Ecotoxicología: matemáticas al rescate del medio ambiente
Urrutiko Hezkuntzarako Unibertsitate Nazionaleko irakasle-tutorea (UNED), Bergarako ikastetxe elkartuan; Kantabriako Unibertsitatea
Simulazioan eta eredu matematikoen aplikazioetan aditua
Urrutiko Hezkuntzarako Unibertsitate Nazionaleko irakasle-tutorea (UNED), Bergarako ikastetxe elkartuan; Kantabriako Unibertsitatea
Simulazioan eta eredu matematikoen aplikazioetan aditua
Acción humana y contaminación
El conocimiento de todo el recorrido de nuestros residuos y su incidencia en las poblaciones humanas es normalmente imposible debido a los factores implicados y a nuestra incapacidad para gestionarlos. Sin embargo, existen algunos seres vivos que pueden contribuir a que su supervivencia requiere de unas condiciones específicas en el entorno, en el que su presencia o ausencia en un ecosistema es un indicador de su calidad. Se conocen como indicadores biológicos o bioindicadores. Para estudiar la nocividad de algunos compuestos, éstos pueden entrar en contacto con poblaciones aisladas de bioindicadores. La información así obtenida puede contribuir a mejorar la gestión de los residuos de nuestra industria, así como a reducir su impacto ambiental.
La llegada diaria de contaminantes a los medios acuáticos es inmensa, tanto en grandes vertidos (contaminación puntual) como a través de filtraciones y vertidos continuos menores e imprecisos (contaminación difusa). Estos últimos, a pesar de no ser tan espectaculares, son tan nocivos como los demás y son más difíciles de controlar. Se realiza una revisión continua del listado de componentes potencialmente peligrosos y de las dosis mínimas de posible impacto ambiental. No obstante, cada año se comercializan miles de nuevos productos (pesticidas, venenos de hierba, compuestos químicos para usos industriales, etc.). Al mismo tiempo, son cada vez más abundantes las evidencias científicas de afección al medio ambiente en cantidades inferiores a las mínimas legalmente reconocidas, así como las que hasta entonces no se consideraban perjudiciales.
Otro ejemplo son los compuestos químicos de cremas solares y otros productos cosméticos recientemente encontrados en los ríos. Estas sustancias pasan a los ríos a través de aguas residuales (la mayoría de los filtros actuales no los frenan) y son disruptores endocrinos, es decir, afectan al sistema endocrino de los seres vivos, que alteran su desarrollo, reproducción o supervivencia, afectando así a la biodiversidad del ecosistema.
En definitiva, el estudio de impacto ambiental de los compuestos químicos utilizados por el hombre hace imprescindible la investigación y los controles permanentes. El método más conocido es el análisis físico-químico, que consiste en la toma de muestras de agua y el análisis de las variables del agua (pH, temperatura, dureza, etc.) tras varios procedimientos, así como la existencia de compuestos químicos seleccionados por su peligrosidad (por ello es importante revisar periódicamente la lista de estos compuestos peligrosos). Es un recurso imprescindible que nos ofrece una "foto" del estado del agua en el momento del muestreo.
No obstante, como se ha indicado, puede ocurrir que algunas sustancias nocivas presentes en el agua todavía no estén incluidas en las listas de control o que no haya análisis químicos para dichas sustancias. También es posible que el vertido se produzca unas semanas antes del muestreo, ya que no quedarían restos en el agua, pero se produciría un gran impacto sobre las poblaciones de organismos especialmente sensibles a este compuesto. Los análisis físico-químicos indican la situación en un momento dado, lo que se compensa con el seguimiento del estado biológico de las aguas. Se analiza la presencia y población de los seres vivos seleccionados por su sensibilidad a la contaminación. Son los bioindicadores mencionados anteriormente. Entre estos bioindicadores se encuentran algas, peces y artrópodos. Por ejemplo, los macroinvertebrados bentónicos o bentónicos (larvas de mosquitos, pequeños crustáceos, moluscos...) constituyen un grupo de especial interés: su tamaño facilita el muestreo, pasan gran parte de su ciclo de vida en sedimentos (lugar habitual de acumulación de residuos), ocupan un lugar fundamental en la cadena trófica y su supervivencia es muy adecuada para estudiar los cambios posteriores a los vertidos. La sensibilidad a la contaminación no es la misma para todas las especies ni para todos los compuestos. Por tanto, el predominio de una u otra especie, así como la diversidad de especies encontradas, ayudan a identificar el origen de la contaminación.
