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CAPITULO II
BIOINDICADORES DE CALIDAD DEL AIRE
2.1. CALIDAD DEL AIRE
En la mayoría de los países industrializados se han establecido valores
máximos de concentración admisible para los contaminantes atmosféricos más
característicos. Estos valores se han fijado a partir de estudios teóricos y
prácticos de los efectos que sobre la salud tiene la contaminación al nivel
actual y los que puede alcanzar en el futuro. Los efectos se basan
principalmente en el examen de factores epidemiológicos. (AGUILAR, R &
MORENO, E ; 2015)
En la mayoría de los países, las normas de calidad del aire tienen como
objetivo inmediato el evitar enfermedades y fallecimientos en aquellos
subgrupos de la población más sensibles. Hay que tener en cuenta que el
objetivo a largo plazo ha de ser de protección contra todo posible efecto sobre
la salud del hombre, incluidas las alteraciones genéticas y somáticas.
Generalmente, la calidad del aire se evalúa por medio de los denominados
niveles de inmisión, que vienen definidos como la concentración media de un
contaminante presente en el aire durante un periodo de tiempo determinado. La
unidad en que se expresan normalmente estos niveles son microgramos de
contaminante por metro cúbico de aire, medidos durante un periodo de tiempo
determinado. La calidad del aire viene determinada por la presencia en la
atmósfera de sustancias contaminantes, que pueden ser gases o partículas y
aerosoles.
Figura 2: Contaminación atmosférica causado por las industriasLa protección de la atmósfera y de la calidad del aire pasa por la prevención,
vigilancia y reducción de los efectos nocivos de dichas sustancias
contaminantes sobre la salud y el medio ambiente en su conjunto. Para ello, la
normativa vigente en materia de calidad del aire establece unos objetivos de
calidad del aire, o niveles (concentraciones o depósitos) de contaminantes en
la atmósfera que no deben sobrepasarse. (Aguilar, R & Moreno, E; 2015)
En las zonas de media se evalúa la calidad del aire para los contaminante
dióxido de azufre (SO2), dióxido de nitrógeno y óxidos de nitrógeno (NO2),
partículas (PM10 y PM2,5), plomo (Pb), benceno (C6H6), monóxido de carbono
(CO), arsénico (As), cadmio (Cd), níquel (Ni) y ozono (O3).
Figura 3: Contaminantes en la atmosfera
Dicha evaluación se efectúa considerando diversos objetivos de calidad del
aire. Se distingue entre:
• Objetivos para la protección de la salud (valores límite): definidos para
SO2, NO2, partículas PM10 y PM2,5, plomo, benceno y CO.
• Objetivos para la protección de la salud (valor objetivo, objetivo a largo
plazo): definidos para partículas PM2,5, arsénico, cadmio, níquel, B(a)P y
ozono.
• Objetivos para la protección de la vegetación (niveles críticos):
definidos para SO2 y NOX.
Se entiende por valor límite aquel fijado basándose en conocimientos
científicos, con el fin de evitar, prevenir o reducir los efectos nocivos para la
salud humana, para el medio ambiente en su conjunto y demás bienes de
cualquier naturaleza que debe alcanzarse en un período determinado y no
superarse una vez alcanzado.
El valor objetivo es el nivel de un contaminante que deberá alcanzarse, en la
medida de lo posible, en un momento determinado para evitar, prevenir o
reducir los efectos nocivos sobre la salud humana, el medio ambiente en su
conjunto y demás bienes de cualquier naturaleza.
A su vez, el objetivo a largo plazo es el nivel de un contaminante que debe
alcanzarse a largo plazo, salvo cuando ello no sea posible con el uso de
medidas proporcionadas, con el objetivo de proteger eficazmente la salud
humana, el medio ambiente en su conjunto y demás bienes de cualquier
naturaleza.
