Contaminantes emergentes de origen ganadero en el ambiente: simulación degradativa en laboratorio

Federico M. Ivanic1

¿Por qué estudiar a los contaminantes emergentes?

El consumo de carne en Argentina ha aumentado en la última década [1], así como en el resto del mundo, puntualmente en Brasil, China y Estados Unidos, lo cual ha derivado en una intensa producción ganadera. Esto ha significado, a su vez, un aumento en el consumo de agua, alimento y tierra para acompañar el ritmo productivo, así como también de un consumo excesivo de sustancias veterinarias [2]. Dentro de las mismas, se pueden señalar dos categorías importantes debido a su amplio uso y presencia en residuos: los antibióticos y las hormonas. Ambas sustancias se suministran al ganado (porcino, bovino, etc.) en dosis controladas y continuas con el fin de estimular su crecimiento y evitar posibles enfermedades.

El problema que representa el uso desmedido de estas sustancias prevalece debido a la aparición de las mismas en los desechos ganaderos, residuos que luego son descartados de una forma u otra a diversos ambientes. Las hormonas y antibióticos pueden ser administradas a los animales oralmente, ya sea en el alimento, en el agua o de forma forzada, inyectadas, como parche, entre otros métodos, y su absorción dependerá de la forma en la que sean aplicadas. En general se realiza de forma oral, y en esos casos la absorción suele ser baja, aproximadamente dentro del 60-90% de la dosis original se excreta [3], pero este número dependerá de la clase de droga, su familia y estructura, así como de la identidad del animal, su estado de salud, edad, entre otras características. Como consecuencia, una importante proporción de la droga es excretada como tal en heces u orina, así como también una parte lo es de forma metabolizada. Como el uso de estas sustancias es continuo e intenso, se produce una acumulación de las mismas, junto con sus metabolitos, en los desechos, lo cual genera que dichas sustancias puedan considerarse como contaminantes emergentes (CEs) [2]. Los CEs se definen como aquellos compuestos, naturales o artificiales, o cualquier microorganismo, que no son comúnmente monitoreados o no se encuentran regulados en el ambiente, con conocidos o posibles efectos adversos sobre la salud humana y ecológica.

Las hormonas como contaminantes

Las hormonas son sustancias naturalmente sintetizadas por los organismos con el fin de actuar como mensajeros químicos y regular distintos procesos en aquellos, con especial importancia en el sistema reproductivo. A este tipo de sustancias se las denomina hormonas naturales, dado que existen de forma natural en el ambiente y son segregadas de forma endógena por el organismo. A su vez, hoy en día existe una gran variedad de hormonas artificiales o sintéticas, es decir, sustancias que tienen funciones idénticas o similares a las hormonas naturales, pero cuyas estructuras químicas no se encuentran en la naturaleza; en general, dichas sustancias tienen una mayor eficiencia de acción y son ampliamente utilizadas en medicina. Un amplio abanico de hormonas es suministrado a las cabezas de ganado como factores de crecimiento, con el fin de lograr un mayor y rápido engorde, logrando aprox. un 15% de aumento del crecimiento [4]. Entre ellas, podemos encontrar hormonas naturales, como la estrona, estradiol, testosterona y progesterona, y sintéticas, como acetato de trembolona, etinilestradiol, zeranol, entre otros.

La presencia de hormonas en ambientes naturales puede resultar un gran riesgo para los mismos. Por un lado, las hormonas actúan usualmente a bajas concentraciones, por lo cual pequeñas cantidades de dichas sustancias pueden traer aparejadas grandes consecuencias. Por otro lado, las hormonas actúan como disruptores endócrinos, afectando el equilibrio hormonal de las especies que allí se encuentren. Es así como niveles muy bajos de hormonas libres en el ambiente (alrededor de los ng/L) pueden dar diversas respuestas biológicas, como afección en la determinación del sexo, maduración sexual, definición de características sexuales, etc. [5]. Estos casos son comúnmente encontrados en peces, observando en general demasculinzación de peces machos. A su vez, la acumulación de hormonas en el ambiente puede generar la aparición de los mismos en nuestra cadena alimenticia, con un aumento del riesgo a cáncer y reducción de la fertilidad [6].

