Bioindicadores

Introducción

     La adecuación de principios de uso generalizado al lenguaje científico necesita de matizaciones que denoten la significación de los términos empleados y la doten de la sistematización propia de este lenguaje. Este es el caso del concepto de bioindicador.

     El hombre ha alterado la composición de la tierra, principalmente desde los dos últimos siglos, al verter en ella todo tipo de compuestos: SOx, y NOX, etileno, derivados dorados y fluorados, metales pesados, contaminantes fotoquímicos, hidrocarburos, CO, C0₂, etc. procedentes de la combustión de carbones y de los derivados del petróleo, de la fabricación de aluminio, de los fosfatos y de otras muchas fuentes. Cada agente contaminante actúa sobre los seres vivos y los ecosistemas de una manera característica, produciendo una respuesta diferenciada para cada especie o comunidad y que está en función, a su vez, de la combinación, concentración y duración de los contaminantes.

     Por esta razón, los bioindicadores serán de gran utilidad a la hora de estudiar la contaminación en un sistema determinado.

     La utilización de organismos vivos como indicadores de contaminación es una técnica bien reconocida. La composición de una comunidad de organismos refleja la integración de las características del ambiente sobre cierto tiempo, y por eso revela factores que operan de vez en cuando y pueden no registrarse en uno o varios análisis repetidos. La presencia de ciertas especies es una indicación relativamente fidedigna de que durante su ciclo de vida la polución no excedió un umbral. Muchos organismos, sumamente sensibles a su medio ambiente, cambian aspectos de su forma, desaparecen o, por el contrario, prosperan cuando su medio se contamina.

Definición de bioindicador

- “La proposición primera de la ecología, según la cual el ser vivo, organismo o comunidad, es un reflejo fiel del medio en el que crece y se desarrolla. La observación de un ser vivo puede de esta forma ser indicador  de la calidad o de las características del medio” (Iserentant y De Sloover, 1976)

- “Organismos que manifiestan síntomas particulares en respuesta a cambios medioambientales, generalmente de manera cuantitativa” (Hawsworth, 1992).

-“Especie (o ensamble de especies) que posee requerimientos particulares con relación a uno o un conjunto de variables físicas o químicas, tal que los cambios de presencia/ausencia, número, morfología o de conducta de esa especie en particular, indique que las variables físicas o químicas consideradas, se encuentran cerca de sus límites de tolerancia” (Rosemberg & Resh 1993).

- Algunos conceptos relacionados a los bioindicadores:

Biomonitoreo: Organismos, su distribución o poblaciones, estudiadas a lo largo del tiempo y comparadas con valores standard o encuesta (base) tomando en cuenta las desviaciones del comportamiento esperado.

Biomarcadores: Cambios fisiológicos o bioquímicos ocasionados por compuestos químicos en un organismo. Un biomarcador es cualquier respuesta biológica frente a un cambio químico medioambiental que se produce en un organismo. La respuesta primaria se produce a nivel molecular. La contaminación crónica genera muchas respuestas que afectan los procesos del siguiente nivel de organización biológica. Los efectos irreversibles de estas alteraciones secundarias al final se observan en la población y en el ecosistema, a través de la capacidad de los organismos para sobrevivir y reproducirse. Ejemplo biomarcadores: actividad EROD, actividad GST, actividad GR y daños en el material genético...

Biopruebas: Exámenes (test) biológicos sintomatológicos que comprenden un organismo bioindicador introducido (cultivado) y una unidad de registro. Ejemplo: mejillón concentra sustancias contaminantes. Se van registrando las variaciones que se producen en este organismo con distintas concentraciones de determinadas  sustancias.

Bioensayo: organismos que responden de una forma cuantitativa a la aplicación de una sustancia particular, y cuyas respuestas se miden mediante comparación con los efectos causados por sustancias de concentraciones conocidas. Es decir, usan un organismo vivo (usualmente una planta o bacteria) como un agente de prueba para la presencia o concentración de un compuesto químico o una enfermedad. La idea es escoger un agente de prueba que es muy sensitivo a la condición que se está probando.