Finalmente, el nivel crítico es aquel fijado con arreglo a conocimientos
científicos por encima del cual pueden producirse efectos nocivos para algunos
receptores como las plantas, árboles o ecosistemas naturales pero no para el
ser humano. (Aguilar, R & Moreno, E; 2015)
2.2. INDICADORES BIOLÓGICOS
El uso de los bioindicadores para medir los efectos de la contaminación
atmosférica es actualmente uno de los pilares en la gestión de la calidad del
aire en todo el mundo, utilizando organismos vivos para estimar el riesgo de la
contaminación ambiental sobre los ecosistemas y la salud humana. Múltiples
métodos de bioindicación, biomonitoreo y bioensayos han sido desarrollados
en las últimas décadas, llegando a ser una herramienta rutinaria de
diagnóstico, monitoreo y gestión en las entidades ambientales. (Aguilar, R &
Moreno, E; 2015)
Muchas especies son incapaces de adaptarse ecológica o genéticamente a la
condición ambiental alterada, de modo que su ausencia es, de hecho, un
indicio del problema. Paralelamente al concepto de bioindicador surge el
concepto de bioacumulador, mientras que el primero de ellos presenta efectos
visibles tras ser expuesto a contaminación, en los bioacumuladores esto no
ocurre, sino que se produce la acumulación del contaminante en su estructura.
No todos los microorganismos, procesos biológicos, especies o comunidades
son bioindicadores de la contaminación atmosférica, sólo se consideran como
tales aquellos que puede utilizarse para determinar la calidad del ambiente y
los cambios producidos con el tiempo.
Generalmente se consideran cambios en el medio ambiente a las
perturbaciones atribuidas a los humanos (por ejemplo las emisiones de una
central de producción de energía), y a estresores naturales (sequias, heladas,
etc.), aunque los estresores antropogénicos son los focos primarios en las
investigaciones de bioindicación. (Aguilar, R & Moreno, E; 2015)
Sin embargo, la tolerancia de las especies a dichos cambios varía, presentando
unas condiciones óptimas para su utilización como bioindicador aquellas con
una tolerancia moderada tal y como se aprecia en la figura 3. Fuera de este
rango de tolerancia o del ambiente óptimo del individuo, su fisiología o
comportamiento puede ser afectado negativamente, reduciendo su condición
física general, interrumpiendo la dinámica de la población y alterando la
comunidad como un todo.
Figura 4: Comparación de tolerancias ambientales de (a) Bioindicadores (b)
especies raras, y (c) especies ubicuas.
Las especies bioindicadoras puntualizan las condiciones ambientales por su
moderada tolerancia a la variabilidad del entorno. Sin embargo, especies raras
con estrechas tolerancias son demasiadas sensibles o poco encontradas como
para reflejar una respuesta general biótica. Especies ubicuas con amplios
rangos de tolerancia son menos sensibles a los cambios ambientales no
aportando por ello una elevada información sobre los cambios ambientales
producidos.
El uso de bioindicadores no está restringido a una sola especie con una
limitada tolerancia ambiental. Comunidades enteras que abarcan una amplia
gama de tolerancias ambientales pueden servir como bioindicadores y
representar las múltiples fuentes de datos para evaluar las condiciones
ambientales en un enfoque multimétrico o mediante un Índice Biótico.
Los indicadores biológicos de contaminación del aire, son indicadores estáticos
como los líquenes, briofitos y plantas vasculares, los cuales son afectados
principalmente por los isotopos radiactivos, el smog fotoquímico, el ozono (O3)
el SO2, HF, C2O6, S, Pb, etc. (Aguilar, R & Moreno, E; 2015)
2.3. ORGANISMOS BIOINDICADORES DE CALIDAD DEL AIRE
2.3.1 PLANTAS
Las plantas vasculares por su parte, son bioindicadoras mediante su
destrucción de clorofila y manchas (tabaco), mientras que son
bioacumuladoras, cuando se realiza el análisis foliar de corteza continua
de exposición a condiciones atmosféricas; las plantas vasculares se
pueden clasificar en epífitas, árboles y arbustos. (Moreno,J.;
Patarroyo,N.; Rodriguez, H., 2006
La Corteza de árbol, además de una complicada composición química,
dependiendo de las especies y del espesor de la capa, tiende a
tamizarse, lo que lleva a resultados adulterados. El sulfato, el amoníaco
y el nitrato presentes en la corteza podría afectan significativamente a la
retención de metal por parte de esta, aunque para para el análisis de la
contaminación por metales pesados es supuesto la interacción entre
ellos.
