CONTAMINANTES Y SU DISTRIBUCIÓN EN EL AMBIENTE

1. CONTAMINANTES Y SU DISTRIBUCIÓN EN EL AMBIENTE 2013

2. Esferasambientales El estudio de la química ambiental debe definir primero lo que se entiende por medio ambiente. La química ambiental debe tener en cuenta cinco compartimentos o esferas del ambiente que interactúan y se solapan o enciman entre sí, se afectan unas a las otras y experimentan intercambios continuos de materia y de energía. Tradicionalmente, la ciencia ambiental ha considerado el agua, el aire, la tierra y la vida, es decir la hidroesfera, la atmósfera, la geoesfera y la bioesfera.

3. Consideradas en su conjunto, generalmente las actividades humanas se percibían como perturbaciones indeseables en esas otras esferas, causando contaminación y efectos adversos. Por eso se debe incluir una quinta esfera la antroposfera, que involucra a todas las actividades que los humanos hacen. La figura 1 muestra las cinco esferas del medio ambiente, incluyendo la antroposfera y algunos de los intercambios de materia entre ellas.

4. Figura 1. Las cinco esferas del ambiente. La materia y energía se mueven constantemente entre estas esferas, añadiendo complejidad a la química ambiental.

5. ATMOSFERA Es una capa muy delgada comparada con el tamaño de la Tierra. La mayoría de los gases atmosféricos se encuentran a unos pocos kilómetros sobre el nivel del mar. Además de proporcionar oxigeno para los organismos vivientes , la atmósfera proporciona el dióxido de carbono requerido para la fotosíntesis de las plantas y el nitrógeno que los organismos usan para hacer las proteínas. Juega una función protectora vital, pues absorbe la radiación ultravioleta mas energética del sol, que acabaría con los organismos vivientes expuestos a ella.

6. La capa estratosférica de ozono es la que participa en ello. Debido a su capacidad de absorber la radiación infrarroja por la que la Tierra pierde la energía que absorbe del sol, la atmosfera estabiliza la temperatura de la superficie de la Tierra. La atmosfera sirve como el sustrato, mediante el cual, la energía solar que incide con mas intensidad en las regiones ecuatoriales, se redistribuye a partir del Ecuador hacia otras partes del planeta. Es el medio en el que el vapor de agua, evaporado de los océanos como el primer paso en el ciclo hidrológico, se transporta sobre la masa de tierra para precipitarse como lluvia, granizo o nieve sobre ella.

7. HIDROSFERA En ella esta contenida el agua de la Tierra. El 97% de esta es el agua de mar de los océanos. El agua dulce esta en los ríos, lagunas, arroyos, aguas subterráneas y como hielo en las capas de hielo polares y en los glaciares. Una pequeña fracción esta como vapor de agua en la atmósfera. En la figura 2, se muestra el ciclo hidrológico. Cubre el 70% de la superficie terrestre, los océanos son el factor predominante a la hora de definir la naturaleza física y química de la superficie terrestre, ya que, por ej., el clima se modifica debido a la capacidad de estos para absorber la energía solar y transportarla alrededor del planeta.

8. Asimismo, juegan un papel preponderante en la regulación de los contenidos de oxigeno y dióxido de carbono involucrados en los procesos vitales.

9. Figura 2. Ciclo hidrológico y cantidades de agua en sus diversos entornos.

10. GEOESFERA Es la parte solida de la Tierra, incluye todas las rocas y minerales. Una parte importante es el suelo, que sostiene el crecimiento de las plantas, base del alimento para todos los organismos vivientes. La litosfera es una capa solida relativamente delgada que se extiende sobre la superficie de la Tierra hasta profundidades de 50-100 Km. Su capa exterior, mas delgada es conocida como corteza terrestre, esta compuesta de minerales basado en silicatos, relativamente mas ligeros. Es la parte de la geoesfera que esta disponible para interactuar con las otras esferas ambientales y que es accesible a los seres humanos.

11. BIOESFERA Esta compuesta por los organismos vivientes. Estos viven en la superficie de la geoesfera, en el suelo o justamente debajo de la superficie del suelo. Los océanos y otros sistemas acuosos sostienen grandes poblaciones de organismos. La bioesfera es una capa muy delgada en la interfase entre la geoesfera y la atmosfera. Esta involucrada con la geoesfera, la hidroesfera y la atmósfera por medio de ciclos biogeoquímicos a través de los cuales circulan elementos como el nitrógeno y el carbono.

