RESUMEN
La atrazina es uno de los herbicidas más aplicados en el mundo y es comúnmente detectado como contaminante de aguas subterráneas, superficiales y de consumo. La atrazina es también un disruptor endocrino potente que se activa a bajas concentraciones ecológicamente pertinentes. Estudios anteriores han demostrado que esta afecta negativamente el desarrollo de larvas de anfibios.
Las consecuencias reproductivas, morfológicas y del desarrollo embrionario en la rana Xenopus laevis cuando son expuestas a diferentes concentraciones del herbicida (concentraciones que en condiciones naturales demuestran algún efecto) tienen impactos negativos sobre las poblaciones naturales que atentan contra la viabilidad de la especie a largo plazo.
Los presentes hallazgos ejemplifican el papel que la atrazina y otros pesticidas desempeñan al provocar trastornos endocrinos que probablemente juegan un papel importante en las declinaciones globales de anfibios.
Introducción
A nivel mundial se ha hecho evidente el uso indiscriminado de productos químicos para la protección y desarrollo de cultivos lo que causa graves consecuencias en el medio ambiente, haciendo evidente el deterioro de los ecosistemas con la afectación de la diversidad florística y faunística, lo que desafortunadamente cada vez es más evidente y pronunciado. Los efectos nocivos de numerosos herbicidas como la atrazina han llegado al punto de afectar no solamente el hábitat de la especie sino también su desarrollo embrionario. (Herrero, 1992).
La atrazina es uno de los muchos herbicidas empleados en la agricultura, el sexto a nivel de comercialización mundial y tiene como principal fin el control de malezas de hoja ancha en los cultivos de maíz y sorgo (Langerveld et al., 2009); debido a lo anteriormente mencionado surgen grandes incógnitas acerca de los riesgos y consecuencias tanto como para la vida animal como humana que se hallan en constante contacto con el herbicida.
En este sentido la atrazina puede encontrarse en el aire en forma de vapor reaccionando con radicales hidroxilo, así como unido a las partículas que se depositan eventualmente con la lluvia y el polvo (Coady et al., 2005), igualmente es altamente persistente en suelos donde permanece por más de un año en condiciones de baja humedad y temperaturas frías, en este último ambiente su movilidad varía de moderada a alta, sobre todo en suelos de zonas lluviosas con bajo contenido de arcilla y materia orgánica (Giddings, 2005).
Debido a su débil adsorción a las partículas y su larga vida media (60 a más de 100 días) representa un riesgo elevado de contaminación para las aguas subterráneas (Giddings, 2005). Sin embargo la hidrólisis química seguida de la biodegradación son los principales procesos responsables de su eliminación tanto en suelo como en agua, siendo este proceso más rápido en condiciones ácidas o básicas, pero lenta a pH neutro. En los cuerpos de agua su degradación es lenta y no se espera que se una fuertemente a los sedimento (Solomon, Giesy, LaPoint, Giddings, & Richards, 2013).
Gracias a diversas investigaciones se sugiere que la atrazina, afecta a diversas especies llegando incluso a afectar a los humanos; dado que se conoce la capacidad de este herbicida para actuar como disruptor endocrino, capaz de inducir la aromatasa, lo que conduce a una producción de estrógenos inadecuada o excesiva, en este caso en anuros (Miyashita, Shimizu, Osanai, & Miyata, 2000). También se cree que tiene la capacidad de disminuir la cantidad de esperma en machos, transversión sexual, hermafroditismo, malformaciones en riñones, cabeza y corazón; en los humanos produce intoxicaciones que se manifiestan a través de cefaleas, vómitos, dolor abdominal (Coady et al., 2005).
Los anuros como toda especie animal tienen un rol fundamental para el mantenimiento del balance ecológico. Así dentro de las redes tróficas tiene estrechas interacciones depredador–presa, son efectivos para el control de plagas y la incidencia de ciertas enfermedades, además son fuente de estudio científico en diferentes ámbitos médicos y biológicos siendo por lo tanto un indicador de la calidad ambiental (Tenorio, 2004).
