de metales pesados, en lagos contaminados por operaciones mineras.

Los investigadores querían determinar qué efecto tenía la contaminación por metales en las respuestas evolutivas entre las poblaciones de perca amarilla a lo largo del gradiente la diversidad genética.

Se relacionó negativamente con la contaminación de cadmio en el hígado ​ y también tenía una relación con la contaminación por cobre.

Algunas especies acuáticas han desarrollado tolerancias a metales pesados en respuesta a altas concentraciones de metales pesados. Una especie de díptero, Chironomus riparius de la familia Chironomidae, ha evolucionado para volverse tolerante a la toxicidad del cadmio en ambientes acuáticos.

Sus condiciones de vida alteradas, junto con el aumento de excreción del cadmio y el crecimiento bajo exposición de éste, evidencia que Chironomus riparius presenta tolerancia genética a metales pesados. ​

Toxicidad en metales

Los tipos más conocidos de metales pesados incluyen Zinc, Arsénico, Cobre, Plomo, Níquel, Cromo y Cadmio. Todos estos tipos causan ciertos riesgos en la salud humana y ambiental.

Aunque una pequeña cantidad de estos metales puede tener un papel importante, por ejemplo, mantener ciertas funciones bioquímicas y fisiológicas de “organismos vivos, sin embargo, se vuelven nocivos cuando traspasan un umbral”. ​

Los metales pesados forman una gran parte de los contaminantes ambientales y su toxicidad “es un problema de creciente importancia por razones ecológicas, nutricionales, evolutivas y ambientales”.

Arsénico

Es uno de los metales pesados más importantes, causa problemas de salud en el medio ambiente y en seres humanos.

Está “ampliamente disponible en forma de óxidos o sulfuros como, una sal de hierro, cobre, calcio, sodio etc.” ​

También, es el elemento más abundante en la Tierra y sus formas inorgánicas específicas son muy peligrosas para los organismos vivos y medio ambiente.

Los efectos del arsénico en humanos pueden producir cáncer de vejiga, piel, pulmones, e hígado.

Una de las principales áreas en las que los humanos están más expuestos al arsénico, es a través del agua contaminada, que es un problema en más de 30 países en todo el mundo.

Los humanos tienden a encontrar el arsénico en “medios naturales, fuentes industriales y fuentes accidentales”. ​

El agua puede contaminarse por pesticidas arsenicales o simplemente con arsénico de forma natural.

Hay algunos casos en los que el arsénico se ha utilizado en intentos suicidas y puede provocar una intoxicación aguda.

El arsénico “es un veneno protoplástico, ya que afecta principalmente al grupo de células sulfhidrilo causando un mal funcionamiento de la respiración celular, encimas celulares y mitosis”. ​

Plomo

Es otro metal extremadamente tóxico, puede ser y se sabe que es causa de “contaminación ambiental extensa y problemas de salud en muchas partes del mundo”.

La apariencia física del plomo es brillante y de color plata metalizado.

Algunas fuentes de la contaminación del plomo en el medio ambiente incluyen operaciones de chapado de metal y pesca, desechos del suelo, chimeneas de fábricas, fundición de minerales, fertilizantes y pesticidas y muchos más.

A diferencia de otros metales, como el cobre, el plomo solo juega un aspecto fisiológico y no tiene funciones biológicas.

En estados Unidos “se liberan más de 100 a 200.000 toneladas de plomo al año por los gases emitidos por los vehículos” y algunas pueden ser liberadas por las plantas, en el flujo del agua o en la fijación al suelo. ​

Los humanos entran en contacto con el plomo a través de la minería, o la quema de combustibles fósiles. Al arder, el plomo y sus componentes están expuestos al aire, al suelo y al agua.

El plomo puede tener diferentes efectos en el cuerpo y en el sistema nervioso central. Alguien que ha estado en contacto con el plomo puede sufrir incluso una intoxicación aguda o crónica.