Tipos de bioindicadores

 Al igual que las definiciones existentes para bioindicador, las clasificaciones de éstos también pueden ser muy variadas en función de las características que tengamos en cuenta.

A partir de las definiciones anteriores podremos distinguir de forma general entre el concepto de bioindicador estricto y bioacumulador:

Bioindicador estricto: aquellos organismos que presentan síntomas visibles tras la exposición a un determinado contaminante expresados de forma cualitativa: alteraciones morfológicas, fisiológicas, comportamentales (ejemplo O₃ causa necrosis en hojas de tabaco), o cuantitativa: presencia-ausencia (un ejemplo sería la contaminación orgánica de las aguas que hace que desaparezcan algunas familias de macroinvertebrados bentónicos).

Bioacumuladores: organismos que no presentan síntomas visibles tras su exposición a tóxicos o contaminantes, sino que acumulan sustancias particulares dentro de sus tejidos, cuyas concentraciones se determinan mediante métodos químicos.

No obstante, se puede establecer otro tipo de clasificaciones, ya sea bien atendiendo al medio que califican (atmósfera, agua y suelo) o bien atendiendo al grupo  bacteriano, vegetal o zoológico al que pertenecen (Clasificación más extendida):

-           microorganismos.

-           líquenes y hongos.

-           botánicos.

-           zoológicos: mamíferos, aves, anfibios y reptiles, peces e   invertebrados.

 Características propias por grupos.

Bacterias

-           Metodología bastante  desarrollada, estandarizada y de amplia accesibilidad comercial.

-           Los grupos bacterianos tales como heterótrofas totales, sulfato-reductoras y nitrato-reductoras son organismos claves en la transformación y reciclaje de nutrientes en los ambientes.

-           Los coliformes y enterococos son un elemento clave en la detección de aguas fecales.

Fitoplancton

-           El fitoplancton responde rápidamente a los cambios ambientales por su ciclo de vida corto. Estos cambios alteran la estructura de sus comunidades, repercutiendo en alteraciones del sistema acuático en tiempos relativamente cortos, por su papel de productores primarios.

-           El fitoplancton puede adquirir mayor resistencia o tolerancia a diversas sustancias, por ejemplo fertilizantes, e incrementar su desarrollo y abundancia repercutiendo en la eutrofización de las aguas, donde ciertas especies muestran el estado trófico de arroyos, ríos y lagos.

-           De las microalgas, las diatomeas son utilizadas preferentemente para los monitoreos, ya que su identificación es simple, su muestreo sencillo y relativamente rápido, la facilidad para cultivarlas permite su estudio en diseños experimentales y constituyen un grupo cosmopolita.

Líquenes

-           El sensible balance entre los simbiontes puede ser fácilmente alterado, lo cual  los vuelve vulnerables a variaciones ambientales.

-           Los cambios en la composición de las comunidades liquénicas son correlacionados con los que ocurren a nivel de la contaminación atmosférica.

-           Los líquenes pueden ser usados como bioindicadores o biomonitores en dos formas diferentes: la primera, por mapeo de todas las especies presentes en un área específica; la segunda, mediante el muestreo individual de las especies liquénicas y la medición de los contaminantes acumulados en sus talos.

-           Carecen de raíz y de sistemas de conducción; dependen completamente de la atmósfera y del sustrato en el que viven para su metabolismo; no tienen estructuras selectivas o protectoras del medio externo (epidermis o cutícula) que actúen como barrera ante las sustancias del ambiente (por esto, los procesos de absorción de aerosoles y gases ocurren sobre toda la superficie de sus talos); no poseen mecanismos de eliminación de los contaminantes; son cosmopolitas, pero al mismo tiempo se desarrollan en ambientes con características bien definidas; son perennes, con crecimiento lento y gran longevidad.

Macrófitos

-           Las plantas tienen la capacidad de acumular contaminantes ambientales del suelo o aire a niveles superiores a los detectados en el ambiente local (biomagnificación).

-           La acumulación en la planta refleja concentraciones bio-disponibles y, por lo tanto, son un reflejo más real de los riesgos en el lugar. Además es importante destacar la inmovilidad de estos organismos, frente a bioindicadores zoológicos con mayor capacidad para esquivar los contaminantes.

