Câmara de Topo Aberto, CTA: construção e uso para observação de potencial tóxico da poluição... por Paulo Afonso de André - Versão HTML

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PAULO AFONSO DE ANDRÉ

Câmara de Topo Aberto, CTA : construção e uso

para observação de potencial tóxico da poluição

atmosférica urbana com bioensaios em plantas

Tese apresentada à Faculdade de Medicina da

Universidade de São Paulo para a obtenção do

título de Doutor em Ciências

Área de Concentração: Fisiopatologia Experimental

Orientador: Prof. Dr. Alfésio Luís Ferreira Braga

SÃO PAULO

2007

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“Numa noite o Universo perdeu

seu ponto central;

na manhã seguinte tinha

uma infinidade deles, de modo que hoje,

qualquer um

e portanto nenhum,

pode ser visto como sempre.”

(Trecho da peça Galileu Galilei

de Bertold Brecht)

Dedico este trabalho à minha esposa e meus

filhos, lastros essenciais de minha alma,

cúmplices do meu dia a dia e razão maior de

minha existência.

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus, no reconhecimento de minha ignorância, ter

colocado ao meu redor tantas pessoas para me auxiliar e amparar em todos os momentos difíceis que passei, quanto me apoiar nesta jornada.

Agradeço especialmente à Carmen, esposa, companheira e cúmplice

em mais este projeto de vida, de quem não faltou estímulos, incentivos ou apoio, essenciais ao se enfrentar o desafio desta tese, colocando ainda ao meu alcance não só os conhecimentos científicos que acumulou em sua própria vida acadêmica, mas também o conforto do lar e da família. Soube não dividir, mas multiplicar as oportunidades em que mesmo no convívio da família pudemos discutir cada detalhe do trabalho, dos dados iniciais às conclusões finais.

Aos meus filhos, Marina e Luiz Guilherme, meus verdadeiros tesouros, fonte de aprendizado e luz de alegria, mostrando com seus próprios exemplos de vida que não existem limites estabelecidos às nossas

potencialidades, cabendo a cada um de nós expandir horizontes e encontrar caminhos para as nossas realizações. Testemunho em vocês o desabrochar do espírito, a formação de suas individualidades, a fome de aprender e o quão importante é a família para esse florescimento enquanto, em

contrapartida, vocês nos nutrem com sua vitalidade e ampliam nossos horizontes com seus questionamentos e seu desabrochar.

Ao Prof. Dr. Alfésio Luís Ferreira Braga, orientador nesta tese e

parceiro em tantos projetos desde 1998 quando iniciamos nosso convívio acadêmico e pessoal, que aceitou assumir a árdua tarefa de me orientar em um tema contendo alguns tópicos de engenharia e biologia. A sua postura franca, aberta e sempre disponível, mesmo durante seus plantões e viagens, meus agradecimentos.

Ao Prof. Dr. Paulo Hilário Nascimento Saldiva, capaz de reconhecer e semear os potenciais acadêmicos em uma pessoa, contagiando a todos com seu entusiasmo pela pesquisa, o gosto pelo questionamento, sempre

tornando a convivência rica, mas principalmente emocionante, qual

montanha russa, ao não se dignar a “sossegar a periquita” até encontrar o caminho do conhecimento. Sua visão, capacidade transformadora, espírito solidário e inesgotável capacidade mobilizadora fizeram com que esta tese se materializasse em todas as suas etapas. Sua colaboração específica se estendeu ainda à leitura de lâminas, o que foi feito durante vários dias, provavelmente, entre as 23 h e 6h da manhã, além de ceder seu próprio sítio para a cultura dos espécimes vegetais utilizados no experimento.

Ao Prof. Dr. Gÿorgy Miklös Böhm, aposentado na FMUSP há alguns

meses, mas cujo exemplo de dedicação, seriedade e postura deixa em todos que com ele conviveram nesta escola, uma marca profunda e perpétua.

Aos professores Dra. Marisa Dolhnikoff, Dra. Maria de Fátima Andrade e Dr. Marcos Abdo Arbex, membros de minha banca de qualificação, pelos importantes comentários e considerações feitos.

À Dra. Débora-Jã de Araújo Lobo pelo auxílio em todas as etapas

experimentais e laboratoriais, dos cuidados com as plantas, coletas de materiais, até a preparação e leitura de lâminas. Agregou a qualidade indispensável aos procedimentos envolvidos neste trabalho, além das sugerir comentários ao texto final da tese.

Às pesquisadoras Profa. Dra. Regiani Carvalho de Oliveira e Profa.

Angélica Barganha Ferreira, pela realização da análise elementar por fluorescência de raio-X, agregando seu expertise, esforço e tempo neste projeto. Tampouco pode ser esquecida a colaboração com artigos dessa técnica laboratorial e comentários apropriados ao texto final da tese.

A Profa. Dra. Ana Júlia de Faria Coimbra Lichtenfels, pelo incansável trabalho de amostragem de material particulado, expandindo suas

atribuições para suprir, dia a dia, as trocas de filtros e pesagens necessárias.

Ao Sr. Hélio Ramos de Jesus, jardineiro em Caucaia do Alto, pela

preparação e cuidados com as plantas utilizadas neste experimento.

Aos colegas do LPAE, pesquisadores, técnicos, colaboradores,

secretárias, enfim, todos que direta ou indiretamente incentivaram e apoiaram este trabalho.

Aos meus padrinhos, pela dedicação e exemplo de luta e perseverança na vida, imagens vivas em minha memória.

Ao meu pai ( in memorian) e minha mãe, pela preocupação e zelo na condução de minha educação e apoio na vida, criando as bases para me lançar muito além do que lhes foi possível ir em vida. Sua presença em todas essas etapas, o orgulho estampado em suas feições cada vez que alcancei um novo degrau deixa em mim uma felicidade que não pode ser descrita, mas apenas ser objeto do mais profundo agradecimento não só como filho, mas como ser humano. Minha alegria e minhas saudades.

