20/08/2010
1
Transformacin de Contaminantes
en el medio ambiente
Ciclos Biogeoqumicos. Especiacin.
Disponibilidad Biolgica y Toxicidad
Dr. Edilberto Guevara Prez
Transformacin de
Contaminantes en el medio
ambiente
Ciclos Biogeoqumicos
Especiacin
Disponibilidad Biolgica y Toxicidad
20/08/2010
2
Objetivos
Describir los procesos de transformacin
que influyen en el flujo de materiales en
los ecosisitemas.
Analizar la movilidad de compuestos
orgnicos e inorgnicos en el medio
ambiente.
Flujo de Materiales en los Ecosistemas
Bajo las condiciones fsicas adecuadas, los organismos solo requieren:
1. Energa
2. Compuestos qumicos
La energa fluye a travs de los ecosistemas disipndose en forma de calor
Los compuestos qumicos se utilizan una y otra vez, es decir CIRCULAN Y SE RECICLAN
20/08/2010
3
Los elementos qumicos que
constituyen los seres vivos
Macronutrientes
Principales
Macronutrientes
Secundarios
Micronutrientes
Carbono
Hidrgeno
Nitrgeno
Oxgeno
Fsforo
Calcio, Cloro
Cobre, Hierro
Magnesio
Potasio
Sodio
Azufre
Aluminio, Boro
Bromo, Fluor
Yodo,Manganeso
Selenio, Silicio
Titanio, Estroncio
Vanadio, Zinc
En teora, los elementos qumicos no se deberan encontrar en poca disponibilidad en los ecosistemas ya que se hallan en
circulacin continua.
En la prctica, la disponibilidad de un compuesto est limitada por:
Su forma qumica
Su localizacin fsica
El ritmo al que circula
20/08/2010
4
Circulacin de los Materiales
Los elementos se mueven de un compartimiento a otro en el medio ambiente en forma cclica
La ciclos pueden ser largos y complejos o cortos y simples
La rapidez o tasa de circulacin es un factor importante en el funcionamiento de los ecosistemas
Los seres vivos son parte importante de los ciclos ya que actan como intermediarios en el movimiento de elementos qumicos de un compartimiento a otro
De los 30 elementos qumicos que abundan en la naturaleza, 5 tienen gran importancia ambiental:
C, O, N, P y S
Carbono
El C es necesario en grandes cantidades como
elemento bsico de toda la materia orgnica
La fuente de C es el CO2, el cual se trasforma en
compuestos orgnicos por medio de la fotosntesis
En la naturaleza, el movimiento del C es desde el
CO2 atmosfrico a las plantas verdes y de ah a los
consumidores, continuando a los microorganismos
que descomponen la materia orgnica
20/08/2010
5
Ciclo del Carbono
Incluye fotosntesis y respiracin
Ambos procesos son importantes para los
balances energticos de los ecosistemas, la
produccin primaria y los niveles de oxgeno en
lagos y ros
La liberacin de CO2 por medio de la combustin
de fsiles contribuye con los cambios climticos
El ciclo de carbono es un factor fundamental del
aspecto bioqumico del tratamiento de aguas
residuales
Fuente: Henry & Heinke, Ingeniera Ambiental, 1999
20/08/2010
6
Ciclo del Oxgeno
El ciclo del O2 y el del Carbono se
encuentran estrechamente ligados
La fuente mas importante de O2 es la
fotosntesis y el principal sumidero de ese
mismo gas es la respiracin
Hoy en da el ozono forma parte del ciclo
del O2 y recibe especial atencin por su
contribucin en la formacin del smog
http://www.lenntech.com/espanol/ciclo-oxigeno.htm
Ciclo del Oxgeno
20/08/2010
7
O2 CO2
CO2
O2
CO2
O2 O2
CO2
Atmsfera
carbonatos
Ciclo del Oxigeno
Combustibles fsiles Rocas
Nitrgeno
Es un elemento crtico para todas las formas de vida; sin un suministro continuo de N la vida en la tierra dejara de existir
En suelos y sedimentos, el N existe como amoniaco, nitrato, N orgnico en plantas y N orgnico en protenas
El N se introduce en la cadena alimenticia cuando las plantas lo adsorben del suelo en forma de nitrato o como in amonio
El ciclo del N es complejo, en el mismo actan diferentes tipos de bacterias, cada grupo con una funcin especfica
20/08/2010
8
Ciclo del Nitrgeno
