Influence of oil spill response strategies on the toxicity to sea urchin embryos of crude and bunker oils representative of prospective oil spill threats in Arctic and Sub-Arctic seas

Abstract

En esta tesis, desarrollada en el grupo de investigación de Biología Celular en Toxicología Ambiental (BCTA/UPV/EHU) y enmarcada dentro de un proyecto europeo (GRACE - 'Integrated oil spill response actions and environmental effects'), se investiga la toxicidad de tres petróleos de interés en los mares fríos de las regiones Ártica y Sub-ártica bajo distintas condiciones (temperatura y concentración de contaminante), así como la influencia de distintas estrategias previstas para responder a posibles vertidos de petróleo (aplicación de dispersantes, envejecimiento bajo hielo y la quema del petróleo) sobre la toxicidad de dichos petróleos, mediante bioensayos con embriones de erizo de mar alóctonos, utilizando tanto criterios estándar de como metodologías novedosas.En la introducción se presenta una visión general del origen y uso actual del petróleo, así como de su composición, clasificación e incidencia en vertidos de petróleo en la última década. Se exponen las distintas estrategias de respuesta a dichos incidentes, entre los que se encuentran la aplicación de dispersante químico y la quema de petróleo (in situ burning), estrategias de respuesta que se analizarán en la presente tesis. Además, dado que las condiciones ambientales pueden influenciar el comportamientodel petróleo, se plantea la pregunta de cómo se verá afectada la toxicidad en condiciones extremas como, por ejemplo, en el caso de los mares helados, cuando hay presencia de hielo y el petróleo queda por debajo de este, o/y, a un rango amplio de distintas temperaturas. Para poder evaluar esta toxicidad se utiliza la fracción acomodada al agua (WAF), que asemeja la columna de agua en la que se encuentran disueltos los hidrocarburos presentes en el petróleo y que son biodisponible para los organismos marinos y, por lo tanto, los responsables de causar efectos tóxicos sobre ellos. Se hace un breve repaso al uso de invertebrados marinos utilizados en los test de toxicidad de petróleo y se centra en el erizo de mar como especie modelo, que dadas sus características (desarrollo sincrónico, fácil manejo, accesibilidad en el campo, transparencia óptica de su fase larvaria, gran cantidad de huevos) que permiten realizar un alto número de ensayos de toxicidad simultáneos y junto al gran conocimiento que hay sobre su desarrollo hacen del erizo de mar una herramienta útil y efectiva para la evaluación de la toxicidad del petróleo. Por ello, se presenta el uso del ciclo de desarrollo del erizo de mar en la evaluación de la toxicidad en medio marino, mostrando los test estandarizados para tal fin y cómo es necesario implementar medidas adicionales (centrándose en distintas etapas del desarrollo) para obtener una información completa de la toxicidad. Finalmente, la introducción finaliza con una breve explicación del proyecto GRACE en el que se enmarca la presente tesis, explicando que el objetivo principal del proyecto era obtener una visión holística del impacto de los vertidos de petróleo en climas fríos, así como evaluar la efectividad y los efectos ambientales de las diversas estrategias de respuesta a los mismos para poder obtener información y conocimiento para su correcta y efectiva gestión.Los tres petróleos de interés utilizados a lo largo de la tesis son: un crudo ligero (Naphthenic North Atlantic (NNA)), un diésel (Marine Gas Oil (MGO)) y un fueloil (Intermediate Fuel Oil 180 (IFO)). Para evaluar la toxicidad de estos compuestos se utilizó su fracción acomodada al agua (LEWAF: Low-Energy Water Accommodated Fraction) para exponer a los embriones de erizo de mar. En dichos bioensayos se incluyeron tanto las mediciones del test estándar como un set de nuevos índices desarrollados en la presente tesis referentes a distintas etapas del desarrollo del erizo de mar para poder discriminar mejor niveles leves y niveles severos de toxicidad.La hipótesis de la presente tesis fue que las estrategias de respuesta a vertidos de petróleo no necesariamente reducen la toxicidad de dicho petróleo que habitualmente está asumida a el cóctel de hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAHs). Y para analizar esta toxicidad, el uso de especies alóctonas, como el erizo de mar, era una herramienta útil y eficaz para la evaluación de la toxicidad del petróleo en mares fríos de las regiones Ártica y Sub-ártica.El