Bioindicador

En la mayoría de los casos, se recopilan datos de referencia sobre las condiciones bióticas dentro de un sitio de referencia predeterminado. Los sitios de referencia deben caracterizarse por una mínima o nula perturbación externa (por ejemplo, perturbaciones antropogénicas, cambios en el uso del suelo , especies invasoras). Las condiciones bióticas de una especie indicadora específica se miden tanto en el sitio de referencia como en la región de estudio a lo largo del tiempo. Los datos recopilados en la región de estudio se comparan con datos similares recopilados en el sitio de referencia para inferir la salud o integridad ambiental relativa de la región de estudio. ^{[ 12 ]}

Una limitación importante de los bioindicadores en general es que se ha informado que son inexactos cuando se aplican a regiones geográficas y ambientales diversas. ^{[ 13 ]} Por lo tanto, los investigadores que utilizan bioindicadores deben asegurarse de manera consistente de que cada conjunto de índices sea relevante dentro de las condiciones ambientales que planean monitorear. ^{[ 14 ]}

Las especies de Penicillium , Aspergillus niger y Candida albicans se utilizan en la industria farmacéutica para pruebas de límites microbianos, evaluación de la carga microbiana, validación de métodos, pruebas de desafío antimicrobiano y pruebas de control de calidad. ^{[ 24 ]} Cuando se utilizan con este fin, Penicillium y A. niger son organismos indicadores de mohos según la farmacopea. ^{[ 24 ]}

Mohos como Trichoderma , Exophiala , Stachybotrys , Aspergillus fumigatus , Aspergillus versicolor , Phialophora , Fusarium , Ulocladium y ciertas levaduras se utilizan como indicadores de la calidad del aire interior . ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

Las técnicas metagenómicas permiten la secuenciación de poblaciones enteras de microorganismos en una sola operación. Mediante la secuenciación metagenómica, es posible utilizar la comunidad completa de organismos fúngicos, o micobioma, en el suelo o el agua de un área determinada como indicador biológico ^{[ 28 ]} de la actividad antropogénica, como el desbordamiento de aguas residuales de una zona urbana o la escorrentía de fertilizantes y pesticidas de una zona agrícola.

Se ha comprobado que la composición de las comunidades fúngicas es un buen indicador de propiedades ambientales como el pH, la altitud y la temperatura del agua. Chauvet ^{[ 29 ]} utilizó este enfoque para realizar mediciones de estas variables en todo el ecosistema mediante una red de estaciones de monitoreo en 27 arroyos del suroeste de Francia.

Cudowski et al . ^{[ 30 ]} tomaron muestras de hongos en el agua del canal Augustow en el este de Polonia. Tomaron muchas medidas estándar de la calidad del agua: temperatura, saturación de oxígeno, pH y niveles de nitrógeno disuelto, carbono orgánico y azufre. Identificaron especies con métodos microscópicos y análisis RFLP. Encontraron 38 especies de hongos, incluyendo 12 hifomicetos y 13 patógenos potenciales, pertenecientes a los dermatofitos o a parientes de C. albicans . Cudowski et al. descubrieron que podían determinar si una muestra de agua había sido tomada de la parte natural (similar a un lago) o artificial del canal. También descubrieron que los tres grupos principales de hongos que encontraron, hifomicetos, dermatofitos y parientes de Candida, podían predecir muchas de sus mediciones de calidad del agua, que formaron dos grupos en un análisis de redundancia.

Bouffand et al . ^{[ 31 ]} utilizaron hongos micorrícicos arbusculares (HMA), un clado asexual de hongos que forman relaciones simbióticas con los sistemas radiculares de las plantas, como indicadores para evaluar la función del suelo y la biodiversidad en muchos sitios de Europa. Tomaron muestras de suelo en varias zonas climáticas (atlántica, continental, mediterránea, alpina) y tres regímenes de uso de la tierra (cultivo, pastizal, forestal), y secuenciaron el ADN de los hongos que contenía el suelo. Encontraron ocho especies indicadoras para el pH del suelo : cuatro que solo estaban presentes cuando el pH era menor de 5, tres para pH > 5 y una para pH > 7. Encontraron ocho indicadores de uso de la tierra: dos para bosques, cinco para agricultura y pastizal, y uno para ambos. También encontraron un hongo indicador que estaba presente cuando el carbono orgánico del suelo era alto, y otro presente cuando era bajo.