12. LA QUÍMICA AMBIENTAL, es la disciplina que trata de los procesos químicos que ocurren en el medio ambiente, tanto los naturales como los propiciados por la intervención del hombre. El papel de la química y del químico es relevante, no solamente para comprender el comportamiento de los contaminantes y su destino final en el medio ambiente , sino también para prevenir desequilibrios en el medio a causa de la contaminación o de prácticas abusivas. Además sirve para proponer y diseñar procedimientos químicos de remediación del medio afectado.

13. Figura 3. Ilustración de la definición de química ambiental con un contaminante típico.

14. BIOQUIMICA AMBIENTAL estudia todos los aspectos bioquímicos metabólicos en los seres vivos y la interacción que puedan producirse entre las sustancias xeniobioticas dispersas en el medio (contaminantes ambientales) y los organismos que en él habitan. Esta relacionada con otras ciencias Biología celular y molecular, Ecología, Genética, Química y Bioquímica, Toxicología. Xenobiótico es todo compuesto químico que no forma parte de la composición de los organismos vivos. Suelen ser contaminantes (concentración en exceso) de determinados ambientes y generalmente ejercen algún tipo de efecto sobre los seres vivos, aunque no tengan toxicidad aguda.

15. LA MATERIA Y SUS CICLOS Los ciclos globales geoquímicos pueden considerarse desde el punto de vista de varios depósitos o reservorios, como océanos, sedimentos y atmosfera, unidos por “conductos” a través de los cuales la materia se mueve continuamente. El movimiento de un tipo especifico de materia entre dos depósitos particulares puede ser reversible o irreversible Los ciclos de la materia ocurrirían incluso en ausencia de vida en la Tierra, pero están fuertemente influenciados por la forma de vida, particularmente plantas y micro-organismos . Los organismos participan en ciclos biogeoquímicos , los cuales describen la circulación de la materia, particularmente nutrientes a través de los ecosistemas.

16. Como parte del ciclo de carbono, el C atmosférico en forma de CO2 se fija como biomasa; como parte del ciclo de nitrógeno, el N2 atmosférico se fija en la materia orgánica. El proceso inverso es la mineralización, en la cual los elementos enlazados biológicamente se devuelven a estados inorgánicos. La fuerza impulsora de los ciclos biogeoquímicos es la energía solar. En la figura 1 puede observarse, que los intercambios de materia entre las esferas el ciclo de la materia. • Ejemplos de materiales entre las esferas am-bientales incluyen el oxígeno emitido a la atmósfera por las plantas en la bioesfera, el nitrógeno elemental de la atmósfera incor-porado en el amoníaco por procesos de síntesis química en la antroposfera.

17. El calcio disuelto a partir de minerales en la geoesfera que entra en la hidroesfera como ión calcio disuelto. Los ciclos de la materia están muy relacionados con el destino químico y el transporte de contaminantes. • La mayoría de los ciclos biogeoquímicos puede describirse como ciclos elementales que invo-lucran elementos nutritivos como el carbono, el nitrógeno, el oxígeno, el fósforo y el azufre. Muchos son ciclos exógenos en los que el elemento en cuestión pasa parte del ciclo en la atmósfera (O2,N2,CO2). Otros principalmente el ciclo del fósforo, no tienen un componente gaseoso y son ciclos endógenos.

18. Figura 4. Ciclo del Carbono. El C mineral se mantiene en un depósito de calcita, CaCO3, del que puede lixiviarse a una disolución mineral en forma de ion bicarbonato disuelto, HCO3-, que se forma cuando el CO2(acuoso) reacciona con el CaCO3. En la atmósfera el C esta como CO2. Este es fijado como materia orgánica por la fotosíntesis y el C orgánico se libera con CO2 por la descomposición microbiana de la materia orgánica.

19. Figura 5. Ciclo del Nitrógeno. Este se encuentra en todas las esferas del ambiente. La atmósfera tiene el 78%N2 y es un depósito inagotable del mismo. Es un constituyente esencial de las proteínas. Su incorporación a formas químicas orgánicas e inorgánicas es un paso limitante del ciclo del nitrógeno.

20. Figura 6. Ciclo del Oxígeno. Este ciclo se encuentra enlazado a los demás pero particularmente con el de C.

21. IMPACTO HUMANO Y CONTAMINACION Las demandas de una población creciente, unidas con el deseo de la mayoría de las personas a un estándar de vida material supe-rior, traen como resultado la contaminación en una escala masiva. Las cinco esferas ambien-tales pueden padecer contaminación, además de estar todas ellas vinculadas a los fenómenos de polución. Por ejemplo, algunos gases emitidos a la atmósfera pueden convertirse en ácidos fuertes por procesos químicos atmosféricos, precipitar a la superficie terrestre como lluvia ácida y contaminar el agua con su acidez. Los residuos dañinos que se desechan inadecuadamente, pueden lixiviarse al agua subterránea, que se libera como agua contaminada en arroyos.