Marco teórico
Xenopus laevis
Es una especie acuática de anuro sudafricano de la familia Pipidae. Llega a medir 12 cm de largo con cabeza y cuerpo aplanados pero sin lengua. Su nombre proviene de las tres uñas de las patas traseras, cuya función es remover el fango para ocultarse de los depredadores (Tinsley et al., 2009).
Introducida en Europa y América se ha convertido en algunos países en una plaga que amenaza la fauna local, A pesar de todo, la facilidad para manipular sus embriones y ovocitos (de gran tamaño) han colocado al X. laevis en un puesto de privilegio en la biología del desarrollo como modelo biológico (Tinsley et al., 2009).
Hábitat y ecología
Es una especie que depende del agua que se producen en una amplia gama de hábitats, incluidos los hábitats antropogénicos muy modificados. Habita en todo tipo de cuerpos de agua, como ríos, pero tiende a evitar grandes ríos y cuerpos de agua con peces depredadores. Alcanza su mayor densidad en las aguas eutróficas. Se reproduce en el agua, no hay registros de que se reproducen en el agua que fluye. Tiene muy alto potencial reproductivo. Es una especie altamente oportunista y coloniza aparentemente con facilidad cuerpos de agua aislados. Puede migrar en grandes cantidades cuando los estanques de cría empiezan a secarse, y el clima es húmedo (Tinsley et al., 2009).
X. laevis en investigación
Embriones y huevos de Xenopus sp son un modelo popular para una amplia variedad de estudios biológicos. Este animal es ampliamente utilizado debido a su poderosa combinación de trazabilidad experimental y estrecha relación evolutiva con los seres humanos (Wallingford, Liu, & Zheng, 2010), al menos en comparación con muchos organismos modelo.
Xenopus ha sido durante mucho tiempo una herramienta importante para los estudios in vivo en molecular, celular y biología del desarrollo de los animales vertebrados. Sin embargo, la gran amplitud de la investigación de Xenopus se deriva del hecho adicional de que los extractos libres de células de Xenopus son elaborados a partir de una primera clase en sistema in vitro para el estudio de los aspectos fundamentales de la biología celular y molecular. Por lo tanto, Xenopus es el único sistema de modelo de vertebrado que permite alto rendimiento en los análisis in vivo de la función del gen y de la bioquímica de alto rendimiento (Wallingford et al., 2010).
A pesar de que X. laevis no tiene el tiempo de generación corto y simplicidad genética general deseada como modelo genético, es un organismo modelo importante en la biología del desarrollo, biología celular, la toxicología y la neurobiología. La facilidad de manipulación en embriones le ha dado un lugar importante en la biología del desarrollo histórico y moderno (Wallingford et al., 2010).
Oocitos de Xenopus proporcionan un sistema de expresión importante para la biología molecular. Mediante la inyección de ADN o ARNm en el oocito o el embrión en desarrollo, los científicos pueden estudiar los productos de la proteína en un sistema controlado. Esto permite la expresión funcional rápida del ADN manipulado (o ARNm)(Nutt, Bronchain, Hartley, & Amaya, 2001).
Los huevos de X. laevis también se utilizan comúnmente en los estudios bioquímicos de la replicación y reparación del ADN , ya que estos extractos son totalmente compatibles con la replicación del ADN y otros procesos relacionados en un entorno libre de células lo que permite una manipulación más fácil (Blow & Laskey, 1986).
La atrazina
La 2-cloro-4-etilamino-6-isopropil-amino-s-triazina o atrazina, uno de los herbicidas agrícolas más empleados en el mundo actualmente está haciendo estragos a nivel morfológico y en la vida sexual de muchos anfibios. Cuando los machos de los anfibios se exponen a pequeñas cantidades de esa sustancia, un 75% de ellos quedan esterilizados químicamente y un 10% se convierte directamente en hembra. La atrazina puede ser tan alta como 21 ppb en el agua subterránea, de 42 ppb en las aguas de superficie, 102 ppb en las cuencas fluviales en las zonas agrícolas (Carr et al., 2003)
El efecto de la atrazina en la ultra estructura de las células de los testículos de adultos de ranas se examinó por microscopia. El contacto con el herbicida condena a las ranas a la infertilidad. «Los machos de rana pierden testosterona y todo lo que esa hormona controla, incluido el esperma. Así que su fertilidad es tan baja que llega al 10% en algunos casos», se afirma esto en referencia a los ejemplares que perdieron capacidad reproductiva. Pero es que hubo otros que, directamente, se transformaron en hembras. Según el estudio, este pesticida altera de tal modo el sistema hormonal de las ranas que una parte de los machos expuestos a él se feminizan y se transforman en hembras (Tyrone et al., 2006).