Los antibióticos como contaminantes

Los antibióticos son una de las drogas aprobadas más comúnmente administradas en el ganado, como tratamiento de enfermedades infecciosas cuando el mismo se encuentra enfermo, pero también se administra cotidianamente en el ganado sano con el fin de evitar la aparición de infecciones y como promotor del crecimiento [7]. Los antibióticos más utilizados son de las familias de las tetraciclinas, sulfonamidas y macrólidos [3], aunque los dos primeros grupos son los que normalmente se pueden encontrar como contaminantes debido a su utilización en mayores concentraciones. De aquí podemos resaltar específicamente a la oxitetraciclina y la clorotetraciclina, dentro de la familia de las tetraciclinas, y la sulfadiazina, de la familia de sulfonamidas, como los más comunes y que más se encuentran en ambientes y zonas vecinas a establecimientos ganaderos [7].

El uso desmedido de antibióticos es un tema de vital preocupación en las últimas décadas, sobre todo en producciones porcinas, pero también en el bovino y en aves de corral. La presencia de los mismos en múltiples ambientes trae aparejada una gran gama de problemas, como su bioacumulación en la red trófica, afecciones en procesos de desarrollo madurativo y, sobre todo, aparición de resistencia a los mismos. La exposición crónica a bajas dosis de antibióticos, sobre todo en sistemas acuáticos, ocasiona una presión selectiva sobre comunidades bacterianas autóctonas, que no solo genera un desbalance en el ambiente y amenaza la vida de los organismos acuáticos, sino también que contribuye a la progresión de bacterias resistentes a antibióticos (ARB) y genes resistentes a antibióticos (ARGs) [8]. Los ARGs pueden transferirse a diferentes bacterias a través de transferencia de genes horizontal y, eventualmente, ser transferida a patógenos humanos y animales, lo cual supone un gran riesgo para la salud ya que limita los tratamientos disponibles para enfermedades infecciosas.

El destino de los contaminantes en el ambiente

Los residuos ganaderos pueden ser acumulados, compostados, descartados en cuerpos de agua superficiales o aplicados sobre campos agrícolas como fertilizantes [4]. Todos estos procesos llevan, de una forma u otra, a la presencia y acumulación de dichos CEs en distintos ambientes naturales, que pueden tener algún tipo de efecto sobre la vida del ecosistema, así como de la propia salud humana. El ambiente al que lleguen dependerá de la forma en que sean descartados. Por ejemplo, las fugas en sistemas de transporte y almacenamiento de los desechos ocasionan que los mismos puedan llegan a los propios suelos cercanos a zonas ganaderas y ocurran procesos de filtración y/o lixiviación, donde los contaminantes pueden ser adsorbidos por materia orgánica e inorgánica (arcillas) de los suelos o pueden llegar a aguas subterráneas [4]. Lo mismo ocurre cuando los mismos son aplicados como fertilizantes en campos agrícolas.

Una vez que llegan a los distintos ambientes, los contaminantes pueden sufrir una serie de transformaciones. Los contaminantes pueden clasificarse ampliamente como persistentes, es decir, aquellos que no son capaces de ser degradados y se mantienen como tal durante largos períodos de tiempo, o degradables, que, como su nombre lo indica, participarán como reactivos en distintas reacciones naturales, dando productos diversos. Que un contaminante sea o no degradado no sólo depende de la estructura química del mismo, sino también de las condiciones naturales en que se encuentre, como la temperatura, pH, presencia de luz, entre otros. La importancia de conocer el destino de los contaminantes radica en caracterizar el riesgo que los mismos suponen para el ambiente: si es persistente, saber si el mismo puede ser bioacumulado a lo largo de la cadena trófica, y, si es degradable, saber si la misma lleva a su mineralización completa (formación de CO2 y H2O) o la formación de nuevos metabolitos que pueden ser persistentes y/o hasta más nocivos que el compuesto original. Además, su importancia no sólo se puede entender desde un aspecto ecotoxicológico, sino también desde un aspecto práctico, ya que el desarrollo y aplicación de distintas estrategias de remediación que se puedan establecer sobre las zonas contaminadas deben tener en cuenta la naturaleza del contaminante.

Por todas estas razones anteriormente desarrolladas se planteó la tesis doctoral que se encuentra en progreso hoy en día. El objetivo es poder estudiar y comparar la degradación de contaminantes como la oxitetraciclina y el etinilestradiol en distintas condiciones naturales. Dicha degradación se simula en el laboratorio utilizando un sistema de reactores especialmente acondicionados para dicha tarea, y el análisis e identificación de los productos de degradación se realiza a través de cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masa. A continuación, se desarrollará detalladamente en qué consisten dichos experimentos.

