Development of a technology for biomonitoring atmospheric deposition of toxic organic compounds and evaluation of their impact on ecosystem and human health

Abstract

A monitorização no ambiente de poluentes orgânicos persistentes (POPs), como os PCDD/Fs e PAHs, é urgente, pois estes são considerados substâncias tóxicas, cujos efeitos na saúde pública e nos ecossistemas podem provocar situações irremediáveis num futuro a médio prazo. Em geral, a monitorização é feita pontualmente no tempo e espaço, não permitindo a identificação de fontes poluidoras nem a análise de risco ao nível do território. O número de estações de monitorização é reduzido e as medições efectuadas são pontuais no tempo e/ou não se fazem rotineiramente (caso dos PCDD/Fs). A utilização de biomonitores para efectuar estas medidas tem vantagens, uma vez que alguns organismos biológicos possuem a capacidade de acumular os poluentes, fornecendo uma medida integrada da exposição num determinado período de tempo, o que pode ser mais relevante em termos de saúde pública (poluição crónica). A utilização de biomonitores em estudos de poluição tem vantagens quando as concentrações no meio a testar estão abaixo dos limites de detecção e quando há necessidade de periodicidades de amostragem muito elevadas e a monitorização físicoquímica é difícil de implementar. A grande vantagem reside no facto das redes de amostragem de biomonitores serem operadas de um modo flexível e descentralizado. A utilização de biomonitores permite diminuir os encargos de instalação, manutenção e operação normalmente associados às estações tradicionais. Os biomonitores, sendo organismos vivos que reagem diferenciadamente à poluição, permitem ainda avaliar o impacto dos poluentes ao nível do ecossistema. Segundo a União Europeia, as concentrações no ar e as medidas de deposição em biomonitores são consideradas como sendo as mais indicadoras para monitorizar o impacto das medidas de restrição das emissões atmosféricas de compostos orgânicos. Entre os biomonitores de compostos orgânicos mais utilizados, destacam‐se vegetais, musgos, leite materno, peixes, bivalves, frangos, agulhas de pinheiro e líquenes. A biomonitorização através de líquenes é já um processo implementado a nível legal em vários países europeus, devido à eficiência e baixo custo/benefício associados. Têm igualmente sido efectuadas medições de compostos orgânicos no solo, sedimentos e no ar. O solo funciona como sink para os compostos orgânicos, podendo por vezes atingir concentrações muito elevadas. As publicações visando a utilização de biomonitores de compostos orgânicos não avaliaram a influência dos factores climáticos, nem efectuaram calibrações entre as concentrações medidas no biomonitor e as concentrações medidas no ar, no solo e na água por métodos físico‐químicos. Este tipo de calibração é importante, pois permite a regulamentação da metodologia de biomonitorização, como complemento das medições físico‐químicas. O principal objectivo deste trabalho consiste em desenvolver uma tecnologia para biomonitorizar poluentes orgânicos persistentes e avaliar o seu impacto ao nível do ecossistema e da saúde pública. Os biomonitores que servirão de base a este estudo serão os líquenes e musgos aquáticos, por serem considerados biomonitores ideais na monitorização dos mais variados poluentes. Ao longo desta tese, procurar‐se‐á estudar os factores que influenciam a intercepção e acumulação de POPs pelos líquenes, mostrar como os líquenes e musgos aquáticos podem ser usados para identificar diferentes fontes de poluição por POPs em ambientes terrestres e aquáticos, e exemplificar como os biomonitores podem contribuir para estudos de saúde humana de carácter ambiental. Este trabalho integra diferentes tipos de conhecimento, permitindo desenvolver uma tecnologia integrada de biomonitorização. Para isso, o trabalho foi dividido em cinco capítulos. No primeiro capítulo apresenta‐se uma introdução geral sobre o tema, focada no actual estado da arte, e nas limitações dos métodos de monitorização ambiental, que justificam a necessidade de desenvolver o presente estudo. Para além de toda uma informação relativa a POPs, apresenta‐se uma descrição dos trabalhos desenvolvidos nos últimos anos usando líquenes e musgos aquáticos como biomonitores de toda uma panóplia de poluentes, de forma a explanar a necessidade de estudar um conjunto de factores que podem influenciar a acumulação de POPs por estes organismos. No segundo capítulo, o objectivo consiste em optimizar a uso de líquenes como biomonitores de POPs. Apesar dos líquenes terem sido usados ao longo de