Procesos
Fijacin de Nitrgeno: Los microorganismos del suelo en simbiosis con plantas leguminosas utilizan el N del para transformarlo en compuestos orgnicos
Acumulacin: Es la conversin de amonaco a N orgnico en protenas por la accin de bacterias
Amonificacin: Mediante este proceso las protenas y otros compuestos de N son trasformados a amonaco
Hidrlisis de urea: En presencia de la enzima ureasa, la urea se convierte en iones amonio
Nitrificacin: El amonaco se oxida a nitrito y luego a nitrato. La nitrificacin es realizada por dos grupos de bacterias: nitrosomas y nitrobacter
Denitrificacin: Ocurre en condiciones anxicas en sedimentos y suelos; los nitratos actan como aceptores de electrones y se reducen para formar N2, N2O, NO y NO2
Fijacin de amonaco: Involucra la adsorcin de iones amonio en el suelo
Volatilizacin: En suelos de pH elevado, el in amonio se convierte en amonaco gaseoso el cual pasa al aire
20/08/2010
9
Ciclo del Nitrgeno
http://www.lenntech.com/espanol/ciclo-nitrogeno.htm
Fsforo
El P es de especial inters por ser el nutriente que limita el crecimiento vegetal en los lagos
Las descargas excesivas de P originan la proliferacin de algas, inhabilitando los lagos
Las aguas residuales domsticas sin tratar contienen de 5 a 15 mg de P/l, concentraciones muy superiores a las deseables en un cuerpo de agua
Por lo tanto, la remocin de P es casi siempre una etapa del tratamiento de aguas residuales
20/08/2010
10
Ciclo del Fsforo
Organismos biolgicos
P orgnico particulado
Fsforo inorgnico
disuelto
Depsitos de
fosfato
superficiales
Fsforo disuelto
aguas profundas
Depsito de fosfato
aguas profundas
Asimilacin Descomposicin
Fuente: Henry & Heinke, Ingeniera Ambiental, 1999
Azufre
El ciclo del S est ligado al ciclo de C y en
parte lo realizan los microorganismos
El S llega a lagos y ros incorporado en
compuestos orgnicos y en forma de
sulfatos
El SO2 en el aire se oxida a H2SO4 y
regresa a la superficie como deposicin
acida
20/08/2010
11
Azufre
En condiciones anaerobias se produce H2S,
por la descomposicin de aminocidos y la
reduccin de sulfatos:
2C(H2O) + SO42- +2H+ H2S +2CO2+H2O
El H2 S genera malos olores y es txico
para la vida acutica
En presencia de O2, el H2S se oxida a
sulfato
Ciclo del Azufre
S orgnico
Sulfuro
S
elemental
Sulfato
Asimilacin
OxidacinOxidacin
Degradacin
Bacterias auttrofas
Bacterias fotosintticas
Oxidacin de sulfuro
Reduccin de sulfatos
R-SH
SO42-
So
S2- HS- H2S(liq) H2S g
Mihelcic, 2001
20/08/2010
12
Transporte y Transformacin del SO2
Oxidacin de S en
Procesos de combustin
Combinacin del N2 y O2 en el aire
H2SO3-
HNO3 NH4+
SO32-
SO42- NO3
-
CO2
SO2
NO
NO2 O + O2 O3
Deposicin secaDeposicin hmeda
SO2NO2
HNO3
SO42-
NO3-
Ciclo Combinado
Aerobio
Productos
Iniciales
Compuestos de
N,C,S
Plantasproteinas,
grasas, CarbosProductos finales
estabilizados
Productos
intermedios
NH3
CO2
H2S
NO2-
CO2
S
Animales
Proteinas
grasas
Desechos
Orgnicos
muertos
O2
CO2
O2
CO2
NO3-
CO2
SO42-
Descomposicin
Vesilind & Peirce, 1984
20/08/2010
13
Ciclo Combinado
Anaerobio
Productos
Iniciales
Compuestos de
N,C,S
Plantasproteinas,
grasas, CarbosProductos finales
estabilizados
Productos
intermedios
Acidos org.
CO2
H2S
NH3
CO2
Sulfuros
Animales
Proteinas
grasas
Desechos
Orgnicos
muertos
O2
CO2
O2
CO2
NH3
CO2
CH4
H2S
Descomposicin
Vesilind & Peirce, 1984
Importancia de los ciclos
Los ciclos biogeoqumicos desempean una funcin importante en la calidad del agua de los lagos
En zonas templadas, los lagos experimentan una estratificacin trmica 2 veces al ao
La estratificacin influye en la circulacin de nutrientes y otras sustancias y afecta la calidad del agua
La reduccin del OD es uno de los problemas de calidad de agua mas comunes en lagos; en el Lago de Valencia ocurre en febrero-marzo.
