FORO

Propiedades insecticidas de la ceniza del complejo volcánico Puyehue-Cordón Caulle y su posible impacto ambiental

Insecticidal properties of ashes from the volcanic complex Puyehue-Caulle Range and their possible environmental impact

 

Buteler, Micaela¹ , Teodoro Stadler¹, Guillermo P. López García¹ , María S. Lassa² , Dario Trombotto Liaudat³ , Paola D'Adamo⁴ y Valeria Fernandez-Arhe^X5

¹ Laboratorio de Toxicología Ambiental, Instituto de Medicina y Biología Experimental de Cuyo (IMBECU), CCT CONICET-Mendoza, CC. 131, M 5500 IRA, Mendoza; e-mail: lpe@mendoza-conicet.gov.ar
² MEByM, Laboratorio Microscopía, CCT CONICET Mendoza
³ Geocriología, IANIGLA CONICET CCT Mendoza
⁴ INIBIOMA, CCT CONICET Comahue, S.C. de Bariloche, Río Negro
⁵ INTA EEA-Bariloche, CONICET, Río Negro

Recibido: 27-IX-2011
Aceptado: 31-X-2011

 

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RESUMEN.  Se  examina el  efecto  insecticida de las cenizas volcánicas en general y sus efectos ambientales, con especial énfasis en las cenizas acumuladas como consecuencia de la erupción del complejo volcánico Puyehue-Cordón Caulle, que actualmente afecta un área de más de 7,5 millones de hectáreas en la Patagonia Argentina. Se determinó la composición química de las cenizas provenientes del complejo Puyehue-Cordón Caulle por EDS, y se comprobó que los componentes mayoritarios son el O, Si, Al, Fe, Na y K. A través de bioensayos de laboratorio, utilizando dos especies de insectos como modelo biológico, se determinó que las cenizas se adhieren profusamente a la superfi cie corporal y resultan tóxicas para ambas especies cuando se mezclan con el sustrato en baja concentración. La susceptibilidad a las cenizas difi rió entre ambas especies en bioensayos de siete días de exposición continua [CL₉₉(Oryzaephilus surinamensis L.) = 10.25 mg.g^-1; CL₉₉ ((Tribolium castaneum (Herbst)) = 4.96 mg.g^_-1]. De estos resultados, se desprende que el impacto de la ceniza del complejo Puyehue-Cordón Caulle sobre la comunidad de artrópodos puede ser radical en la fase aguda de la deposición, y que sus efectos podrían ser substancialmente cualitativos en la fase crónica de la exposición. Así también, la recuperación de las poblaciones afectadas por la ceniza en las zonas con clima desértico, donde persiste la ceniza seca, será más lenta, hecho que tendrá consecuencias tangibles a largo plazo para las plantas hospederas de insectos, para la polinización y sobre el desarrollo de las poblaciones de vertebrados insectívoros. En contraste, en las regiones húmedas, la presencia de cenizas representa un cambio manifi esto en el ecosistema debido al aporte de nutrientes, que en combinación con la retención de agua por las cenizas, llevará a la recuperación cuali y cuantitativa de las poblaciones bajo condiciones favorables.

PALABRAS CLAVE. Ceniza volcánica; Complejo volcánico Puyehue-Cordón Caulle; Polvo insecticida; Mecanismo de acción; Impacto ambiental.

ABSTRACT. This paper discusses the insecticidal effect of volcanic ash and its environmental impact, focusing on the ash accumulated as a result of the eruption of the volcanic complex Puyehue- Caulle Range currently affecting an area of over 7.5 million hectares in the Argentine Patagonia. The chemical composition of ashes from the Puyehue-Caulle Range was analyzed by EDS showing that its major components are O, Si, Al, Fe, Na and K. Laboratory bioassays using two species of insects as a biological model, found that the ashes thoroughly adhere to the insect body surface and are toxic to both species tested, when mixed into the substrate at low concentrations. Susceptibility to ashes differs between the two species when tested in a seven day continuous exposure bioassay [CL₉₉(Oryzaephilus surinamensis L.) = 10.25 mg.g^-1; CL₉₉((Tribolium castaneum (Herbst)) = 4.96 mg.g^-1]. These results agree with those reported in the literature on effects of volcanic eruptions and suggest that the impact of the ashes from the Puyehue-Caulle Range volcanic complex on the insect community may be radical in the acute deposition phase, with substantial qualitative effects in the chronic phase of exposure. Also, the recovery of populations affected by ash in desert areas where dry ash persists will be slower, and this will have tangible and long-term consequences for insect host plants, pollination and on the development of populations of vertebrate insectivores. By contrast, the presence of ash in humid regions will impact the ecosystem by the addition of nutrients, which in combination with water retention by the ash will lead to a qualitative and quantitative recovery of the populations under favorable conditions.