Además el Ca y Hg se ven afectados por la acidez. Para la corteza, la
carga de calcio en particular puede determinar la capacidad de
amortiguación con respecto a la precipitación ácida entrante. Además la
neutralización puede ser provocada por efectos alcalinizantes de NH3
atmosférico. (Aguilar, R & Moreno, E; 2015)
Figura 5: Cortezas de árboles como bioindicadores de acidez
Entre las plantas bioindicadores de calidad de aire tenemos a: el Tabaco
Bel W3 (Nicotina tabacum), la Tradescantia, Ray grass (Lolium
multiflorum), Col rizada (Brassica oleracea). (Moreno,J.; Patarroyo,N.;
Rodriguez, H., 2006
Tabla 2: Plantas bioindicadores de aire estudiados en el proyecto
EUROBIONET
2.3.2 MUSGOS (Briofitas)
Los musgos son bioindicadores más populares que los líquenes, debido
a que causan menos problemas técnicos y analíticos que los estudiados
anteriormente. (Aguilar, R & Moreno, E; 2015)
Hay amplias evidencias que las briofitas son excelentes indicadores de
la contaminación ambiental y algunos autores (Taoda, 1973) han
sugerido usarlos como “briómetros”, instrumentos para medir la
fitotoxicidad de la polución ambiental utilizando briofitas. Muchos
ecólogos en el mundo, han investigado el dramático empobrecimiento de
las comunidades briofíticas en y alrededor de las grandes ciudades y
áreas industriales. Aún más, muchas especies de briofitas han perdido
su fertilidad o se han extinguido en las áreas urbanas por su gran
sensibilidad a la polución ambiente (Le Blanc & Rao, 1973).
Figura 6: Musgos. Pleurozium schreberi (derecha), Hylocomium
splendens (izquierda)
A continuación se presentan las ventajas que presenta el uso de musgos
como bioindicadores:
- Muchas especies tienen gran extensión geográfica y crecen bajo
diferentes condiciones ambientales, incluso en las zonas industriales y
urbanas.
- No tienen epidermis ni cutícula, por lo que los iones metálicos penetran
fácilmente la pared celular.
- Al no tener un sistema de raíces, no hay absorción de sustratos
minerales de otras fuentes distintas a la atmósfera;
- Algunas especies tienen una estructura de capas y producen
sedimentos orgánicos.
- El transporte de minerales entre los segmentos está limitada debido a
la falta de tejido vascular.
- Los musgos acumulan metales de forma pasiva, actuando como
intercambiadores de iones
- Para la mayoría de los metales, los musgos muestran una correlación
entre la cantidad seca a granel y la concentración de la deposición
húmeda.
Los musgos tienen dos ventajas principales sobre el muestreo de
precipitación convencional en los estudios de deposición atmosférica:
- Los metales están fuertemente concentradas en el musgo en
comparación con la precipitación, donde los límites de detección
analíticos son a menudo inadecuados, pudiéndose producir la
contaminación durante la toma de muestras y la manipulación pre
analítica.
- El procedimiento de muestreo es simple y barato en musgos,
permitiendo incluir gran número de zonas en el mismo análisis y elaborar
patrones detallados de deposición geográfica.
Las especies de musgos con mayor utilización son:
Pleurozium schreberi: bioindicador muy sensible de metales pesados
presentes como contaminantes en el aire.
Figura 7: Musgos Pleurozium schreberi
Pleurozium schreberi y Hylocomium splendens: especies de musgos
más usadas a escala mundial.
Figura 8: Musgos Hylocomium splendens
Hypnum cupressiforme: utilizada a menudo como un biomonitor de
diversos contaminantes.
Figura 9: Musgos Hypnum cupressiforme
En definitiva, los Musgos parecen ser un excelente bioindicador para los
elementos metálicos tales como Pb, Cd, Cu , V , y parcialmente Zn . Los
procesos secundarios afectan seriamente el seguimiento de Ni, Cr, Mn y
Fe. (Aguilar, R & Moreno, E; 2015)
2.3.3 LIQUENES
Los líquenes son asociaciones simbióticas entre un alga (fotobionte) y un
hongo (micobionte) de cuya interacción se origina un talo estable, con
estructura y fisiología específicas. Las algas encontradas pueden ser
clorofitas o cianofitas y los hongos que intervienen en la asociación son
Ascomycetes, Basidiomycetes o Phicomycetes.