22. ALGUNAS DEFINICIONES DE LA CONTAMINACION Los residuos tóxicos de solventes organo-clorados que se lixivian al agua de suministro, desde vertederos de residuos químicos peligrosos, son contaminantes desde todos los puntos de vista. Sin embargo, la música rock fuerte, amplificada a un nivel de altos deci-belios, es agradable a algunas personas, mientras que es una forma muy definida de contaminación sonora para otras. Frecuentemente,el tiempo y el lugar determinan lo que se entiende como contaminante. El fosfato que se debe eliminar de las aguas residuales es, químicamente, el mismo fosfato que el granjero a pocos km tiene que comprar a precios altos como fertilizante.

23. La mayoria de los contaminantes son, de hecho recursos que han terminado como residuos.Una definición razonable considera contaminante a una sustancia presente en una concentración mayor que la natural como resultado de la actividad humana , que tiene un efecto perjudicial neto en el medio ambiente o sobre algo de valor en ese ambiente. Cada contaminante se origina en una fuente. • La fuente es importante porque generalmente es el lugar lógico para eliminar la contaminación. • Después que el contaminante es liberado por la fuente puede actuar sobre un receptor. • El receptor es aquello que es afectado por un contaminante. Los seres humanos, a quienes les arden los ojos cuando están expuestos a componentes oxidantes en la atmósfera son receptores.

24. CONTAMINANTE: es un concepto muy amplio y se considera como tal cualquier agente que tiende a modificar el equilibrio natural del medio ambiente (ecosfera) y además puede incidir sobre la biosfera. • Los xenobióticos son, por lo tanto, contaminantes de naturaleza química y que suelen producir efectos tóxicos, o al menos alteraciones en el normal funcionamiento de las células vivas. • Entre los contaminantes más abundantes en el medio y perjudiciales para los sistemas biológicos se pueden destacar los metales pesados y las sustancias orgánicas: plaguicidas, hidrocarburos halogenados y no halogenados, PCBs, DBF y DBD,residuos químicos tóxicos, junto con las radiaciones nucleares, etc..

25. CLASIFICACION DE CONTAMINANTES Se puede abordar desde diferentes puntos de vista: I- Por su ORIGEN: - intencionado o casual.Deshechos urbanos, deshechos industriales, mixtos, explotaciones mineras, explotaciones agrícolas. De procedencia variada: tabaco, conservantes, plaguicidas, estabilizantes, plastificantes, aditivos, inductores del crecimiento, toxinas bacterianas.Accidentes industriales: factorías, transporte, etc. II.-Por sus APLICACIONES: medicamentos, productos de uso doméstico, usos industriales, usos agrícolas, locomoción

26. II- Por su ACCION INTRINSECA: Fármacos: antibióticos, antineoplásicos (metotrexato, agentes quimioterapeúticos y citostáticos, agentes alquilantes, vinblastina, etc.), plaguicidas, sustancias de abuso o drogas, etc. Tóxicos de acción local: caústicos, corrosivos o vesicantes: ácidos, lejias, NO2, SO3, disolventes, cromatos, alquitranes. Destruyen células de la piel, mucosas, árbol respiratorio.Dermatitis, bronquitis, conjuntivitis, quemaduras, reacciones alérgicas.Tóxicos de acción sistémica: Aditivos, Edulcorantes, Conservantes, Plaguicidas.

27. IV.- Por su ACCION BIOLOGICA o BIOQUIMICA: biocidas, mutagénicos, carcinogénicos, teratogénicos; inhibidores, activadores e inductores de enzimas, agentes desacoplantes, etc. V.-Por su REACTIVIDAD METABOLICA: biodegradables o persistentes: bioacumulativos, bioactivables. VI- Por su NATURALEZA: física, química y biológica.

28. VI- Por su NATURALEZA: física, química y biológica. 1.DE NATURALEZA FÍSICA: (se consideran contaminantes) -Color tintes (naturaleza química)-Turbidez minas e industria-Calor centrales nucleares y térmicas.-Radiacciones en la naturaleza (rocas y cósmica), uso de la energía nuclear (investigación, medicina, industria).-Ruido o Contaminación por olores.- Sustancias volátiles olorosas: alcanfor, almizcle, floral, mentolado, éter, ágrios, fétidos.

