Avances en los estudios sobre detección de aluminio en aflu- entes utilizados en el cultivo de salmónidos en agua dulce en Chile
M.Sc. Xavier Gutiérrez y Ph.D. Alejandra Aguilera, director e investigadora del Instituto Noruego de Investigación de Aguas NIVA Chile S.A.
El aluminio (Al) se encuentra disponible como sales insolubles sobre toda la superficie de la tierra. Éste es un metal que se presenta con frecuencia en agua dulce. Bajo episodios de fuertes lluvias (“turbias”), las cuencas hidrográficas son afectadas por la movilización desde el suelo de cantidades considerables de aluminio, el que es incorporado y distribuido a los sistemas fluviales afectando directamente a los peces (Åtland & Bjerknes, 2009). Los primeros estudios realizados por NIVA en Chile indican que las concentraciones de Al alcanzan niveles extremos en afluentes de agua dulce, representando riesgo de efectos tóxicos para especies salmonídeas (Kristensen et al., 2009). Posteriormente, estudios realizados por NIVA Chile durante los últimos años, muestran que alzas de Al en diferentes cuerpos de agua dulce en el sur de Chile, se han relacionado con mortalidad de salmones, tanto en etapa temprana como avanzada del desarrollo (Gutiérrez et al., 2013a). La toxicidad del Al y su solubilidad están influenciadas, entre otros, por el material orgánico, temperatura, pH, nivel de calcio y por las formas químicas en que este metal se presenta en el agua. De este modo, el aluminio total (Al) incluye aluminio particulado (PAl) y disuelto (DAI); éste último a su vez puede presentarse, según su carga iónica, como aluminio no lábil (NLAI ó FCE, de la sigla en inglés, Filtered and Cation Exchanged) ó aluminio lábil (LAl) (Tabla 1). El LAl, forma catiónica del aluminio que domina en agua dulce ácida, es reconocido como la forma o especie química más tóxica para los peces (Kristensen et al., 2009; Åtland & Bjerknes, 2009). En aguas con pH mayor a 7.0, el aluminio se presenta mayormente con carga negativa, en formas de aluminatos (Al(OH)4-), que también puede ser dañino para los peces si, entre otros, la cantidad de calcio es baja (Åtland & Bjerknes, 2009). Tabla 1. Especies de aluminio determinadas mediante fraccionamiento por tamaño y carga (SCF) (Ext. Gutierrez et al., 2013a) Basado en lo anterior y dada la experiencia de NIVA Noruega en temas de calidad de agua, se desarrolla la metodología basada en el fraccionamiento del Al por carga y tamaño, denominada Size Charge Fractionation (SCF) (Barnes, 1975; Driscoll, 1984); la que permite obtener resultados de fraccionamiento de las especies de Al presentes en el agua y así identificar y cuantificar la presencia de las distintas formas químicas del Al presentes; generando así, información de base para estudiar la biodisponibilidad, optimizar los monito- reos y realizar investigación y desarrollo de sistemas de tratamientos que apunten a reducir los efectos tóxicos de aluminio en peces. En este contexto, NIVA transfiere los conocimientos teórico-prácticos a NIVA Chile, donde a partir del año 2011, hemos aplicado esta metodología a nivel nacional, determinando y estudiando las variaciones naturales en las concentraciones y especies químicas presentes de Al en cuerpos de agua dulce de la zona sur-austral de Chile, con el fin de establecer el potencial grado de toxicidad de este metal en afluentes uti- lizados o prospectados para el cultivo de salmón.
Estudios realizados por Gutierrez et al., (2013a), muestran que con frecuencia se presentan alzas de las formas más tóxicas de aluminio (LAl) en cuerpos de agua dulce de la Región de Los Lagos, las que sobrepasan los límites recomendados para el cultivo de smolt. Los principales efectos del aluminio sobre los peces, incluyen, entre otros: daño branquial físico y enzimático pudiendo producir mortalidad a altas concentraciones. En este sentido, estudios señalan que altas concentraciones de LAl producen toxicidad aguda, observándose acumulación de Al en branquias y mortalidad por falla respiratoria y osmorregulatoria (Krouglund et al., 2012; Åtland & Bjerknes, 2009). Cabe mencionar que las branquias son el principal órgano blanco para la acumulación de Al y ha sido históricamente utilizado como bio-indicador de la presencia de formas tóxicas de este metal en el agua (Fig. 1). Por otra parte, bajas concentraciones de LAl, que pueden afectar el crecimiento y la fisiología, a niveles sub-letales, pueden pasar desapercibidas en agua dulce, pero han demostrado afectar la sobrevivencia de los smolt al ingresar al mar, reduciendo su adaptabilidad y aumentando la susceptibilidad a enfermedades (Krouglund et al.,2012, 2003; Finstad et al., 2012; Åtland & Bjerknes, 2009). Una de las herramientas predictivas utilizadas en el último tiempo, para el estudio de la acumulación de metales en branquias es el uso de DGTs (Diffusive Gradients in Thin Films) o “branquias artificiales”. Básicamente, los DGTs contienen una membrana que retiene metales libres con carga positiva, de forma pasiva (efecto que se correlaciona con la acumulación de metales en branquias de peces y con su respuesta fisiológica), permitiendo identificar las concentraciones promedio de metales que son más tóxicas para el cultivo de peces. Según Røyset et al. (2005) los resultados de Al-DGT son un mejor predictor de la respuesta de estrés en peces en comparación con la determinación puntual de Al- SCF en laboratorio, debido a que los DGTs colectan durante un periodo de exposición mayor (usualmente dos semanas) una fracción más correcta de especies de aluminio con afinidad branquial, que inducen el estrés fisiológico en los peces. Actualmente, NIVA Chile ha llevado a cabo varios proyectos que incluyen esta herramienta, reportando por primera vez, hasta donde llega nuestro conocimiento, el uso de Al- DGT en el contexto de la salmonicultura nacional.