Sumário

Resumo

Summary

Lista de Figuras

Lista de Tabelas

1 INTRODUÇÃO............................................................................................1

1.1 A origem do homem ...........................................................................1

1.2 O homem e seu ecossistema.............................................................2

1.3 A sociedade urbana em expansão .....................................................4

1.4 O homem e a poluição .......................................................................5

1.5 A busca do desenvolvimento sustentável ..........................................9

1.5.1 Os estudos epidemiológicos................................................10

1.5.2 Os estudos toxicológicos .....................................................12

1.6 Bioensaios........................................................................................17

1.7 Bioensaios em câmaras de topo aberto ...........................................20

2 OBJETIVOS .............................................................................................23

2.1 Objetivo geral ...................................................................................23

2.2 Objetivos específicos .......................................................................23

3 MÉTODOS ...............................................................................................25

3.1 Câmara de topo aberto – CTA .........................................................25

3.1.1 Princípio de funcionamento .................................................26

3.1.2 Câmara de exposição..........................................................27

3.1.3 Sistema de filtragem............................................................29

3.1.4 Unidade de insuflamento .....................................................33

3.1.5 Sistema de Iluminação ........................................................34

3.1.6 Sistema de umidificação......................................................34

3.2 Espécimes vegetais .........................................................................35

3.2.1 Tradescantia pallida cv. purpurea........................................36

3.2.2 Tradescantia clone 4430 .....................................................36

3.2.3 Tradescantia clone KU20 ....................................................37

3.2.4 Preparação do substrato .....................................................38

3.3 Caracterização ambiental.................................................................39

3.3.1 Concentração do material particulado .................................39

3.3.2 Monitoramento ambiental ....................................................44

3.4 Análise do material acumulado em folhas........................................46

3.4.1 Coleta e preparação da amostra .........................................46

3.4.2 Análise por Fluorescência de Raio-X ..................................47

3.5 Análise de mutação em inflorescência .............................................51

3.6 Análise de aborto em grão de pólen.................................................52

3.7 Análise de toxicidade em pêlos estaminais......................................54

3.8 Protocolo de exposição ....................................................................55

3.9 Análise

estatística ............................................................................56

4 RESULTADOS .........................................................................................57

4.1 Preparação do sistema ....................................................................57

4.2 Início da campanha de exposição ....................................................61

4.3 Monitoramento ambiental.................................................................62

4.4 Material acumulado em folhas .........................................................67

4.5 Mutação em inflorescência...............................................................71

4.6 Mutação em grão de pólen...............................................................73

4.7 Toxicidade em pêlo estaminal..........................................................75

4.8 Vitalidade

dos

espécimes vegetais ..................................................77

5 DISCUSSÃO ............................................................................................79

6 CONCLUSÕES.........................................................................................87

7 ANEXOS...................................................................................................89

ANEXO A: Dados da coleta de Material Particulado 2,5 μm ...................90

ANEXO B: Dados diários da concentração de Material Particulado

10 μm, Temperatura (máxima e mínima), Umidade

Relativa do ar (máxima e mínima), Pressão Atmosférica

média e Índice pluviométrico acumulado...............................92

ANEXO C: Dados obtidos na análise por FRX ........................................94

8 REFERÊNCIAS ........................................................................................95

Lista de Figuras

Figura 1 - Esquema da câmara de topo aberto – CTA, identificando

cada um dos sistemas que o compõe e o fluxo do ar. ...............27

Figura 2 - Vista em corte do sistema de filtragem com a identificação

de cada seção de filtragem do ar...............................................30

Figura 3 - Imagem da direita apresenta os componentes do coletor de

material particulado, composto por (1) coletor, (2) válvula

agulha, (3) bomba de vácuo, (4) totalizador de vazão e (5)

medidor de vazão, enquanto na imagem da direita é

apresentado o coletor desmontado............................................40

Figura 4 - Imagem da planilha para registro das pesagens dos filtros

utilizados na amostragem de MP2,5 desenvolvidas no

aplicativo MS-Excel....................................................................42

Figura 5 - Imagem da planilha de campo para registro da exposição de

filtros coletores de MP2,5. .........................................................43

Figura 6 - Imagem da planilha para registro das amostragens e cálculo

da concentração de MP2,5 desenvolvidas no aplicativo MS-

Excel ........................................................................................44

Figura 7 - Detalhe da instalação dos suportes de madeira, com cordas,

dentro da Câmara de Topo Aberto, com a colocação das

floreiras com plantas..................................................................58

Figura 8 - Vista dos suportes de madeira, com cordas, dentro da

Câmara de Topo Aberto, com a colocação das floreiras de

plantas .......................................................................................58

Figura 9 - Vista da colocação dos filtros de ar no sistema de filtragem

de ar da Câmara de Topo Aberto. .............................................58

Figura 10 - Detalhe dos estrados com proteção de sombrite 50%, com a

colocação das floreiras com os espécimes vegetais. ................60

Figura 11 - Sistema de coleta de material particulado instalado para o

monitoramento da concentração de MP2,5 no ambiente

externo à Câmara de Topo Aberto.............................................60

Figura 12 - Concentrações médias diárias de MP2,5 do ar Filtrado

(PM2,5_F), Não filtrado (PM2,5_NF) e de MP10 (PM10), no

período de 07.dez.06 a 05.fev.07, em μg/m3 .............................64

Figura 13 - Gráficos de caixas da concentração média diária na fração

MP2,5 nas condições Filtrado e Não filtrado, no período de

07.dez.06 a 05.fev.07, em μg/m3 ...............................................64

Figura 14 - Série das Temperaturas máxima e mínima (oC), e das

Umidades Relativas máxima e mínima (%), diárias no

período de 07.dez.06 a 05.fev.07, obtidas a partir dos dados

da estação meteorológica do IAG/USP .....................................65

Figura 15 -

Série do Índice pluviométrico (mmCA) e Pressão

Atmosférica (hPa), diários no período de 07.dez.06 a

05.fev.07, obtidas a partir dos dados da estação

meteorológica do IAG/USP ........................................................65

Figura 16 - Gráficos de caixas do total da % de micronúcleos (MN) nas

condições Filtrado e Não filtrado................................................72

