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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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.

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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

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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

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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

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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.

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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

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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

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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.

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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

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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

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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)

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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