Modelos de ecotoxicologia - ESAC

Análise de Sistemas Ambientais 2011/2012Módulo 22.7 Modelos deecotoxicologiaBibliografia específica:- Jørgensen (2009). Capítulo 5BLicenciatura em Engenharia do Ambiente

2Ecotoxicologia: uma ciência com caráctermultidisciplinarAvaliar, monitorizare prever o destinode contaminantes noambiente:-Caracterizaçãoquímica doscontaminantes-Monitorização comvista à avaliação sea sua concentraçãoestá a aumentar oureduzir-Previsão dos seusefeitos

Interacções nos ecossistemas3Análise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

Substâncias tóxicas e organismos4«Todas assubstânciassão venenos.A dose certadiferencia umveneno de ummedicamento» Os organismos vivos assimilam contaminantesdo ambiente onde se encontram e podemarmazená-los na sua massa corporal A resposta dos organismos aoscontaminantes depende da natureza docontaminante e da dose assimilada As substâncias podem ter diversos efeitosnos organismos: desde os mínimos ereversíveis até à morte Quando combinadas, as substâncias podemalterar os seus efeitos nos organismosAnálise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

5Concentração de uma substânciatóxica num nível tróficoAnálise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

6Efeitos e respostas a substânciastóxicasAnálise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

7 Análise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

Efeito cascata:fonte organismos ecossistemas8

Propriedadesdos produtosquímicos einteracçãocom osecossistemas9 Análise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

10Testes laboratoriais para avaliação dosefeitos de substâncias tóxicas no ambienteAnálise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

1.Acumulação nos organismos11Processosecotoxicológicos Bioacumulação: assimilação (ar, água oucomida) e retenção de contaminantespelos organismos Bioconcentração: assimilação e retenção decontaminantes directamente a partir daágua, através de guelras ou tecidoepitelial. É definido um factor deconcentração. Biomagnificação: processo pelo qual oscontaminantes são acumulados na cadeiatróficaAnálise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

Bioacumulação: uptake12 Uptake diário:Uptake efCfF emCmV Onde: ef = eficiência de assimilação a partir do alimento Cf= concentração da substância no alimento F= quantidade de alimento ingerido/dia em= eficiência de assimilação a partir do ambiente (ar ouágua) Cm= concentração da substância no ambiente (ar ou água) V= volume de água ou ar ingerido/diaAnálise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

13Bioacumulação: variação daconcentração Variação da concentração:dCdtuptakeW Ex C Onde: C= concentração da substância no organismo W= massa corporal Ex= coeficiente de excreção/dia Solução numérica:C uptake (1 eExt)Análise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

Bioacumulação: concentração máxima14 Concentração máxima ou de equilíbrio:CmaxuptakeW ExAnálise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

2.Biodegradação15Processosecotoxicológicos Biodegradação primária:transformação biológica que altera aintegridade molecular Biodegradação final: decomposiçãodos compostos orgânicos em inorgânicosatravés da decomposição de matériaorgânicadCdtdBY.dt maxBYkCm CAnálise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

Expressão da taxa de biodegradação16Análise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

173.Distribuição e transformação decontaminantes no ecossistemaProcessosecotoxicológicos Os produtosquímicosmovem-se nomeio ambientee sofremprocessosfísicos equímicos emdiversoscompartimentosou fases epodem serassimiladospelosorganismosManuela Abelho

Principais trocas18Quando umasubstância entrano ambienteocorrem trocasentre as fases ouoscompartimentoscom que está asubstância emcontactoNaatmosferaEm meioterrestreEm meioaquáticoManuela Abelho

19Equilíbrio de concentração entre duasfases (difusivo) Equação de FreundlichC1nA K.C BOnde: K=coeficiente de partiçãoentre as 2 fases; n=constante nãolinear Com concentraçõespróximas de 0 a curvaé linear eK ouCCABlog CA1log CnBlogK

Em meio aquático: água organismos20BKB y. KBL y.CWKBLCCCBLWKOWOnde:C B =concentração no organismo,C W =concentração na água,Y=fracção de lípidos no organismo,K=factor de bioacumulação,W=água,L=lípidosAnálise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

Em meio aquático: água sedimento21CSKD fOC. CSOC/ CW fOC.CWK f .0,41.KDOCOWKOCOnde:K D = coeficiente de partição sedimentos/água,Cs = concentração no sedimento,Cw = concentração na água,OC = Carbono orgânicof=fracçãoAnálise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

Na atmosfera: ar água22 Lei de Henryp H.C WOnde:P= pressão parcial na fase gasosa [Pa]C w = concentração na água [mol/m 3 ]H = constante de Henry [Pa.m 3 mol -1 ]Análise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

Na atmosfera: ar vegetação23K C / C y.KVABAOWHDOnde:K VA = coeficiente de partição vegetação/arC B = concentração na vegetaçãoC A = concentração no arH D = constante de HenryAnálise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

