Uso de agua de mar y condiciones hidráulicas.

La concepción tradicional en Chile del efecto tóxico de metales en peces de cultivo.

Aquaknowledge - CARLOS ALBERTO PESSOT

Carlos Alberto Pessot.
Felipe Sandoval C.

Director en Aquaknowledge

La concepción tradicional en Chile del efecto tóxico de metales en peces de cultivo, tiende a ponderar mayormente a las aguas dulces de ingreso en pisciculturas de flujo abierto, como la mayor responsable de mortalidades en estados de desarrollo temprano en especies salmonídeas (1, 2, 3, 4, 5). Este enfoque se basa, principalmente, en dos condiciones que se refieren a 1) la calidad del agua dulce en Chile, descrita en Aatland y Bjerknes (6), y 2) al efecto dilutorio que tienen las pisciculturas de recirculación cuando surge un peak de metales. Lo anterior hizo que, durante algunos años, el foco de atención de toxicidad de metales y la explicación de las mortalidades se atribuyera, principalmente, al ingreso de metales por la vía del afluente (agua dulce) en pisciculturas de flujo abierto y, en menor grado, en pisciculturas de recirculación. Como consecuencia de las consideraciones anteriores, la toxicidad de metales en peces mayormente ha sido evaluada en términos de la calidad del agua de ingreso, otorgando poca atención al efecto de la dinámica hidráulica dentro de las pisciculturas. En este último caso algunos avances (estudios no publicados), se han realizado considerando el efecto de “estockeamiento” de metales en pisciculturas de recirculación originado por las biomasas o masas orgánicas fijas (biofiltro y otros tipos de biofilm). A este nivel, la complejidad es mayor y guarda relación, ya no solo con la calidad del agua como un todo y en un momento dado, sino también con microambientes que son consecuencia de condiciones hidráulicas derivadas del diseño y efectos o defectos de operación. A modo de ejemplo, estudios no publicados realizados por Aquaknowledge, demuestran que la concentración de metales en un estanque con peces (recirculación) es mayor en el centro que en el sector medio donde se encuentra la mayor parte de la población de peces. La figuras 1A y 1B muestran resultados donde se comparan niveles detectados de cobre en sus distintas formas en el centro y la periferia de un estanque, respectivamente.

 

 

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Desarrollo
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Figura 1A. Muestra la concentración de Cu2+ (disuelto); la suma de Cu(OH)2 y CuOH+ (disueltos); Cu2+ y CuOH+ unidos a TOC y Cu2+ Total en el centro del estanque (sector medio tubo descarga).

El mismo estudio mostró iguales tendencias para el caso del aluminio y también acumulación de aluminio, cobre, zinc y fierro en biomasas fijas, como el biofiltro y en sistemas de filtración. Esto ha posicionado al “estockeamiento” de metales como otra causal de mortalidad de peces en pisciculturas de recirculación. En este marco, la aplicación de NaCl y/o agua de mar en pisciculturas de recirculación juega un rol positivo, dado que aumenta los LC50 de metales, facilitando la función branquial (7, 8). Lo anterior, en la medida que este sea incorporado sin producir zonas de mezcla en el sistema para evitar riesgos de mortalidad. Consecuentemente, hay un número importante de instalaciones de recirculación que han incorporado agua de mar con estos fines. Sin embargo, el presente estudio muestra los primeros resultados en la industria que sugieren la necesidad de adoptar mayores precauciones al momento de utilizar agua de mar y/o adicionar sal en sistemas de recirculación. 

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Figura 1B. Muestra las mismas especies de Cu que la Figura 1ª, pero presentes en el sector medio del estanque.

La existencia de condiciones hidráulicas deficientes, y la incorporación de metales por la vía de la adición de agua de mar, o sal (antes considerados inocuos) ha resultado ser causante de mortalidades persistentes en sistemas de recirculación por la presencia de sectores anóxicos y aparición de ácido sulfhídrico. Estudios realizados por Aquaknowledge (no publicados), han mostrado que la concentración de metales como Cu en algunos sectores de mar interior, puede llegar a 120 ug/L, lo cual significa una carga importante de este metal en caso de ser agua de ingreso en una instalación de recirculación.

