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.