Toxicity assays of marine sediments from western Venezuela

R Ramos^1*, C Bastidas^{1, 2}, E García¹' ²

¹ Centro de Estudios Toxicológicos en Sistemas Marinos asociado a las actividades de la industria del petróleo y gas, Universidad Simón Bolívar, Caracas 1080, Venezuela. *Corresponding author. E–mail: ruthr@usb.ve

² Departamento de Biología de Organismos, Universidad Simón Bolívar, Caracas 1080, Venezuela.

Received February 2011 ]]> Received in revised form October 2011
Accepted November 2011

RESUMEN

La actividad de las refinerías es una de las principales fuentes de contaminación marinocostera a nivel mundial. En este trabajo se evaluó la toxicidad de sedimentos potencialmente impactados por el Centro Refinador Paraguaná, ubicado en la costa occidental de Venezuela, utilizando bioensayos de toxicidad crónicos. Dicha toxicidad se evaluó con larvas del camarón Litopenaeus vannamei y con poliquetos Scolelepis texana durante 28 días y 10 días, respectivamente. Ambos bioensayos indicaron una alta toxicidad para sedimentos aledaños a la refinería, con respecto a sedimentos de la misma región con menor influencia de la refinería y a sedimentos de una zona control. Los sedimentos aledaños a la refinería tuvieron concentraciones relativamente elevadas de hidrocarburos totales de petróleo (>10,000 ppm); de metales pesados como el cromo, níquel y zinc; y presencia de hidrocarburos policíclicos aromáticos (∑PAHs > 1000 ppb). Este estudio está enmarcado dentro del primer trabajo de riesgo ecológico ambiental realizado en Venezuela. La elevada toxicidad de los sedimentos influenciados por uno de los complejos refinadores más grande del mundo puede servir como una señal de alarma de los posibles impactos sobre los organismos bentónicos y planctónicos que viven en los ambientes costeros marinos en las adyacencias de las refinerías.

Palabras claves: Bioensayos de toxicidad, hidrocarburos, metales, refinería petrolera.

ABSTRACT

Refineries are one of the main sources of coastal marine pollution worldwide. In this study, the toxicity of sediments potentially impacted by the Paraguaná Refinery Complex on the west coast of Venezuela was evaluated using chronic toxicity assays. This toxicity was determined by exposing larvae of the shrimp Litopenaeus vannamei and the polychaete Scolelepis texana to bioassays during 28 and 10 days, respectively. Both bioassays indicated that the sediments surrounding the refinery are highly toxic, compared to sediments from the same region farther from the refinery and sediments from a control zone. The sediments surrounding the refinery had relatively high concentrations of total petroleum hydrocarbons (>10,000 ppm); of heavy metals such as chrome, nickel, and zinc; and of polycyclic aromatic hydrocarbons (∑PAHs > 1000 ppb). This study forms part of the first environmental ecological risk assessment done in Venezuela. The high toxicity of the sediments close to one of the largest refinery complexes in the world should serve as a warning of the possible impacts on benthic and planktonic communities that live in the environs of refineries in coastal marine environments.

Key words: toxicity bioassays, hydrocarbons, metals, oil refinery.

INTRODUCCIÓN

La contaminación de los sistemas costeros es uno de los problemas ambientales más frecuentes a escala mundial. Su origen puede ser atribuido a diferentes fuentes, entre las que destacan la operación de refinerías, la actividad de tanqueros, los derrames, y los aportes de desechos industriales que se originan en la costa o son transportados por corrientes y ríos. Entre los diferentes contaminantes, los hidrocarburos y metales pesados han sido de gran interés debido a su ubicuidad, concentración y toxicidad en los organismos de los ambientes costeros marinos (Sadiq 1992, Grant y Briggs 2002). Comúnmente la toxicidad de los hidrocarburos es asociada a su parte más soluble, la cual corresponde a los compuestos aromáticos (Bellas et al. 2008, Rao et al. 2008).