En el medio natural, las ranas macho son hermafroditas en su etapa juvenil. En el estudio se comprobó que machos adultos pasaban a ser hembras al entrar en contacto con la atrazina. Ésta, al actuar sobre el sistema endocrino atenúa las hormonas que confieren los caracteres masculinos y, por tanto, permite la expresión reforzada de los valores femeninos. En el trabajo llevado a cabo en laboratorio, los machos auténticos copularon y procrearon con los machos feminizados (Tyrone et al., 2006)
Aunque el experimento se ha llevado a cabo en laboratorio, otros estudios de campo muestran que la atrazina es un disruptor endocrino tan potente que está afectando a las ranas en el medio salvaje y puede posiblemente ser la causa de la disminución de anfibios en todo el mundo (Hayes et al., 2002)
La atrazina es el herbicida más utilizado en África, y probablemente en el mundo. Puede estar presente en varias partes por millón en la escorrentía agrícola y puede llegar a 40 partes por billón (ppb) en la precipitación. Se ha examinado los efectos de la atrazina en el desarrollo sexual en los países africanos en algunas ranas. Las larvas fueron expuestas a la atrazina (0,01 a 200 ppb) por inmersión durante todo el desarrollo larval, y se examinó la histología gonadal y el tamaño de la laringe en la metamorfosis. Además, se examinaron los niveles plasmáticos de testosterona en los varones sexualmente maduros. Los machos sufrieron una disminución de 10 veces los niveles de testosterona cuando se expusieron a la atrazina ppb 25. (Solomon et al., 2013; Giddings et al., 2005)
La atrazina induce la aromatasa, la enzima capaz de convertir testosterona en estrógeno, produciendo una alteración esteroidogénica (Crain, Guillette, Rooney, & Pickford, 1997; Kniewald, Osredecki, Gojmerac, Zechner, & Kniewald, 1995), Los niveles efectivos reportados en estudios son las exposiciones reales que sugieren que otras especies de anfibios expuestos a la atrazina en el medio natural podrían estar en un riesgo de desarrollo sexual disminuido. Este compuesto generalizado y otros disruptores endocrinos ambientales puede ser un factor en la disminución mundial de anfibios (Crain et al., 1997).
Del mismo modo, una gran cantidad de atención se ha centrado en la disminución mundial de anfibios. En el caso de disminución de los anfibios, los esfuerzos se centran en la identificación de las causas.
La atrazina se ha utilizado por más de 40 años y actualmente se utiliza en más de 80 países. A pesar de su extendido uso intensivo, la atrazina es considerada segura, debido a su bioacumulación de vida media-corta e insignificante y biomagnificación. Además, la atrazina parece tener muy pocos efectos sobre los adultos y al parecer induce alteraciones y deformidades sólo a dosis muy altas. Como resultado de las altas dosis necesarias para producir deformidades, se ha sugerido que " la toxicidad directa de la atrazina no es probablemente un factor significativo en la disminución de los anfibios recientes"" (The Institute of Environmental and Human Health USA 2001).
Otros estudios evidencian que la mortalidad, el desarrollo y crecimiento a dosis probadas en exposición a la atrazina, no tuvieron ningún efecto sobre la mortalidad. Machos y hembras se diferencian sexualmente en la metamorfosis sobre la base de la morfología y la histología gonadal. La atrazina produce alteraciones gonadales. Hasta el 20% de los animales tenían las gónadas múltiples (hasta 6 en un solo animal) o eran hermafroditas (con los testículos y los ovarios múltiples;). (Zoology, University of Guelph, Ont., Canada NIG 2W1)
Los datos actuales demuestran la importancia teniendo en cuenta que el sistema endocrino regula criterios de valoración para evaluar el impacto potencial de los pesticidas en los anfibios. La teratogénesis informó que la inhibición del crecimiento y la mortalidad de los anfibios en respuesta a la atrazina no se consideraron las preocupaciones ambientales, debido a las altas dosis necesarias para producir estos efectos (Coady et al., 2005).