Los anfibios, en particular los anuros (ranas y sapos), se utilizan cada vez más como bioindicadores de la acumulación de contaminantes en estudios de contaminación. ^{[ 36 ]} Los anuros absorben sustancias químicas tóxicas a través de su piel y las membranas branquiales de sus larvas, y son sensibles a las alteraciones en su entorno. ^{[ 37 ]} Tienen una capacidad reducida para desintoxicar los plaguicidas que absorben, inhalan o ingieren al comer alimentos contaminados. ^{[ 37 ]} Esto permite que los residuos, especialmente de plaguicidas organoclorados, se acumulen en sus sistemas. ^{[ 37 ]} También tienen una piel permeable que puede absorber fácilmente sustancias químicas tóxicas, lo que los convierte en un organismo modelo para evaluar los efectos de los factores ambientales que pueden causar la disminución de la población de anfibios. ^{[ 37 ]} Estos factores permiten utilizarlos como organismos bioindicadores para seguir los cambios en sus hábitats y en estudios ecotoxicológicos debido a las crecientes demandas humanas sobre el medio ambiente. ^{[ 38 ]}

El conocimiento y el control de los agentes ambientales son esenciales para mantener la salud de los ecosistemas. Los anuros se utilizan cada vez más como organismos bioindicadores en estudios de contaminación, como el estudio de los efectos de los plaguicidas agrícolas en el medio ambiente. La evaluación ambiental para estudiar el entorno en el que viven se realiza analizando su abundancia en el área, así como evaluando su capacidad locomotora y cualquier cambio morfológico anormal, que son deformidades y anomalías en el desarrollo. La disminución de anuros y las malformaciones también podrían sugerir una mayor exposición a la luz ultravioleta y a parásitos. ^{[ 38 ]} Se ha demostrado que la aplicación extensiva de agroquímicos como el glifosato tiene efectos nocivos en las poblaciones de ranas a lo largo de su ciclo de vida debido a la escorrentía de estos agroquímicos hacia los sistemas de agua donde viven estas especies y su proximidad al desarrollo humano. ^{[ 39 ]}

Los anuros que se reproducen en estanques son especialmente sensibles a la contaminación debido a sus complejos ciclos de vida, que pueden consistir en vida terrestre y acuática. ^{[ 36 ]} Durante su desarrollo embrionario, las alteraciones morfológicas y de comportamiento son los efectos más frecuentemente citados en relación con la exposición a sustancias químicas. ^{[ 40 ]} Los efectos de la exposición pueden resultar en una menor longitud corporal, menor masa corporal y malformaciones de las extremidades u otros órganos. ^{[ 36 ]} El desarrollo lento, el cambio morfológico tardío y el pequeño tamaño metamórfico resultan en un mayor riesgo de mortalidad y exposición a la depredación. ^{[ 36 ]}

También se ha planteado la hipótesis de que los cangrejos de río podrían ser bioindicadores adecuados, en las condiciones apropiadas. ^{[ 41 ]} Un ejemplo de su uso es el estudio de la acumulación de microplásticos en el tracto digestivo del cangrejo de río rojo ( Procambarus clarkii), que se utiliza como bioindicador de la contaminación por microplásticos en general. ^{[ 42 ]}

Los murciélagos responden notablemente a los cambios ambientales y, por lo tanto, se han sugerido como bioindicadores potencialmente valiosos. ^{[ 43 ]} Aunque el número de estudios aún es relativamente pequeño, la evidencia existente sugiere que los murciélagos probablemente sean excelentes indicadores en entornos como ríos, bosques y áreas urbanas. ^{[ 44 ]} Sin embargo, es necesaria más investigación en grandes regiones geográficas, y la creación de redes de investigación es esencial para lograrlo. También existen algunos desafíos en el uso de murciélagos como bioindicadores, incluyendo la dificultad de distinguir especies crípticas e identificar murciélagos voladores a través de sus llamadas. Además, a menudo es difícil determinar qué factores ambientales influyen en la distribución y el comportamiento de los murciélagos. ^{[ 44 ]}