Figura 17 - Gráficos de caixas do total da % de abortos em grão de

pólen nas condições Filtrado e Não filtrado. ..............................75

Figura 18 - Gráficos de caixas do total da contagem de mutações em

1.000 pêlos estaminais nas condições Filtrado e Não filtrado. ..77

Lista de Tabelas

Tabela 1 - Identificação do filtro e características operacionais de cada

elemento filtrante do sistema de filtragem .................................32

Tabela 2 -

Médias, desvios-padrão (DP), mínimos, medianas e

máximos das concentrações (em μg/m3) de MP2,5 do ar nas

condições Filtrado e Não filtrado, MP10 e relações entre

concentração de MP2,5 filtrado e não filtrado, e MP2,5 não

filtrado e MP10...........................................................................63

Tabela 3 -

Médias, desvios-padrão (DP), mínimos, medianas e

máximos das temperaturas mínima e máxima, da umidade

relativa do ar mínima e máxima, do índice pluviométrico e da

pressão atmosférica, diárias, no período de exposição .............66

Tabela 4 -

Médias, desvios-padrão (DP), mínimos, medianas e

máximos da % em peso dos elementos químicos

identificados por FRX das folhas colhidas nas condições

Filtrado e Não filtrado.................................................................68

Tabela 5 - Cargas fatoriais, comunalidades e % de variância explicada

obtidas na análise fatorial das variáveis Silício, Enxofre,

Ferro, Titânio e Vanádio ............................................................69

Tabela 6 -

Estatísticas descritivas dos escores fatoriais nas duas

condições de exposição.............................................................70

Tabela 7 -

Médias, desvios-padrão (DP), mínimos, medianas e

máximos da % de MCN observados nas condições Filtrado e

Não filtrado.................................................................................71

Tabela 8 -

Médias, desvios-padrão (DP), mínimos, medianas e

máximos da % de aborto de grão de pólen, nas condições

Filtrado e Não filtrado.................................................................74

Tabela 9 -

Médias, desvios-padrão (DP), mínimos, medianas e

máximos da contagem de mutações em 1.000 pêlos

estaminais, nas condições Filtrado e Não filtrado, no total

das plantas.................................................................................76

RESUMO

André PA. Câmara de Topo Aberto, CTA : construção e uso para observação de potencial tóxico da poluição atmosférica urbana com bioensaios em plantas [tese]. São Paulo: Faculdade de Medicina, Universidade de São Paulo, 2007. 104p.

A Câmara de Topo Aberto, CTA, foi adaptada para gerar um gradiente da concentração da poluição atmosférica ambiente por material particulado fino, capaz de ser utilizado em experimentos toxicológicos. Uma vez que os aerossóis urbanos são composições quimicamente complexas, com

comprovada toxicidade na saúde e mecanismos de ação sobre o homem

ainda pouco conhecidos, a utilização conjunta da CTA com sistemas

sentinela simples e de baixo custo, capazes de detectar efeitos tóxicos agudos, constituem alternativa para avaliação desse ambiente. A Câmara de Topo Aberto, CTA, foi documentada em termos de dimensões,

especificações e características operacionais, e avaliada durante 60 dias. A concentração ambiental média diária de material particulado fino no período foi de 28,6 μg/m3 e a redução média dessa concentração obtida no interior da CTA foi de 75%. Tradescantia clone 4430, KU20 e pallida cv. Purpurea foram colocadas dentro e fora da CTA para avaliar a resposta de bioensaios nesse gradiente de exposição. O protocolo de mutação em inflorescência (Trad-MCN) foi aplicado nos três espécimes vegetais, e detectou uma menor quantidade de micronúcleos no interior da CTA (p=0,002). Nos clones foram aplicados os protocolos de mutação em pêlo estaminal (Trad-SHM) e aborto em grão de pólen, tendo sido detectada menor resposta para as plantas colocadas no interior da CTA (p=0,007 para pêlo estaminal e p= 0,041 para grão de pólen). Folhas dos três espécimes foram coletadas e submetidas à análise por fluorescência de raio-X. Foi detectada redução na concentração de titânio nas folhas coletadas dentro da CTA (p=0,049). A análise fatorial identificou a presença de fontes de solo e automotiva, com menor

concentração observada nas folhas colhidas dentro da CTA. A utilização da CTA com bioensaios no ambiente urbano mostrou ser capaz de detectar efeitos agudos em plantas frente ao gradiente de exposição obtido.

Descritores: 1. Câmaras de exposição atmosférica 2.Toxicologia 3.Poluição do ar 4.Bioensaios 5. Tradescantia/toxicidade

SUMMARY

André PA. Open Top Chamber : erection and use for toxicological evaluation of urban air pollution using plants bioassay [thesis]. São Paulo: “Faculdade de Medicina, Universidade de São Paulo”, 2007. 104p.

Open Top Chamber was modified to obtain a differential concentration on environmental pollution capable to be used on toxicological studies. Since urban aerosol constitutes a very complex chemical composition, with well known toxic action on health but requesting clarification about their biological mechanisms, the use of Open Top Chamber with low cost sentinel systems seems to be an alternative to detect acute toxic effects on such environment.

Open Top Chamber was described on its dimensional and operational

characteristics, and operated on a 60 days campaign. During this campaign the daily average concentration of fine particles was 28,6 μg/m3 and inside the Open Top Chamber it was obtained a reduction about 75% on such concentration. Tradescantia clone 4430, KU20 and pallida cv. Purpurea were placed inside and outside the chamber to evaluate bioassay response on each pollution concentration. The Trad-MCN bioassay detected a lower micronuclei count on plants inside the chamber (p=0,002). Clones were submitted to stamen hair mutation (Trad-SHM) and pollen mother cell abortion protocols, detecting also a lower effect on plants inside the chamber (p=0,007 for stamen hair mutation and p=0,041 for pollen mother cells abortion). Leaves of all spices were collected and submitted to X-ray fluorescence analysis. The titanium concentration was lower on samplers collected inside the chamber (p=0,049). The factorial analysis identified the presence of elements from soil and automotive sources with a lower concentration on samples collected inside the chamber. The combined use of Open Top Chamber with bioassay on urban environment is capable to detect acute effects on plants when submitted to the obtained particulate concentration reduction.

