Tolerância da comunidade induzida pela poluição - Pollution-induced community tolerance

A tolerância da comunidade induzida pela poluição ( PICT ) é uma abordagem para medir a resposta às pressões seletivas induzidas pela poluição em uma comunidade. É uma ferramenta ecotoxicológica que aborda a tolerância da comunidade à poluição de um ponto de vista holístico. A tolerância da comunidade pode aumentar de uma das três maneiras: adaptações físicas ou plasticidade fenotípica , seleção de genótipos favoráveis e a substituição de espécies sensíveis por espécies tolerantes em uma comunidade .

O PICT difere da abordagem de tolerância da população para tolerância da comunidade porque pode ser facilmente aplicado a qualquer ecossistema e não é crítico usar um organismo teste representativo, como acontece com a abordagem de tolerância da população.

Tolerância da comunidade

A tolerância da comunidade pode ser usada como indicador para determinar se um tóxico causa distúrbios em uma comunidade exposta por vários tipos de organismos . A tolerância a um tóxico pode aumentar de três maneiras: adaptação fisiológica, também conhecida como plasticidade fenotípica de um indivíduo; genótipos tolerantes selecionados dentro de uma população ao longo do tempo; e a substituição de espécies por outras mais tolerantes dentro de uma comunidade. Adaptação fisiológica, ou plasticidade fenotípica, é a habilidade de um organismo individual de mudar seu fenótipo em resposta às mudanças no ambiente. Isso pode ocorrer com grande variação entre o tipo de organismo e o tipo de distúrbio que experimentam. A seleção natural que ocorre ao longo de várias gerações faz com que uma população inteira exiba uma seleção específica de genótipos. Com o tempo, os genótipos tolerantes podem ser selecionados sobre os não tolerantes e podem causar uma mudança no genoma de uma população . A seleção natural também pode causar a substituição de espécies menos tolerantes por espécies mais tolerantes. Todos esses aspectos podem alterar drasticamente a estrutura de uma comunidade e, se um tóxico puder ser identificado como o culpado, ações podem ser tomadas para prevenir o acúmulo e os impactos ambientais desse tóxico. O PICT pode ser usado para a ligação entre a causa (exposição) e o efeito dos tóxicos devido à estrutura de uma comunidade que sobreviveu ao evento, também conhecida como sucessão induzida por tóxicos (TIS). A sucessão induzida por tóxicos seria o desenvolvimento de gerações mais tolerantes uma vez que um produto químico fosse introduzido no meio ambiente. É por isso que o método PICT é mais frequentemente aplicado a comunidades com tempos de geração curtos, como comunidades microbianas e algas, enquanto existem trabalhos raros que usam a ferramenta PICT em organismos diferentes de microorganismos.

Existem dois tipos de tolerâncias que podem ocorrer: múltipla e co-tolerância. Tolerâncias múltiplas podem elevar a capacidade de um indivíduo de tolerar vários tóxicos presentes ao mesmo tempo. Isso significa que o tipo de produtos químicos presentes no meio ambiente, a concentração e os organismos afetados podem alterar o meio ambiente de várias maneiras diferentes. Co-tolerância é a capacidade de um organismo de desenvolver tolerância a um determinado tóxico em testes de curto prazo e obter essa tolerância para outros tóxicos semelhantes ao primeiro. Além disso, a co-tolerância depende da interação de diferentes fatores, como o tóxico ao qual as comunidades foram cronicamente expostas, o (s) modo (s) de ação dos diferentes tóxicos, mas também os mecanismos de desintoxicação implementados pelos organismos e o alvo comunidade biológica (por exemplo, heterótrofos, heterótrofos) Pode ser difícil determinar que tipo de tolerância está ocorrendo se houver vários tipos de tóxicos em uma comunidade, porque eles podem estar agindo simultaneamente. Basicamente, é difícil entender o que exatamente pode estar acontecendo em uma comunidade sem testá-la com várias ferramentas ecotoxicológicas com testes de toxicidade de curto e longo prazo. Porém, no contexto do biomonitoramento com o método PICT, a co-tolerância poderia ser uma vantagem, pois permitiria trabalhar passo a passo. Uma primeira etapa seria usar um modelo tóxico de uma classe de poluentes (selecionados com base em suas propriedades de co-tolerância) para limitar o número de poluentes suspeitos na avaliação ecotoxicológica de um ambiente. Por exemplo, um estudo PICT no solo em microcosmos corrigidos com adubo orgânico observada co-tolerância apenas entre antibióticos do mesmo grupo (oxitetraciclina e tetraciclina), como esperado de seu modo de ação idêntico. Este tipo de abordagem ainda é preliminar, havendo necessidade de mais estudos in situ combinando PICT com monitoramento químico de ambientes, trabalho experimental em condições laboratoriais controladas e integração do PICT em abordagens de modelagem para esses parâmetros precisos de co-tolerância. Uma abordagem complementar derivada de Pesce et al. (2011) e Foulquier et al. (2015) foi recentemente aplicado por Tlili et al (2020), combinando sistemas de amostragem passiva com bioensaios PICT em biofilmes de rios coletados a montante e a jusante de estações de tratamento de águas residuais em intervalos de dois anos (antes e depois de uma mudança no tratamento de efluentes). Seus resultados demonstram o valor da combinação da abordagem PICT com o uso de extratos de amostradores passivos para estabelecer a causalidade entre a exposição in situ a misturas complexas de micropoluentes e efeitos ecotóxicos em comunidades microbianas autotróficas e heterotróficas.