Los huevos de helmintos (gusanos parásitos) son un organismo indicador comúnmente utilizado para evaluar la seguridad de los sistemas de saneamiento y reutilización de aguas residuales (estos esquemas también se denominan reutilización de excrementos humanos ). ^{[ 45 ] : 55} Esto se debe a que son los patógenos más resistentes de todos los tipos de patógenos (los patógenos pueden ser virus , bacterias , protozoos y helmintos). ^{[ 46 ]} Esto significa que son relativamente difíciles de destruir mediante métodos de tratamiento convencionales. Pueden sobrevivir durante 10 a 12 meses en climas tropicales. ^{[ 46 ]} Estos huevos también se denominan óvulos en la literatura. ^{[ 47 ]}

Los huevos de helmintos que se encuentran en aguas residuales y lodos provienen de helmintos transmitidos por el suelo (HTS), que incluyen Ascaris lumbricoides (Ascaris), Anclostoma duodenale , Necator americanus (anquilostoma) y Trichuris trichiura (tricocéfalo). ^{[ 48 ]} Ascaris y tricocéfalo que se identifican en sistemas de aguas residuales reutilizables pueden causar ciertas enfermedades y complicaciones si son ingeridos por humanos y cerdos. ^{[ 49 ]} Los anquilostomas se depositan en el suelo y sus larvas eclosionan allí, donde crecen hasta la madurez. Una vez que los huevos de anquilostoma están completamente desarrollados, infectan a los organismos al arrastrarse a través de su piel. ^{[ 50 ]}

La presencia o ausencia de huevos de helmintos viables ("viable" significa que una larva podría eclosionar del huevo) en una muestra de materia fecal seca, compost o lodo fecal se utiliza a menudo para evaluar la eficiencia de diversos procesos de tratamiento de aguas residuales y lodos en términos de eliminación de patógenos. ^{[ 45 ] : 55} En particular, el número de huevos de Ascaris viables se suele tomar como indicador de todos los huevos de helmintos en los procesos de tratamiento, ya que son muy comunes en muchas partes del mundo y relativamente fáciles de identificar al microscopio. Sin embargo, las características exactas de inactivación pueden variar para diferentes tipos de huevos de helmintos. ^{[ 51 ]}

La técnica utilizada para el análisis depende del tipo de muestra. ^{[ 47 ]} Cuando los huevos de helmintos se encuentran en el lodo, se utilizan procesos como la postestabilización alcalina, el tratamiento ácido y la digestión anaeróbica para reducir la cantidad de huevos de helmintos en áreas donde hay una gran cantidad. Estos métodos permiten que los huevos de helmintos se encuentren dentro de los requisitos de salud de ≤1 huevo de helminto por litro. La deshidratación se utiliza para inactivar los huevos de helmintos en el lodo fecal. Este tipo de inactivación ocurre cuando las heces se almacenan entre 1 y 2 años, presentan un alto contenido de sólidos totales (>50-60%), se agregan elementos como hojas, cal, tierra, etc., y a una temperatura de 30 °C o superior. ^{[ 50 ]}

Ciertas bacterias pueden utilizarse como organismos indicadores en situaciones particulares, como cuando están presentes en cuerpos de agua. Las bacterias indicadoras en sí mismas pueden no ser patógenas, pero su presencia en los desechos puede indicar la presencia de otros patógenos. ^{[ 52 ]} De manera similar a como existen varios tipos de organismos indicadores, también existen varios tipos de bacterias indicadoras. Los indicadores más comunes son los coliformes totales, los coliformes fecales, E. coli y los enterococos. ^{[ 53 ]} La presencia de bacterias que se encuentran comúnmente en las heces humanas, denominadas bacterias coliformes (por ejemplo, E. coli ), en aguas superficiales es un indicador común de contaminación fecal . Las vías por las cuales los patógenos que se encuentran en la materia fecal pueden ingresar a cuerpos de agua recreativos incluyen, entre otros, aguas residuales, sistemas sépticos, escorrentía urbana , desechos recreativos costeros y desechos de ganado. ^{[ 53 ]}

