Contextualización del tema: la calidad del agua de los embalses destinados al tratamiento y suministro de agua potable se debe monitorear mediante análisis de toxicidad del agua y sedimentos, ya que los sedimentos pueden actuar como fuente de contaminantes orgánicos, de tal forma que durante procesos de mezcla y transporte estos contaminantes pueden quedar disponibles en los ecosistemas acuáticos.

Vacío de investigación: debido a que estos contaminantes esta en el orden de trazas, se hace necesaria la utilización de metodos de muestreo pasivo que permitan la acumulación de compuestos hidrofóbicos en dispositivos de membranas semipermeables (SPMDs) para la posterior evaluación.

Propósito del estudio: en este estudio, se evaluó la toxicidad de extractos dializados de muestreo pasivo tipo SPMD y de sedimentos, mediante ensayos Microtox®, usando la bacteria Vibrio fischeri.

Metodología: los 24 extractos analizados se obtuvieron a partir de dispositivos de membranas semipermeables (SPMDs) previamente desplegadas durante 21 días en seis estaciones en el cuerpo de agua del embalse La Fe, Antioquia, durante cuatro campañas de muestreo. Los extractos se sometieron a ensayo mediante el Microtox Basic Test. La evaluación del potencial de toxicidad del sedimento del embalse se analizó de igual forma en 12 muestras, mediante ensayos de toxicidad aguda con Microtox®, aplicando el protocolo Solid Phase Test (SPT). Asimismo, se determinaron los parámetros fisicoquímicos del agua pH, temperatura, conductividad eléctrica, oxígeno disuelto y turbidez.

Resultados y conclusiones: los resultados de los ensayos mostraron que los extractos de SPMD recolectados en el cuerpo de agua no presentaron toxicidad, mientras que los elutriados de sedimentos presentaron una toxicidad moderada o baja.

La evaluación de la toxicidad representa una herramienta fundamental en el control y manejo ambiental de los vertimientos de contaminantes en los ecosistemas acuáticos (Beg & Ali, 2008). Debido a que los compuestos orgánicos son contaminantes con concentraciones en el orden de trazas (ng/L), se hace necesaria la utilización de métodos que permitan la acumulación de compuestos hidrofóbicos en soportes para su posterior evaluación.

Uno de los métodos en la toma de muestras para la evaluación de toxicidad de contaminantes en cuerpos de agua son los dispositivos de muestreo pasivo (PSD) (Allan et al., 2010). El principio de la técnica de muestreo pasivo consiste en el despliegue de un dispositivo de membrana semipermeable (SPMD) en el cuerpo de agua, durante un período definido de tiempo. En dicho periodo, los contaminantes se difunden libremente a través de la membrana y se acumulan por medio de procesos difusivos y de adsorción (Charriau et al., 2016).

Las membranas semipermeables (SPMD), son dispositivos que permiten un muestreo pasivo in situ, las cuales contienen en su interior Trioleína, cuyo carácter lipofílico, permite el análisis de contaminantes orgánicos persistentes (POPs) u otros contaminantes orgánicos hidrofóbicos con el coeficiente de partición octanol/agua mayor a 3 (log Kow ≥ 3) (Huckins et al., 2006; Narvaez & Molina, 2012). Por ejemplo, entre los compuestos analizados, se encuentran los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH) bifenilos policlorados (PCB), pesticidas organoclorados y contaminantes orgánicos persistentes (POP) (Forsberg et al., 2014); (Karacık et al., 2013) ; (Narvaez, Lopez, & Molina, 2013); (Lohmann et al., 2012).