Material y Método
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Figura 3 Muestra la tendencia del LC50 para Cobre (línea verde) y la concentración real de Cobre (línea roja) sobre un período de monitoreo de aproximadamente 10 meses

Mediante la succión con una bomba (Flojet, Mod. D48X0025), se obtuvo muestras en 6 puntos de muestreo (poco accesibles) en una piscicultura de recirculación, las cuales fueron clasificadas acorde con su contenido de ácido sulfhídrico (H2S  S= + 2H+) y el contenido de sedimento. El procesamiento y análisis de las muestras se realizó en el laboratorio de Aquaknowledge. La determinación de ácido sulfhídrico se realizó sobre las muestras (45 ml) directamente con sedimento (cuando correspondía), y el contenido de ácido sulfhídrico se midió por espectrofotometría yposterior centrifugación por 20 minutos a 6000 RPM (Centrífuga Centurion Scientific, Mod. K2041 con rotor de ángulo fijo Mod. BRK 5308). A las mismas muestras se les determinó contenido de Al, Cu y Fe, previa digestión ácida y determinación por espectrofotometría. El sedimento de las muestras fue pesado (Balanza Ratwag, Mod WTB 200, sensibilidad 0,001 g), para efectos de determinar contenido de ácido sulfhídrico y metales por unidad de masa, resultados que fueron utilizados para llevar a cabo estudios de correlación (Coeficiente de Correlación Lineal y Logarítmico).

Resultados
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Figura 3 Muestra la tendencia del LC50 para Cobre (línea verde) y la concentración real de Cobre (línea roja) sobre un período de monitoreo de aproximadamente 10 meses

La determinación de ácido sulfhídrico y metales (Al, Cu y Fe) por masa (peso húmedo) de sedimento permitió correlacionar el contenido de ácido sulfhídrico (ug/kg de sedimento) versus la concentración de los metales antes indicados (ug/kg de sedimento). Los resultados mostraron que la concentración de metales fue dependiente del tipo de sedimento siendo el aluminio el que se presenta en mayores concentraciones en aquellos sedimentos clasificados como óxicos. El fierro en sedimentos óxicos se I+D 43 Figura 4 Estratificación de sedimentos en función de la presencia de oxígeno presentó en concentraciones intermedias y el cobre estuvo ausente de este tipo de sedimentos (Ver figuras 3A, 3B y 3C, cuadrados naranjos). Por otro lado, en la medida que los sedimentos fueron presentando mayor concentración de ácido sulfhídrico, el nivel de Fe y Cu fue mayor en algún grado que el nivel de aluminio, y mostraron correlación con la concentración de ácido sulfhídrico. Dado que los sedimentos con ácido sulfhídrico no eran 100% anóxicos (Sedimentos subóxicos), se observó también presencia de aluminio. Sin embargo, destaca que en presencia de ácido sulfhídrico, el Cu se presenta en mayor concentración y asociado a la existencia de ácido sulfhídrico. El tipo de relación entre la concentración de S= y cada metal, fue diferente existiendo coeficientes de correlación más altos bajo regresión lineal cuando se trató de aluminio y cobre, a diferencia del fierro, que presentó un coeficiente de correlación más alto aplicando una regresión logarítmica. Si bien lo anterior puede requerir de mayor estudio, se debe tener en consideración que el fierro actúa con como un intermediario hacia la formación de sulfuros altamente insolubles (como sulfuros de Cu y Cd, entre otros) (9), lo que permite razonablemente considerar que, por su menor vida media y desplazamiento del equilibrio hacia dichas formas, este no presente una relación lineal con la concentración de S=.