Por esta razón, los programas de saneamiento suelen analizar el agua para detectar la presencia de estos organismos y así garantizar que los sistemas de agua potable no estén contaminados con heces. Este análisis puede realizarse mediante diversos métodos que generalmente implican tomar muestras de agua o filtrar grandes cantidades de agua para obtener muestras de bacterias y, posteriormente, comprobar si las bacterias de esa agua crecen en medios selectivos como el agar MacConkey . El agar MacConkey solo permite el crecimiento de bacterias gramnegativas , y estas crecerán de forma diferente según su capacidad para metabolizar la lactosa o su incapacidad para hacerlo. ^{[ 54 ]} Como alternativa, se puede analizar la muestra para determinar si utiliza diversos nutrientes de forma característica de las bacterias coliformes. ^{[ 55 ]}

Las bacterias coliformes seleccionadas como indicadores de contaminación fecal no deben persistir en el ambiente durante largos períodos de tiempo después de su expulsión del intestino, y su presencia debe estar estrechamente correlacionada con la contaminación por otros microorganismos fecales. Los microorganismos indicadores no necesitan ser patógenos. ^{[ 56 ]}

Las bacterias no coliformes, como Streptococcus bovis y ciertos clostridios , también pueden utilizarse como índice de contaminación fecal. ^{[ 57 ]}

La presencia de bacterias indicadoras se mide en diversos ecosistemas y, a veces, junto con otras mediciones. En los Grandes Lagos, se realizó un estudio para determinar las concentraciones de bacterias indicadoras fecales (BIF) y marcadores genéticos de patógenos. ^{[ 58 ]} Las BIF medidas en este estudio incluyeron bacterias coliformes fecales , E. coli y enterococos. ^{[ 58 ]} Las BIF se recolectaron mediante filtración por membrana y métodos de dilución en serie , lo que permitió obtener muestras que se cultivaron y utilizaron para realizar PCR y amplificar los genes patógenos en cuestión. ^{[ 58 ]} Entre los 22 puntos de muestreo, se analizaron 165 muestras y se encontró que las concentraciones de E. coli oscilaban entre menos de 2 y 26 000 UFC/100 mL, las de enterococos entre menos de 2 y 31 000 UFC/100 mL, y las de bacterias coliformes fecales entre menos de 2 y 950 UFC/100 mL. ^{[ 58 ]}

Otro ejemplo de bacterias indicadoras que se miden con fines de seguridad se encuentra en Malibú, California. El estado de California exige que las playas con más de 50 000 visitantes al año sean monitoreadas para detectar FIB. ^{[ 59 ]} Se observaron altas concentraciones de FIB, que superan lo que la EPA considera aceptable, en la laguna de Malibú y otras playas de Malibú. ^{[ 59 ]} La medición de altos niveles de FIB lleva a una búsqueda para determinar cuál es o son las fuentes. Las posibles fuentes de FIB en el área de Malibú incluyen desechos de sistemas de tratamiento de aguas residuales, escorrentía de desarrollos locales y desechos de vida silvestre. ^{[ 59 ]} Se midieron FIB comunes, incluidos enterococos que se presentaron en niveles tan altos como 242 000 MPN/100 mL dentro de los sistemas de tratamiento de aguas residuales in situ. ^{[ 59 ]} La medición de FIB está muy extendida y se utiliza con el propósito de proporcionar aguas seguras.