Poseen características particulares como carecer de raíz y de sistemas
de conducción, no poseer estructuras selectivas o protectoras del medio
externo como cutículas o epidermis, por lo que se vuelven vulnerables a
variaciones ambientales. Son organismos autótrofos, su crecimiento es
muy lento, poseen una amplia distribución desde los polos al ecuador, y
crecen en las superficies de los más diversos sustratos inertes u
orgánicos. Los líquenes poseen órganos apendiculares cuyas
formaciones son producidas por el hongo; al proyectarse desde la cara
inferior, sirven para sujetar el talo al sustrato y pueden actuar reteniendo
agua. (AGUILAR, R & MORENO, E ; 2015)
Figura 10: Líquenes. (Arriba derecha) Lobaria pulmonaria, un liquen
folioso. (Arriba izquierda) Lecidea atrobrunnea yAcarospora contigua dos
líquenes crustáceos. (Abajo) Apotecios de Xanthoria parietina.
Estas características morfológicas enfatizan la aplicabilidad para fines de
monitorización o vigilancia.
Durante los últimos tiempos, numerosos estudios han utilizado líquenes
epifitos para estimar los niveles de contaminación atmosférica creada
principalmente por el dióxido de azufre. La naturaleza tóxica del dióxido
de azufre es probablemente el principal factor que afecta a las especies
de líquenes y a la corteza de los árboles, produciendo su acidificación.
Debido a que los organismos epifitos reciben la mayor parte de los
nutrientes a partir de la atmósfera, son más susceptibles a los factores
atmosféricos y, por lo tanto constituyen sustratos ideales para ser
utilizados como bioindicadores. (AGUILAR, R & MORENO, E ; 2015)
Muchas especies de líquenes como Ramalina ecklonii y Usnea
densirostra, Heterodermia sp. y Telochistes sp. muestran sensibilidad
ante la contaminación; otras pocas como Hyperphyscia variabilis Scutari,
Hyperphyscia endochrysea. Moberg y Physcia se desarrollan mejor en
áreas urbanas, mostrando resistencia a la contaminación.
Líquenes sensibles Líquenes resistentes
Ramalina ecklonii
Usnea densirostra
Moberg
Physcia
Tabla 2: Líquenes sensibles y líquenes resistentes
Los ambientes pueden ser caracterizados por la cobertura, abundancia y
frecuencia de especies liquénicas de tres grupos ecológicos: especies
neutrofíticas, nitrofíticas y acidofíticas. El predominio de uno de estos
grupos ecológicos es indicador de las características del ambiente
afectado. Así por ejemplo, un aumento de especies nitrofíticas se vincula
con un aumento de óxidos de nitrógeno en áreas urbanas.
Los cambios en comunidades o poblaciones de líquenes son utilizados
como indicadores sensibles del efecto biológico de los contaminantes; el
mapeo de la diversidad de líquenes se ha vuelto una rutina en
numerosos países, ya que proveen información del impacto biológico de
la contaminación del aire. Estos estudios son además rápidos y poco
costosos. (AGUILAR, R & MORENO, E ; 2015)
La mayoría de los casos de desaparición de líquenes se debe a
contaminantes gaseosos como el dióxido de azufre, fluoruros, ozono,
óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono y otros contaminantes
gaseosos que emanan los automóviles por combustión.
Tabla 3: Líquenes bioindicador – bioindicación
Desde las últimas décadas, el dióxido de azufre es el principal
contaminante que afecta la distribución de líquenes epifitos en áreas
urbanas e industriales. Altos niveles de dióxidos de azufre, monóxido de
carbono y, especialmente, de óxidos de nitrógeno y la reacción de sus
productos, son los responsables del decaimiento de los líquenes.
