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Evaluación de los efectos generados por la exposición a polvo de carbón en diferentes modelos biológicos

Resumen en español

La minería del carbón es considerada como punto básico de la economía de muchos países, dado que, al ser un recurso importante en la producción de energía a nivel mundial, permite el ingreso de divisas. Sin embargo, las partículas que se liberan en el proceso de exploración, explotación y distribución de este mineral pueden generar efectos toxicológicos a varios niveles tróficos en los ecosistemas aledaños e incluyen daño al ser humano. La asociación de las enfermedades crónicas y exposición al polvo de carbón es una realidad confirmada con estudios científicos globales. No obstante, es necesario realizar investigaciones que permitan determinar los daños transcripcionales y fisiológicos relacionados con la alteración en el comportamiento, desarrollo, reproducción y supervivencia de seres fundamentales para mantener el equilibrio ecosistémico en matrices ambientales como es el suelo. Además, se deben ahondar en estudios que muestren los posibles mecanismos de toxicidad en el ser humano, principalmente a nivel respiratorio, puesto que la principal ruta de exposición de los seres humanos y organismos superiores es la aérea. El objetivo del presente proyecto consistió en evaluar los efectos toxicológicos de la exposición a polvo de carbón equivalente a partículas suspendidas totales (PST) sobre tres modelos biológicos: Eisenia fetida (Oligochaeta, Lumbricidae), Sinella curviseta y línea celular humana Calu- 1. La metodología empleada en los dos primeros modelos incluyó un diseño completamente aleatorizado, en el que los organismos fueron expuestos tanto a suelo control como a cinco concentraciones diferentes de polvo de carbón de diámetro inferior a 38 µm. El período de exposición fue de 7, 14, 28 y 60 días para E. fetida, tiempo durante el cual fueron determinados la viabilidad, cambios anatómicos, morfológicos y fisiológicos de los mismos, así como también fue revisada la capacidad de la lombriz para evadir la exposición al polvo de carbón, alteraciones histológicas del tejido y reproducción. En cuanto al modelo S. curviseta, los tiempos de exposición fueron 28 y 60 días a las mismas concentraciones utilizadas para la evaluación del efecto del polvo de carbón sobre la lombriz de tierra, teniendo como punto final la reproducción y mortalidad. En adición, fue evaluado el impacto en la viabilidad celular, alteraciones en el equilibro redox y cambios transcripcionales en la línea pulmonar humana Calu-1 expuesta a un extracto hidroalcohólico, a través de ensayo MTT, detección de ROS intracelular y expresión de genes asociados con estrés oxidativo, daño al ADN, peroxidación lipídica, inflamación y transporte de metales. La obtención del polvo de carbón con tamaño de partícula ≤38 μm se logró a través del proceso de molienda, utilizando un molino de bolas planetario PS + E, ND 04 L, con posterior tamizaje a través de malla menor o igual a 38 µm. Dichos tamaños de partículas fueron escogidos puesto que han sido reportados como la mayor proporción de material particulado generado en el proceso de extracción y transporte de carbón mineral, además de poseer una alta fugacidad. Para comprender de mejor manera el mecanismo de acción del polvo de carbón frente a los modelos escogidos para el desarrollo de la presente investigación, se realizó un análisis de sus elementos traza, el cual permitió identificar la presencia de moléculas con potencial alteración en el desarrollo normal de los modelos evaluados. Se realizó la identificación de metales pesados a través de la técnica Espectrometría de Masas con Plasma Acoplado Inductivamente (ICP-MS), identificando cuarenta y tres elementos: Li, Be, Sc, V, Cr, Co, Ni, Cu, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Cd, Sn, Sb, Cs, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, Tl, Pb, Bi, Th, y U. Para la identificación de mercurio, fue