En aquellos en los que es aguda, tienen síntomas como “hambre, dolor de cabeza, hipertensión, dolor abdominal, disfunción renal, fatiga, insomnio, artritis, alucinaciones y vértigo.” ​

En el caso de que sea crónica, puede causar síntomas más graves, “retraso mental, defectos de nacimiento, psicosis, autismo, alergias, dislexia, pérdida de peso, hiperactividad, parálisis, debilidad muscular, daño cerebral, daño renal e incluso puede causar la muerte.” ​

Mercurio

Es igual de tóxico que los metales pesados anteriores.

Tiene un color blanco plateado brillante y puede transformarse en un gas incoloro e inodoro cuando se calienta. ​

El mercurio afecta en gran medida al ambiente marino y hay muchos estudios sobre los efectos en el ambiente acuático.

Las principales fuentes por contaminación por mercurio incluyen, “agricultura, eliminación de aguas residuales municipales e industriales, la minería y la incineración,” todas relacionadas con el agua. ​

El mercurio existe de tres formas diferentes, y todas presentes distintos niveles de biodisponibilidad y biotoxicidad. Estas tres formas son compuestos orgánicos, elementos metálicos y sales inorgánicas.

Como ya se ha indicado están presentes en fuentes de agua, como son los océanos, ríos o lagos. Son absorbidos por microorganismos y pasan a la cadena trófica.

Su “biomagnificación provoca perturbaciones importantes en las poblaciones acuáticas”. ​

El mercurio es perjudicial para la vida marina, pero también para el sistema nervioso de los humanos.

La exposición a niveles altos de mercurio puede cambiar muchas funciones cerebrales. Puede “provocar timidez, temblores, problemas de memoria, irritabilidad y cambios en la visión o la audición". ​

Cadmio

Según la clasificación de la ATSDR (Agencia para Registro de Sustancias Tóxicas y Enfermedades).

El cadmio es el séptimo metal pesado más tóxico.

El cadmio es interesante en el momento en el que los humanos están expuestos a él (en el trabajo), o existen en el entorno de los animales, ya que se acumulará en su cuerpo durante toda la vida del ser humano o animal. ​

Aunque el cadmio fue usado para reemplazar al estaño en la primera guerra mundial, y como pigmento de las industrias de la pintura en el pasado, hoy en día se encuentra principalmente en material recargables, el humo del tabaco, y la producción de algunas aleaciones.

Según lo declarado por la ATSDR, en “Estados Unidos más de 500.000 trabajadores se exponen a la toxicidad del cadmio cada año”. También afirman que la mayor exposición al cadmio se produce en China y Japón. ​

Los efectos del cadmio en riñones y huesos son enormes. Puede causar mineralización ósea que “es el proceso de depositar minerales en una matriz del hueso”. ​ Esto puede suceder por disfunción renal, o daño óseo.

Cromo

Es el séptimo elemento más abundante y puede producirse de forma natural cuando se quema petróleo y carbón, liberándose al medio ambiente a través de aguas residuales y fertilizantes.

El cromo se usa en “industrias como la metalurgia, galvanoplastia, producción de pinturas y pigmentos, curtido, preservación de la madera, producción química y producción de pulpa y papel”. ​

La toxicidad del cromo afecta a los “procesos biológicos en plantas como el maíz, el trigo, la cebada, la coliflor y las verduras”.

Causa “clorosis y necrosis en las plantas”. ​

Pesticidas

Los pesticidas son una fuente importante de toxicidad ambiental.

Se sabe que estos agentes sintetizados en el laboratorio persisten en el medio ambiente mucho después de su administración.

La escasa biodegradabilidad de los pesticidas puede llevar a la bioacumulación de estos en los organismos junto con la biomagnificación dentro de la cadena alimentaria.

Los pesticidas pueden clasificarse de acuerdo con las plagas que atacan.

Los insecticidas se usan para eliminar plagas agrícolas que atacan a varias frutas y cultivos.