Descriptors: 1.Atmosphere exposure chambers 2.Toxicology 3.Air pollution 4.Biological assay 5. Tradescantia/toxicity

Introdução ________________________________________________________ 1

1 INTRODUÇÃO

1.1 A origem do homem

O homem, desde os primórdios da sua origem animal, sempre

manteve forte ligação de dependência com o meio ambiente.

Na evolução do gênero humano é possível distinguir três etapas

principais. Na primeira, certas espécies de antropóides (nome genérico dos macacos da superfamília dos hominoídeos que inclui o chimpanzé, o gorila e o orangotango) conseguiram, com sucesso, se adaptar ao meio ambiente, na segunda, o Homo erectus, que viveu há cerca de 500.000 anos atrás, se destacou ao fabricar utensílios e ferramentas, na mesma época em que se estima ter sido descoberto o fogo, demonstrações claras de sua capacidade de utilizar os recursos naturais disponíveis para garantir sua sobrevivência, e passo decisivo para o aparecimento, na terceira etapa, do Homo sapiens, já entre 200.000 e 350.000 anos atrás nas savanas da África, que se destaca por sua maior capacidade intelectual. Essa evolução do gênero humano fica mais evidente ao considerarmos o tamanho do crânio: para o chimpanzé, Introdução ________________________________________________________ 2

esse volume é de 400 cc, já no Homo erectus o volume médio era de 900 cc, enquanto que no Homo sapiens mais arcaico esse volume médio superava os 1.200 cc (o crânio simiesco descoberto em 1856, perto da aldeia de Neandertal, tem volume cerebral de 1.600 cm3, avantajado até mesmo em relação ao Homo sapiens sapiens, com média de 1.400 cc) (Barsa, 1999, Galhardo, 2007a,b,c).

Haja vista a própria origem etimológica do nome, Homo sapiens, significando homem racional, essa descendência se diferenciou dos

demais espécimes do planeta por sua capacidade de aprender e

habilidade em incorporar conhecimento ao seu desenvolvimento. Com

isso foi capaz de se adaptar às inúmeras modificações ocorridas no planeta e suplantar aos demais espécimes animais, impondo-se como

dominante (Barsa, 1999).

1.2 O homem e seu ecossistema

Entretanto, nesse processo evolutivo, também a forma de explorar

as riquezas da natureza se transformou passando da simples atividade extrativista, da coleta de frutos e plantas, da caça a outros animais, para o uso extensivo dos recursos naturais quer seja para a construção de moradia e proteção, para a produção de bens materiais de valor

mercantil, incluindo a exploração de minérios e sua transformação em materiais metálicos.

Introdução ________________________________________________________ 3

Em que pese a exploração crescente e continuada do meio

ambiente pelo ser humano, o próprio crescimento populacional foi muito pequeno até antes da Revolução Industrial. Dados históricos estimam uma população mundial abaixo dos 200 milhões de habitantes até antes do século 2 AC, tendo atingido o primeiro bilhão de habitantes somente no início do século XVIII. Nos últimos 200 anos de nossa história se deu um crescimento mais acelerado, atingindo hoje a marca de 6,5 bilhões (UN, 1999, USCB, 2006).

Chama-se de Ecossistema a associação estável existente entre uma

comunidade biológica e o ambiente físico onde ela vive. Implica em trocas contínuas entre solo, plantas e animais, estabelecendo uma cadeia

alimentar. Quando uma população atinge os limites impostos pelo

ecossistema, seus números precisam estabilizar-se ou declinar em

conseqüência de doença, fome, competição, baixa reprodução e outras reações comportamentais e psicológicas. Caso isso não ocorra, haverá um desequilíbrio entre as comunidades biológicas e o ambiente físico, instabilizando as relações estabelecidas na cadeia alimentar, o que traz sérias conseqüências àquele ecossistema. Mudanças e flutuações no meio ambiente representam uma pressão seletiva sobre a população, que deve se ajustar. O ecossistema tem aspectos históricos: o presente está relacionado com o passado, e o futuro com o presente. Assim, o ecossistema é o conceito que unifica a ecologia vegetal e animal, a dinâmica, o

comportamento e a evolução das populações (Barsa, 1999).

Introdução ________________________________________________________ 4

1.3 A sociedade urbana em expansão

Com o desenvolvimento progressivo da organização social do

homem, as atividades de exploração do ambiente, antes restrita ao

suprimento das necessidades para o próprio consumo (Barsa, 1999), foram se expandindo, estabelecendo vínculos de troca entre os grupos, iniciando uma atividade comercial com crescimento progressivo, exigindo a expansão da atividade extrativista. Desse modo, os pequenos grupos nômades deram lugar a agrupamentos populacionais mais densos e estáveis, localizados em regiões onde as atividades agrícolas, extrativistas ou industriais podiam ser realizadas em conjunto com o comércio dos produtos (Barsa, 1999). Essa transformação culminou no século XVIII com a Revolução Industrial

(Crutzen, Carmichael, 1993), com a utilização de processos produtivos intensos e a concomitante geração de resíduos dessa atividade como, por exemplo, produtos da queima de carvão para a geração de energia e do coque para a metalurgia (Barsa, 1999).

O Fundo das Nações Unidas para Populações, UNFPA (2007), estima

que até o início do século XIX a população urbana não ultrapassava 3% da população mundial mas, principalmente após a Revolução Industrial, uma enorme migração do campo para as cidades fez crescer brutalmente a população urbana, chegando hoje a aproximadamente 47% da população mundial, em menos de 200 anos.

Os contingentes populacionais cada vez maiores que convergiram para as cidades, sede da estrutura política e administrativa da sociedade, abrigo de Introdução ________________________________________________________ 5

toda a mão de obra necessária ao desenvolvimento das atividades industriais e comerciais em expansão, precisaram ser acomodados e mantidos através de uma estrutura urbana com moradias, sistema de transporte, rede de distribuição de alimentação e apoio, gerando e agravando um progressivo desequilíbrio do ecossistema (Blimbescombe, 1999, Barsa, 1999, André, 2002). Desse modo, tanto nos processos industriais e extrativistas quanto na ocupação urbana, a emissão e lançamento de grande quantidade de gases e particulados na atmosfera promoveram uma ação combinada, severa e nociva sobre o meio ambiente e o próprio homem (Wark et al, 1998).