-           La monitoría de la vegetación refleja rutas de movilización de contaminantes en el ecosistema.

Nematodos

-           Los nemátodos pueden ser útiles indicadores de la calidad del suelo por su enorme diversidad y participación en muchas funciones a distintos niveles en la red alimenticia del suelo.

-           Sus poblaciones son relativamente estables en respuesta a cambios en la humedad del suelo y temperatura, aunque responden con facilidad a cambios en el manejo del terreno.

-           A pesar de ser organismos subterráneos, son fácilmente recolectables, usándose agua para sacar los nemátodos del suelo flotando, o para hacer que los nematodos se arrastren fuera del suelo. Si se añade azúcar, el agua puede usarse para hacer un gradiente de densidad en donde todos los nematodos se juntan en una capa. Otras de las técnicas de extracción implican el uso de un embudo extractor, donde empiezan a moverse en busca de una condición de agua menos saturada. Como los nematodos son más densos que el agua, se hunden en el fondo del embudo utilizado en el extractor.

-           La especie de nematodo recolectada es fundamental para determinar el estado de los suelos, así, un suelo con abundancia de nemátodos que se alimentan de bacterias, hongos y otros nemátodos, es indicativos de optimización ecológica; por el contrario, aquellos suelos cuya población se corresponda a nemátodos que se alimentan de las raíces de las plantas, son indicativos de perjuicios, y las plantas que viven sobre estos suelos podrían manifestar algún tipo de enfermedad.

Anélidos

-           Disponibles tanto para ambientes terrestres como acuáticos.

-           Importante papel en el desarrollo de funciones en la descomposición y mantenimiento de la estructura de la capa de suelo superficial.

-           Su alimentación es principalmente sedimentívora incluyendo en su dieta probablemente bacterias,  convirtiéndolos en  mediadores de los metales pesados acumulados en el sedimento vía bacterias a los depredadores.

-           Su organización interna simple y su composición química homogénea, simplifican en enorme medida los análisis, así como su adaptación a las condiciones de laboratorio.

-           Uso industrial que facilita su obtención.

-           Actualmente, los  Oligoquetos son usados con eficacia en programas de bioindicación, relacionados con el aumento de la polución orgánica. Son buenos indicadores, debido a  que prosperan donde las condiciones de los suelos son óptimas para el crecimiento vegetal.

Moluscos

-           Los moluscos son el grupo de invertebrados más abundante y diverso, después de los artrópodos.

-           Ocupan una gran variedad de ambientes, siendo los organismos bentónicos los más utilizados para el fin de la bioindicación.

-           Sus características de filtradores, fáciles de recolectar, cosmopolitas y longevos, los convierten en organismos idóneos para la detección de perturbaciones ambientales.

-           La mayoría presenta una movilidad reducida, lo que aumenta los tiempos de contacto con los contaminantes.

-           Gran variedad tanto de ciclos de vida, como de hábitos reproductivos.

-           Los moluscos bivalvos, almejas, mejillones y ostiones entre otros, no poseen un sistema enzimático que les permita degradar una serie de contaminantes y, por tanto, los acumulan, dando lugar a fenómenos de bioacumulación y su posterior repercusión en el resto de la cadena alimentaría.

-           Las conchas de los moluscos pueden ser usadas como bioindicadores de cambios ambientales o paleoambientales.

-           A los cefalópodos, la importante carga pigmentaria de la piel y los cambios consecuentes a la alteración post mortem les confieren importancia en la detección, protagonizando cambios de color indicadores de alteración, así como  “manchado” del músculo subyacente.

Crustáceos

-           En muchos casos se trata de organismos primitivos, lo que reduce su complejidad y su capacidad de eliminación de sustancias nocivas.

-           Son presa de muchas especies de peces, aves y en general de invertebrados y son depredadores de crustáceos pequeños y estados larvarios de invertebrados.

-           Suelen presentar ciclos reproductivos inducidos por las condiciones ambientales, lo que los capacita para ensayos en los laboratorios y modificación de variables. Son ideales para estudios de  sobre el envejecimiento y biología evolutiva.

