NOEC-LOEC

MÓDULO ECOTOXICOLOGÍA: CÁLCULO DE LA NOEC Y LA LOEC

Ciencias Ambientales, Universidad de Alcalá

Álvaro Alonso Fernández
Departamento de Ciencias de la Vida
Universidad de Alcalá (España)

1 OBJETIVO DE LA PRÁCTICA

Calcular la NOEC (No Observed Effect Concentration) y la LOEC (Lowest Observed Effect Concentration) para el cadmio.

La NOEC y la LOEC de cadmio se estimarán para el consumo de alimento de uninvertebrado de agua dulce Gammarus pulex procedente de una población natural. Para ello se realizará una comparación estadística entre el consumo de alimento de G. pulex expuesto a varias concentraciones de cadmio y el consumo de alimento de animales no expuestos a cadmio.

Nuestra variable dependiente es la Tasa de Consumo de Alimento, mientras que la concentración de cadmio la trataremos como una variable cualitativa independiente.

Los valores de la variable dependiente serán comparados con el control a través de un ANOVA (Análisis de la Varianza) seguido de una Comparación Múltiple (test de Tukey) entre cada concentración de cadmio y el control.

Gammarus pulex © Biopix: N Sloth

2 ¿Qué es la NOEC y la LOEC, y qué utilidad tienen en Ecotoxicología?

La NOEC es la concentración más alta de tóxico -de las empleadas en un bioensayo- que no causa un cambio estadísticamente significativo en el valor de la variable dependiente (mortalidad, alteraciones de la reproducción, cambios comportamentales, etc.) en la población estudiada para una exposición determinada (=tiempo) al ser comparada con el control.

La LOEC es la concentración más baja de tóxico -de las empleadas en un bioensayo- que causa un efecto estadísticamente significativo en el valor de la variable dependiente (mortalidad, alteraciones de la reproducción, cambios comportamentales, etc.) en la población estudiada para una exposición determinada (=tiempo) al ser comparada con el control.

Conceptos que hay que tener claros:

• Variable dependiente cuantitativa.
• Variable independiente cualitativa.
• NOEC y LOEC son concentraciones, es decir tienen unas unidades de concentración.
• La NOEC y la LOEC se calculan para un tiempo de exposición al tóxico determinado.

Para poder calcular estas concentraciones es necesario realizar un experimento con varios tratamientos diferentes: un control (sin tóxico) y varias concentraciones de tóxico (al menos tres concentraciones o más) con una replicación mínima de tres o superior (no se deben emplear menos de tres réplicas en experimentación). Tras un periodo de tiempo (que dependerá de las concentraciones empleadas y la sensibilidad de la especie estudiada) se monitoriza el parámetro o parámetros estudiados. Con los datos brutos obtenidos se realiza un ANOVA de un factor (análisis de la varianza) siendo la variable dependiente la respuesta (mortalidad, alteraciones de la reproducción, cambios comportamentales, etc.) y la variable independiente la concentración de tóxico (cero para el control y las concentraciones de los otros tratamientos). Si el análisis resulta significativo (p<0.05), esto quiere decir que hay al menos dos tratamientos que difieren entre si en el valor de sus medias para la variable dependiente estudiada. Para conocer qué pares de tratamientos son distintos entre si hay que realizar un nuevo test. Con dicho test de comparación múltiple (test post hoc) podemos comparar cada tratamiento de cadmio con el tratamiento control, ya que son esas comparaciones las que nos interesan (¿difiere o no de la respuesta del control?).

El ANOVA requiere que los datos analizados presenten una distribución normal y sus varianzas sean homogéneas entre los tratamientos (estos requisitos no se comprobarán en esta práctica, pero hay que saber que en el caso de no cumplirlos se deben transformar los datos u optar por un análisis no paramétrico alternativo al ANOVA, como puede ser el Test de Kruskal-Wallis).

La NOEC y la LOEC permiten conocer entre que concentraciones de tóxico empiezan a aparecer efectos directos en los organismos testados. Al igual que en la anterior práctica estos valores nos pueden ayudar a fijar criterios de calidad ambiental para el tóxico que estamos estudiando o para comparar que especie es más sensible a un tóxico. Esta aproximación experimental es muy útil para test subcrónicos o crónicos, en los que los organismos son expuestos a concentraciones relativamente bajas de tóxico durante tiempos de exposición largos.