Assim, desde o início do século XIX, a dinâmica dessa expansão das populações e a capacidade da Terra em prover alimentos, têm recebido especial atenção dos estudiosos em ecologia, apesar desse termo ter sido criado apenas no século XX, uma vez que a reposição natural dos recursos planetários não mais restabelecia sua disponibilidade original no ambiente, o que levou ao desenvolvimento de diversos estudos sobre a interação entre predadores e presas, as relações competitivas entre espécies e,

principalmente, o controle populacional (Barsa, 1999).

1.4 O homem e a poluição

Poluição é o termo empregado para designar a deterioração das

condições físicas, químicas e biológicas de um ecossistema, que pode afetar negativamente e de forma mensurável a vida humana e de espécies animais Introdução ________________________________________________________ 6

e vegetais. A poluição modifica o meio ambiente, ou seja, o sistema de relações no qual a existência de uma espécie depende dos mecanismos de equilíbrio entre processos naturais destruidores e regeneradores (Seinfeld, Pandis, 1997, Barsa, 1999).

Mesmo antes da existência do homem, a própria natureza já produzia materiais nocivos ao meio ambiente, como a erupção de vulcões com

grandes emissões de gases e sólidos, as tempestades de poeira originadas nas áreas com baixa cobertura vegetal, névoa salina próximo ao mar, ou mesmo alta cargas de pólen e esporos carreados no ar (Seinfeld, Pandis, 1997). Na verdade, uma certa quantidade de materiais sólidos no ar, como poeira ou partículas de sal, é essencial como núcleos para a formação de chuvas. Quando, porém, essas emanações aumentam muito, as gotas que se formam são muito pequenas para cair na forma de chuva, podendo

assim, interferir seriamente no próprio regime pluvial (Barsa, 1999). A essas emissões naturais se somam os gases e particulados gerados diretamente em decorrência das atividades do homem, estas chamadas de emissões não naturais ou antropogênicas, ou resultante da combinação química dos elementos presentes na atmosfera (Hinds, 1998).

Já no século XIX se podia detectar a existência de graves problemas ambientais, como mostram os relatos sobre poluição e insalubridade nas fábricas e bairros operários (Barsa, 1999).

Assim, o ambiente atmosférico, particularmente o urbano, resultante das emissões promovidas pelas atividades econômicas ou decorrentes da própria ocupação e sustentação das populações instaladas, se transformou Introdução ________________________________________________________ 7

em um novo ambiente, tanto em termos de elementos químicos presentes nos estados gasosos ou particulados, quanto nas concentrações

encontradas, comparados com os ecossistemas originais (Word Resources, 1996), cujos efeitos na saúde são pouco conhecidos, enquanto os

contingentes populacionais a ele expostos são cada vez maiores em face do adensamento urbano (WHO, 1996, UNFPA, 2007).

Em decorrência do aumento das emissões de poluentes originados

tanto pelo crescimento das atividades industriais como pela ocupação urbana, durante o século XX ocorreram vários episódios de poluição com grande impacto, que merecem destaque quer seja pela magnitude do efeito, quer seja pelo impacto social promovido na sociedade moderna, mais humanista e democrática:

Vale de Meuse, 1930

No início de dezembro de 1930, uma espessa névoa cobriu uma

grande parte da Bélgica. A região do vale de Meuse, densamente povoada, estava entre elas. Nesse período a atmosférica fria e quase sem vento, não permitiu a dispersão da fumaça emitida pelas inúmeras fábricas ali instaladas, aumentando progressivamente a concentração dos poluentes na atmosfera, que atingiu a máxima concentração em dois dias.

Algumas horas após atingir esse pico de poluição, e durante os 3 dias em que essa concentração se manteve antes de dispersar, alguns milhares de casos de doenças pulmonares agudas foram notificadas além do registro de 60 mortes. Os estudos realizados sobre esse evento apontaram como Introdução ________________________________________________________ 8

causa majoritária dos efeitos em saúde registrados, a alta concentração de dióxido de enxofre e seus compostos oxidativos, além de compostos de flúor (Roholm, 1937).

Donora, 1948

A pequena cidade industrial de Donora experimentou um episódio de

severa inversão térmica no final de outubro de 1948. No período de quase 5

dias que se seguiram, pela impossibilidade de dispersão dos poluentes emitidos pelas industrias ali instaladas, houve a saturação da atmosfera com uma carga de material particulado e outros contaminantes, comprometendo até mesmo a visibilidade local.

Nesse período, dos 14.000 habitantes locais, cerca de 7.000

adoeceram, dos quais 400 necessitaram de internação hospitalar e 20

morreram (Helfand et al., 2001).

Londres, 1952

Mas talvez o mais severo e marcante evento de poluição atmosférica, em termos de efeitos à saúde, tenha ocorrido em Londres. Conhecida por seu típico fog, Londres era uma cidade com alto consumo de carvão, quer seja para o uso doméstico, na geração de eletricidade em termelétricas, ou mesmo para o consumo industrial.

Entretanto, um atípico e denso fog se instalou entre os dias 5 e 9 de dezembro de 1952, tornando a composição desse fog com a alta carga de Introdução ________________________________________________________ 9

dióxido de enxofre emitido, uma atmosfera altamente agressiva e letal, como comprovado pelo excedente de mais de 3.000 mortes registradas apenas nas primeiras três semanas de dezembro. Apesar dos estudos iniciais atribuírem parte dessas mortes a uma epidemia de gripe, a poluição atmosférica foi relacionada como uma das principais explicações para o ocorrido (Bell, Davis, 2001).

1.5 A busca do desenvolvimento sustentável

Esses eventos mostraram, sem sombra de dúvidas, que a poluição

atmosférica era capaz de afetar a saúde das populações expostas, mas não se sabia exatamente a extensão dessa ação e tampouco os mecanismos de sua atuação no organismo humano (André et al., 2000).

Essa constatação gerou uma forte pressão das sociedades

organizadas sobre os governos, para estabelecer uma legislação ambiental capaz de permitir que o crescimento econômico, necessário para o

desenvolvimento das sociedades, pudesse ser feito com base na

manutenção e proteção ao meio ambiente e garantindo a própria saúde e integridade do ser humano (WHO, 1996).