En este sentido, Johnson et al.,(2000) desarrollaron una metodología que permite integrar el sistema de ensayos de toxicidad aguda Microtox® con extractos dializados de dispositivos de membrana semipermeable (SPMD-TOX) (Johnson et al., 2000). Esta metodología, se fundamenta en la bioluminiscencia natural de la bacteria marina Photobacterium phosphoreum, también conocida como Vibrio fischeri que, en presencia de agentes contaminantes, reduce la bioluminiscencia natural, y por lo tanto, la toxicidad se expresa como concentración efectiva, que reduce más del 50% de la luminiscencia inicial (EC50)(Fernández-piñas et al., 2014);(Onorati & Mecozzi, 2004). El análisis de toxicidad por medio de Microtox®, ha sido aplicado por más de 40 años, ya que es un método rápido, simple y sensible para la evaluación del riesgo por exposición a contaminantes transmitidos a través del agua antibióticos como la amoxicilina y ciprofloxacina; antibacteriales; contaminantes atmosféricos; pesticidas; herbicidas; plantas medicinales; metales pesados como zinc, cobre, plomo, plata y mercurio, cadmio (II) y cromo (VI)(Palma et al., 2010);(Ji et al., 2013);(Grinten, Pikkemaat, & Brandhof, 2010);(Kováts & Horváth, 2016);(Mansour, Abdel-hamid, & Ibrahim, 2015);(Palma et al., 2008);(Gatidou, Stasinakis, & Iatrou, 2014);(Kovats et al., 2011);(Gonçalves et al., 2015);(Fulladosa et al., 2005);(Fulladosa, Murat, & Villaescusa, 2005).

En este estudio, se utilizaron Microtox® y extractos dializados de membranas SPMD desplegadas para conocer las condiciones ambientales de un embalse que suministra agua a la planta de potabilización La Ayurá, que abastece la zona sur del Valle de Aburrá, Colombia.

El embalse La Fe tiene un área de 1,73 Km2; se ubica en el municipio de El Retiro en el departamento de Antioquia; Tiene una capacidad de 11.58 millones de m3 y el área de sus tributarios abarca 78 Km2; recibe aguas de las quebradas Las Palmas, San Luis-Boquerón, Espíritu Santo y aportes de los ríos Pantanillo, Piedras y Buey por mecanismo de bombeo (Salazar, 2017). Se encuentra localizado en una zona de alta montaña, de topografía encañonada y es el resultado de dos fases de construcción; la primera, finalizada en 1967; y la segunda debido a una ampliación en 1974 (Florez et al., 2017). Debido a la influencia y meteorización de las rocas del batolito antioqueño los suelos son arcillosos, de color rojo y pardo rojizo, ricos en materia orgánica y nitrógeno total, muy ácidos (pH entre 4.4 y 4.5) y grandes fijadores de fosforo (Arias & Ramirez, 2009). Debido a las actividades agrícolas de la región y a la densificación inmobiliaria, los residuos domésticos y agroindustriales, ingresan de manera directa o indirecta a las quebradas y ríos llegando finalmente al embalse. El embalse La Fe es un importante reservorio de agua para el Valle de Aburrá y abastece agua potable para más de un millón de habitantes.

Se ubicaron las estaciones de monitoreo en las principales cuencas tributarias aportantes al embalse y algunas fueron ubicadas en zonas de transición entre los tributarios y el sistema léntico del embalse (Figura 1, Tabla 1).

El muestreo se realizó mediante el despliegue de tres membranas tipo SPMD, protegidas de condiciones externas por una canastilla de acero inoxidable, que permite adicionalmente anclar el dispositivo. Estas canastillas se instalaron para las estaciones de tributarios en tuberías perforadas adosadas a estructuras hidráulicas existentes (pilas de puentes o muros laterales), y en las estaciones de embalse se fijaron en boyas que evitan su pérdida, lo que asegura una profundidad adecuada (2m) para garantizar un contacto continuo entre la membrana y el agua durante el tiempo estipulado de muestreo (Narvaez & Molina, 2012). Para este estudio de caso, el tiempo de exposición de las membranas en el cuerpo de agua fue de 21 días durante octubre y noviembre de 2017 y 2018. Además, se muestrearon los sedimentos superficiales (< 5 cm) utilizando una draga Ekman en las seis estaciones el día de despliegue de las membranas SPMD. Los parámetros fisicoquímicos pH, conductividad, temperatura, oxígeno disuelto y turbidez se midieron en un equipo multiparámetrico HANNA 9829.