20/08/2010
14
Conceptos bsicos sobre movilidad
de contaminantes en el medio
ambiente
Especies qumicas
en solucin
Solutos
1 Ao 1nm Coloides0.45 m
Partculas1 m
Orgnicos
Aminoacidos
Proteinas
Polisacaridos
Acidos hmicos
Inorgnicos
Aniones
Cationes
OH HCO3 SO4Cl Na Ca K
Comp. Orgnicos
adsorbidos
arcillas
carbonatos
Sales metlicas
fosfatos
Fex(OH)
FeOOH
MnO2
Virus
Bacterias
Algas
20/08/2010
15
Ion acuosoLos metales en soluciones acuosas reaccionan con molculas
de agua para formar complejos de coordinacin con el metal en
el centro rodeado de seis molculas de agua.
ComplejoUsualmente se forma por un enlace covalente entre un in
metal y un ligando que dona electrones.
Chelatos o Quelatos.Son complejos coordinados que tienen varios ligandos
ESPECIES QUIMICAS
Complejos de coordinacin
Un complejo coordinado se forma cuando un catin se
combina con una molcula o un anin que posee un par de
electrones libres; la unin puede ser mediante enlace
covalente o electrosttico.
Ejemplos: CuCO3, Cu(NH3)42+, Cu(CH3COO)
+
Ligandos
El anin o molcula que se une al catin recibe el nombre de
ligando. El tomo involucrado directamente en la coordinacin
se denomina tomo ligando.
Ejemplos : CO32-, NH3, CH3COO
+
ESPECIES QUIMICAS
20/08/2010
16
Disponibilidad Biolgica
La disponibilidad biolgica se define comola cantidad o concentracin de una especie qumica que puede ser asimilada por los organismos
Es funcin directa de las especies inicaspresentes.
Por ejemplo, el efecto del Cu sobre el crecimiento de algas depende de la presencia del in libre Cu +2
Toxicidad
La toxicidad se refiere al dao de la funcin
biolgica de un organismo causada por la
ingestin de un compuesto
La toxicidad no puede ser cuantificada si no
se conoce la concentracin de todas las
especies presentes en el medio ya que no
todas las especies tienen igual efecto
sobre un mismo organismo
20/08/2010
17
Bioacumulacin
Contaminantes
DegradablesPersistentes
MovilidadBiomagnificacin
Persistencia Ambiental
Es la tendencia de una sustancia qumica a permanecer en el medio ambiente, debido a su resistencia a la degradacin qumica, fotoqumica o biolgica asociada a los procesos naturales.
Las sustancias con una vida media corta (pocos das) no producen una acumulacin significativa; por el contrario, una sustancia con una vida media mayor puede resultar en una exposicin sustancial o acumulacin en la cadena alimenticia.
Cuanto ms persistente sea una sustancia, mayor ser su peligrosidad, ya que aumentan las probabilidades de que se movilice en el ambiente y de que interacte con los seres vivos antes de degradarse.
20/08/2010
18
Persistencia en suelos
Las caractersticas del suelo que afectan a la persistencia de las sustancias txicas son:
El tamao de las partculas
El contenido de materia mineral y orgnica
La concentracin de in H+
La actividad microbiolgica.
Depende del tipo de contaminante ya que si ste se
degrada rpidamente, no hay tiempo de que se movilice en
el ambiente.
Otros factores importantes son: la volatilidad y solubilidad
de la sustancia
Cuando estas tres condiciones persistencia, volatilidad y solubilidad- se cumplen, la sustancia se evapora en el
medio ambiente y se integra a los ciclos biogeoqumicos,
en especial, el del agua.
Si la sustancia no se degrada, hay mayor tendencia al
transporte
Movilidad Ambiental
20/08/2010
19
Bioconcentracin/
Bioacumulacin
Existen sustancias que tienen ms afinidad con tejidos
de organismos que con el agua, por lo que pueden
alcanzar concentraciones ms elevadas en
organismos que en agua.
Esta capacidad se conoce como Bioconcentracin o
Bioacumulacin y depende, fundamentalmente, de
algunas propiedades fisicoqumicas de la sustancia
como la solubilidad en agua
BIOACUMULACION
Fenmeno por el cual organismos que viven en un medio que contiene una concentracin relativamente baja de un compuesto qumico pueden acumular en sus tejidos, a veces, dicho compuesto, alcanzando concentraciones considerablemente mas altas que las existentes en el medio
Acumulacin de concentraciones cada vez mayores de sustancias txicas en el organismo. Ocurre en el caso de las sustancias que ingeridas, no son excretadas ni descompuestas (sustancias no biodegradables).
Ramirez y Gonzalez, (2005). Diccionario de Ciencias Ambientales y Desarrollo
Sostenible. Editoria CEC S.A., Caracas
20/08/2010
20
Bioconcentracin/
Bioacumulacin
Por ejemplo, cuando la concentracin de una sustancia es ms alta en los peces adultos que en los jvenes del mismo sitio, se dice que hay bioacumulacin.