Porém, antes de estabelecer qualquer legislação havia a necessidade de se compreender os mecanismos e formas de ação dos poluentes sobre os seres vivos, (WHO, 1996).

Introdução _______________________________________________________ 10

Para tanto foi necessário contar com o auxílio da comunidade

científica para analisar esses eventos e desenvolver outros estudos que permitissem compreender os mecanismos biológicos e toxicológicos

envolvidos, lançando mão de experimentos epidemiológicos e toxicológicos para identificar e caracterizar a ação dos diversos agentes poluidores, estabelecendo com clareza a relação entre causas e efeitos, principalmente sobre a saúde humana (WHO, 1996, André et al, 2000).

1.5.1 Os estudos epidemiológicos

Os estudos epidemiológicos vêm desempenhando um importante

papel para a compreensão dessa relação (André et al., 2000). Neste tipo de estudo uma amostra da população é analisada em conjunto com a

exposição ambiental e outros fatores que influenciem a relação entre ambos, de modo a permitir inferir uma relação causal entre ambos (Rothman, Greenland, 1998, André et al., 2000).

Considerando que fatores de ordem ética limitam a utilização de seres humanos em estudos com exposições controladas, uma vez que essa

exposição pode causar uma doença, a maior parte dos estudos

epidemiológicos realizados é do tipo observacional, isto é, quando voluntária ou involuntariamente pessoas são expostas a algum agente atmosférico potencialmente perigoso, sem interferência intencional sobre a intensidade dessa exposição (Rothman, Greenland, 1998).

Introdução _______________________________________________________ 11

Quando se pretende estudar os efeitos agudos de uma exposição

ambiental, ou seja, quando os efeitos sobre a saúde ocorrem logo após a exposição, os estudos epidemiológicos do tipo ecológico e caso-controle são os mais empregados. Já efeitos crônicos, quando a exposição precisa ser realizada para permitir o acumulo das substâncias antes de disparar um processo de resposta biológica no organismo, são mais bem avaliados em estudos epidemiológicos de coorte (André et al., 2000).

Nos estudos caso-controle, a exposição é avaliada em termos

individuais, em dois grupos, enquanto nos estudos do tipo ecológico a exposição é considerada em termos de uma população. Em ambos os

estudos, o resultado da avaliação é obtido em um espaço de tempo reduzido e a um custo reduzido (Rothman, Greenland, 1998, André et al., 2000).

Por essas razões, a Organização Mundial de Saúde, (WHO, 1996)

vem recomendando a utilização desses estudos em países pobres ou em desenvolvimento, onde o crescimento econômico é habitualmente priorizado sem que haja o necessário cuidado para se evitar impacto ambiental, quer seja pela urgência no crescimento econômico, pela não disponibilidade de conhecimento para conduzir as avaliações, ou mesmo pela indisponibilidade de recursos financeiros para realizá-las.

Assim, ao fornecer a esses países o estado da arte em estudos

epidemiológicos, de baixo custo e rápida realização, é possível reverter a tendência atual de crescente prejuízo ambiental, ao mesmo tempo em que habilita pesquisadores locais a realizar tais estudos, suprindo os tomadores de decisão com melhores informações para legislar e planejar suas

estratégias de desenvolvimento (WHO, 1996).

Introdução _______________________________________________________ 12

Já os estudos do tipo coorte partem de grupos da população que não têm a doença em estudo mas apresentam diferentes graus de exposição à sua possível causa, acompanhando-os ao longo do tempo para medir e comparar a taxa de incidência da doença em cada um dos grupos da coorte.

Este tipo de estudo pode considerar tanto efeitos crônicos quanto agudos, e seus resultados normalmente são obtidos após longo período de tempo, envolvendo custos mais altos para sua realização (Rothman, Greenland, 1998, André et al., 2000).

De uma maneira geral, os estudos epidemiológicos tem demonstrado

que o material particulado da poluição atmosférica apresenta uma relação mais consistente com os desfechos de saúde analisados (Pope et al., 1995, Schwartz, 1994, Schwartz, Dockery, 1992, Pope, Schwartz, Ramsom, 1992) mas, claramente indicam a necessidade de estudos específicos para

esclarecer os mecanismos biológicos envolvidos e demonstrar a

plausibilidade da associação através de estudos toxicológicos (Saldiva et al., 2002, Clark et al., 1999).

1.5.2 Os estudos toxicológicos

Desse modo, os estudos toxicológicos, mais do que competir com os

estudos epidemiológicos, vem complementar a cadeia de conhecimentos necessário para entender os fenômenos da relação poluição atmosférica e saúde humana (André et al., 2000).

Introdução _______________________________________________________ 13

Uma das maiores preocupações na atualidade para os grandes

centros urbanos, as emissões por fontes automotivas, tem demandado a realização de inúmeros estudos toxicológicos utilizando animais ou plantas colocados em câmaras de exposição conectadas a motores diesel ou ciclo Otto, ou pela instilação em animais ou tecidos do material coletado na exaustão desses motores. Vários efeitos foram identificados como

inflamação do pulmão, danos fisiológicos e mutações, além da obtenção das toxicidades relativas de diferentes combustíveis e tecnologias de motores (Massad et al., 1986, Reed et al., 2006, Turrio-Baldassarri et al., 2006, Oliveira et al., 2005, Seagrave et al., 2002, Saldiva et al., 1992).

Também o estudo toxicológico de gases como o monóxido de

carbono tem sido realizado em laboratórios para investigar efeitos agudos e crônicos, utilizando para isso animais, bactérias, cérebro ou outros tipos de tecidos, em ambientes enriquecidos com esses gases. Estresse oxidativo, desordem cardíaca e falhas do coração, dano ao tecido cerebral, alterações nas características do sangue ou dos parâmetros respiratórios foram observados (Dadidova et al., 2005, Tofighi et al., 2006, Melin et al., 2005, Mirza et al., 2005, Lee et al., 2005, Gu et al., 2005, Gosh et al., 2005).