En general, los contaminantes gaseosos penetran en la planta por el
estoma, junto con el aire necesario, durante el proceso normal de
respiración. Una vez en la hoja, los contaminantes destruyen la clorofila
e interrumpen la fotosíntesis. Los daños pueden variar desde una
reducción en la velocidad de crecimiento de la planta hasta su muerte
por completo.
Los líquenes absorben el dióxido de azufre, del que retienen
aproximadamente 3%. Al haber repetidas exposiciones al dióxido de
azufre, el liquen acumula altos niveles de sulfatos y bisulfatos, los cuales
lo incapacitan para realizar funciones tales como fotosíntesis, respiración
y en algunos casos fijación de nitrógeno. Esto ocasiona la deformación
de la estructura del talo y eventualmente su muerte. Un nivel anual de 8-
30 µg/m3 de sulfuro produce la deformación o la muerte de especies
liquénicas sensibles. (AGUILAR, R & MORENO, E ; 2015)
Los efectos fisiológicos sobre el liquen al exponerlo a óxidos de
nitrógeno son similares a los de exposición a dióxidos de azufre, ya que
un nivel anual de 564 µg/m3 o mayor de óxidos de nitrógeno puede
resultar en la decoloración, deformación y en la muerte del liquen.
Los contaminantes atmosféricos pueden ser retenidos por los líquenes,
en partículas atrapadas en los espacios intercelulares. La retención
eficiente de elementos contaminantes por parte del liquen dependerá del
número y naturaleza del sitio de unión extracelular, edad del tejido y las
condiciones de crecimiento del liquen.
A pesar del daño que sufren la integridad de sus células y tejidos por la
acumulación de sustancias particulares, los líquenes pueden indicar la
presencia de compuestos químicos en la atmósfera urbana.
En general, los tres mecanismos de absorción de metales en los
líquenes son:
Absorción intercelular a través de un proceso de cambio
Acumulación intracelular
Atrapamiento de partículas que contienen metales. El contenido
de metales pesados en el talo del liquen tiende con el tiempo a
alternar entre las fases de acumulación y su posterior liberación.
La absorción de metales en líquenes está influenciada por la lluvia ácida,
variaciones geográficas (por ejemplo, altitud), cambios temporales (por
ejemplo, las variaciones estacionales), polvo del suelo, fuentes de
contaminación local y transporte a larga distancia.
Sin embargo, los estudios de calidad del aire utilizando líquenes pueden
presentar los siguientes problemas:
- Fluctuaciones del espacio-tiempo podría llevar a errores de
muestreo.
- Bajas concentraciones de varios microcontaminantes (que
también podrían cambiar con el tiempo), podría dar lugar a
dificultades en la metodología;
- Es difícil de determinar emisiones intermitentes o esporádicas de
contaminantes y los límites de tolerancia biológica de la especie
en cuestión no podrían ser tenido en cuenta.
- La respuesta dosis-efecto no es lineal, y esto puede causar
problemas de interpretación en la evaluación de los daños a los
organismos y ecosistemas (AGUILAR, R & MORENO, E ; 2015)
Los líquenes pueden ser utilizados como bioindicadores y / o
biomonitores de dos maneras diferentes:
- Monitorización pasiva: mediante la simple presencia de las
especies presentes en un área específica o mapa cartográfico.
- Monitorización activa: a través de la toma de muestras
individuales de especies de líquenes y la medición de los
contaminantes que se acumulan en el talo o mediante el
trasplante de líquenes de un área no contaminada a uno
contaminada y luego la medición de los cambios morfológicos en
los talos de liquen y/o su evaluación de los parámetros fisiológicos
y/o la evaluación de la bioacumulación de los contaminantes.
(AGUILAR, R & MORENO, E ; 2015)
REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
Aguilar, R & Moreno, E (2015); BIOINDICADORES DE LA CONTAMINACION ATMOSFERICA – Evaluación de Calidad ambiental; Master en ingeniería ambiental; 11 - 29 pag.
Moreno,J.; Patarroyo,N.; Rodriguez, H.; (2006); LA IMPORTANCIA DEL USO DE LOS INDICADORES BIOLOGICOS EN LOS ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL; Universidad industrial de Santander Escuela de Ingenieria Quimica Especializacion en Ingenieria Ambiental; Bogota D.C.