Discusión y conclusiones
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A diferencia del agua dulce, el aporte de metales dado por el agua de mar no ha sido considerado como un factor de riesgo importante, debido a las altas concentraciones de NaCl que compiten por los sitios blancos de metales a nivel del epitelio funcional (10, 11, 12). En este último caso, la alta concentración de Na+, Ca2+ y Mg2+, reduce el gasto energético, facilitando la incorporación de estos elementos entre otros (cofactores) desde el medio (11). Sin embargo, hallazgos realizados en el último tiempo en la industria acuícola en Chile, nos obligan a cambiar el enfoque, apuntando a evaluar y caracterizar la hidráulica en conjunto con la adición de agua de mar. En este ámbito, estudios de Aquaknowledge han detectado que la presencia de zonas hidráulicamente “muertas” con ausencia de flujos laminares y/o turbulentos concomitantes, con aporte de metales desde el agua de mar, producen importantes acumulaciones de sedimentos ricos en metales con potencial tóxico. Este estudio aborda la dinámica de acumulación de metales en función del tipo de sedimentos y/o biofilm considerando su tipo. La figura 4 muestra la estratificación de sedimentos en función de la presencia de oxígeno (13, 14), donde hay acumulación diferencial de metales dependiendo de si el sedimento es anóxico, sub-óxico u óxico. Al analizar esta figura, es importante destacar que, fuera de ser distintos metales los que se unen a cada fracción, el tipo de unión o factor de acumulación en cada fase es diferente. En el sedimento anóxico la unión es eminentemente química en forma de compuestos sulfurados insolubles; en la fase sub-óxica, la unión también es química con un componente físico menor; y en la fase óxica, la unión eminentemente física por atracción de cargas entre metales y Carbono Orgánico Total (TOC). Esto es importante a la hora de entender que la acumulación de metales en sustratos anóxicos y subóxicos no se verá reducida o afectada por la presencia de sal (agua de mar), que es lo que sucede en biofilms expuestos (óxicos). Por el contrario, en los sustratos anóxicos y sub-óxicos, la presencia de sal (agua de mar), será un factor de acumulación considerando que hay mayor concentración de metales como Cu, Al, Cd, entre otros, en agua de mar (15, 16, 17) que en agua dulce, y que ésta variará dependiendo de la ubicación geográfica. Las consideraciones anteriores, que surgen entre otros de los resultados presentados, sumado a la observación de casuística, nos obligan a abordar la problemática de metales ampliando nuestra visión e incluyendo como causal de efectos adversos en instalaciones de agua dulce, no solo lo relacionado al aporte y los peaks de metales por agua dulce de ingreso, sino también los factores que se mencionan a continuación: a) Acumulación de metales aportados por agua de mar y acumulados en sectores.

anóxicos; b) Determinación de los sectores o puntos anóxicos del sistema, que no siempre son los más evidentes y cambian en magnitud y ubicación en función del tiempo; c) El efecto tóxico dado por metales, que no solo se relaciona con la presencia de metales disueltos y la casuística ya que resultados actuales demuestran que material en suspensión con metales también es causante de mortalidad de peces en pisciculturas; d) La branquia no es la única vía de incorporación de metales capaces de producir mortalidad; y e) Los peaks de metales en pisciculturas de recirculación se producen mayormente por fallas de operación (ruptura de la estructura de biofilms y sedimentos).

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9.Allen, H.E., Fu, G., Deng, B. (1992). Analysis of Acid-Volatile Sulfide (AVS) and Simultaneously Extracted Metal (SEM) For the Estimation of Potential Toxicity in Aquatic Sediments. Environ. Toxicol. Chem. 12: 1441-1453. 10. Marshal, W.S. (2002) Na+, Cl-, Ca2+ and Zn 2+ Transport by Fish Gills: Retrospective Review and Prospective Synthsis.. Journal of Experimental Zoology 293: 264 – 283. 11. Yu, L., Eaton, D. C. Helms, M. N. (2007). Effect of Heavy Metals om Epithelial Na+ channels in A6 cells. Am. J Physiol Renal Physiol. 293: F236 – F244. 12. Evans, H., Piermarini, P., Choe, K. (2005). The Multifunctional Fish Gill: Dominant Site of gas Exchange, Osmoregulation, Acid-Base Regulation, and Excretion of Nitrogenous Waste. Physiology Reviews. 85: 97- 177. 13. Jorgensen, B.B., Revsnech, N.P. (1985). Diffusive Boundary Layers and the Oxygen Uptake of Sediments and Detritus. Limnol. Oceanogr. 30: 111 – 122. 14. Ward, D., Strom, D., Jolley, D. (2012). Oxidation of Volatile Sulfide in Surface Sediments Increases the Release and Toxicity of Copper to the Benthic Amphipod Melita Plumulosa. Faculty Science – Papers. University of Wollonging. Research Online. 15. Andrade, S., Medina, M., Moffet, J., Correa, J. (2006). Cadmium- Copper Antagonism in Seaweeds Inhabiting Coastal Areas Affected by Copper Mine Waste Disposals. Environ. Sci. Technol. 40: 4382-4387. 16. ElNady, F. E.; Dowidar, N. M. (1997). Aluminum in the south-eastern Mediterranean waters off the Egyptian coast. Oceanography Department, Faculty of Science, Alexandria University, Alexandria, Egypt. Estuarine, Coastal and Shelf Science 45(3), 345-355. 17. Measures, C. I.; Edmond, J. M. (1990). Aluminum in the South Atlantic: Steady state distribution of a short residence time element. Dep. Earth, Atmos. Planet. Sci.,Massachusetts Inst. Technol., Cambridge, MA, USA. Journal of Geophysical Research, [Oceans], 95(C4), 5331-40.