La biodisponibilidad de los hidrocarburos a los organismos presentes tanto en la columna de agua como en los sedimentos depende del tipo de hidrocarburo y de su capacidad física, química y biológica de degradación (Vijayavel y Balasubramanian 2006). Por otra parte, cada sistema marino costero tiene características particulares que afectan el comportamiento de estos compuestos contaminantes. Las refinerías presentes en la zona noroeste de Venezuela procesan un alto volumen de barriles de hidrocarburos diariamente (940.000 barriles) y operan desde hace 60 años, por lo que los sedimentos aledaños a estas refinerías pueden considerarse impactados debido a que presentan una alta concentración de compuestos como hidrocarburos totales (>10,000 ppm), hidrocarburos policíclicos aromáticos (>1000 ppb) y metales como Cd (2.52 ppm), Cr (25 ppm), Zn (34 ppm) y Ni (13.33 ppm) (García 2007). Las concentraciones de estos últimos generalmente son mayores que las registradas como capaces de producir efectos en la biota (Efecto de bajo rango, Long et al. 1995). Asimismo, estos sedimentos se caracterizan por tener una relación entre metales pesados y ácidos sulfúricos volátiles >1 (García 2007), lo que hace a los elementos metálicos más biodisponibles para la biota y, por tanto, potencialmente más tóxicos (Di Toro et al. 1992).

Desde 2005 se ha monitorizado ambientalmente la franja costera aledaña (~30 km) al Complejo Refinador de Paraguaná mediante la medición de parámetros ambientales de la columna de agua y los sedimentos (e.g., metales, hidrocarburos, sólidos, sulfuros ácidos volátiles) en 20 estaciones, cuatro veces al año. Esto ha permitido identificar áreas con diferente grado de impacto por la actividad de la refinería (García 2011). Con base en esta información, en este trabajo evaluamos el efecto de los sedimentos impactados por las actividades del Complejo Refinador Paraguaná sobre la biota, utilizando ensayos de toxicidad crónicos con dos tipos de organismos característicos del área de estudio y presentes en la columna de agua y en los sedimentos.

MATERIALES Y MÉTODOS

El ensayo con organismos de la columna de agua se realizó con larvas del camarón Litopenaeus vannamei, que fueron obtenidas comercialmente en el estadio PL10 y aclimatadas durante tres días en condiciones de laboratorio con agua de mar filtrada con filtros Millipore (0.45 µm). Para este ensayo de 28 días de duración, se utilizaron tres tipos de sedimentos: (1) sedimentos "no impactado" (SNI), extraído de la costa norte de Paraguaná, donde la refinería tiene poca influencia; (2) sedimento "impactado" (SI), extraído de las playas aledañas a la refinería que reciben las descargas industriales; y (3) sedimento control (SC), proveniente de una playa arenosa a más de 200 km al este de la refinería (fig. 1). El grado de contaminación o impacto de los sedimentos fue definido con base en García (2007). Los sedimentos fueron tomados con draga en tres sitios con cada uno de estos tres tipos de sedimento y, posteriormente, fueron refrigerados a 4 °C. Para los ensayos, los sedimentos fueron tamizados (500 |am) dos veces hasta tener una matriz homogénea y libre de macrofauna. Los SC eran areno–fangosos con 0.6% carbono orgánico total (COT) y 2.8% materia orgánica (MO), los SNI eran arenas medias con 0.3% COT y 3% MO, y los SI eran fango–arenosos con 2.1% COT y 14.3% MO.

En el bioensayo se usaron dos factores fijos: tipo de sedimento (SNI y el SI) y su proporción en la mezcla (i.e., 0%, 10%, 25%, 50% y 100%). En cada una de las 10 combinaciones resultantes (o tratamientos), la parte restante de la mezcla de sedimentos provino del SC; por ejemplo, 10% de SNI se mezcló con un 90% del SC. Cuando la proporción fue del 0%, todos los sedimentos usados provinieron del sitio control. Cada tratamiento se realizó en tres contenedores de vidrio (réplicas). En cada réplica se usaron 20 larvas en un volumen de 500 mL de agua de mar filtrada y con 100 g de la mezcla de sedimentos. Cada contenedor tenía aireación continua para facilitar la resuspensión de sedimentos, y las larvas fueron alimentadas diariamente con Artemia salina.