KEY WORDS. Volcanic ash; Puyehue-Caulle Range; Insecticidal dust; Mechanism of action; Environmental impact.

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Aspectos cuali y cuantitativos del impacto de la ceniza volcánica sobre la biota

Las cenizas y gases impulsados por las erupciones volcánicas hacia la alta atmósfera arrastran grandes volúmenes de partículas de tamaño nanométrico y ultrafino, que se dispersan sobre vastas regiones alrededor del globo (NASA, 2011). Sin embargo, la mayor acumulación de cenizas de diferente granulometría se observa dentro del rango de las decenas de kilómetros del centro del volcán, lo que provoca efectos ambientales devastadores (Yano et al., 1990; Sparks et al., 1997). Un ejemplo reciente de este tipo de eventos en la Patagonia Argentina es la erupción del complejo volcánico Puyehue-Cordón Caulle (2236 m, 40° 02' 24" S; 70° 14' 26" O) en Chile, el 4 de junio de 2011 (GOES, 2011), luego de un hiato de 51 años (Singer et al., 2008). El volcán dispersó alrededor de 100 millones de toneladas métricas de ceniza, cubriendo alrededor de 7,5 millones de hectáreas en la Patagonia Argentina (Gaitán et al., 2011), fenómeno que aún continúa con baja intensidad y tendencia estable (SERNAGEOMIN, 2011). Además, las cenizas de menor granulometría fueron arrastradas por el viento hacia el este sobre el Océano Atlántico, y arribaron al sur de África, Australia, Tasmania y Nueva Zelanda (Environment Canada MSC, 2011). La actividad volcánica tiene efectos directos y especialmente manifiestos sobre la biota, como por ejemplo, la inmediata y masiva pérdida de hábitat (Arendt et al., 1999). En cambio, los efectos indirectos de las erupciones volcánicas sobre las especies nativas son más complejos y menos evidentes. Un buen ejemplo es la reducción de la densidad poblacional de Icterus oberi Lawrence (Aves, Passeriformes: Icteridae), observada después de la erupción del volcán Soufriere Hills en la isla de Montserrat (Antillas Menores) el 18 de julio de 1995. Luego de la misma, la población de I. oberi mermó como consecuencia de la reducción del hábitat y por el consiguiente incremento en la tasa de predación de polluelos por ratas (Rattus sp.) y aves [Toxostoma rufum (L.) (Passeriformes: Mimidae)]. Sin embargo, diferentes autores demostraron que la principal causa de mortandad de juveniles de I. oberi fue la escasez de alimento, a raíz del efecto adverso de la ceniza volcánica sobre las poblaciones de insectos de la isla (Butcher, 1981; Arendt et al., 1999; Hilton et al., 2003).
Hasta el momento, los estudios más completos sobre los efectos de las cenizas volcánicas en poblaciones naturales de insectos fueron publicados en el marco de la erupción del Monte Santa Helena [Washington-USA] en 1980 (Edwards & Schwartz, 1981). Klostermeyer et al. (1981) reportaron, para los insectos plaga de cultivos de trigo en esa región, efectos equivalentes a la aplicación de insecticidas de amplio espectro. Shanks & Chase (1981) observaron una drástica reducción de las infestaciones con Otiorhynchus ovatus (L.) y O. sulcatus (Fab.) (Coleoptera: Curculionidae) en los campos de arándanos, luego de la deposición de las cenizas del Monte Santa Helena sobre los cultivos; y Akre et al. (1981) reportaron los efectos de las cenizas en poblaciones de Vespula sp. (Hymenoptera: Vespidae), así como para un complejo de especies de Formica L. (Hymenoptera: Formicidae). Por otra parte, otros autores describen la interrupción de relaciones tróficas complejas como el equilibrio herbívoro-predador-parasitoide en plantaciones de café de Costa Rica, después de la erupción del volcán Irazú (Wille & Fuentes, 1975; Alvarado et al., 2006). En ecosistemas de la canopia de bosques subtropicales, Marske et al. (2007) observaron una rápida reducción de la densidad poblacional de artrópodos de hasta el 50% como respuesta a una lluvia intensa de cenizas. Este efecto a corto plazo, resultó más radical que la depresión crónica de la densidad de población de artrópodos después de repetidas erupciones menores (Marske et al., 2007).
La composición, la extensión y la duración de la exposición son las principales variables de las que depende la magnitud del impacto de las cenizas volcánicas sobre las poblaciones de insectos, mientras que los efectos puntuales varían según el taxón y el estadio del insecto (Akre et al., 1981; Brown & bin Hussain, 1981; Edwards & Schwartz, 1981; Johansen et al., 1981, Shanks & Chase, 1981; Wille & Fuentes, 1975). A través de bioensayos de laboratorio con cenizas del Monte Santa Helena, Edwards & Schwartz (1981) comprobaron que la mortalidad por contacto con cenizas varía de acuerdo al grado y el tiempo de exposición. Por ejemplo, el grillo Acheta domesticus (L.) (Orthoptera: Gryllidae) tolera el contacto con la ceniza durante períodos cortos, mientras que los individuos expuestos en forma continua no sobreviven. Shanks & Chase (1981) describieron un efecto fagodisuasivo de la ceniza volcánica en Otiorhynchus ovatus (L.) y O. sulcatus (F.) (Coleoptera: Curculionidae) que eventualmente podría resultar letal. Las diferencias en la susceptibilidad a la ceniza volcánica entre taxones y estadios de insectos fueron señaladas por Brown & bin Hussain (1981) quienes observaron que la mosca doméstica (Musca domestica L.), las cucarachas ((Supella longipalpa (Fab.)) y las abejas (Apis mellifera L.) resultaron especialmente susceptibles, mientras que los saltamontes ((Melanoplus differentialis (Thomas)) fueron más tolerantes.