-           Presentan predilección por ambientes pelágicos y epibentónicos, lo que los facultad como centinelas de la calidad del agua.

-           Relacionado no solo con estudios de contaminantes, sino también con cambios hidrológicos.

-           Un claro ejemplo de este grupo, es el constituido por los branquiópodos, cuya predisposición a  aguas poco profundas, algo turbias y con vegetación, les convierte en indicadores apropiados para las lagunas esporádicas de clima mediterráneo.

Insectos

El potencial de este grupo viene abalado por su capacidad de ocupar casi todos los hábitats posibles, por lo que son afectados en distintos estratos y niveles del sistema. Así mismo, la gran diversidad que presentan, los constituyen en un taxón que aglomera los requerimientos propios de un indicador. No obstante, esta diversidad presenta el inconveniente de conocer y aplicar una metodología concreta para cada subgrupo. A continuación se expondrán algunos de los órdenes más empleados y sus principales características.

Lepidopteros y odonatos:

-           Su taxonomía es estable y su historia natural de adultos y larvas es tal vez la mejor conocida.

-           Son indicadoras del estado de conservación, del grado de endemismo y de la afinidad biogeográfica de una zona.

-           Debido a su belleza natural, las mariposas son excelentes especies bandera para la conservación del hábitat.

-           Se requiere mucho tiempo para colectar la mayoría de las especies en una localidad y las plantas hospederas de varias especies de mariposas son desconocidas. El uso de trampas y el tiempo necesario para la colección demanda costos muy elevados en relación a otros órdenes de insectos.

Coleópteros:

-           Presentan una distribución global y su historia natural ha sido bien estudiada.

-           Juegan un papel clave en el reciclaje de nutrientes y en la dispersión de semillas.

-           En algunos casos presentan relaciones con otros grupos faunísticos, como es el caso de la correlación de biomasa de escarabajos peloteros y mamíferos.

-           Son conocidos por ser ecológicamente muy importantes en hábitats terrestres que soportan grandes poblaciones de vertebrados.

-           En pocas horas se puede entrenar a personal local para la captura y monitoreo de las especies.

-           En relación a los coleópteros es importante tener en cuenta que las larvas no son fáciles de encontrar y la mayoría de las especies son estacionales, siendo pocas especies comunes durante todo el año.

Himenópteros:

-           Dan una información completa y real de cómo la contaminación afecta a los seres vivos, en su ciclo de vida, desarrollo y reproducción, cosa que no ocurre con los parámetros físico-químicos.

-           Las características morfológicas, biológicas y su comportamiento convierten a los himenópteros en especies “recogedoras de muestras”. Ningún sistema biológico conocido garantiza un muestreo tan extenso, uniforme y fiable.

-           Se puede establecer la procedencia de los contaminantes a través de los análisis polínicos y elaborar mapas de bioseguridad en los que se señalen aquellas zonas geográficas con distintos niveles de riesgo ambiental.

-           Es posible conocer la contaminación en el tiempo de manera puntual y precisa, así como su evolución mediante la bioacumulación en los productos apícolas.

-           Ocupan de manera natural todos los ecosistemas terrestres de nuestra geografía y gracias a su posibilidad de transporte y siempre que se dé un adecuado manejo por personas experimentadas, podemos asegurar la realización de este servicio en cualquier región, cosa que es poco común en otros indicadores.

Insectos acuáticos (efemerópteros, tricópteros y plecopteros):

-           Efemerópteros: son insectos hemimetábolos, sus larvas son acuáticas y sensibles a los cambios en su hábitat como puede ser la contaminación.

-           Tricópteros: también son sensibles a los cambios en los ecosistemas acuáticos.

-           Plecópteros: son depredadores; algunos se alimentan de detritos, con preferencia por las  aguas de corriente continua.

Estos tres grupos de insectos se los puede capturar en el agua debajo de las piedras y los adultos con red entomológica aérea, en el caso de los tricópteros con trampas de luz.

Ictiofauna

-           Las comunidades de peces incluyen diferentes niveles tróficos: omnívoro, insectívoro, planctívoro, piscívoro, y se sitúan en los niveles próximos al vértice de la pirámide trófica. De este modo la composición y estructura de la comunidad integran la información de los niveles tróficos inferiores (especialmente de algas e invertebrados), y reflejan el estado de calidad de todo el ecosistema acuático.