Para el bioensayo con organismos bentónicos, los individuos del poliqueto Scolelepis texana fueron recolectados en el campo, en el sitio control. Para asegurar el uso de adultos, el tamaño de estos organismos en el bioensayo osciló de 0.5 a 1 cm. Los poliquetos fueron aclimatados a las condiciones de laboratorio durante tres días antes del inicio del bioensayo.

Para ambos bioensayos, las características fisicoquímicas del agua de cada uno de los acuarios (temperatura, salinidad, oxígeno disuelto y pH) fueron medidas diariamente con sondas Hanna (HI 991301 y HI 9143). Dichas variables del agua de los acuarios se mantuvieron constantes y similares entre los tratamientos tanto para el bioensayo con larvas de camarón como para el de poliquetos (tabla 1). Sólo en el ensayo con poliquetos se midió la concentración de amonio (paquete de prueba API). Al culminar cada ensayo, se determinó el porcentaje de supervivencia del organismo, y se tomaron muestras de los sedimentos de cada acuario para determinar la concentración de hidrocarburos totales de petróleo (TPH, por sus siglas en inglés), hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAH) y metales.

La concentración de TPH se realizó según el método EPA 1664 (US EPA 2000), pero con una modificación del solvente utilizado: una mezcla de 50:50 acetona:hexano. Para determinar la concentración de PAH, se realizó la extracción de las muestras con hexano:éter (80:20) y la detección por cromatografía de gases (GC Chrompack CP 9001), con columna de capilar sílica fundida CB–5, inyector Splitter (3 mL min^–1, 230 °C), detector FID (250 °C) y hexano como solvente. La concentración de Cd, Pb, Cr, Ni y Zn se midió por el método EPA 3051–200.7; la digestión se hizo con HNO₃ en un microondas (Milestone Ethos Touch control) y la detección de los elementos con espectroscopía de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente (ICP–OES, Optima 2100 DV, PerkinElmer). La concentración de mercurio se midió por el método EPA–7470 de fluorescencia atómica (US EPA 2005), y las muestras fueron digeridas con aqua regia, permanganato de potasio (5%), hidroxilamina (1.5%) y cloruro de estaño (10%). El contenido de mercurio se midio por espectroscopía de fluorescencia atómica (PSA, PS Analytical Ltd., Orpington, Kent, UK).

El riesgo ecológico (hazard quotient, HQ) para los metales fue calculado por la ecuación referida por MacDonald et al. (2000): HQ = concentración total del metal en el ambiente/concentración de efectos probables (PEL), donde el valor de PEL es tomado de las tablas de Buchman (2008) para cada elemento analizado.

Se utilizó el análisis no paramétrico PERMANOVA para analizar la supervivencia de las larvas en el bioensayo (PRIMER + PERMANOVA v6). La prueba de Kruskal–Wallis se empleó para analizar la superviviencia de polique–tos en los diferentes tratamientos (Statistica 7.0).

RESULTADOS

En el bioensayo de las larvas los sedimentos provenientes de la zona impactada mostraron mayor toxicidad que los sedimentos de la zona no impactada (P = 0.003); la supervivencia de las larvas fue al menos cuatro veces menor en los acuarios con 10% SI que la obtenida con SNI (fig. 2). El porcentaje de supervivencia de las larvas en acuarios con sedimentos de la zona impactada mostró diferencias significativas entre los tratamientos (P = 0.034), y fueron letales en acuarios con más del 10% de este tipo de sedimento. El porcentaje de supervivencia de las larvas no varió entre tratamientos con sedimentos de la zona no impactada.

El patrón de toxicidad obtenido para el poliqueto S. texana fue muy similar al obtenido para larvas del camarón L. vannamei. Los sedimentos provenientes de la zona impactada tuvieron un efecto letal mayor sobre los poliquetos que los sedimentos de la zona no impactada. El menor porcentaje de supervivencia se obtuvo con los sedimentos de la zona impactada (K–W P = 0.022; fig. 3), los cuales tienen la mayor concentración de TPH (6900 ± 1900 ppm, K–W P = 0.04) y de metales como Cr (34.5 ± 4.43 ppm), Ni (11.75 ± 4.99 ppm) y Zn (182.5 ± 9.85 ppm). Por lo contrario, la concentración de metales en los sedimentos de la zona no impactada fue <5 ppm.