Campo de estudos

A avaliação da tolerância da comunidade induzida pela poluição pode ser feita utilizando técnicas in situ , muitas das quais envolvem o uso de gradientes de exposição química conhecidos ou criados. Um exemplo é o uso de um gradiente de concentração conhecido de Tri-n-butilina para avaliar PICT no perifíton . Os padrões de tolerância mostraram que a tolerância era maior próximo à marina que era a fonte de contaminação. O uso de locais de referência além de locais contaminados também é comumente usado para avaliações de translocação de PICT. Um estudo na Alemanha cultivou perifíton em discos de vidro em dois sistemas fluviais ao norte de Leipzig, Alemanha. Um sistema era a área de estudo contaminada e o outro ficava 10 km a montante e não contaminado, destinado a ser usado como referência. Após o período de colonização, 6 das 10 prateleiras de discos de vidro foram transferidas para o outro sistema fluvial. Durante o experimento, a estrutura da comunidade presente nos discos de vidro do local de referência, quando translocada para o local contaminado, mudou para espelhar a dos discos de controle que foram deixados nos locais contaminados. Observe o interesse de usar locais de observação de longo prazo para abordar as consequências da contaminação e restauração de ambientes com PICT. Um exemplo é o observatório de hidrologia do rio Ardières-Morcille no Beaujolais (região dos vinhedos, França), onde numerosos estudos PICT in situ foram conduzidos, e que também foi usado para muitos experimentos PICT em laboratório (ver por exemplo). Digno de nota neste site é o estudo conduzido por Pesce et al. (2016) durante três anos consecutivos (2009-2011): Os autores monitoraram a diminuição da tolerância do perifíton ao diuron (herbicida aplicado em vinhedos e proibido desde 2008) a jusante do rio que atravessa esta bacia vitivinícola. Seus resultados mostraram uma ligação direta entre a evolução de uma prática agrícola (aqui a proibição do diuron) e as mudanças ecológicas no rio (através da perda de tolerância medida pelo PICT). O Lago de Genebra é um dos lagos subalpinos estudados há muito tempo pela Comissão Internacional para a Proteção do Lago de Genebra ( CIPEL ). Um estudo PICT realizado com 12 anos de intervalo mostrou a restauração do fitoplâncton do lago com uma diminuição concomitante na tolerância das comunidades para atrazina e cobre e nas concentrações desses dois contaminantes (seguindo a legislação que limita o uso de atrazina na agricultura e enquadrando o gestão de resíduos industriais). Em outro estudo na Dinamarca, experimentos de recinto foram feitos permitindo uma avaliação do PICT utilizando a água do lago do Lago Bure como linha de base. Ao usar esta água do lago, variáveis ​​potencialmente confusas seriam anuladas pela comparação dos resultados com o controle. Concentrações de atrazina e cobre foram adicionadas a esses invólucros em concentrações variáveis. Como em outros experimentos discutidos anteriormente, comunidades de perifíton foram usadas neste experimento e foram cultivadas em discos de vidro. A atividade fotossintética foi medida e usada como uma medida de PICT durante todo o experimento. O experimento mostrou que níveis elevados de Cu levam à tolerância da comunidade fitoplanctônica, bem como à co-tolerância ao zinco. A biomassa total diminuiu no início dos testes envolvendo altas concentrações de Cu, indicando que a tolerância da comunidade foi aumentada devido à mortalidade direta das espécies sensíveis. O estudo in situ de Bérard & Benninghoff, (2001) em recintos repetidos ao longo de vários anos no lago de Genebra, mostrou que a tolerância do fitoplâncton ao herbicida atrazina (inibidor da fotossíntese) variou de acordo com as estações durante as quais o experimento foi realizado. . Essas mudanças na tolerância para o mesmo tóxico e na mesma concentração (10 µg L-1) foram provavelmente ligadas às composições iniciais das comunidades de algas e cianobactérias e a fatores ambientais associados a parâmetros sazonais (temperatura, luz, nutrientes, etc. ) Estudos PICT em grandes escalas espaciais são raros e difíceis de conduzir, observe este estudo europeu de Blanck et al (2003) sobre a tolerância ao zinco no perifíton de rios.