En la extracción y análisis se usaron solventes tales como acetona, hexano y DMSO (Pureza > 99%), marca Sigma-Aldrich. Por otro lado, la solución de reconstitución, cloruro de sodio al 2%, el ajuste osmótico al 22% y el cultivo de la bacteria bioluminiscente Vibrio fischeri se usaron en los ensayos de toxicidad marca Azur Environmental, (Carlsbad, CA). Se usaron las membranas SPMD marca Environmental Sampling Technologies EST-Lab (St. Joseph, MO). Las membranas de polietileno de baja densidad tienen un área superficial aproximada de 450 cm2 y un contenido de 1 mL trioleína (99% de pureza).

Desde hace tres décadas, los muestreadorespasivos tipo SPMD se han venido utilizando en el monitoreo de contaminantesorgánicos debido a la posibilidad de integración analítica con las evaluacionesdel potencial tóxico de los extractos obtenidos, lo cual no es posible con losmétodos de monitoreo puntual (Petty et al., 2000). Para el ensayo de toxicidad SPMD-TOX,se aplicó el protocolo descrito por (Johnsonet al., 2000) en el cual las membranas recolectadas selavaron con un cepillo para retirar la biopelícula y los residuos. Lasmembranas se almacenaron en papel aluminio y se transportaron al laboratoriodel grupo de Investigación GAIA de la Universidad de Antioquia en bolsasselladas, para evitar contaminación cruzada. En el laboratorio, se lavaron lasmembranas con una solución de HCl al 10% para remover las sales inorgánicas yel biofilm adherido en la superficie, seguido de unlavado con agua desionizada e isopropanol para remover los residuos de agua.Finalmente, las membranas fueron dializadas en hexano durante 24 horas y elextracto hexánico se concentró con nitrógeno hastaobtener 1 mL. La solución obtenida se pasó a travésde una columna de fase sólida, la cual fue eluída conacetona y se concentró nuevamente el extracto con dimetilsulfosido(DMSO) (Figura 2). En el extracto reconstituido en DMSO, se procedió midiendoel pH de cada muestra, para establecer el rango óptimo para la medición de losensayos de Microtox® de soluciones acuosasentre 6.0 – 8.5 (Tabla 2).

Las muestras se colocaron en cubetas con las bacterias Vibrio fischeri en una solución de reconstitución de 1 mL. Posteriormente, se añadieron 500 µL del diluyente en cada cubeta con 250 µL de ajuste osmótico y luego se transfirieron las muestras a una serie de cubetas preparando cuatro diluciones en serie 1:2 del sobrenadante. Se realizaron réplicas de los controles y las cuatro diluciones. Las muestras y las réplicas se prepararon en las cubetas, luego se transfirieron las bacterias reconstituidas a cada celda y se realizó la medición de la intensidad de luminiscencia con el equipo Microbic Model 500 a tiempos de 0, 5, 15 y 30 minutos, hallando la concentración efectiva al 50% (EC50) y el porcentaje de efecto en la bacteria. Todas las muestras, fueron analizadas por duplicado, usando 4 concentraciones y un control negativo.

Teniendo en cuenta que se utilizan solventes orgánicos en la extracción de los contaminantes, se dificulta la evaluación de la toxicidad de los extractos dializados obtenidos de los SPMD (Koci, Mlejnek, & Kochankova, 2003). Se aplicó Vtox para remediar estas interferencias de los solventes de extracción. Vtox representa el volumen promedio teórico que se necesita para la dilución de los contaminantes y para que se absorban en una membrana durante el promedio de días de exposición, y así obtener una solución con una concentración efectiva EC50 para evaluar la toxicidad (Huckins et al., 2000).

Para esto, se define la ecuación (1):

Donde, m es la concentración de membranas extraídas en la mezcla de solventes, expresado como número de membranas semipermeables en mL, en nuestro caso m=3/mL en cada estación; d es el número de días de exposición de las membranas en el cuerpo de agua, en nuestro caso 21 días; EC50 es el 50% de la concentración efectiva del extracto en el organismo a evaluar (mL/L). Debido a esto a todos los valores Vtox se asignan el porcentaje de concentración efectivo entre paréntesis utilizado. Al resolver la ecuación 1, se obtienen los resultados en L/d, para cuestiones prácticas lo convertimos en mL/d utilizando factores de conversión. Un valor alto r de Vtox es un indicativo de contaminación ambiental (Koci et al., 2003).