29. 2.- DE NATURALEZA BIOLÓGICA: (se consideran contaminantes)Seres vivos o compuestos procedentes de ellos: bacterias, virus, hongos, protozoos, materia orgánica, residuos: vegetales, urbanos, fecales, de mataderos,etc. 3.- DE NATURALEZA QUÍMICA: 3A.- ORGANICOS: plaguicidas y compuestos industriales. 3B.- CONTAMINANTES INORGÁNICOS

30. 3. DE NATURALEZA QUIMICA3.A.ORGANICO3.A.1.PLAGUICIDAS CLASES DE PLAGUICIDAS a) Según su actividad biológica Insecticidas. Tóxicos para insectos.Acaricidas. Tóxicos para ácaros.Nematicidas. Tóxicos para los nematodos.Fungicidas. Tóxicos para hongos.Antibióticos. Inhiben el crecimiento de microorganismos.Herbicidas. Atacan las malas hierbas.

31. Rodenticidas. Causan la muerte a ratones y otros roedores.Avicidas. Causan la muerte a las aves.Molusquicidas. Eliminan los moluscos. Atrayentes y repelentes de insectos. Repelen a los insectos o los atraen para provocar su destrucción.

33. b) Por su naturaleza química Organoclorados. Son insecticidas, herbicidas, fungicidas.Organofosforados. Insecticidas.Carbamatos. Insecticidas, herbicidas.Derivados de la urea. Herbicidas.Compuestos heterocíclicos. Herbicidas.Compuestos inorgánicos. Acciones diversas.

34. c) Por su toxicidad Supertóxicos. DL50 < 5mg/KgExtremadamente tóxicos. DL50 5-50mg/kgMuy tóxicos. DL50 50-500 mg/kgModeradamente tóxicos. DL50 500 - 5000mg/kgLigeramente tóxicos. DL50 5 - 15gr/KgPrácticamente no tóxicos. DL50 > 15 gr/Kg.

35. d) Por su persistencia (propiedad relacionada con su pervivencia en el medio), pueden ser: Muy persistentes: organocloradosModeradamente persistentes: derivados triazínicos y de fenilurea.No persistentes: organofosforados, carbamatos y derivados de piretrina.

36. 3A.2.- Compuestosindustriales Reunen una gran diversidad de compuestos, con muy variadas aplicaciones: plastificantes y aislantes: PCBs y PCTs (que contienen Cl-dibenzofuranos, Cl-dibenzodioxinas); disolventes: formaldehido, acetaldehído, tolueno; hidrocarburos: polinucleares o policíclicos: benzopireno, dibenzofuranos y dibenzodioxinas;detergentes; ésteres de fósforo, órgano-metales; hidrocarburos sulfonados, nitrosaminas, etc.CFC: cloro-fluoro-carbonados, destruyen la capa de O3, que nos protege de los rayos UV (260-290 nm).

37. 3B.- CONTAMINANTES INORGÁNICOS ácidos, alcalis, nitratos, nitritos, sulfatos, fosfatos, halógenos (Fl, I), óxidos de nitrógeno, óxidos de carbono, óxidos de azufre, ozono y radicales libres, silicatos, iones en general, amoniaco, metales pesados: Mn, Co, Pb, Zn, Fe, Cd, Cr, As, Ni, Se, Hg, Be. * Enfermedad de Minamata, Hg+ en pescado y de ITAI-ITAI, Cd2+ y derivados en arroz. *Pb en sangre, efectos y recomendaciones *Contaminantes atmosféricos: CO, SO2, SO3, NO2, NO.

38. CONTAMINACION EN LAS DIFERENTES ESFERASTRANSPORTE Y DESTINO El movimiento y el destino de los contaminantes ambientales son tratados por la disciplina transporte y destino químico. En la figura 7 se ilustra las vías principales involucradas en el transporte y destino químico. Las sustancias consideradas como contaminantes casi siempre se originan en la antroposfera. Pueden pasar al aire, la tierra, el agua, a los sedimentos y a la biota. El lugar donde tales sustancias va a parar y lo que hacen, depende de sus propiedades y de las condiciones del medio ambiente en que son introducidas. Como regla general el transporte y destino, esta controlado por su transporte físico y su reactividad, que incluye reacciones químicas o bioquímicas.

39. También interacciones físicas con otras fases. • Es conveniente ver el transporte y destino ambiental en función de tres compartimientos ambientales principales: (1) atmósfera,(2) las aguas superficiales y (3) la superficie terrestre y el subsuelo, los estratos minerales y las aguas subterráneas. Figura 8

40. Figura 7. Intercambio de contaminantes liberados por la antroposfera entre varios segmentos de las otras esferas ambientales mostrando las vías involucradas en el trasporte y destino químico.