La tendencia de una sustancia a bioacumularse se relaciona con las caractersticas hidrofbicas o lipoflicas, por lo que la prediccin de algunos valores de bioacumulacin se basan en el coeficiente de particin octanol / agua (Kow), el factor de bioconcentracin as como otras caractersticas fisico-qumicas.
Biomagnificacin
Es la tendencia de algunos productos qumicos a acumularse a lo largo de la cadena trfica, exhibiendo concentraciones sucesivamente mayores al ascender el nivel trfico.
La concentracin del producto en el organismo consumidor es mayor que la concentracin del mismo producto en el organismo consumido.
Este proceso es de gran importancia para el comportamiento ambiental y los efectos indeseables de los contaminantes persistentes, en especial, para los organismos de los niveles trficos elevados.
20/08/2010
21
Biomagnificacin
Entre las sustancias persistentes con tendencia a la bioacumulacin y /o biomagnificacin se tienen los metales pesados y los compuestos orgnicos persistentes (COP)
Los metales y otros txicos sufren procesos de transformacin cuyos productos son mas peligrosos que los iniciales; ejemplo la metilacin del mercurio
Algunos compuestos orgnicos como el DDT se degradan muy lentamente dando lugar a compuestos an mas peligrosos
Algunos grupos de plaguicidas y ciertas sustancias xenobiticas de uso industrial, como los BPC, tambin son ejemplos tpicos de este fenmeno.
Movilidad del P en suelo
A pH elevados (suelos calcreos), el P
precipita en combinacin con el calcio
En suelos arcillosos y de alto contenido de
materia orgnica, de pH menor que 7, el P
reacciona con los iones Fe y Al presentes
Las concentraciones de P en sedimentos
son muy bajas ya que cualquier exceso es
fijado (adsorbido) por las partculas del suelo
20/08/2010
22
Fsforo en el suelo
En sistemas naturales, P ocurre como ortofosfato
(PO43-) en forma orgnica e inorgnica
Las plantas y los residuos de materia orgnica
son las fuentes principales de P orgnico; el P
inorgnico proviene del mineral apatita
La movilidad del P en suelos es limitada debido a
que forma complejos con arcillas y materia
orgnica
Que pasa con los metales
en el medio ambiente?
Muchos ros y lagos tienen una capacidad
natural para reducir la toxicidad de los
metales por medio de la adsorcin,
precipitacin y complejacin
20/08/2010
23
Metales Pesados
Incluyen metales como Al, Cd, Cr, Cu, Fe, Ni, Hg, muchos de ellos tienen efectos txicos en los seres vivos (Hg, Cr, Pb)
Los metales pesados ingresan al medio ambiente por medio de efluentes industriales y actividades mineras
Las formas mas comunes son: in libre, in par y complejos inorgnicos, complejos orgnicos, coloides, iones adsorbidos en coloides y partculas
Toxicidad de Metales en Agua
Para medir el efecto toxicolgico de un metal es necesario determinar la concentracin total y la fraccin del metal
presente como in libre
Esta ltima puede traspasar las membranas celulares por lo que se considera disponible biolgicamente
La cantidad de metal transportada a travs de membranas biolgicas es proporcional a la actividad de los radicales
libres en solucin (modelo de actividad inica libre)
20/08/2010
24
Precipitacin y Complejacin de
Metales
Oxidacin de especies reducidas. Ej: Fe, Mn, S
Reduccin de metales de alta valencia por
interaccin con la materia orgnica. Ej: Se, Ag
Reduccin de sulfatos. Ej: Fe, Cu, Ag, Zn, Hg, Ni
Precipitacin de metales a pH altos. Ej: Fe, Mn, Zn
Adsorcin de iones metlicos sobre arcillas,
materia orgnica y xidos de hierro y manganeso
Intercambio inico
Estos procesos ocurren principalmente en suelos y sedimentos
METAL
Complejos
metlicos
inorgnicos
Complejos
metlicos
coloidales
Slidos suspendidos
SEDIMENTOS
Fe/ Mn xidos hidratados
Partculas orgnicas de
Alto peso molecular
Ligandos inorgnicos,
comp. Orgnicos de
Bajo peso molecular
sedimentacinresuspensin
adsorcinadsorcin adsorcin
Adsorcin/desorcin, desprendimiento de metales
por descomposicin de materia orgnica
Flu
jo d
e F
e y
Mn
y o
rga
nic
os
de
alt
o P
M
Flu
jo d
e o
rg
nic
os
de
bajo
PM