En Texas, se midió la presencia y distribución de FIB, en particular coliformes fecales y E. coli , en arroyos que reciben descargas del Aeropuerto Internacional de Dallas Fort Worth y sus alrededores. ^{[ 60 ]} Estos arroyos que reciben los desechos albergan vida acuática, se utilizan con fines recreativos y como sitios de pesca. ^{[ 60 ]} Existen varios estándares para garantizar la seguridad de todos los organismos presentes en el ecosistema, incluidos los humanos. E. coli se utiliza como indicador de calidad del agua insegura o por debajo del estándar para uso recreativo en Texas. ^{[ 61 ]} Los estándares para los niveles de E. coli que declaran que la recreación de contacto no es segura son una media geométrica de más de 126 ufc/100mL o más de una cuarta parte de las muestras que miden niveles mayores de 394 ufc/100mL. ^{[ 61 ]} Se analizaron varios sitios, algunos de los cuales superaron los niveles aceptables de E. coli y, por lo tanto, no respaldaban el uso recreativo. ^{[ 60 ]} Este es otro ejemplo de cómo se utilizan las pruebas de bacterias indicadoras para determinar si los cuerpos de agua son seguros para diversos usos, en particular el uso recreativo.

Los microorganismos pueden utilizarse como indicadores de la salud de los ecosistemas acuáticos o terrestres . Al encontrarse en grandes cantidades, son más fáciles de muestrear que otros organismos. Algunos microorganismos producen nuevas proteínas , llamadas proteínas de estrés , al exponerse a contaminantes como el cadmio y el benceno . Estas proteínas de estrés pueden utilizarse como sistema de alerta temprana para detectar cambios en los niveles de contaminación.

La prospección microbiana de petróleo y gas (MPOG) puede utilizarse para identificar áreas con potencial de yacimientos de petróleo y gas. En muchos casos, se sabe que el petróleo y el gas se filtran hacia la superficie, ya que un yacimiento de hidrocarburos suele tener fugas o haber tenido fugas hacia la superficie debido a las fuerzas de flotación que superan las presiones de sellado. Estos hidrocarburos pueden alterar la composición química y la microbiota presentes en los suelos cercanos a la superficie o pueden detectarse directamente. Las técnicas utilizadas para la MPOG incluyen el análisis de ADN , el recuento simple de microorganismos tras el cultivo de una muestra de suelo en un medio a base de hidrocarburos o la observación del consumo de gases de hidrocarburos en un cultivo celular. ^{[ 62 ]}

Las microalgas han captado la atención en los últimos años debido a varios motivos, entre ellos su mayor sensibilidad a los contaminantes en comparación con muchos otros organismos. Además, abundan en la naturaleza, son un componente esencial en numerosas cadenas alimentarias, son fáciles de cultivar y utilizar en ensayos, y su uso plantea pocos o ningún problema ético.

Euglena gracilis es un flagelado fotosintético, móvil y de agua dulce. Aunque tolera bastante bien la acidez , responde rápida y sensiblemente a los estreses ambientales, como los metales pesados ​​o los compuestos orgánicos e inorgánicos. Las respuestas típicas son la inhibición del movimiento y un cambio en los parámetros de orientación. Además, este organismo es muy fácil de manipular y cultivar, lo que lo convierte en una herramienta muy útil para evaluaciones ecotoxicológicas. Una particularidad muy útil de este organismo es la orientación gravitacional, que es muy sensible a los contaminantes. Los gravirreceptores se ven afectados por contaminantes como los metales pesados ​​y los compuestos orgánicos o inorgánicos. Por lo tanto, la presencia de dichas sustancias se asocia con el movimiento aleatorio de las células en la columna de agua. Para pruebas a corto plazo, la orientación gravitacional de E. gracilis es muy sensible. ^{[ 63 ] [ 64 ]} Otras especies, como Paramecium biaurelia (véase Paramecium aurelia ), también utilizan la orientación gravitacional. ^{[ 65 ]}

Es posible realizar un bioensayo automático utilizando el flagelado Euglena gracilis en un dispositivo que mide su motilidad a diferentes diluciones de la muestra de agua posiblemente contaminada, para determinar la CE50 (la concentración de muestra que afecta _al 50 por ciento de los organismos) y el valor G (el factor de dilución más bajo en el que no se puede medir un efecto tóxico significativo). ^{[ 66 ] [ 67 ]}