décadas como biomonitores de metais e de outros poluentes, até à data apenas alguns estudos foram desenvolvidos usando líquenes para monitorizar POPs. Desta forma, revelava‐se necessário estudar os factores que contribuem para a intercepção e acumulação de PCDD/Fs e PAHs nos líquenes. Questões relacionadas com a influência da forma de crescimento, tamanho e idade dos líquenes, assim como a influência de aspectos metodológicos (tais como a influência do substrato) na performance destes organismos enquanto biomonitores de POPs serão analisadas (capítulo 2.1). Neste segundo capítulo, os líquenes serão comparados com outros métodos de monitorização, tais como agulhas de pinheiro, ar e solo (capítulos 2.2 e 2.3). De forma a poder transformar as concentrações de POPs medidas nos líquenes em valores equivalentes reconhecidos pela legislação, serão efectuadas calibrações entre os líquenes e amostras de ar e de solo (capítulos 2.3 e 2.4). Um dos principais desafios dos estudos de monitorização ambiental é rastrear fontes de poluição. Isto pode ser uma tarefa complicada em ambientes onde coexistem diferentes tipos de indústria, áreas urbanas, actividades agrícolas, etc., todas elas contribuindo para o input de POPs no ambiente. O objectivo do terceiro capítulo é mostrar como os líquenes e musgos aquáticos podem ser usados para identificar diferentes fontes de poluição em meio terrestre (capítulo 3.1) e em meio aquático (capítulo 3.2). Para tal, será apresentada uma análise integrada de diferentes níveis de informação. Numa mesma abordagem serão integradas informações relativas a concentrações de POPs e metais em biomonitores, rácios entre diferentes compostos de POPs, e uso do solo, de forma a identificar a origem da poluição por POPs. No quarto capítulo será mostrado como a biomonitorização com líquenes pode ser usada como complemento a estudos de saúde pública (capítulos 4.1 e 4.2). Em estudos de saúde pública, quando o objectivo consiste em relacionar poluição com saúde humana, uma das principais dificuldades é avaliar que populações devem ser consideradas como controlo e que populações devem ser consideradas como estando expostas aos poluentes. Esta limitação é consequência da falta de resolução espacial dos dados de deposição de poluentes. Normalmente, os dados de uma estação de monitorização da qualidade do ar são considerados como sendo representativos de toda uma região, e como tal, o nível de exposição humana aos poluentes é considerada como sendo igual em toda a área. A utilização de biomonitores ambientais pode ser útil, uma vez que permite obter dados de poluição com uma elevada resolução espacial. No caso particular dos POPs, usar os líquenes como acumuladores de longo‐termo, permitirá obter informação sobre a exposição crónica a estes compostos via inalação (capítulo 4.2). Finalmente, o capítulo 5 consiste numa discussão geral, onde todo o conhecimento adquirido durante os capítulos anteriores será integrado e interpretado, de forma a delinear um conjunto de directrizes e procedimentos a seguir na biomonitorização de poluentes orgânicos persistentes, usando líquenes e musgos aquáticos.

During the last decades, awareness regarding persistent organic pollutants (POPs), such dioxins and furans (PCDD/Fs) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), has become a cutting‐edge topic. Features such as toxicity, bioaccumulation and persistence of these compounds in the environment, contributed for their inclusion in the Convention on Long‐Range Transboundary Air Pollution Protocol (LRTAP) and on the Stockholm Convention as pollutants for which emissions must be reduced. Monitoring of PCDD/Fs and PAHs in air and water has proven to be an insufficient method to capture the real picture of dispersion and deposition of these compounds; to overcome this limitation, environmental biomonitoring using lichens and aquatic bryophytes, have aroused as promising tools. Though many studies have been performed using these organisms as biomonitors of a wide range of pollutants (such as heavy metals, radionuclides, gaseous pollutants, etc.), their use as POP biomonitors is still in a germinal stage and needs further study. The main aim of this thesis is study the factors that influence the interception and accumulation of POPs by lichens, how lichens and aquatic bryophytes can be used to track different pollution sources, and how can these biomonitors contribute to environmental health studies. This work will integrate different types of knowledge; allow developing an integrated biomonitor technology to be used to assess environmental POP pollution.