Un ejemplo cercano es: La Agencia Vasca del Agua ha establecido una red de seguimiento del estado de las masas de agua superficiales de la CAPV mediante controles periódicos en las estaciones de muestreo seleccionadas en toda la Comunidad. Se realizan estudios físico-químicos, biológicos y ecológicos, ya que la comparación de todos estos aspectos permite obtener una imagen real del estado de nuestras aguas. Una de las estaciones de muestreo se encuentra en el arroyo Iñurritza de Zarautz. En 2010 el estado físico-químico de este pequeño río fue calificado como "bueno", ya que aunque se descubrieron fenoles, fluoruros, amonio y cobre, sus cantidades no superaban la norma de calidad. Pero el estudio biológico, entre otras cosas, encontró lagunas en las poblaciones de los macroinvertebrados; también se observaron variaciones estacionales, así como la escasa presencia de especies más sensibles y el predominio del mosquito de Chironomus riparius. Tras el análisis de todas estas condiciones se observó la presencia de falta de oxígeno y contaminación orgánica de origen desconocido. Este resultado junto a las alteraciones del estado hidromorfológico (vegetación de ribera, cauce, caudal de agua, etc.) fue el motivo de la calificación de “Estado Ecológico Deficiente”, a pesar de la buena situación físico-química.
Medida de nocividad de tóxicos
Según lo dicho hasta ahora, ¿cómo debemos medir el efecto de los tóxicos en diferentes lugares para evitar los problemas mencionados? Siguiendo las instrucciones de las guías editadas por el Consejo de Europa, la Organización para la Cooperación y el Crecimiento Económico (OECD) y organismos oficiales similares, se realizan ensayos en laboratorio a diferentes dosis y se recoge la respuesta de organismos bioindicadores como mortalidad, crecimiento, reproducción y bioacumulación.
Además de obtener los datos necesarios para establecer los límites legalmente permitidos, estos ensayos ayudan a comprender la influencia de la sustancia en el organismo a través de parámetros de absorción, distribución, metabolismo y eliminación, como se hace en los estudios farmacológicos que se llevan a cabo desde hace décadas en la industria farmacéutica cuando investigan un nuevo componente activo.
Revisemos la situación: el enorme número de sustancias nocivas en constante aumento y que deben medirse en la carrera contrarreloj, la extensa lista de indicadores biológicos --algunos de los cuales todavía no se entiende completamente la fisiología - y numerosos escenarios: vertidos puntuales, crónicos, mezclas de compuestos que pueden influir sinérgicamente... Para analizar todas estas combinaciones en un orden debemos recurrir a las matemáticas.
Una de las mejores aportaciones de los últimos años ha sido el uso de modelos matemáticos y simulación por ordenador aplicados al estudio de ecosistemas. Los modelos matemáticos de ecotoxicología no necesitan grandes cantidades de datos, tanto de campo como de laboratorio, para encontrar fórmulas matemáticas que indiquen la influencia del tóxico en uno o varios organismos. Esto ayuda a conocer de antemano los efectos de un determinado producto sobre un determinado ecosistema y, en algunos casos, a tomar decisiones adecuadas, y no sólo a tomar decisiones que ayuden a establecer límites legales. Supongamos, por ejemplo, que el vertido en un río implica la elección de un producto de neutralización o un procedimiento de limpieza. Un modelo adecuado simularía todas las opciones y nos ayudaría a elegir el procedimiento con menor impacto ambiental. La simulación también permite analizar situaciones imaginarias. En más de una ocasión se recogen resultados inesperados que abren la puerta a nuevos enfoques y planteamientos no contemplados inicialmente.