Diseño experimental

El principal objetivo a cumplir en el diseño experimental es lograr una correcta simulación de las condiciones naturales a encontrar en cuerpos de agua (lagos y lagunas) en el laboratorio, pero, al mismo tiempo, que permita el control y medición de variables importantes: temperatura, pH, potencial redox y concentración de O2 disuelto en agua. Simultáneamente, el sistema debe poder ser estandarizado y asegurar la reproducibilidad del método. Para lograr todo esto, según lo reportado previamente en bibliografía ([9], [10], [11]), se diseñaron reactores de vidrio de 1L de capacidad que cuentan con sensor de temperatura, de pH, de O2 disuelto y electrodos de platino y de plata para la medición de potencial redox. Las condiciones a estudiar son:

    1. Condición de pH: se estudian dos tipos de aguas, una levemente ácida, con un rango de pH de 5.5 – 5.7, y una neutra, de entre 7.3-7.5.
    2. Oxigenación: se estudia el efecto de aguas saturadas en oxígeno (característicos de aguas cercanas a la superficie) que impone un desarrollo aeróbico (microorganismos que crecen en presencia de O2), aguas levemente oxigenadas (aeróbico facultativo), y ausencia total de oxígeno (aguas profundas) en condición anaeróbica (organismos que crecen sin oxígeno).
    3. Biodegradación vs degradación química: se compara la degradación que ocurre de forma abiótica, es decir, que ocurre por vías químicas no catalizadas por microorganismos (fotolisis, oxidación/reducción química, hidrólisis, etc.) y la biodegradación dada por metabolización de los contaminantes por parte de un consorcio microbiano, obtenido a partir de un efluente porcino.

Cada reactor se llena con 120 g de sedimento artificial húmedo (mezcla de arena, arcilla y turba en proporciones 93:5:2) y 800 ml de agua, y se lo deja llegar al equilibrio por 7 días. Durante este tiempo, se ajusta el pH a la condición buscada, ya sea levemente ácida o neutra, y se oxigena el sistema, en caso de ser necesario, a través de una bomba de acuario que burbujea aire directamente en la solución. Pasado este período de acondicionamiento, se cubren todos los reactores con aluminio, de forma de impedir el paso de luz, y se coloca el inóculo microbiano en cada reactor correspondiente al estudio de degradación biótica y, en aquellos de degradación abiótica, no se coloca el inóculo sino un biocida (azida de sodio, NaN3). Se deja nuevamente llegar al equilibrio y que el consorcio microbiano se desarrolle para, finalmente, colocar el contaminante en estudio. Durante un período de aproximadamente 1 mes se retiran muestras de agua de cada reactor a través de una jeringa de vidrio que perfora un tapón sellado (septum), se filtra el particulado y se analiza su contenido por cromatografía líquida de alto rendimiento acoplado a espectrometría de masa (HPLC-MS).

El HPLC es un equipo que permite la separación de analitos en una mezcla líquida por la diferencia de interacción que cada uno posea con una fase móvil, que los transporta a lo largo del equipo, y una fase estacionaria contenida en lo que se conoce como columna cromatográfica. Una vez separados, cada uno de los compuestos llegará a distintos tiempos a un mismo detector, dando una señal. El sistema de detección es diverso, y, en este caso, se opta por acoplar el HPLC con un espectrómetro de masa (MS) que da información de la masa molecular y estructura de los compuestos, lo cual facilita su identificación. Con toda esta información, es posible analizar los datos y determinar si el contaminante es degradado, su cinética de desaparición, aparición de productos de transformación, identificación de los mismos y plantear posibles vías por las que los mismos se formen.

Ejemplo de aplicación: degradación aeróbica de la oxitetraciclina

La oxitetraciclina es un antibiótico de amplio espectro y de común uso que, en los últimos años se ha comenzado a cuestionar y/o prohibir su utilización debido a los efectos que puede ocasionar en los ambientes. La degradación aeróbica de la oxitetraciclina se llevó a cabo con aireación constante, en ambas condiciones de pH mencionadas, en condiciones abióticas y bióticas, en oscuridad y se finalizó el tiempo de medición cuando todos los sistemas mostraran concentraciones de oxitetraciclina por debajo del 1% de la inicial.

Se observó en todos los casos un decaimiento exponencial de la concentración de oxitetraciclina, siguiendo una tendencia similar en los primeros días, pero diferenciándose a largos plazos. Las vidas medias (tiempo que transcurre hasta que la concentración del analito disminuye al 50% de la inicial) en cada caso fueron similares, aproximadamente de 2 días, pero el tiempo transcurrido en llegar al 1% de la concentración inicial fue evidentemente distinto para cada condición. Un menor valor de pH y presencia de microorganismos demostró una degradación más rápida, llegando al 1% aproximadamente a los 22 días. En contraposición, pH neutro y condiciones abióticas fueron las condiciones bajo las cuales la OTC demostró mayor persistencia, con 36 días.