Se secaron los sedimentos recolectados en cada estación a temperatura ambiente (aproximadamente a 25°C) para evitar la evaporación de los compuestos orgánicos semivolatiles (SVOC), tamizados en una malla ASTM # 200, para obtener un tamaño de partícula inferior a 75 µm y luego se almacenaron en bolsas de plástico y se guardaron a una temperatura de -20°C. Posteriormente, se pesó una muestra de 400 mg de sedimento seco y se disolvieron en 1 mL de diluyente, preparando una solución de la bacteria con la solución de reconstitución, y el ajuste osmótico se agitó en un agitador mecánico durante cinco minutos. La muestra se transfirió a una serie de tubos de fase sólida, y se prepararon nueve diluciones en serie 1:2 del sobrenadante, incluidos los controles. Se realizaron dos réplicas de los controles y las 9 diluciones, las muestras y las réplicas se prepararon en los tubos de fase sólida, luego se transfirieron las bacterias reconstituidas a cada tubo de fase sólida y se incubaron las bacterias en el tubo durante 20 minutos. Finalmente, se insertaron en los tubos de fase sólida las columnas de filtros y junto con la solución fueron filtradas las bacterias. Luego, se transfirieron 500 µL de la solución a las cubetas de medición del analizador Microtox® 500 y se obtuvieron lecturas de luminiscencia para generar valores de concentración efectiva EC50 a tiempos de 5, 15 y 30 minutos. De igual forma, todas las muestras fueron analizadas por duplicado.

Para garantizar la calidad de los datos, se procesaron los resultados en el software estadístico Modern Water Microtox Omni®, versión 4.3, para generar la concentración efectiva EC50 y el porcentaje de efecto, obteniendo los intervalos de confianza (CI) y coeficiente de correlación (R2) de las muestras. Los valores obtenidos, se consideraron como válidos cuando el CI no excede el 30% y R2 se aproxima a uno (Grigson, Cheong, & Way, 2006).

El pH de todas las estaciones tuvo valores entre 6,21 y 8,05, lo cual es característico de cuerpos de agua que se utilizan para el tratamiento y suministro de agua potable, ya que este parámetro es importante en la estabilidad de los compuestos orgánicos (WHO, 1997).

La conductividad eléctrica (CE) mide la concentración de los sólidos disueltos totales y los iones principales. Normalmente, la CE de los cuerpos de agua dulce está en el rango de 10-1000 µS/cm (APHA, 2017). En este estudio, los valores de CE estuvieron en el rango de 26 µS/cm a 87 µS/cm, resaltando que el valor mínimo se encuentra en el tributario SLB donde no se evidencia ninguna actividad antrópica y el valor máximo en el tributario TPE, donde hay presencia de talleres de alfarería, unidades residenciales y vías intermunicipales de alto tráfico vehicular, que posiblemente incrementan la presencia de solidos disueltos e iones. En las demás estaciones dentro del embalse, los valores de conductividad variaron entre 42 µS/cm y 61 µS/cm.

El protocolo de muestras SPMD-TOX que se desplegaron en el embalse demostró que los valores de Vtox(50) superiores a 6,35 mL/d se consideran tóxicos (Johnson, 2005). Ningún valor de las muestras evaluadas en esta investigación sobrepasa este límite; sin embargo, los valores más cercanos correspondieron a la estación TPE en el año 2017 y 2018 , es decir 6,05 mL/d y 3,94 mL/d respectivamente, indican la relación directa entre las actividades antropogénicas y la toxicidad de las muestras tomadas en esta estación (Tabla 3). Se define el limite admisible de 6,35 mL/d, debido a que n=3 y d=21 y reemplazando en la ecuación 1, en donde valores superiores a 2.5 mgSPMD/mL son considerados como tóxicos (Figura 3) (Johnson, 2005).

Diversas investigaciones han utilizado los extractos de SPMD para la evaluación de toxicidad aguda con diferentes sistemas como el Microtox®, obteniendo resultados representativos de toxicidad que permiten un monitoreo y gestión medioambiental en los sitios de estudio (Sabaliunas et al., 2000). Además, entidades gubernamentales como la United States Geological Survey (USGS) han encontrado en las membranas SPMD una herramienta esencial para el monitoreo de los contaminantes en ríos y lagos, reportando toxicidad elevada en arroyos y ríos de la ciudad de Milwaukee en el año 2007 (USGS, 2014).