principal objetivo de la tesis era ganar conocimiento en la toxicidad de los vertidos de petróleo y de las distintas estrategias previstas para responder a ellos utilizando embriones de erizo de mar después de desarrollar una serie de índices enfocados a evaluar la alteración en las diferentes etapas del desarrollo de dicho organismo. Para conseguir este objetivo principal, la tesis se centró en 4 objetivos específicos que corresponden a 4 capítulos:El primer capítulo se centra en evaluar la influencia de la aplicación de un dispersante de tercera generación (Finasol OSR52®) sobre la toxicidad de los tres petróleos nombrados anteriormente. Para ello se produjeron los LEWAFs de los tres petróleos y los LEWAFs de la combinación de cada petróleo con el dispersante a 10ºC. No obstante, se hicieron dos experimentos distintos en los que se variaron las condiciones de producción (concentración y tiempo de mezcla). En el primer experimento se utilizó una concentración de 1:200 (peso de petróleo: volumen de agua marina filtrada) y el tiempo de mezcla se mantuvo durante 40 horas. En cambio, en el segundo experimento se utilizó una proporción más concentrada 1:40 (peso petróleo: volumen de agua marina filtrada) y mayor tiempo de mezcla (72 horas). En ambos casos, la aplicación de dispersante se realizó con una dilución de 1:10 (peso dispersante: peso petróleo más dispersante).El segundo capítulo se centra en evaluar la influencia de la temperatura en la toxicidad del LEWAF de los tres petróleos y del LEWAF de los tres petróleos combinados con dispersante, haciendo referencia a la variabilidad de la temperatura del agua en regiones Árticas y Sub-Árticas, que van desde los 5ºC hasta los 25ºC.El tercer capítulo se centra en evaluar la toxicidad de los residuos tras la estrategia de la quema de petróleo en respuesta a vertidos, técnica conocida como in situ burning, Los residuos quemados utilizados en este capítulo provienen del fueloil IFO gracias a un experimento de campo realizado a granescala en Groenlandia, enmarcado en el proyecto europeo GRACE. El cuarto capítulo se centra en evaluar cómo el envejecimiento del petróleo bajo hielo afecta a su toxicidad, tanto con la aplicación de dispersante como en su ausencia. Para ello se realizó un experimento en el que se simuló un vertido de petróleo bajo hielo, se dejó envejecer durante 2 meses y transcurrido ese tiempo, se analizó la toxicidad de UIWAFs (WAF envejecido bajo hielo) y se comparó con la toxicidad del LEWAFlos tres petróleos 'frescos'. Se concluye que los perfiles de PAH fueron distintos entre petróleos y variaron dependiendo de la temperatura de producción de los LEWAFs. No obstante, la cantidad de PAHs medidos en los UIWAFs fue menor a la de los LEWAFs correspondientes y, el envejecimiento bajo hielo, resultó en una harmonía en los perfiles de PAH de los distintos petróleos, sin ningún efecto del dispersante. La toxicidad observada, tanto de los LEWAFs como de los UIWAFs, en combinación o ausencia de dispersante, puede ser solo parcialmente atribuida a los PAHs individuales o a su mezcla. Además, la exposición a los LEWAFs y UIWAFs de los tres petróleos causó una reducción en la longitud larvaria, anormalidades larvarias, alteración del desarrollo y daño en el ADN. Este efecto tóxico es dependiente del tipo de petróleo testado, la temperatura de producción de los LEWAFs y el uso de dispersante. No obstante, la toxicidad de los LEWAFs de los residuos de petróleo tras la quema, o in situ burning, no resultaron ser más tóxicos que los LEWAFs del petróleo 'fresco'. Y finalmente, se observó una distinta respuesta en los diferentes estadios del desarrollo a la toxicidad del petróleo. Esta evidencia demuestra que la incorporación del estudio de la toxicidad a diferentes estadios del desarrollo de erizo de mar proporciona una mejora en la sensibilidad de los test a la hora discriminar niveles ligeros y severos de toxicidad.Y, así llegar a la tesis, en la que las distintas estrategias de respuesta frente vertidos de petróleo en mares fríos de las regiones Ártica y Sub-ártica no reducen, e incluso a veces aumentan, la toxicidad de dicho petróleo. No obstante, esta modificación de la toxicidad depende del tipo de petróleo y de la temperatura a la que se encuentra. Además, la toxicidad solamente depende parcialmente del contenido de PAHs y el uso del erizo de mar (con medidas estándar y novedosas del ciclo de desarrollo) es una herramienta útil y eficaz para obtener información sobre la toxicidad del petróleo.