Para os estudos toxicológicos com ozônio, as mesmas abordagens

acima tem sido empregadas, incluindo também estudos com plantas,

espécimes mais sensíveis que animais ou humanos, para isso. Exposições

“in vitro” e câmaras de exposição com enriquecimento de ozônio são utilizadas para essa exposição, criando diferentes ambientes (Foucaud et al., 2006, Huffman et al., 2001/2006, Moraes et al., 2006, Novak et al., 2003, Vanderheyden et al., 2001, Zhang et al., 2001, Nali et all., 2006).

Introdução _______________________________________________________ 14

Devido à alta reatividade do ozônio sua absorção se processa quase exclusivamente por inalação, apesar de ser plausível imaginar que ele também afete as camadas mais externas da pele ao exaurir as vitaminas C e E (Rojas et al., 2000;Valacchi et al., 2004).

Apesar de muito úteis no estudo da toxicidade dos poluentes, esses estudos esbarram na limitação de não representar adequadamente a

atmosfera real, quer seja pela impossibilidade de reproduzir sua composição e dosagem, ou tampouco os efeitos sinérgicos da interação entre os poluentes presentes. No caso específico de componentes muito reativos ou voláteis essa limitação torna-se uma restrição, impedindo considera-los na exposição. Desse modo a transferência direta dos resultados obtidos nesses estudos não pode ser feita para os seres humanos.

Concentrador de partículas atmosféricas

Para permitir que as características reais do ambiente atmosférico de interesse seja plenamente considerado, foi desenvolvido o concentrador de partículas atmosféricas, particularmente o construído pela Escola de Saúde Pública da Harvard, que capta o ar ambiente e consegue concentrar seus componentes de maior massa, o material particulado, até uma taxa de 27

vezes da concentração original do ambiente, disponibilizando-o em uma câmara de exposição até poucos segundos de sua captação, evitando

qualquer degradação dos seus componentes (Sioutas et al., 1995, Godleski et al., 2000). Uma das vantagens no uso desse equipamento reside no fato de permitir que em apenas poucas horas de exposição esteja se ministrando Introdução _______________________________________________________ 15

uma carga de poluentes que só seria realizada em vários dias no ambiente real. Essa vantagem é particularmente interessante ao reduzir ou eliminar muitas condições de viés experimental, ou seja, aqueles com potencial para interferir nos resultados do estudo (Sioutas et al., 1995,1997), como por exemplo, evitar que os animais fiquem longos períodos em condições ambientais não controladas, quando estão sujeitos a contaminação, permitir melhor caracterização da exposição, uma vez que não se está sujeitando a exposição às variações que ocorrem ao longo do dia e da semana, mas apenas com poucas horas de duração (Sioutas et al., 1995,1997).

Desse modo, todos os componentes presentes na atmosfera em

estudo, gasosos ou particulados, mesmo que não medidos durante o

experimento, permanecem durante a exposição, mantendo as características da poluição fresca real (Sioutas et al., 1997).

Estudos utilizando esse equipamento verificaram a existência de

efeitos da poluição atmosférica nos sistemas respiratório e cardiovascular, em animais (Saldiva et al., 2002, Sioutas et al., 1995,1997, Godleski et al., 2000, Clark et al., 2000) e humanos (Gong et al., 2004).

Apesar da grande contribuição desse tipo de equipamento aos

estudos toxicológicos, sua utilização ainda é bastante restrita devido à existência de apenas poucos exemplares no mundo, aos altos custos

envolvidos na aquisição, operação e manutenção, sem mencionar a

necessidade de habilitar pessoal técnico para operá-lo. Também não deve ser esquecido que menos de 50% desses concentradores são móveis.

Assim, mesmo que disponíveis para um estudo, sua locomoção e

Introdução _______________________________________________________ 16

operacionalização no local onde a poluição atmosférica de interesse está, é uma tarefa de certa complexidade logística.

Exposições em múltiplos locais

Uma alternativa utilizada para analisar o potencial tóxico da poluição de um local, é o de manter grupos de animais ou plantas em diferentes locais onde em um deles o poluente de interesse está presente enquanto no outro local não. Os problemas dessa abordagem passam pela

impossibilidade de se encontrar dois locais que se diferenciem apenas pela presença/ausência do poluente, normalmente outros fatores também

variam entre os locais como temperatura, umidade relativa do ar, nível de insolação, entre outros. Também esse desenho experimental exige a

disponibilização de duas estruturas de apoio para sua operação e

manutenção, criando barreiras adicionais para eliminar fatores de

confundimento, ou seja, fatores que podem interferir com a exposição ou o desfecho em estudo no experimento.

Câmara de topo aberto

Um dispositivo alternativo ao concentrador de partículas atmosféricas e à realização de exposição simultânea de espécimes em dois diferentes locais, é a câmara de topo aberto.

Derivadas de câmara desenvolvidas para fumigação de plantas

(Rodrigues, 1997), são normalmente instaladas duas dessas câmaras, lado Introdução _______________________________________________________ 17

a lado, onde uma recebe ar pré-condicionado em filtros, e outra o ar ambiente fresco, criando desse modo dois ambientes que diferem apenas pela ausência dos elementos retidos pelo sistema de pré-condicionamento.

Desse modo, ao manter animais ou plantas em exposições de longa duração nas duas câmaras, obtêm-se um gradiente na exposição de interesse sem que outros fatores ambientais, de confundimento, também variem, evitando interferência na análise do experimento.

Comparado ao experimento em múltiplos locais, o uso de câmaras de

topo aberto permite que o gradiente de exposição e todo o experimento sejam realizados em um único local físico, sem a necessidade de dispor de duas estruturas de apoio ou dois grupos de pesquisadores para isso, com direta redução de custos e eliminação de viés experimental.

1.6 Bioensaios

Segundo Ma (1994) a poluição ambiental gerada pelo homem, e

genericamente chamada de antropogênica, assume muitas vezes aspectos perceptíveis, ou simplesmente visíveis, de maneira que pode-se

rapidamente identificar sua presença e perseguir ações mitigadoras, mas a mais perigosa é aquela invisível, que passa desapercebida, na forma de combinações ou misturas, capaz de se difundir no meio ambiente sem nenhuma percepção de sua presença até que suas conseqüências mais

danosas se fazem perceber.