utilizada la técnica de espectrometría de absorción atómica a través del analizador Zeeman mercury con software RAPID (Lumex, Russia) y unidad de pirólisis (PYRO-915+). Para el análisis toxicológico in vitro de este contaminante en células humanas, fue utilizado el extracto hidroetanólico del mismo. Al extracto se le analizaron los hidrocarburos presentes a través de cromatografía de gases acoplado a espectrometría de masas (GC-MS), encontrando diecisiete moléculas que incluyeron Undecano, Pentadecano, Dodecano; Undecano, 4-metil; Dodecano, 2,6,11-trimetil-; Heptano, 2,3-dimetil-; Octano, 4-metil-; Nonano, 4,5 dimetil; Tetradecano, 2,6,10-trimetil; cis - anhídrido aconítico, Glicerina, isoalocolato de etilo, ácido octanoide, 1H pirrol-2,5 diona, Estra-1,3,5(10)-trien-17ß-ol; Benzo[a]antraceno, 6,12- dimetil-1,2,3,4-tetrahidro- y neocuasino. Los datos obtenidos se presentan como media ± error estándar de la media (X ± SEM). Se utilizó ANOVA de una vía para comparar los grupos de tratamiento, verificando previamente la normalidad y la homogeneidad de la varianza, utilizando las pruebas de Kolmogorov- Smirnov y Bartlett, respectivamente. Cuando no se logró la normalidad, se utilizó Kruskal-Wallis en su lugar. Los análisis estadísticos se llevaron a cabo utilizando GraphPad Prism 6.0 (GraphPad Software, San Diego, CA). Los resultados con respecto al modelo E. fetida revelan que las alteraciones en la morfología y fisiología de los anélidos expuestos se evidenciaron principalmente en las mayores concentraciones probadas (3–4%) y tiempos de exposición (≥14 días). Los cambios incluyeron pérdida de peso y color, abundante producción de moco, constricción, descamación de la epidermis, involución del clítelo, movimientos violentos y letargo. La evitación del suelo contaminado con polvo de carbón siguió una relación de concentración-respuesta. Los hallazgos histopatológicos revelaron cambios en la cutícula, así como en las capas musculares circulares y longitudinales en animales que viven en suelos que contienen 3 y 4% de partículas de carbón. En resumen, E. fetida expuesta al polvo de carbón experimentó varios cambios patológicos, lo que sugiere que este contaminante puede inducir problemas de población en los microinvertebrados presentes en las zonas mineras de carbón. Con respecto al modelo Sinella curviseta, se encontró que la exposición de estos organismos a polvo de carbón por más de dos semanas a concentraciones de 3 y 4% generan alteraciones en el ciclo reproductivo, disminuyendo de forma significativa la población de colémbolos, organismos detritívoros importantes en el equilibrio biogeoquímico de los suelos a nivel mundial. Esta alteración poblacional sugiere que la exposición crónica y subcrónica (28 y 60 días) al polvo de carbón a concentraciones relativamente bajas (3 y 4% p/p) por parte de microinvertebrados del suelo y otros organismos morfológicamente similares a los colémbolos, puede desencadenar alteraciones en el equilibrio natural de los ecosistemas desde los niveles más bajos de la cadena trófica. En adición, a nivel de tejido humano, se evidenció citotoxicidad por desequilibrio redox de células epiteliales pulmonares in vitro, lo cual se relaciona además con alteraciones en la expresión de genes asociados con inflamación, estrés oxidativo, metabolismo de lípidos y de metales (CYP1A1, IL-8, IL-6, MT1X, y NQO1) luego de 24 horas de exposición a concentraciones iguales y mayores de 62.5 µg/mL de extracto hidroetanólico de polvo de carbón, lo que sugiere que no sólo la exposición a partículas de carbón, sino también los elementos traza que se encuentran en dichas partículas y que pueden liberarse a través de las corrientes de agua y exposición a condiciones ambientales como altas temperaturas y corrientes de aire, incluyendo hidrocarburos como undecano, dodecano, pentadecano y benzo(a)antraceno 6,12 dimetil- 1.2.3.4-tetrahidro. Se evidenció además una disminución en la expresión del gen PPAR-α, relacionado con la regulación de hidrocarburos.