DISCUSIÓN

Los bioensayos de exposición indican que los sedimentos impactados por la actividad del Centro Refinador Paraguaná tienen una toxicidad alta en larvas del camarón L. vannamei y el poliqueto S. texana. Dichos sedimentos, aledaños a la zona de la refinería, tuvieron concentraciones relativamente elevadas de TPH y de metales pesados como el Cr, Ni y Zn, en comparación con sedimentos de la zona ubicada a 20 km. Así también, los PAH sólo se detectaron en los sedimentos de la zona impactada.

Compuestos aromáticos como el benzo(a)pireno y el dibenzo(a,h)antraceno son cancerígenos y/o mutagénicos (Chen et al. 2003). Aunque las concentraciones de estos compuestos en la zona impactada estuvieron por debajo de los límites de rango de efecto medio establecidos por la NOAA (Long et al. 1995), éstas pueden ser muy variables en ambientes marinocosteros. Esta variabilidad depende, en parte, de las actividades realizadas por la refinería, ya que la emisión de estos compuestos puede provenir de procesos como la destilación, la fase catalítica del craqueo y la combustión (Rao et al. 2008).

El ensayo con larvas de camarón sugiere que la toxicidad de sedimentos aledaños a la refinería (impactados) puede deberse al efecto sinérgico de sus compuestos, los cuales son intercambiados entre el sedimento y la columna de agua (De Lange et al. 2008). Este ensayo con larvas de L. vannamei es una medida indirecta de la sensibilidad que podrían tener otras especies en la columna de agua presentes en esta zona y la zona del golfete de Coro, que juntas constituyen una de las fuentes de alimentación y pesca de mayor importancia en la región occidental de Venezuela.

A diferencia de las larvas de L. vannamei, el poliqueto S. texana vive en comunidades bentónicas de fondos blandos de la zona de estudio y, además, ha sido utilizado como bioindicador de contaminación (Inglis y Kross 2000). Los resultados con este poliqueto evidencian claramente el grado de perturbación de los sedimentos aledaños a la refinería y su efecto sobre la comunidad bentónica. Las concentraciones de metales como el Cr y el Zn en los sedimentos impactados fueron mayores que los LC50 de otras especies de poliquetos utilizados como bioindicadores, por ejemplo: Pectinaria californiensis (LC50 Cr > 10 mg L^–1, Zn = 2.8 mg L^–1) y Nereis virens (LC50 Cr = 2.0 mg L^–1, Zn= 8.1 mg L^–1) (Reish y Gerlinger 1997). Por tanto, la baja supervivencia de S. texana en este estudio podría estar asociada tanto con la presencia de compuestos orgánicos (e.g., hidrocarburos) como con la concentración de metales pesados presentes en esos sedimentos.

Las evaluaciones para identificar toxicidad, o ensayos TIEs (Mount y Norberg–King 1993, Wu et al. 2008,), sugieren que los compuestos de mayor importancia toxicológica son los hidrocarburos de la zona impactada, por su alto cociente de toxicidad para los TPH > 1, mientras que los metales Zn, Cr y Ni tienen todos un HQ < 1. Los valores de HQ menores que 1 indican que su riesgo toxicológico es bajo y que no contribuye significativamente con la mortandad de las especies estudiadas.

En conclusión, como un primer aporte al estudio de riesgo ambiental que se está realizando en el área de la península de Paraguaná (Venezuela), los bioensayos de este estudio indicaron que los hidrocarburos constituyen los compuestos más relevantes desde el punto de vista toxicológico, y deben ser tomados en cuenta en los planes de saneamiento. Asimismo los resultados sugieren que el área de influencia del Centro Refinador Paraguaná está restringida a las cercanías de la descarga de los efluentes, ya que los valores de riesgo ambiental obtenidos con sedimentos provenientes de una distancia de 20 km no indican una señal de alarma para los organismos que habitan esta zona.

AGRADECIMIENTOS

Agradecemos el proyecto de monitoreo CRP–INTEC–MAR–USB, 26–2217, y a E Guerra, P Manuitt, F Padilla y M Barbosa su colaboración en los bioensayos de toxicidad.

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NOTA

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