Los macroinvertebrados bentónicos se encuentran dentro de la zona bentónica de un arroyo o río. Consisten en insectos acuáticos , crustáceos , gusanos y moluscos que viven en la vegetación y los lechos de los ríos. ^{[ 9 ]} Las especies de macroinvertebrados se pueden encontrar en casi todos los arroyos y ríos, excepto en algunos de los entornos más hostiles del mundo. También se pueden encontrar en casi cualquier tamaño de arroyo o río, excepto en aquellos que se secan en un corto período de tiempo. ^{[ 76 ]} Esto resulta beneficioso para muchos estudios porque se pueden encontrar en regiones donde los lechos de los arroyos son demasiado poco profundos para sustentar especies más grandes como los peces. ^{[ 9 ]} Los indicadores bentónicos se utilizan a menudo para medir los componentes biológicos de los arroyos y ríos de agua dulce . En general, si se considera que el funcionamiento biológico de un arroyo está en buen estado, entonces se asume que los componentes químicos y físicos del arroyo también están en buenas condiciones. ^{[ 9 ]} Los indicadores bentónicos son la prueba de calidad del agua más utilizada en los Estados Unidos. ^{[ 9 ]} Si bien los indicadores bentónicos no deben usarse para rastrear los orígenes de los factores de estrés en ríos y arroyos, pueden proporcionar información de contexto sobre los tipos de fuentes que suelen estar asociadas con los factores de estrés observados. ^{[ 77 ]}

En Europa , la Directiva Marco del Agua (DMA) entró en vigor el 23 de octubre de 2000. ^{[ 78 ]} Requiere que todos los Estados miembros de la UE demuestren que todas las masas de agua superficiales y subterráneas se encuentran en buen estado. La DMA requiere que los Estados miembros implementen sistemas de monitoreo para estimar la integridad de los componentes biológicos de los arroyos para categorías específicas de aguas subterráneas. Este requisito aumentó la incidencia de la biometría aplicada para determinar la salud de los arroyos en Europa ^{[ 13 ]} En 2006 se diseñó un sistema de biomonitoreo remoto en línea. Se basa en moluscos bivalvos y en el intercambio de datos en tiempo real entre un dispositivo inteligente remoto en el campo (capaz de funcionar durante más de 1 año sin intervención humana in situ ) y un centro de datos diseñado para capturar, procesar y distribuir la información web derivada de los datos. La técnica relaciona el comportamiento de los bivalvos, específicamente la actividad de apertura de la concha, con los cambios en la calidad del agua. Esta tecnología se ha utilizado con éxito para la evaluación de la calidad del agua costera en varios países (Francia, España, Noruega, Rusia, Svalbard ( Ny-Ålesund ) y Nueva Caledonia). ^{[ 34 ]}

En Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental (EPA) publicó en 1999 los Protocolos de Bioevaluación Rápida, basados ​​en la medición de macroinvertebrados, así como de perifiton y peces para la evaluación de la calidad del agua . ^{[ 1 ] [ 79 ] [ 80 ]}

En Sudáfrica , el método del Sistema de Puntuación del África Meridional (SASS) se basa en macroinvertebrados bentónicos y se utiliza para evaluar la calidad del agua en los ríos sudafricanos. La herramienta de biomonitoreo acuático SASS se ha perfeccionado durante los últimos 30 años y actualmente se encuentra en su quinta versión (SASS5) de acuerdo con el protocolo ISO/IEC 17025. ^{[ 71 ]} El Departamento de Asuntos Hídricos de Sudáfrica utiliza el método SASS5 como método estándar para la Evaluación de la Salud de los Ríos, que alimenta el Programa Nacional de Salud de los Ríos y la Base de Datos Nacional de Ríos.

El fenómeno imposex en la especie de caracol marino Canis pelus provoca el desarrollo anormal de un pene en las hembras, pero no causa esterilidad. Por ello, se ha sugerido que esta especie es un buen indicador de la contaminación por compuestos orgánicos de estaño de origen antropogénico en los puertos de Malasia . ^{[ 81 ]}