A su vez, se pudieron proponer distintos productos posibles de transformación, muchos de ellos comunes a todas las condiciones, pero con distintas abundancias y evoluciones temporales, mientras que algunos de ellos fueron específicos a ciertas condiciones. Como es de esperar en las condiciones oxidativas en que se trabajó, la mayoría de los productos encontrados correspondieron a estructuras más oxidadas de la oxitetraciclina original, como por ejemplo debido a la formación de carbonilos a partir de alcoholes (oxidación alcohólica) dando cetonas y ésteres, aparición de grupos hidroxilos (hidroxilación), entre otros. Otras reacciones que ocurrieron fueron la pérdida de ciertos grupos funcionales de la molécula, como grupos metilo en el grupo amina (demetilación), pérdida de monóxido de carbono (decarbonilación), etc.

Conclusiones

El monitoreo de nuevas sustancias veterinarias continuamente utilizadas en el ámbito ganadero ha cobrado una gran importancia. Conocer el destino químico de dichos compuestos es de vital relevancia en su control y tratamiento, así como para poder avanzar en regulaciones que aumenten la supervisión de su administración y limiten el uso desmedido. Mediante la metodología experimental desarrollada en esta primera etapa doctoral se lograron construir eficientemente los reactores de simulación degradativa y obtener los primeros resultados con un CEs modelo como es la oxitetraciclina.

Referencias

[1] Anuario PORCINOS, 2019, Ministerio de Agricultura, Ganadería y Pesca, Argentina.

[2] Oliveira, J.F., Fia, R., Rodrigues, F.N., Fia, F.R.L., Matos, M.P., Siniscalchi, L.A.B., Sanson A.L., 2020. Quantification, removal and potential ecological risk of emerging contaminants in different organic loads of swine wastewater treated by integrated biological reactors. Chemosphere, 260.

[3] Cheng, D. L., Ngo, H. H., Guo, W. S., Liu, Y. W., Zhou, J. L., Chang, S. W., Nguyen, D. D., Bui, X. T., Zhang, X. B., 2018. Bioprocessing for elimination antibiotics and hormones from swine wastewater. The Science of the Total Environment, 621, 1664–1682.

[4] Ray, P., Zhao, Z., Knowlton, K., 2013. Sustainable Animal Agriculture, Chapter 17: Emerging contaminants in livestock manure: hormones, antibiotics and antibiotic resistance genes. Kebreab, E. (Ed.). Cabi Internaional, Boston MA, U.S.A., pp. 268–283.

[5] Lange, I.G., Daxenberger, A., Schiffer, B., Witters, H., Ibarreta, D., Meyer, H., 2002. Sex hormones originating from different livestock production systems: fate and potential disrupting activity in the environment. Analytica Chimica Acta 473, 27–37.

[6] Adeel, M., Song, X., Wang, Y., Francis, D., Yang, Y., 2017. Environmental impact of estrogens on human, animal and plant life: a critical review. Environmental International 99, 107–119.

[7] Sarmah, A. K., Meyer, M. T., Boxall, A. B., 2006. A global perspective on the use, sales, exposure pathways, occurrence, fate and effects of veterinary antibiotics (VAs) in the environment. Chemosphere, 65, 725–759.

[8] Cheng, D., Hao Ngo, H., Guo, W., Chang, S.W., Nguyen, D.D., Liu, Y., Wei, Q., Wei, D., 2020. A critical review on antibiotics and hormones in swine wastewater: Water pollution problems and control approaches. Journal of Hazardous Materials 387.

[9] OECD guidelines for Testing of Chemicals, 2002. 308, Aerobic and Anaerobic Transformation in Aquatic Sediment Systems; Organization for Economic Co-operation and Development (OECD).

[10] Baginska E.; Haiß A.; Kümmerer K., 2015. Biodegradation screening of chemicals in an artificial matrix simulating the water-sediment interface. Chemospehere, 119, 1240-1246.

[11] Shrestha, P., Junker, T., Fenner, K., Hahn, S., Honti, M., Bakkour, R., Diaz, C., Hennecke, D., 2016. Simulation Studies to Explore Biodegradation in Water−Sediment Systems: From OECD 308 to OECD 309. Environmental Science & Technology 50 (13), 6856-6864.

  1. Instituto de Investigación e Ingeniería Ambiental, UNSAM-CONICET (IIIA) []

OpenEdition le sugiere que cite este post de la siguiente manera:
vaguiar (11 de noviembre de 2020). Contaminantes emergentes de origen ganadero en el ambiente: simulación degradativa en laboratorio. JDFL. Recuperado 7 de noviembre de 2024 de https://doi.org/10.58079/qk07