-           Alta longevidad (hasta 20 y 30 años) permite a los peces ser testigos e indicadores de afecciones e impactos históricos a las masas de aguas cuyas causas ya han desaparecido.

-           Su mayor tamaño y movilidad les permite jugar un papel preponderante en los ecosistemas, al influir en el flujo de energía y transporte de sustancias y elementos.

-           Su valor indicador peculiar reside en ser los indicadores con una escala espacio-temporal mayor. Además a diferencia del fitobentos, macroinvertebrados y macrófitas cuyo valor indicador reside en la escala del ‘microhábitat’, en el caso de los peces su valor indicador se refiere a la escala del meso-hábitat, es decir del tramo o del segmento fluvial.

-           Sus hábitos migratorios son una buena propiedad a la hora de medir conectividad entre distintos hábitats.

-           La actividad pesquera se convierte en un amplio registro del que obtener información.

-           La ictiofauna es uno de los elementos de calidad biológica cuyo estudio es requerido por la Directiva Marco del Agua (DMA).

Herpetofauna

-           Tanto anfibios como reptiles son pieza fundamental en las relaciones de los ecosistemas, ya que son a la vez depredadores y presas de otros animales.

-           Debido a su estrecha vinculación con el medio terrestre y/o acuático y su limitada capacidad de desplazamiento (ya que están estrechamente ligados a sus biotopos de reproducción), son animales muy sensibles a las alteraciones locales del hábitat.

-           Son especialmente vulnerables, por lo se convierten en la primera señal de alarma de una afección.

-           Sus pieles son muy permeables y sus huevos se hayan más expuestos a los factores exógenos pues no poseen una cubierta rígida que les aísle del medio.

-           Entre la herpetofauna española, únicamente las tres especies de víboras pueden considerarse peligrosas para el hombre, por lo que el uso como bioindicadores no debe suponer un riesgo.

-           Si se desea trabajar con estos organismos es importante tener en cuenta la tendencia al letargo de muchas de las especies integrantes.

-           Cuentan con un gran número de especies protegidas, lo que garantiza su seguridad y supervivencia mientras se realizan los estudios.

Aves

-           El uso de las aves como bioindicadoras de cambios ambientales se fundamenta en que debido a su posición en la escala trófica se verán afectados por una gran variedad de factores.

-           Presentan valores de longevidad idóneos para estudios a largo plazo.

-           Como depredadores, abarcan amplias áreas geográficas, por lo que pueden acumular altos niveles de metales pesados y metaloides en sus cuerpos, contaminantes que tienen una clara expresión en los tejidos renales y en los huevos.

-           Sus hábitos colonizadores pueden ser interpretados como signos de restauración ecológica.

-           Debido principalmente al sesgo de los seres humanos hacia las aves, se han acumulado bases de datos de censos de aves que pueden servir como herramientas únicas para estudiar los cambios históricos en los ecosistemas, actuando en distintas escalas.

-           Comparando una serie de ecosistemas acuáticos en el espacio, se ha visto como la comunidad de aves también está influenciada por otros factores como la salinidad, pH y la razón entre superficies de vegetación emergente y aguas abiertas.

-           La expansión del hábitat de algunas especies es un indicador preocupante del aumento de la temperatura global.

Mamíferos

-           Se trata de un grupo muy heterogéneo, con una enorme movilidad y facilidad para ocupar varios nichos ecológicos a la vez

-           Se trata de consumidores secundarios y en algunos casos terciarios, por lo que suponen el fin de la cadena alimentaria.

-           Su cercanía evolutiva a los humanos, los predispone  para la comparación de perjuicios por contaminantes entre ambos grupos.

-           Permiten el estudio de variables psicológicas.

-           En relación a su carácter de depredadores, es importante incidir en la presencia de tejido graso, el cual actúa como un reservorio para compuestos químicos, como compuestos organoclorados y metales pesados.

-           El estudio de la afección de contaminantes en mamíferos está ampliamente desarrollado, sobre todo en cuanto a la recogida de muestras de tejido.

