bioacumularea in ecosistemele terestre

BIOACUMULAREA ÎN ECOSISTEMELE TERESTRE

• Compuşii chimici din sol sunt distribuiţi către:- apa din sol (apa interstiţială);- aerul din sol;- particulele minerale din sol.

Distribuţia compuşilor organici între diferite compartimente din sol atmosferă volatilizare suprafaţa

solului

produşi de degradare degradare produşi degradare chimică chimică de degradare

biodegradare percolare metaboliţi (unii volatili)

Canale de aer

Apă interstiţială

Adsorbţie pe particule minerale şi S.O. din sol

Organisme din sol

• Procese la care pot fi supuşi compuşii chimici în sol:- compuşii hidrofili (Ko/a mică) tind să se dizolve în apă şi sunt adsorbiţi pe particulele coloidale numai într-o mică măsură;- compuşii organici care se găsesc în formă ionică se asociază puternic cu acele centre de pe particulele coloidale care prezintă o sarcină electrică opusă;- compuşii cu solubilitate scăzută în apă (Ko/a mare) tind să se adsoarbă în mare măsură pe suprafaţa particulelor de argilă şi materie organică şi se găsesc numai în concentraţii foarte scăzute în apa interstiţială;- compuşii cu presiune mare de vapori tind să se volatilizeze în faza gazoasă din sol sau direct de la suprafaţa solului în atmosferă. Dacă pătrund în aerul din sol ei pot fi reţinuţi un timp în sol, trecând ulterior în atmosferă.

• Legarea moleculelor organice de particulele coloidale din sol le restricţionează mobilitatea în sol şi disponibilitatea pentru organismele dela acest nivel.

• Compuşii cu Ko/a mare (compuşii lipofili) aplicaţi pe sol au tendinţă scăzută de a percola prin sol.

• Unele erbicide acţionează selectiv pe adâncime. Ele sunt toxice numai pentru rădăcinile superioare deoarece nu pot fi transportate suficient de-a lungul profilului de sol pentru a fi preluate de rădăcinile profunde.

• Limitarea biodisponibilităţii pentru organismele din sol restricţionează rata de biotransformare şi toxicitatea compuşilor lipofili.

• Compuşii lipofili stabili din punct de vedere chimic au, de obicei, timpi mari de înjumătăţire în sol, deoarece ei sunt strâns adsorbiţi pe particulele de sol şi sunt metabolizaţi foarte lent.

• Compuşii hidrofili, care nu sunt puternic adsorbiţi pe suprafaţa particulelor coloidale, au o mobilitate mult mai mare în sol şi sunt mai disponibili pentru organisme. Ei prezintă o tendinţă accentuată de a fi deplasaţi pe profilul de sol şi nu sunt foarte persistenţi deoarece organismele din sol le metabolizează relativ rapid.

• Compuşi lipofili, chiar şi atunci când sunt foarte disponibili , sunt greu metabolizaţi deoarece nu reprezintă un bun substrat pentru enzimele detoxifiante.

• Dispariţia unor astfel de compuşi în sol prezintă două etape distincte. Imediat după aplicare urmează o perioadă de pierdere relativ rapidă datorită volatilizării sau pur şi simplu împrăştierii odată cu particulele de praf. În timpul acestei perioade moleculele de insectid sunt adsorbite pe particulele de sol. Urmează apoi o perioadă de pierdere exponenţială lentă, deoarece moleculele adsorbite devin greu dsponibile pentru organisme sau se pierd prin evaporare. Timpul de înjumătăţire pentru aceşti compuşi în perioada lentă de dispariţie poate ajunge la ani de zile sau chiar zeci de ani, în funcţie de tipul compusului, al solului şi de climă.

• Compuşii cu presiune de vapori mare tind să dispară mult mai rapid decât cei cu presiune de vapori mai mică.

• Compuşii care sunt biotransformaţi rapid sunt mai repede pierduţi din sol comparativ cu cei rezistenţi la biotransformare.

• Persistenţa este cu atât mai mare cu cât solurile sunt mai bogate în argilă şi/sau materie organică şi este favorizată de temperaturi scăzute.

• Compuşii hidrofili, imediat după aplicarea pe sol, au o rata de dispariţie relativ scăzută. După o perioadă de timp (= perioada de larg) rata devine mult mai rapidă şi compusul dispare repede (câteva zile sau săptămâni).

• Dacă se adaugă solului cantităţi suplimentare din compusul respectiv, acesta dispare imediat. Se spune că solul este „îmbogăţit” şi dispariţia compusului este datorată microorganismelor care s-au dezvoltat în sol şi care îl pot metaboliza. Dacă adăugarea compusului este intreruptă, „surplusul” se pierde şi solul revine la starea iniţială.

• Fenomenul de „îmbogăţire”este o problemă frecvent întâlnită în agricultură (unele pesticide şi-au pierdut eficienţa datorită utilizării lor prea frecvente).

1. Acumularea contaminanţilor în plante• Plantele sunt expuse contaminanţilor în

moduri diferite, datorită:- aplicării pesticidelor;- depunerilor atmosferice umede şi uscate;- utilizării în agricultură a nămolului rezultat după epurarea apelor, insuficient neutralizat şi fermentat;- depunerii deşeurilor toxice şi contaminării solului şi apelor subterane.