Los herbicidas se dirigen a plagas de hierbas como malezas y otras plantas no deseadas que reducen la producción de cultivos.

DDT

El diclorodifeniltricloroetano (DDT) es un insecticida organoclorado que ha sido prohibido debido a los afectos adversos tanto en humanos como en la vida silvestre.

Las propiedades de insecticidas del DDT se descubrieron por primera vez en 1939.

Después de este descubrimiento los agricultores utilizaron ampliamente el DDT para combatir las plagas agrícolas como el escarabajo de la patata, la polilla y el gusano del maíz.

En 1962 los efectos adversos del uso generalizado e incontrolado del DDT fueron detallados por Rachel Carson en su libro Silent Spring.

La suma de las grandes cantidades de DDT emitidas junto con su metabolito diclorodifenildicloroetileno (DDE) que se liberaron al medio ambiente fueron tóxicas tanto para los animales como para los humanos.

El DDT no es fácilmente biodegradable y por lo tanto se acumula en el suelo.

Los sistemas acuáticos se contaminan y la vida marina como peces y mariscos acumulan DDT en sus tejidos.

Además, este efecto se amplifica cuando los animales consumen peces también consumen el químico lo que demuestra la biomagnificación dentro de la cadena alimentaria.

El proceso de biomagnificación tiene efectos perjudiciales en varias especies de aves porque el DDT y el DDE se acumulan en sus tejidos induciendo la disminución en la cáscara de huevo. Esto se ha estudiado en los descensos en la población de aves en Europa y América del Norte.

Los humanos que consumen animales o plantas que están contaminados con DDT han experimentado efectos perjudiciales en su salud. Varios estudios han demostrado que el DDT tiene efectos dañinos en el hígado, en el sistema nervioso, y en el aparato reproductor de los humanos.

En 1972, la EPA prohibió el uso de DDT en Estados Unidos. A pesar de la regulación de este pesticida en América todavía se usa en ciertas partes del mundo.

Por ejemplo, se han encontrado rastros de DDT en cantidades notables en un afluente del rio Yangtze, en China, lo que sugiere que el pesticida todavía se usa en esta región.

Aunque el DDT fue prohibido en 1972 muchos de los pesticidas (así como otros químicos) permanecieron en el medio ambiente.

Esto condujo a la casi extensión del Halcón peregrino, Falco peregrinus, ya que se encontraron altos niveles de DDT en “huevos, grasas y tejidos”.

El gobierno trabajó con grupos de conservación ayudándolos a reproducirse fuera del área contaminada. Finalmente, en 1999 estas aves fueran retiradas de la lista de especies de extinción de Estados Unidos. ​

Floruro de sulfirilo

Es un insecticida que se descompone en fluoruro y sulfato cuando se libera al medio ambiente.

Se sabe que el fluoruro afecta negativamente a la vida silvestre acuática.

Los niveles elevados de flúor perjudican a la alimentación y crecimiento de la carpa común (Cyprinus carpio).

La exposición al fluoruro altera el equilibrio de iones, los niveles totales de proteínas y lípidos dentro de estos peces, lo que cambia su composición corporal interrumpe varios procesos bioquímicos.

Cianobacterias y cianotoxina

Las cianobacterias o algas verdeazuladas son bacterias fotosintéticas.

Crecen en muchos tipos de aguas. Su crecimiento rápido “(Bloom)” está relacionado con la alta temperatura del agua y con la eutrofización (resultante del enriquecimiento con minerales y nutrientes debido a la escorrentía que induce al crecimiento excesivo de estas algas).