Considerando que diferentes compuestos orgánicos persistentes (Abbas et al., 2018) pueden presentar un efecto inhibitorio a la bacteria Vibrio fischeri, se estableció una clasificación de toxicidad en sedimentos que se expresa en EC50, o porcentaje de efecto (Kwan & Dutka, 1996). Se denominan como tóxicos cuando, en el bioensayo, el EC50 es menor que 5.000 mg/L (EC50 < 0,5%), moderadamente tóxicos entre 5.000 mg/L y 10.000 mg/L (EC50 >0,5≤1%) y no tóxicos mayores que 10.000 mg/L (EC50 >1,0 %)(Beg & Ali, 2008). Al evaluar la toxicidad mediante el sistema Microtox® usando el protocolo Solid Phase Test (SPT). Los valores de EC50 mayor que 100.000 mg/L se consideran no tóxicos para la bacteria Vibrio fischeri, de tal forma que en las muestras de sedimentos del embalse La Fe en las estaciones correspondientes a los tributarios TSB y TPE tuvieron valores superiores a 10.000 mg/L y calificaron como no tóxicos durante el periodo de estudio (Tabla 3). Para las estaciones en el interior del embalse, los sedimentos resultaron moderadamente tóxicos, con valores EC50 de 5.246 mg/L para EPA y 9.211 mg/L para EBT.

Hay que destacar que en la estación EPA en el 2017 resultó la única estación considerada como tóxica (4.734 mg/L) y, en el año 2018, como moderadamente tóxica (5.246 mg/L). Lo anterior implica una carga contaminante alta en el sedimento proveniente del bombeo del rio Pantanillo (Figura 4). Los resultados en las estaciones no mostraron diferencias significativas entre 2017 y 2018 con excepción de la estación TPE, la cual tuvo mayor toxicidad en 2017. Las demás estaciones estuvieron en el rango de 95% de confianza, y ningún valor de confianza sobrepasó el 30 % lo que garantiza la calidad de los datos (Tabla 4).

Diversasinvestigaciones han evaluado ensayos de toxicidad (Jarque et al., 2016) y cinética de contaminantes ensedimentos (Blaha et al., 2009) mediante el método Microtox®,obteniendo resultados significativos que permiten un monitoreo y gestiónmedioambiental en los sitios de estudio (Burton et al., 2001);(Svenson et al., 1996). Con el uso de este método se pudodeterminar que los sedimentos en el curso alto del rio Lerma (México) y lamayor parte de sus tributarios son muy tóxicos (Carreñoet al., 2018), así como la evaluación del riesgotoxicológico de los sedimentos en ríos (Castro-catalàet al., 2015) y puertos (Mccready et al.,2004) lo que puede conllevar a una gestión ambiental para mejorar las condicionesde este sistema fluvial. En 1997 este método fue utilizado paradeterminar que el aumento de la influencia de la luz ultravioleta causado porel agujero de la capa de ozono influye en la toxicidad de los contaminantespresentes en los sedimentos y los modifica fotolíticamenteafectando la vida marina Antártica (Cleveland et al.,1997).

El sistema de medición de toxicidad con Vibrio fischeri fue eficaz para evaluar contaminantes en las matrices agua y sedimentos.

Este estudio contribuye al monitoreo de la calidad de agua del embalse La Fe, y los resultados de estas evaluaciones sugieren que el agua y los sedimentos no presentan toxicidad, y presentan buenas condiciones, por lo que se minimizan los riesgos en la utilización del agua para su potabilización.

No se observaron variaciones significativas en las mediciones de toxicidad realizadas a las muestras de agua y sedimentos entre 2017 y 2018 a excepción de las muestras de sedimentos de la estación TPE, donde se observó un incremento de la toxicidad en el periodo 2017 - 2018.

Se evidenció potencial toxicidad en sedimentos recolectados en las estaciones de bombeo del río Pantanillo (EPA) y del tributario Palmas - Espíritu Santo (TPE), por lo que se recomienda realizar un estudio más exhaustivo y establecer un programa de monitoreo de la calidad de agua y los sedimentos en esos sitios.