Mecanismo de acción insecticida de las cenizas volcánicas

Sobre la base de bioensayos de laboratorio, diferentes autores analizaron el modo en el que las cenizas volcánicas afectan los insectos. Edwards & Schwartz (1981) consideran que la abrasión de la cutícula y la desecación son las principales causas de mortalidad en insectos expuestos a las cenizas, mientras que la oclusión de espiráculos, la salivación, la actividad excesiva de aseo y la interrupción de la actividad digestiva por la acumulación de ceniza en el intestino son factores coadyuvantes (Edwards & Schwartz, 1981; Wille & Fuentes, 1975). Algunos de estos conceptos son análogos al modo de acción propuesto para los polvos inorgánicos (inertes) que históricamente se utilizaron para el control plagas, y que, desde la década de 1920, se comercializan para la protección de granos almacenados por su alta eficacia y baja toxicidad para los seres humanos y el ambiente (Ebeling, 1971; Golob, 1997; Subramanyam & Roesli, 2000). Los polvos inertes, en general, no ejercen su acción tóxica a través de mecanismos bioquímicos como sucede con los pesticidas de síntesis orgánica, sino a través de fenómenos físicos como la abrasión, adsorción de hidrocarburos cuticulares y desecación (Subramanyam & Roesli, 2000). Uno de los polvos inertes más comúnmente utilizados como insecticida es la tierra de diatomeas (DE) que se obtiene de depósitos geológicos compuestos de capas sedimentarias de algas microscópicas fosilizadas, cuya composición es mayoritariamente dióxido de silicio (SiO₂) (Ebeling, 1971; Golob, 1997). Por otra parte, el recientemente descubierto nanoinsecticida a base de alúmina (Al₂O₃) nanoestructurada (NSA) (Stadler et al., 2010a) representa un nuevo tipo de material particulado con un mecanismo de acción insecticida similar al de los polvos inertes.
La  actividad  biológica de  los polvos inertes, incluyendo la ceniza volcánica, se encuentra estrechamente relacionada con el valor de la superficie específica del material (S_BET), que aumenta en función de la reducción del tamaño de partícula (Tabla I). Las partículas ultrafinas son en general más tóxicas que sus equivalentes de mayor tamaño e igual composición química, como consecuencia de la correlación directa entre la relación superficie/volumen por unidad de peso y la energía de superficie de la partícula, de la que depende directamente su actividad biológica (Paull & Lyons, 2008). Este concepto es aplicable a los principales modelos biológicos investigados en mamíferos con partículas ultrafinas, y también lo es para invertebrados, como sucede con el nanoinsecticida NSA (Stadler et al., 2010a).

Tabla I. Número de partículas y superficie específica para 10 μg.m^-3 de material particulado (Modificado de Oberdorster et al., 1994; Nel et al., 2006).