Muchos géneros de cianobacterias producen varias toxinas. ​ ​

Las cianotoxinas pueden ser dermotóxicas, neurotóxicas, y hepatotóxicas, aunque la muerte relacionada con su exposición es rara. ​

Las cianotoxinas y sus componentes no tóxicos pueden causar reacciones alérgicas, pero esto es poco conocido. ​

A pesar de sus toxicidades conocidas, desarrollar un biomarcador específico de exposición ha sido difícil debido al complejo mecanismo de acción que poseen estas toxinas. ​

Presencia de cianotoxinas en agua potable

Debido a que no hay datos sobre la ausencia o presencia de estas toxinas en el agua potable, es muy difícil controlar realmente las cantidades que están presentes en el agua potabilizada.

Esto es el resultado de que Estados Unidos no cuenta con programas estatales o federales que monitoricen la presencia de estas toxinas en las plantas potabilizadoras. ​

Efectos de las toxinas en humanos

Aunque los datos son limitados, lo que sabemos es que las toxinas atacan al hígado y los riñones. Hubo un brote similar a la hepatoenteritis en Palm Island, Australia (1979) debido al consumo del agua que contenía “Cylindrospermopsis raciborskii, una cianobacteria que puede producir cilindrospermopsina”. ​

En la mayoría de los casos (normalmente en los niños) han requerido ingreso hospitalario con síntomas como: vómitos, daño renal, (debido a la pérdida de agua, electrolitos) fiebre, diarrea con sangre y dolores de cabeza. ​

Efectos en el medio ambiente y en la salud humana

Los tóxicos ambientales son las sustancias que se han introducido en el medio causando una actividad nociva especifica.

Estas sustancias pueden ser encontradas en distintos entornos: en la atmósfera, en las aguas subterráneas y superficiales, y en el suelo.

Además, puede desplazarse de un medio a otro, e incluso introducirse en las cadenas tróficas.

Esta redistribución depende de las características físico-químicas del tóxico. Muchos de ellos se caracterizan por una alta permanencia en el medio ambiente. También pueden tener carácter acumulativo.

En la actualidad estamos expuestos a altos niveles de contaminación, lo que está provocando el incremento de enfermedades causadas por una exposición prolongada a estos tóxicos en pequeñas dosis. Las enfermedades más frecuentes que provocan son enfermedades cancerígenas.

Políticas vigentes sobre toxicidad ambiental

Regulaciones y acciones de aplicación de PCBs

Aunque se prohibió el uso de los PCBs, existe la posibilidad de que estén presentes en productos fabricados antes de que fueran prohibidos en 1979.

La Agencia de Protección del Medio Ambiente, prohibió los PCBs en 1979 y según Douglas M. Castle, administrador de la EPA “aunque ya no se producen PCBs en el país, tienen bajo control la gran mayoría de los PCBs que aún están en uso.” “Esto ayudará a prevenir la contaminación en el aire, agua y alimentos de un químico artificial y muy persistente.”

Los PCBs se han probado en animales de laboratorio y han causado cáncer y problemas en los recién nacidos. Se sospecha que los PCBs tienen ciertos efectos en el hígado y la piel de los humanos. También se sospecha que producen cáncer.

La EPA “estima que 68.000 toneladas de PCBs están dispersas por todo el medio ambiente, incluidos el aire y el agua, y 132.000 toneladas se encuentran en los vertederos de EE. UU.”. [Otra vez, a pesar de haber sido prohibidos, todavía hay una gran cantidad de PCBs circulando en el medio ambiente que posiblemente estén causando efectos en humanos.

Aunque los PCBs fueron prohibidos, existen excepciones donde todavía se utilizan.

El área en el que se han prohibido completamente es: la fabricación, procesamiento, distribución en el comercio y usos que están “abiertos” al medio ambiente, a menos que estén específicamente autorizados o exentos por la EPA.

Los usos “totalmente cerrados” (la exposición a los PCBs es poco probable) se permite que continúe durante la vida útil del equipo.

Los equipos eléctricos que contienen PCBs están permitidos por debajo de unos límites controlados. De las 340.000 toneladas de PCBs, los equipos eléctricos representan 262.000 toneladas. Sin embargo, cualquier fabricación de equipos eléctricos con PCBs está totalmente prohibida.