O uso de PICT de forma in situ não se limita aos sistemas aquáticos. Estudos sobre comunidades microbianas do solo foram conduzidos em contextos industriais e agrícolas (ver a revisão de Boivin et al., 2002). Assim, para exemplos no contexto de contaminação industrial, um estudo envolvendo 2,4,6-Trinitrotolueno utilizou técnicas respirométricas para medir a Tolerância Comunitária Induzida pela Poluição em comunidades microbianas do solo em resposta à presença de TNT. Os resultados deste estudo corroboram ainda mais a Teoria PICT, em que os tratamentos com exposição de longo prazo ao TNT tiveram uma proporção maior de bactérias resistentes ao TNT do que os solos com baixos níveis de TNT. Esse PICT causado pelo TNT também esteve presente em outro estudo. Medidas de microrespirometria realizadas em amostras de solo tomadas ao longo de três transectos destacaram a tolerância ao Pb em um local próximo a uma fundição de chumbo com contaminação polimetálica de longo prazo dominada por Pb. O PICT estabeleceu relações causais entre o Pb e seu efeito nas comunidades microbianas, considerando o histórico de contaminação ambiental no nível da comunidade. Além disso, uma correlação positiva entre o quociente metabólico da comunidade e PICT sugeriu que a aquisição de tolerância induzida pelo estresse de Pb teria resultado em um maior custo energético para as comunidades microbianas para lidar com a toxicidade do metal. Outros estudos destacaram, em vários contextos, esse custo da tolerância induzida por contaminantes. No contexto da contaminação agrícola, Bérard et al. (2004) validaram a ferramenta PICT (medindo a atividade fotossintética) para tolerância à atrazina em microalgas edáficas, comparando solos de campos de milho cultivados convencional e organicamente. Mudanças na estrutura taxonômica das comunidades de diatomáceas amostradas de solos sob ambos os tipos de práticas agrícolas, bem como experimentos em nanocosmos, confirmaram o efeito seletivo da atrazina. Em ambiente terrestre, o método PICT é amplamente aplicado à contaminação por metais e, desde 2010, à tolerância a antibióticos em interação com a contaminação por metais.

Idealmente, a tolerância da comunidade induzida pela poluição pode ser avaliada no campo usando uma amostra representativa da comunidade natural em resposta à contaminação ambiental. No entanto, nem sempre é esse o caso, razão pela qual os estudos de laboratório são suplementos necessários para avaliar adequadamente o PICT.