3 Cálculo de la NOEC y la LOEC para Gammarus pulex

La práctica consiste en calcular los dos parámetros antes descritos (NOEC y LOEC) a partir de los datos brutos obtenidos en un bioensayo con Gammarus pulex. Los animales fueron expuestos a 4 concentraciones crecientes de cadmio (1, 3, 6, y 10 microg Cd/l) durante 14 días. Cada uno de los tratamientos se encuentra replicado 4 veces, teniendo cada réplica 10 individuos. Al inicio del bioensayo se proporcioná la misma cantidad de comida (hojas de chopo) a cada una de las réplicas, al final del bioensayo se calculá la comida que queda sin consumir. La tasa de consumo de alimento (TCA) se calcula como:

TCA=(peso seco inicial de la comida en mg-peso final de la comida en mg)/peso seco de los animales al final del experimento en mg/días

Por tanto la unidad de la TCA se expresa en mg alimento/mg organismo/día

Debido a que los animales de cada réplica no fueron exactamente iguales (diferente peso, sexo, etc.) es necesario relacionar el consumo de hojas con el peso de los animales. Por ese motivo se expresa por mg de peso de animal.

El diseño experimental fue el siguiente:

Los resultados obtenidos para cada una de las especies se muestra en la siguiente tabla:

Datos brutos del bioensayo

4 Pasos a seguir

1- Lo primero que debemos hacer es abrir RStudio.

2- Después hay que generar el fichero con nuestros datos de trabajo. Incluir una columna con un código para las concentraciones (incluir el control y todas las réplicas, cada tratamiento tendrá el mismo código), otra con la TCA para cada réplica y concentración. Esto hay que hacerlo en Excel y guardar el archivo como CSV delimitado por comas. Ojo que tenemos cuatro réplicas por cada tratamiento.

3- Cargamos el fichero con nuestros datos en RStudio. Para ello fijamos directorio de trabajo con setwd:

setwd(dir = "C:/nuestracarpeta1/nuestracarpeta2/")

4- Leemos el fichero y su estructura. Comprobar que las variables son correctas, sin errores, valores perdidos, etc.

misdatos<-read.table("misdatos.csv", sep = ";", header = TRUE, dec = ".") misdatos str(misdatos)

5- Si no hay ningún error continuamos. Ahora toca representar esos datos de forma gráfica, en el eje Y dispondremos la TCA y en el eje X los tratamientos (control y las cuatro concentraciones de Cd). Hay que transformar la variable concentración en categórica (=factor):

concentration<-as.factor(misdatos$concentration)

6- Ahora realizamos un boxplot:

boxplot(misdatos$tca~concentration,

xlab="concentration(microg Cd/L)", ylab="TCA",cex=1.3,

col="red",pch=16, main="Gammarus pulex")

7- Para explorar la media de TCA según la concentración de Cd:

aggregate(tca ~ concentration, data = misdatos, FUN = mean)

8- Hacemos el ANOVA:

modelo <- lm(tca~concentration, data=misdatos)

anovaModelo <- anova(modelo)

anovaModelo

¿Cuál es el valor de p? ¿Eso qué significa desde el punto de vista ecotoxicológico?

9- Ahora buscamos la NOEC y la LOEC por medio de un test de Tukey, se comparan los tratamientos de dos en dos. Hay que quedarse con los que incluyen el control:

tukey<-TukeyHSD(aov(modelo))

tukey

Con la siguiente figura igual queda más claro:

plot(tukey, col= "red", las=1,cex.axis=0.5, cex.lab=0.5, cex=0.5)

¿Cuál es el valor de NOEC? ¿y el valor de LOEC?

5 ¿QUÉ TIENE QUE CONTENER VUESTRO SCRIPT?

1.GUARDAR VUESTRO TRABAJO EN UN FICHERO NOEC-GR-NÚMERO.

2.INCLUIR EN EL ENCABEZADO VUESTROS NOMBRES.

3.TODOS LOS PASOS EXPLICADOS Y BIEN RAZONADOS. RESPONDE A TODAS LAS PREGUNTAS PLANTEADAS EN LA PRÁCTICA. RECUERDA QUE EL SCRIPT DEBE ESTAR COMPLETO Y SER PERFECTAMENTE EJECUTABLE POR OTRA PERSONA.

4.ENVIA EL SCRIPT A MI CORREO ANTES DE FINALIZAR LA PRÁCTICA.

6 CRÉDITOS

Álvaro Alonso Fernández
Departamento de Ciencias de la Vida
Universidad de Alcalá (España)

“Todas las sustancias son venenos, no existe ninguna que no lo sea. La dosis diferencia un veneno de un remedio” Theophrastus Phillippus Aureolus Bombastus von Hohenheim, Paracelso.