La presente publicación tiene como objetivo dar a conocer los últimos avances y resultados obtenidos de estudios realizados por NIVA Chile con relación a la presencia de formas tóxicas de Al, utilizando las metodologías Al-SCF y Al-DGT; así como también, dar a conocer resultados de la evaluación de la implementación de sistemas de estabilización de agua, usando tratamiento de afluentes con matrices minerales, para reducir la presencia de las formas más tóxicas del aluminio.
Metodología
Los resultados mostrados corresponden a estudios de calidad de agua realizados por NIVA Chile en afluentes de la Región de Los Lagos, utilizados y prospectados para la producción de salmónidos en fase de agua dulce, entre los años 2011 y 2013. El fraccionamiento de las muestras de agua se realizó utilizando la metodología Al-SCF, descrita por Gutierrez et al., 2013a. El análisis de Al en las muestras de agua fragmentadas se realizó en laboratorios ANAM (Chile), mediante metodologías de alta sensibilidad (ICP-MS), cuyo límite de detección permite interpretar los resultados en el contexto de la toxicidad en peces. Los estudios de acumulación de formas biodisponibles de aluminio en DGTs (Al-DGT) se realizaron exponiendo estos dispositivos durante 14 días en afluentes utilizados y prospectados para el cultivo de salmónidos. Los análisis de Al-DGT fueron realizados en laboratorios de la Universidad de Lancaster (Reino Unido). Los estudios de estabilización de afluentes para la salmonicultura, usando tratamientos con matrices minerales, se basaron en programas de monitoreo ejecutados por NIVA Chile durante el presente año. De forma paralela, se instalaron DGTs en el afluente sin tratamiento (control) y en afluente filtrado con matriz mineral (tratamiento); para posteriormente comparar la concentración promedio de Al-DGT en ambos grupos. Resultados y discusión Los resultados de estudios utilizando Al- SCF presentaron variación en el tiempo, tanto en las concentraciones como en la distribución de las formas químicas presentes en el río estudiado (Fig. 2). Si bien, el fraccionamiento por tamaño mostró un porcentaje alto de PAl (77%), la concentración de DAI se presentó con frecuencia cercana, y eventualmente por sobre rangos que pueden causar efectos negativos en la producción de smolt. Con respecto a la concentración de LAI, ésta excedió con cierta frecuencia el nivel recomendado en Noruega para agua de estanques con peces (<10 μg/l, Kristensen et al., 2009); situación que podría generar efectos tóxicos sub-letales y/o letales. Las mayores concentraciones de Al y LAl detectadas fueron de 231 y 15 μg/l, los días 14 y 104, respectivamente, lo que indica que la determinación de Al no se relaciona, necesariamente, con los periodos de mayor riesgo de toxicidad para los peces. Estudios de NIVA Chile en el mismo río de la Región de Los Lagos, utilizando DGTs, relacionan el aumento de Al-DGT con la intensidad pluviométrica regional (Fig. 3), registrada durante un periodo de exposición de 14 días (acorde estación de monitoreo de la DGA). Dicha relación, por una parte, indica que la calidad del agua se ve afectada por periodos de fuertes lluvias; y por otra, que durante dichos periodos, se incrementa el riesgo de efectos negativos para la producción de salmónidos en agua dulce.
Cabe mencionar que, en el escenario actual del cambio climático, la distribución de la precipitación máxima diaria, registrada en Puerto Montt entre 1973-2012, muestra una tendencia en aumento, siendo frecuente a partir de la década del 90, observar valores máximos de pluviometría diaria acumulada mayores a 60 mm (Gutierrez, 2013b). Estudios de NIVA Chile utilizando Al- SCF (Fig. 4), indican que existe una buena correlación entre absorbancia y concentración disuelta de NLAI (R2=0,95), lo que representa una herramienta de control simple, rápida y de bajo costo, para estimar los niveles de Al al que son expuestos los peces durante su vida en agua dulce. La figura 5 muestra disminución de la concentración de Al-DGT en afluente filtrado utilizando matriz mineral. En dos oportunidades, el afluente tratado (tratamiento 1 y 2: primera y segunda quincena, respectivamente) muestra una disminución considerable en los niveles de AI-DGT, en comparación con el respectivo grupo control. Estudios han determinado que valores de LAI entre 6 y 10 μg/L, pueden influir negativamente sobre el desempeño de los smolt en la etapa de agua dulce y afectar la adaptabilidad de los smolt al ingresar al mar (Åtland & Bjerknes, 2009; Kroglund & Finstad, 2003). Control: afluente sin filtración. Tratamiento: afluente filtrado mediante matriz mineral. Ésta es la primera vez que estudios de NIVA Chile utilizan la medición de Al- DGT para estudios de reducción de formas tóxicas de aluminio mediante filtración de afluente con matrices minerales. Estos resultados sugieren que este tratamiento sería una medida efectiva para reducir los riesgos asociados a efectos negativos ante aumentos naturales de formas tóxicas de aluminio en afluentes utilizados para el cultivo de salmónidos. Estudios realizados por NIVA y NIVA Chile indican que la filtración de afluentes mediante matriz mineral, por una parte, reduce los niveles de formas biodisponibles de Al; y por otra, aumentan parámetros de calidad de agua que se relacionan con una mayor capacidad para atenuar efectos tóxicos de metales, ejerciendo un doble efecto posi- tivo sobre el cultivo de salmónidos en su fase de agua dulce (en proceso de publicación).