Estudos experimentais

A investigação experimental do PICT é realizada para eliminar outros fatores além da poluição que podem afetar a estrutura e a ecofisiologia da comunidade ou, ao contrário, para estudá-los (controlando-os). Muito trabalho foi feito em sistemas controlados (ver revisões de Blanck, 2002 e Tlili et al. 2016). Eles podem ser realizados em conjunto com o trabalho de campo, como no estudo de Blanck e Dahl (1996). Neste estudo, os resultados dos testes laboratoriais de toxicidade aguda do TBT no perifíton corroboraram os resultados do estudo de campo, apoiando a conclusão de que a toxicidade para o perifíton resultou da poluição do TBT no local sob investigação. Os resultados dos testes de toxicidade aguda podem, portanto, ajudar a determinar se o efeito identificado é devido a um contaminante específico. Bérard et al. (2003) usaram sistemas experimentais de complexidade crescente associados ao monitoramento de locais no Lago de Genebra mais ou menos contaminados por Irgarol (inibidor anti-incrustante da fotossíntese), e cruzaram os resultados de ecotoxicidade de cepas isoladas desses locais e de locais de controle não contaminados com experimentos em nanocosmos e medições PICT. Este trabalho destacou a alta toxicidade do Irgarol (em comparação com a atrazina com o mesmo local de ação e apresentando uma co-tolerância) no perifíton e no fitoplâncton e seu potencial para pressão de seleção nas concentrações existentes no lago.

A metodologia PICT

Há uma variedade de métodos de teste de laboratório PICT, mas um formato geral inclui amostragem , um bioensaio e uma análise da estrutura da comunidade.

As amostras podem ser coletadas em substratos artificiais ou naturais, in situ ou em laboratório. Deve haver uma série de amostras expostas a diferentes concentrações de contaminante e uma amostra de controle . A amostragem in situ envolve configurar um dispositivo de amostragem em um ecossistema aquático e permitir que ele colonize por algum tempo (por exemplo, algumas semanas). Um exemplo é o diatômetro, um dispositivo que é implantado na água que se torna colonizado por diatomáceas e depois é removido para análise. Dispositivos de amostragem in situ são configurados em distâncias crescentes da fonte de poluição no caso de poluição de fonte pontual . As amostras, portanto, representam um gradiente na concentração do contaminante, assumindo que o contaminante se torna mais diluído com o aumento da distância da fonte pontual. Um exemplo de amostragem de laboratório foi usado em um estudo de Schmitt-Jansen e Altenburger (2005). Durante 14 dias, as comunidades puderam estabelecer discos montados em aquários de laboratório, os quais foram continuamente misturados e inoculados com algas de um tanque. Os aquários foram dosados ​​com diferentes concentrações de herbicida para obter um gradiente de exposições a contaminantes de longo prazo (14 dias). Uma vez por semana, a água do aquário era completamente substituída e dosada novamente com herbicida. Os estudos terrestres apresentam outras dificuldades, pois é difícil usar os sistemas de colonização pelas comunidades investigadas. Geralmente, uma amostra do solo com sua heterogeneidade intrínseca e componentes diferentes de microrganismos (minerais, orgânicos ..), o que aumenta as dificuldades de medição e vieses relacionados à biodisponibilidade do contaminante.

Um bioensaio é conduzido nas amostras para testar a correlação entre a tolerância e a exposição a contaminantes de longo prazo. Primeiro, as amostras são expostas a diferentes concentrações de contaminantes. Em seguida, um ponto final é medido para determinar o efeito tóxico nos organismos da amostra. Os resultados dessas medições são usados ​​para produzir uma curva dose-resposta e um EC50 . Tanto a fotossíntese de Blanck (1996) quanto Schmitt-Jansen e Altenburger (2005) como seu ponto final. Desde o trabalho de Blanck et al. (1988), outros parâmetros foram testados, tais como: fluorescência induzida, fluorimetria PAM, incorporação de leucina e placas ecológicas, respiração microbiana, atividades enzimáticas, ensaio de oxidação potencial de amônio ... Para usar o método PICT em biomonitoramento e risco ambiental Na avaliação, é necessário avançar na padronização desses bioensaios, tanto para a amostragem das comunidades testadas, como também para os próprios bioensaios.

A estrutura da comunidade das amostras é analisada para verificar a correlação entre a prevalência das espécies e a exposição a contaminantes de longo prazo. As amostras são classificadas taxonomicamente para determinar a composição e diversidade de espécies das comunidades que se estabeleceram nas exposições de longo prazo. Os resultados são comparados com a concentração do contaminante na exposição de longo prazo para concluir se uma relação foi encontrada no estudo. Desenvolvimentos recentes em ecologia microbiana usando biologia molecular e métodos "ômicos", métodos de quimiotaxonomia, medições de diversidade funcional, traço biológico e abordagens de rede de interação biológica, são ferramentas ecológicas variadas, complementares e promissoras para lidar com a pressão de seleção PICT.

Referências