41. Figura 8. Los tres compartimientos principales considerados en el transporte y destino ambiental.

42. TRANSPORTE FISICO Si bien existen numerosos procesos de transporte físico, dependiendo del medio en que se encuentres los contaminantes, pueden dividirse en dos categorías. La primera es la advección, que se debe al movimiento de masa de fluidos que simplemente llevan los contaminantes con ellos. La advección vertical de aire o agua se denomina convección. El segundo movimiento de las especies químicas es el transporte por difusión o transporte de Fick, mas comúnmente considerado como difusión molecular, que consiste en la tendencia natural de las moléculas a moverse desde las regiones de alta concentración a las regiones de mas baja concentración por el movimiento aleatorio de las moléculas.

43. REACTIVIDAD La reactividad incluye reacciones químicas, procesos bióticos, la unión a superficies y la liberación de estas. Los procesos de reactividad incluye el intercambio entre fases. En el agua esta ultima puede incluir la unión de especies soluble a partículas suspendidas en el agua y, en el aire, podría incluir la evaporación y condensación de las especies. Los procesos bióticos entran en la amplia categoría de intercambio entre fases, pero cualquiera de las reacciones bioquímicas que sufren los contaminantes incorporados por los organismos, son obviamente cambios químicos.

44. Características físico-químicas de contaminantes Para entender como se comporta un contaminante en el ambiente se necesita conocer cierta información sobre las propiedades físico-químicas de la molécula y su mecanismo de transporte, así como las características medio ambientales y la geografía del lugar en el que se le encuentra. Con la gran complejidad y cantidad de datos requeridos, los científicos no siempre pueden predecir exactamente lo que ocurrirá con una partícula de contaminante cuando éste ha entrado en el ambiente . .

45. A este problema, se suma el hecho de que los datos de las investigaciones son obtenidos bajo condiciones controladas de laboratorio y con cantidades conocidas de contaminante, lo cual no ocurre en la naturaleza. • A pesar de lo complejo del problema, los científicos han logrado determinar ciertas características físico-químicas cuantificables para los contaminantes, como es la solubilidad, presión de vapor, Constante de la Ley de Henry, el Coeficiente de Carbono orgánico (Koc) y el Coeficiente de Partición Octanol-Agua (Kow). Con esta información pueden predecir el lugar donde pudiera encontrarse un plaguicida en altas concentraciones. • .

46. Por otra parte, la molécula de plaguicida no permanece intacta por tiempo indefinido en el medio ambiente, ya que con el tiempo sufre una degradación influenciada por microorganismos, actividad química, pH, clima, y contenido de materia orgánica del suelo, entre otros.

47. Todas las sustancias orgánicas son volátiles en algún grado dependiendo de su presión de vapor, del estado físico en que se encuentren y de la temperatura ambiente. La volatilidad se mi de a partir de la constante de Henry que depende de la presión de vapor en estado líquido y de la solubilidad en agua. VOLATILIZACION

48. Es una medida de la capacidad de una sustancia para volatilizarse (plaguicida). Es un determinante importante de la velocidad de volatilización al aire desde suelos o cuerpos de agua superficiales contaminados. La presión de vapor es una magnitud termodinámica que corresponde a la presión que ejerce un gas en equilibrio con su fase pura condensada mas estable a la temperatura indicada. La exigencia de equilibrio en esta definición exige que el sistema considerado sea cerrado, que es precisamente una situación que no ocurre en la naturaleza, donde todos los sistemas ambientales son abiertos. PRESION DE VAPOR

49. A pesar de ello, la presión de vapor es una magnitud que puede relacionarse con la tendencia de un contaminante a escapar hacia la fase gas. El hecho de que muchos contaminantes orgánicos tengan presiones de vapor muy bajas no significa que las pérdidas en el suelo por volatilización sean despreciables. Hay que tener en cuenta que normalmente la presión parcial del contaminante, excepto en la microcapa justo en contacto con el suelo, es prácticamente cero, con lo cual la tendencia termodinámica a la volatilización es grande..

50. La presión de vapor varía; se incrementa la presión cuando se incrementa la temperatura y disminuye cuando disminuye la temperatura. La presión de vapor se expresa usando una variedad de unidades, incluyendo los pascales (Pa), milímetros de mercurio (mm Hg equivalente a Torr), libras por pulgada cuadrada (lb/pulg) y atmósferas (atm)