-           También es posible la obtención de  células vivas y exponerlas a diversos contaminantes y concentraciones para estudiar los daños que ocasionan en el material genético o en la actividad celular, y relacionarlo con efectos a nivel del organismo entero.

-           Los principales grupos de investigación se centran en las especies de cetáceos y de murciélagos.

Criterios de selección de bioindicadores

Unos bioindicadores idóneos deben tener las siguientes características:

A) Taxonomía estable y bien conocida.

B) Individuos fácilmente observables, manipulables en campo y en laboratorio.

C) Responder a estresores específicos.

D) Deben ser abundantes y tener poca movilidad.

E) Deben tener ciclos de vida cortos.

Estas características, que confieren a un organismo su eficacia como bioindicador, son muy variables, y dependerán del tipo de organismo, de la utilidad que se le quiera dar, de los contaminantes a detectar, etc.

El uso de organismos indicadores de contaminación requiere conocer las tolerancias ecológicas y los requerimientos de las especies, así como sus adaptaciones para resistir contaminantes agudos y crónicos.

Las especies tienen requerimientos físicos, químicos, de estructura del hábitat y de relaciones con otras especies. A cada especie o población le corresponden determinados límites de estas condiciones ambientales entre las cuales los organismos pueden sobrevivir (límites máximos), crecer (intermedios) y reproducirse (límites más estrechos). En general, cuando más estenoica sea la especie en cuestión, es decir, cuando más estrechos sean sus límites de tolerancia, mayor será su utilidad como indicador ecológico.

Por todo ello, a la hora de elegir cuál sería el bioindicador adecuado en un ecosistema concreto para un determinado contaminante los criterios que se utilizan son:

- Relevancia: Relación causal entre cómo afecta el contaminante al organismo en cuestión con las consecuencias ecológicas.

- Sensibilidad: Dosis a la cual es sensible a un estresor específico.

- Especifidad: Grado de respuesta a estresores específicos.

- Aplicabilidad: Tanto sobre la escala temporal como sobre la espacial.

- Variabilidad: Baja con el ruido del sistema (es decir, que no se vea afectada su respuesta al contaminante concreto por otros del sistema)

- Precio: Razonable para los recursos necesarios.

Pasos en la selección de un adecuado bioindicador

Las investigaciones sobre organismos indicadores de polución comprenden el estudio autoecológico, en el laboratorio, para establecer los límites de tolerancia de una especie a una sustancia o a una mezcla de ellas mediante ensayos de toxicidad; y el sinecológico, que se basa en la observación y análisis de las características ambientales de los sitios en los cuales se detectan con más frecuencia poblaciones de organismos de cierta especie.

La mayoría de los estudios estiman características estructurales a diferentes niveles de organización, como cambios en  la estructura celular, o en la diversidad de especies, pero, más recientemente, se han incluido características funcionales, como producción y respiración.

Usos potenciales de bioindicadores

Los bioindicadores pueden ser utilizados en programas de biomonitoreo para:

1- Indicar la exposición a contaminantes.

2- Ayudar a identificar mecanismos de toxicidad:

        • Advertir señales tempranas de algún problema ambiental

        • Identificar causa y efecto entre estresores y respuestas biológicas

        • Evaluar las respuestas integradas de los organismos al estrés ambiental

        • Evaluar la efectividad de las acciones remediables sobre la salud del ecosistema.

3- Pueden ser incorporados en las evaluaciones  de riesgo ecológico.

Ventajas y desventajas generales del uso de bioindicadores

De forma generalizada, el empleo de bioindicadores para detectar la polución tiene una serie de ventajas tales como el bajo costo, los resultados rápidos y la posibilidad de proporcionar información acumulativa, integrada y discriminada gracias a su capacidad de respuesta frente a las alteraciones del medio, la cual nunca puede ser detectada a través de mediciones física-químicas. Pero también reúne algunos inconvenientes, debido a la imposibilidad de obtener resultados cuantitativos reales a causa de la complejidad de los mecanismos de interrelación

Por otra parte en función de los organismos bioindicadores seleccionados y el método de muestreo se darán ventajas e inconvenientes más específicos.