Además del tamaño de la partícula, existen otras variables co-responsables de la actividad insecticida de los polvos inorgánicos. Por una parte, la forma y la estructura de las partículas (amorfa, acicular, cilíndrica, placa, etc.) afecta directamente la cinética de la deposición, el ingreso y la translocación de las mismas dentro del organismo (Jia et al., 2005). La composición química de las partículas y la presencia de distintos elementos o sus diferentes combinaciones afecta su actividad biológica (sustancias simples o compuestas como óxidos, sales, etc.). Sin embargo, una de las variables más relevantes que contribuyen a la eficacia de los polvos insecticidas es la carga electroestática de las partículas (cargas elementales de ambos tipos, así como dipolos), cuyo origen probable es el fenómeno de emisión termoiónica a altas temperaturas en las reacciones de oxidación, que tienen lugar durante la génesis de las partículas. Este tipo de reacciones son características en los procesos de síntesis de nanomateriales por combustión (Karasev et al., 2004), como también en las erupciones volcánicas, que se encuentran entre los principales productores naturales de partículas ultrafinas (Ammann et al., 1990). Los polvos con actividad insecticida generados por combustión, como por ejemplo la NSA, se adhieren a la superficie corporal del insecto cuando la polaridad de las partículas resulta afín a las cargas triboeléctricas de este último, fenómeno similar al observado con las cenizas del complejo volcánico Puyehue-Cordón Caulle (Figs. 1 y 2). Este se distingue claramente en las micrografías de los insectos expuestos a sustrato tratado con ceniza, donde se observan las partículas adheridas profusamente a la superficie corporal de O. surinamensis (Fig. 1) y concentradas en la zona peri-oral de T. castaneum (Fig. 2 b), como resultado de salivación excesiva (Edwards & Schwartz, 1981; Shanks & Chase, 1981). Una vez adheridas, las partículas adsorben (secuestran) la capa de cera de la cutícula a través de fenómenos de superficie (Cook et al., 2008), evento que conduce a la muerte del insecto por deshidratación. Este  mecanismo,  que  fue  propuesto  por Ebeling (1971) para la DE y por Stadler et al. (2010b) para la alúmina nanoestructurada, puede extrapolarse a partículas de diferente composición y tamaño como la ceniza volcánica.

Fig. 1. Detalle de la superficie dorsal del tórax de Oryzaephilus surinamentis (Coleoptera: Silvanidae) tratado con ceniza del complejo volcánico Puyehue-Cordón Caulle (40 02' 24" S, 70 14' 26" O), depositada en Collón Curá (Neuquén, Argentina) durante los primeros días de la erupción.

Fig. 2. a, Vista de la región peri-oral de Tribolium castaneum (Coleoptera: Tenebrionidae) sin tratamiento (control); b, vista de la región peri-oral de T. castaneum tratado con ceniza del complejo volcánico Puyehue-Cordón Caulle (40° 02' 24" S, 70 14' 26" O), depositada en Collón Curá (Neuquén, Argentina) durante los primeros días de la erupción.

Efecto insecticida de las cenizas del complejo volcánico Puyehue-Cordón Caulle

Con la finalidad de identificar posibles coincidencias entre la actividad insecticida de la ceniza del Puyehue-Cordón Caulle con la de otros volcanes citados más arriba (Edwards & Schwartz, 1981; Wille & Fuentes, 1975; Brown & bin Hussain, 1981; Shanks & Chase, 1981; Akre et al., 1981), se determinó la composición química de las cenizas y se condujeron bioensayos para determinar la toxicidad por contacto, según la metodología usada por Stadler et al. (2010a), se utilizaron Oryzaephilus surinamensis L. (Coleoptera: Silvanidae) y Tribolium castaneum (Herbst) (Coleoptera: Tenebrionidae) como modelos biológicos.
A partir de la composición de las partículas finas y ultrafinas de las cenizas del Puyehue-Cordón Caulle depositadas en Collón Curá, Neuquén (Argentina), determinada por Espectroscopía de Energía Dispersiva (EDS), es posible inferir que se trata de un producto con un alto potencial insecticida debido a la presencia mayoritaria de vitroclastos (SiO₂) y alumina (Al₂O₃); asimismo, las cenizas presentan pumitas y líticos entre otros minerales (probablemente plagioclasas y feldespatos potásicos) (Fig. 3). Bermudez & Delpino (2011) y Mogni et al. (2011) también identifican el dióxido de silicio (SiO₂) y el óxido de aluminio (Al₂O₃) como substancias mayoritarias en las cenizas de las recientes erupciones de este complejo volcánico.

Fig. 3. Composición química de la ceniza del complejo volcánico Puyehue Cordón Caulle (40° 02' 24" S, 70° 14' 26" O), depositada en Collón Curá (Neuquén, Argentina) durante los primeros días de la erupción (15/06/2011), determinada por Espectroscopía de Energía Dispersiva (EDS - Filter Fit Chisquared value: 31.161 Errors:+/-1 Sigma Correction Method: Proza (Phi-Rho-Z) Acc.Voltage: 20.0 kV Take Off Angle: 36.6 deg. (datos no publicados, septiembre 2011).