• Compuşii hidrofili sunt de obicei preluaţi de către rădăcini odată cu apa.

• Preluarea multor compuşi de către rădăcinile plantelor este invers proporţională cu solubilitatea lor în apă (sau direct proporţională cu Ko/a). Substanţele puternic lipofile (DDT, compuşi policlorobifenilici) tind să se bioconcentreze în rădăcini.

• Compuşii puternic adsorbiţi pe particulele de sol sunt mai puţin disponibili pentru a fi preluaţi din apa interstiţială.

• Compuşii chimici pot pătrunde din atmosferă în părţile supraterane ale plantei prin epidermă şi prin stomate.

• Căile de preluare foliară a contaminanţilor constau în:- aplicarea directă, ca în cazul utilizării pesticidelor;- depunerea odată cu praful sau materia particulată din atmosferă;- preluarea din faza gazoasă prin absorbţie epidermică sau prin stomate.

• Compuşii cu o solubilitate mare în apă (hidrofili) sunt transportaţi în plantă prin vasele liberiene odată cu seva elaborată, în timp ce compuşii mai hidrofobi tind să rămână în epiderma frunzelor. Permeabilitatea lor prin epidermă prezintă mari variaţii în funcţie de specie şi condiţiile de mediu.

Factori care influenţează bioacumularea contaminanţilor în plante:- proprietăţile fizico-chimice ale compusului, dintre care cele mai importante sunt solubilitatea în apă, presiunea de vapori, greutatea moleculară, coeficientul de partiţie octanol/apă şi raportul coeficienţilor de partiţie aer/apă şi octanol/apă (Ka/a/Ko/a);- condiţiile de mediu (factorii de comandă – temperatura, conţinutul în apă, materie organică şi materie minerală a solului.- proprietăţile plantelor – tipul sistemului radicular, caracteristicile chimice ale frunzelor (conţinutul în lipide, de exemplu).

Acumularea contaminanţilor în nevertebrate• Pentru majoritatea nevertebratelor terestre

care trăiesc în sol, principala cale de preluare a contaminanţilor este din hrana ingerată.

• Nevertebratele din sol prezintă o tendinţă accentuată de a acumula metale. Eficienţa de preluare a metalelor variază între 0 şi aproximativ 90%, în funcţie de specie. Aceste diferenţe dintre specii sunt datorate diferenţelor existente în fiziologia hrănirii, necesarul de elemente esenţiale şi mecanismul de excreţie.

Ilustrarea rolului major al hranei în contaminarea mamiferelor şi păsărilor într-o diagramă a reţelei trofice simplificate. Aplicare spray Consum

Preluarea de pe frunze, culturi Ingerarea seminţelor tratate Bioconcentrare Consum Preluarea odată cu apa de băut Bioconcentrare Consum

Spray Insecte Recolte

Mamifere Păsări Tratarea seminţelor

Sol contaminat Râme

Ape de suprafaţă Peşti

• Aspecte legate de modul de viaţă în ecosistemele terestre:- datorită mobilităţii deosebite a unor animale (în special păsările), contaminanţii pot fi transportaţi la mari distanţe;

• esenţial pentru procesul de bioamplificare este alegerea hranei, deoarece concentraţiile contaminanţilor diferă semnificativ de la pradă la pradă. Astfel, urşii polari şi eschimoşii pot ingera cantităţi mari de derivaţi policlorobifenilici, datorită faptului că principala sursă de hrană este peştele, care acumulează mari cantităţi din această clasă de compuşi. În schimb, ierbivorele conţin cantităţi mici de compuşi lipofili, dar pot concentra ioni metalici, datorită depunerii acestora pe suprafaţa frunzelor.

• la animalele care au strategii diferite de hrănire, pot apărea diferenţe semnificative în aceeaşi regiune.

• cantitatea de energie utilizată de organismele superioare pentru creştere, reproducere, migraţie, menţinerea constantă a temperaturii corpului, este corelată cu cantitatea de hrană ingerată şi conţinutul ei caloric. Cu cât rata de hrănire este mai mare, cu atât fluxul contaminanţilor este şi el mai mare, ceea ce va determina atingerea unor concentraţii mai ridicate în corpul păsărilor carnivore;

• în plus faţă de ratele de hrănire ale speciilor fitofage şi carnivore, trebuie să se ţină cont de faptul că râmele, insectele, conţin concentraţii mai mari de contaminanţi comparativ cu plantele, seminţele. Astfel, animalele carnivore nu numai că folosesc mai multă hrană, dar şi ingerează hrană mult mai contaminată, ambele fenomene conducând la creşterea concentraţiei poluanţilor în organismele lor.

• Deşi hrana este principala cale de contaminare a păsărilor şi mamiferelor, poluanţii organici pot fi preluaţi şi prin sistemul respirator al vertebratelor. Absorbţia pe această cale are loc pentru compuşii aflaţi în stare gazoasă.

• O situaţie mai complexă este întâlnită în cazul contaminanţilor asociaţi cu picăturile sau particulele solide care se pot depozita în tractul respirator (fumul şi praful emis, pesticidele aplicate pe terenurile agricole şi picăturile de ploaie care conţin poluanţi atmosferici).