Modelos y Simulación en Ecotoxicología
En ecotoxicología, la estadística es el punto de partida para el planteamiento de modelos matemáticos. Para ello es necesario tomar datos experimentales, crear la expresión matemática que será este modelo matemático y buscar parámetros que se adapten a los datos. Encontrar esta expresión matemática, es decir, una función matemática adecuada que explique el modelo, es el paso más difícil en este proceso. A menudo comienza con la distribución exponencial normal y se va modificando progresivamente hasta conseguir un ajuste óptimo de los datos. Por ejemplo, cambiando la distribución exponencial simple, podemos llegar a la distribución de Weibull (reafirmando el propio exponente con un parámetro), o a la distribución de Gonperas (con otro exponencial en el exponente), entre otros. A veces, la naturaleza de los datos obtenidos es tan especial que conseguir su distribución puede ser una tarea muy difícil. En estos casos, las pruebas se realizan con las combinaciones de las distribuciones anteriormente citadas u otras. A menudo también se utilizan divisiones independientes del exponencial. Si por primera vez se propone una combinación o función para un problema concreto, si el resultado es exitoso, la expresión terminará por tomar el nombre de su descubridor.
Los parámetros de ajuste de la distribución seleccionada están normalmente relacionados con variables conocidas. Por ejemplo, la EC50, la dosis o concentración necesaria para que el efecto objeto de estudio se produzca en el 50% de la población. En otras ocasiones es más difícil dar sentido biológico a todos los parámetros del modelo.
Para superar estas dificultades hay otra vía de modelización que recoge la fisiología y el metabolismo de los organismos estudiados. Por ello, los siguientes modelos se conocen como "modelos toxicológicos basados en la fisiología" (PBTK en inglés: Phisiology Based ToxikoKinetic models). Se trata, por tanto, de una técnica más sofisticada que se aplica en los siguientes casos: el ser se divide en compartimentos, a veces uno, a veces más de uno, y se estudia cómo pasa el tóxico por estos compartimentos, obteniendo las tasas de metabolismo, absorción, distribución y eliminación antes mencionadas. En el caso de mamíferos o peces la fisiología es más conocida, pero esta técnica se convierte en un verdadero reto cuando tratamos de aplicarla a ciertos invertebrados. Es paradójico que los datos reducidos de estos animales hacen necesario el modelo.
Otra forma de plantear los modelos es relacionarlos con los efectos que producen la estructura molecular de los tóxicos para poder extrapolarlos a otros tóxicos de estructura molecular similar. Estas estructuras son modelos de "relación cuantitativa estructura de actividades" (en inglés, QSAR: Quantitative Structure Activity Relationship). La relación se obtiene gestionando grandes cantidades de datos, inicialmente mediante regresión estadística y, en la actualidad, con ayuda de la computación, utilizando redes neuronales artificiales.
Por tanto, si se valora el modelo que se realiza con una cantidad limitada de datos, es decir, si se demuestra que sirve para expresar o predecir otros datos experimentales, el siguiente paso será realizar simulaciones. Es decir, podemos modificar algunos parámetros del modelo para ver la influencia de esta variación en otros parámetros. O analizar la evolución de todos los parámetros a lo largo del tiempo para comprender el efecto a largo plazo del tóxico en el organismo seleccionado.
Conclusiones
A pesar de que la actividad humana supone en muchas ocasiones la degradación de los ecosistemas, en la actualidad contamos con recursos matemáticos eficaces para estudiar este efecto. La identificación de los indicadores biológicos de los diferentes ecosistemas, así como su descripción a nivel funcional y orgánico, puede ser imprescindible para frenar el deterioro del medio ambiente. Si somos capaces de comprender los efectos sobre bioindicadores utilizando modelos matemáticos concretos, podremos diseñar estrategias adecuadas para evitar o procesar tóxicos que permitan un desarrollo sostenible de la actividad humana.
Bibliografía
Zu idazle
Zientzia aldizkaria