Introdução _______________________________________________________ 18

Nesse contexto, Ma (1994) lembra da importância de adotar um

sistema de alerta primário, a exemplo dos mineiros que carregavam canários em seus capacetes ao entrar nas minas para que, em caso da presença de gases tóxicos, mesmo em dosagens imperceptíveis para os seres humanos, os efeitos no animal já dessem um aviso do risco no ambiente, antes que conseqüências irreversíveis ocorram.

Apesar de já terem sido desenvolvidos protocolos de bioensaios

sensíveis para detectar poluentes atmosféricos desde a década de 30 do século XX, muito pouco desses protocolos foi utilizado na análise ambiental até há poucas décadas. Alguns desses protocolos demostraram ser

adequados apenas em exposições laboratoriais “in vitro”, como os que utilizam tecidos, células ou animais, enquanto outros são pouco sensíveis ou demandam muito tempo até produzir seus resultados (Ma, 1994).

Dentre os protocolos existentes mais sensíveis, rápidos e simples

de realizar, bioensaios com plantas são os mais freqüentes, utilizando células germinativas como células alvo do sistema biológico.

Normalmente os espécimes vegetais superiores (vasculares) dispõem em seu botão de flor camadas muito porosas onde a difusão dos poluentes atmosféricos ocorre sem dificuldade, de maneira bastante rápida. Assim, as células germinativas são facilmente expostas ao agente tóxico contido na atmosfera (Ma, 1994, Krupa, Legge, 2000, Constantin, 1978, Manning, 2002, Rodrigues, 1997).

A utilização dos bioensaios com plantas na avaliação da

contaminação do ar, tem sido extensivamente utilizada para realizar Introdução _______________________________________________________ 19

avaliação qualitativa e quantitativa da ação dessa contaminação, com o intuito de estabelecer os riscos impostos aos sistemas biológicos. Apesar de não haver ainda um consenso entre os diversos autores, vamos aqui

denominar genericamente de biomonitoramento a utilização de plantas para esse propósito.

Os protocolos de bioensaio já padronizados, desenvolvidos para a

planta Tradescantia são o de mutação em pelo estaminal, denotado por Trad-SHM, e o teste de mutagênese em célula-mãe de pólen, denotado por Trad-MCN.

No protocolo Trad-SHM, a cor dos filamentos do estame é resultado

de um gene dominante. A ação do agente tóxico presente na atmosfera provoca a mutação desse gene, e a conseqüente mudança da cor do

filamento para rosa. A freqüência dessa mutação é uma função proporcional da toxicidade da exposição, permitindo uma quantificação do efeito (Ma et al., 1994, Rodrigues, 1997).

No protocolo Trad-MCN, a ação tóxica do poluente ocorre durante o

processo de acelerada atividade de duplicação do material genético que ocorre no botão jovem da flor, processo esse mais corretamente descrito como replicação meiótica do cromossomo das células-mãe do pólen,

promovendo mutação ou quebra do cromossomo. No processo natural de reparação desses danos, a anomalia ocorrida se transforma em um material que é segregado, formando o chamado micronúcleo. Assim, o micronúcleo é o rejeito da reparação do dano provocado pelo ataque do agente tóxico (Ma, 1981, Klumpp et al., 2004).

Introdução _______________________________________________________ 20

Vale destacar que as células germinativas em animais são bastante

protegidas e blindadas do ataque direto de substancias tóxicas. Assim, qualquer substância precisa primeiramente entrar no organismo através do sistema circulatório, atravessando vários órgãos desse sistema e

sobrevivendo aos diversos mecanismos naturais de defesa, antes de atingir os testículos ou ovários do animal. Com isso o potencial tóxico da substância originalmente dispersa no ar fica bastante diluído e atenuado ao chegar a esse destino (Ma, 1994).

Outro método bastante interessante de identificar compostos

presentes no ar com a utilização de plantas, é a bioacumulação, isto é, o material particulado presente no ar que se deposita na superfície das folhas e penetra na estrutura das folhas, ficando retido. Esse processo se inicia por simples penetração do material nos canículos da cutícula dos estômagos, até chegar aos espaços intracelulares. Após isso, por processo metabólico, há a passagem desse material para o interior das células (Keane et al., 2001, Malavolta, 1985, Carneiro, 2004).

1.7 Bioensaios em câmaras de topo aberto

Nos países desenvolvidos, particularmente na Europa, redes de

biomonitoramento com plantas vem sendo implantadas como uma etapa

complementar ao monitoramento instrumental da qualidade do ar, pois permite que os fatores locais específicos, como temperatura e umidade, Introdução _______________________________________________________ 21

sejam incorporados ao modelo a nível de microregiões, o que seria técnica e economicamente inviável de se realizar com monitoramento instrumental.

Além disso, sua implantação e operação é simples de ser feita e de baixo custo, e os resultados que oferece são fáceis de ser demonstrados para a população, permitindo que a comunidade compreenda e participe das

políticas ambientais (Klumpp et al., 2001).

Por sua vez, também na Europa, câmaras de topo aberto tem sido

largamente utilizadas para simular ambientes com a injeção de gases de interesse, particularmente com ozônio (Manning et al., 2004, Manning, Godzik, 2004, Manning, 2002, Bergweiler, Manning, 1999), mas muito poucos experimentos utilizam a exposição ambiente local.

Essa constatação pode ser entendida ao considerarmos que, nessas

regiões, mesmo com o forte adensamento nas cidades, concentrando hoje quase 65% da população, a implantação de políticas públicas para controle de emissões de poluentes tem sido eficientemente realizada.

Por outro lado, é nas grandes cidades dos países em desenvolvimento ou não desenvolvidos, mesmo não contando com tão forte adensamento populacional, que encontram-se ao regiões urbanas com os maiores níveis de concentração de poluentes, quer seja pela falta de planejamento das instalações urbanas, pela inadequação dos seus sistemas de transporte, pela baixa qualidade de seus combustíveis, pelo envelhecimento das frotas de veículos, pela falta de cumprimento de uma legislação ambiental, ou mesmo pela inexistência de tal legislação, enfim, até mesmo por não haver monitoramento adequado dos parâmetros ambientais (WHO, 1996, World Resources, 1996, Guimarães et al., 2000, Carvalho-Oliveira, 2005, CETESB, 2002).