Los resultados de los bioensayos por contacto con O. surinamensis y T. castaneum, expuestos en forma continua durante siete días al sustrato tratado con cenizas del complejo volcánico Puyehue-Cordón Caullé depositada en Collón Curá (Neuquén, Argentina), indican que la ceniza posee actividad insecticida y que la susceptibilidad a la misma varía entre diferentes taxones de insectos. El valor de la concentración letal (CL₉₉) de la ceniza en el sustrato para O. surinamensis y para T. castaneum es: CL₉₉ = 10.25 mg.g^-1 (CI=6.44; 22.30) y CL₉₉ = 4.96 mg.g-1 (CI=3.05; 5.18), respectivamente (datos no publicados, septiembre 2011). Este fenómeno es análogo al observado por Brown & bin Hussain (1981) para la cenizas de la erupción del Monte Santa Helena. Además, las concentraciones de ceniza que resultaron letales para O. surinamensis y T. castaneum en los bioensayos de exposición continua son sensiblemente menores a la concentración de ceniza presente en las áreas naturales afectadas, donde esta se encuentra formando capas de entre 5 y 20 cm de espesor, de modo que el efecto directo de las cenizas sobre la fauna de artrópodos en esas regiones podría resultar devastador.
Resulta también interesante comparar los resultados de los bioensayos de contacto realizados con O. surinamensis por exposición continua a la ceniza, con los resultados de los ensayos en los que se utilizó un polvo inerte comercial como la tierra de diatomeas (DE). La DE [Celite 545; CAS No.: 68855-54-9] muestra mayor eficacia en comparación con la ceniza, ya que provoca un 100% de mortalidad a los 7 días de exposición continua en una concentración de 1.0 mg.g^-1 en el sustrato; mientras que para alcanzar el 100% de mortalidad en los bioensayos con la ceniza volcánica en 7 días, se requiere de una concentración diez veces mayor (datos no publicados; septiembre 2011).
De estos resultados se desprende que el impacto de la ceniza del complejo volcánico Puyehue-Cordón Caulle sobre la comunidad de artrópodos podría ser radical en la fase aguda de la deposición, afectando las poblaciones desde el punto de vista cuantitativo, fenómeno equivalente a la aplicación de un insecticida de amplio espectro (Klostermeyer et al., 1981; Shanks & Chase, 1981), mientras que en la fase crónica los efectos podrían ser substancialmente cualitativos. Es decir, que la comunidad de artrópodos podría sufrir una drástica reducción en el número de individuos a corto plazo, mientras que a largo plazo, podría verse alterada en su composición por la pérdida de poblaciones de las especies más susceptibles a la ceniza; fenómeno que puede ser acompañado por el aumento en la densidad de la población de las especies más tolerantes. No obstante, esta hipótesis deberá ser explorada extensivamente a través de bioensayos con los taxones más representativos de las comunidades afectadas y con especies nativas de la Patagonia, que proporcionarán una información exhaustiva, necesaria para comprender el impacto del fenómeno eruptivo sobre la biota, y brindarán el marco necesario para trazar las medidas de manejo orientadas a la recuperación de las zonas afectadas.
La recuperación de las poblaciones afectadas por la ceniza volcánica es un proceso complejo, a raíz de la repercusión de este disturbio en la reproducción y desarrollo de los individuos sobrevivientes. En aquellas zonas con clima desértico, donde persiste la ceniza seca, las poblaciones de artrópodos estarán sometidas a condiciones de estrés durante períodos más prolongados (Edwards & Schwartz, 1981), ya que la ceniza volcánica como así también los polvos inertes muestran mayor efecto insecticida en ambientes con baja humedad relativa. Esto, a su vez, tendrá consecuencias tangibles a largo plazo para las poblaciones de plantas hospederas, para la polinización y sobre el desarrollo de las poblaciones de vertebrados insectívoros sobrevivientes a las erupciones. En contraste, en las regiones húmedas, la presencia de cenizas representa un cambio manifiesto en el ecosistema debido al aporte de nutrientes. Estos en combinación con el incremento de la humedad del suelo a raíz del aumento en la retención de agua por las cenizas (Cronin et al., 1997) conducen a una mejora cuali-cuantitativa de las condiciones para las especies vegetales, permitiendo la recuperación de las poblaciones sobrevivientes de insectos bajo condiciones muy favorables.

AGRADECIMIENTOS.

PROEVO-Programa de Emergencia Volcánica.

BIBLIOGRAFÍA CITADA

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