Dependiendo de la especie, los anfibios se reproducen en todo lo posible en un micro-habitad de agua dulce en lagunas temporales, canales de riego y campos inundados, arroyos, ríos, lagos y otras fuentes permanentes de agua. Los datos actuales plantean la cuestión de la amenaza de la atrazina, en particular, y de los plaguicidas, en general, a los anfibios en su hábitat natural (Kniewald et al., 1995).
En concreto, una de cada diez ranas estudiadas sufrían una castración química, transformándose en ranas hembra a todos los efectos, excepto genéticamente. Además, la mayoría de los machos nacidos y criados en un agua con 2.5 partes por mil millones de atrazina quedaban estériles. (Hayes et al., 2002)
Aromatasa P450
La aromatasa es una enzima que convierte andrógenos en estrógenos. Las hormonas esteroideas: esteroides sexuales, minerales o corticoides y corticosteroides, se forman a partir del colesterol como precursor. Los esteroides sexuales comprenden los andrógenos, estrógenos y progestágenos. (Conley & Walters, 1999).
Los andrógenos y estrógenos formados por 19 y 18 átomos de carbono, respectivamente, junto con los progestágenos, de 21 átomos de carbono, son los esteroides esenciales para el control endocrino de la reproducción en vertebrados. Prácticamente influyen en todos los aspectos de establecimiento y mantenimiento del género. De hecho, el desarrollo reproductivo no se llevaría a cabo correctamente en ausencia de estos esteroides o de sus receptores (Conley & Walters, 1999).
El complejo enzimático P450 aromatasa
La biosíntesis de estrógenos está catalizada por un miembro de la superfamilia de citocromos P450, denominado citocromo P450 aromatasa. Dicha superfamilia está compuesta por más de 480 miembros repartidos en 74 familias, de las cuales la P450 aromatasa es el único miembro de la familia 19 dentro del subgrupo de hidroxilasas de esteroides, con una mayor especificidad catalítica por el metabolismo de esteroides que otros citocromos P450.
El complejo catalíticamente activo está compuesto por una aromatasa citocromo P450 (P450arom), que se une al sustrato, y acoplada a ella una flavoproteína, la adenina dinucleótido fosfato (NADPH)-citocromo P450 reductasa (reductasa), que facilita el flujo de electrones necesarios para la oxidación del sustrato (Conley & Walters, 1999).
Conclusión
El herbicida atrazina es un perturbador endocrino y uno de los plaguicidas de mayor uso en el mundo en el cultivo del maíz y principal contaminante de aguas superficiales, potabilizadas, subterráneas y de aguas precipitadas con las lluvias.
La atrazina es toxica para las gónadas de anfibios. La desmaculinizacion incluye reducción del tamaño testicular y reducción de esperma y de andrógenos. A su exposición machos genéticos de la rana africana Xenopus laevis, se convierten en hembras funcionales. Son necesarios más estudios para examinar, y a ser posible cuantificar, las implicaciones reales de los efectos que la atrazina tiene sobre la ecología de las especies para determinar el nivel de riesgo real en condiciones naturales.
Por lo tanto un proyecto real con el propósito de determinar los efectos nocivos de la atrazina sobre el desarrollo embrionario de especies de Xenopus laevis, en diversas concentraciones de este herbicida que tiene potencial acción activadora sobre la enzima aromatasa de la cual se ha evidenciado que está implicada en procesos de reversión sexual, permitiría brindar información a la comunidad científica y ser difundida entre la población agrícola con el fin de reconocer e identificar las consecuencias del uso inadecuado de este producto químico, los impactos en el medio ambiente y el riesgo ante un posible desequilibrio ecológico.
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Autor:
Jennifer Zoraya Garzon Villanueva
SEMESTRE B-2015