Na atmosfera: ar solo24K C / C K H f .0,41. K . HSASADOnde:K SA = coeficiente de partição solo/arC S = concentração no soloC A = concentração no arH D = constante de HenryDOCOWDAnálise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

25Em meio terrestre: solo atmosfera evegetação atmosferaAnálise de Sistemas Ambientais 2011/2012Os organismosterrestres(aves,mamíferos,insectos…) têmuma enormecapacidade dedegradaçãode compostosorgânicospersistentesdevido às suasenzimasManuela Abelho

Os modelos ecotoxicológicos26Utilidade 1Usados em AIA para determinação daconcentração de uma substância tóxica emdiferentes compartimentos do ambiente: solo,plantas, animais, água,…Permitem determinar PEC (predicted environmental concentration) PNEC (predicted no effect concentration): aconcentração mais elevada que não causa efeitosnegativos inaceitáveis nos vários compartimentosDeterminação do risco: razão PEC/PNEC Razão >1.0: risco significativo Razão 0.1-1.0: recomendável monitorização Razão

Os modelos ecotoxicológicos27Utilidade 2 Ilustram as vantagens das aplicaçõesdos modelos Demonstram a incerteza dos resultadosdos modelos, que resulta da suasimplificação da realidade Não contemplam detalhes que podemnão ser completamente negligenciáveis Utilizam parâmetros que também têm umgrau elevado de incertezaAnálise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

28Diferenças em relação ao modelosecológicos São geralmente mais simples Requerem mais parâmetros Utilizam uma gama variada de métodos paraestimativa de parâmetros Incluem o efeito possível de uma concentração Se o modelo é estático, inputs = outputs e equaçõesdiferenciais reduzidas a equações algébricasAnálise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

291. Modelos dinâmicos de cadeiasalimentaresCinco classes demodelosecotoxicológicos Modelos relativamente complexos queincluem muitas variáveis de estado emuitos parâmetros Utilizados quando muitos organismos oua própria estrutura do ecossistema sãoafectados Exemplo: bioacumulação numecossistema aquático água fitoplâncton zooplâncton peixes planctívoros peixes predadoresAnálise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

30Exemplo de um modelo dinâmico decadeia alimentar

312. Modelos estáticos do fluxo demassas de substâncias tóxicasCinco classes demodelosecotoxicológicos Quando as variações sazonais sãonegligenciáveis Mostram as alterações espectáveis se acarga da substância tóxica for reduzidaou aumentada Requerem menos dados e são simples, masnão revelam a dinâmica do sistema Pode conter um ou mais níveis tróficos Mesmo que ocorram variações sazonais,podem ser usados se se quiser apenasestudar o pior cenárioAnálise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

32Exemplo de um modelo estático deacumulaçãoIngestão+ Inalação = Acumulação+ Excreção + ExalaçãoExcreção = Fezes + Urina300 + 25 = Acumulação + (270+30) + 12.5Acumulação = 12.5 g/dia (ossos)

Modelos dinâmicos de uma substância33tóxica num único nível tróficoCinco classes demodelosecotoxicológicos Quando a preocupação reside apenasnum nível trófico Mostram que pode ocorrersimplificação dos modelos quando aquestão está bem definida Inclui o nível trófico ‘zero’, o meio noqual a substância tóxica se dispersa(solo, água, ar)Análise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

34Exemplo de um modelo dinâmico comum único nível tróficoAnálise de Sistemas Ambientais 2011/2012Neste exemplo, apreocupação resideno nível tróficorepresentado pelospeixes, que sendouma fonte dealimentaçãohumana, podemconter níveisdemasiadoelevados de DDTA biomagnificaçãoatravés da cadeiaalimentar é tida emconsideraçãoatravés de umfactor

35Modelos ecotoxicológicos em dinâmicade populaçõesCinco classes demodelosecotoxicológicos Associam aos modelos de dinâmica daspopulações a influência de uma substânciatóxica (tx) nas taxas de natalidade e demortalidade dN/dt = B(tx) * N – M(tx) * N = r(tx) * NAnálise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

Modelos que simulam efeitos36Cinco classes demodelosecotoxicológicosPodem incluir efeitos letais e subletais, efeitosnas reacções bioquímicas ou enzimáticasResposta às seguintes questões: A substância acumula-se nos organismos? Qual a concentração no organismo quando astaxas de assimilação, de excreção e debiodegradação são consideradas? Qual o efeito crónico dessa concentração? A substância acumula-se em que órgãos e em queconcentrações? Qual a transferência entre as várias partes doorganismo? Eventuais produtos de decomposição poderãocausar efeitos adicionais?

37Exemplo de um modelo que simulaefeitos: mercúrioAnálise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho

38Exemplo de um modelo que simulaefeitos: mercúrioAnálise de Sistemas Ambientais 2011/2012Manuela Abelho