CARACTERÍSTICAS DE LOS CONTAMINANTES

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL FACULTAD DE INGENIERÍA GEOGRÁFICA, AMBIENTAL Y ECOTURISMO Escuela Profesional de Ingeniería Ambiental

CONTAMINACIÓN MINERA Y DE HIDROCARBUROS

CARACTERÍSTICAS DE LOS CONTAMINANTES

DOCENTES Ing. Loroña Calderón Frank Edgar Ing. Orahulio Soto Omar

ALUMNO Echegaray Matta Jesus Manuel COD. 2013232509

Lima – Perú

2017


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INDICE DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................... 3 OBJETIVOS ................................................................................................................................................... 3 OBJETIVO GENERAL ....................................................................................................................................... 3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................................................................................. 3 CARACTERÍSTICAS DE LOS CONTAMINANTES ............................................................................................... 4 1.1. BIODISPONIBILIDAD ..................................................................................................................... 4 1.1.1. CONCEPTO .......................................................................................................................... 4 1.1.2. CUANTIFICACIÓN ................................................................................................................. 4 1.2. PERSISTENCIA .............................................................................................................................. 5 1.2.1. CONCEPTO .......................................................................................................................... 5 1.3. MOVILIDAD ................................................................................................................................. 6 1.3.1. CONCEPTO .......................................................................................................................... 6 1.3.2. MOVILIDAD EN LOS METALES PESADOS ............................................................................... 7 1.4. CARGA CRÍTICA ............................................................................................................................ 7 1.4.1. CONCEPTO .......................................................................................................................... 7 1.5. FRACCIONAMIENTO ..................................................................................................................... 8 1.5.1. CONCEPTO .......................................................................................................................... 8 1.6. ESPECIACIÓN ............................................................................................................................... 9 1.6.1. CONCEPTO .......................................................................................................................... 9 1.6.2. ANÁLISIS............................................................................................................................ 10 CONCLUSIONES .......................................................................................................................................... 12 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................................................. 13

INDICE DE ILUSTRACIONES ILUSTRACIÓN 1 | PROCESOS QUE EXPERIMENTAN LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS ............................................ 6 ILUSTRACIÓN 2 | ESTADO FÍSICO DE LOS CONTAMINANTES EN SUELO Y SEDIMENTOS........................................ 8 ILUSTRACIÓN 3 | CICLO BIOQUIMICO DEL MERCURIO...................................................................................... 10

INDICE DE TABLAS TABLA 1 | RELACIÓN ENTRE FRACCIONAMIENTO Y MOVILIDAD – DISPONIBILIDAD RELATIVA ........................... 9

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INTRODUCCIÓN Los contaminantes presentes en el ambiente contienen características que, además de poder distinguirlas en categorías, proporcionan propiedades que las hacen capaces de desarrollarse en el medio y en algunos casos aumentar su nivel de daño al estar en contacto con los cuerpos receptores. Dentro de estas características encontramos la biodisponibilidad, persistencia, movilidad, carga crítica, fraccionamiento y especiación. Se puede definir a la biodisponibilidad como la facilidad de asimilación por parte de los organismos, esta característica está relacionada a la concentración del contaminante en el medio y a la forma en la cual se encuentre, el cual es definido como fraccionamiento. La distribución en el espacio del contaminante se define como movilidad y la tendencia de este a permanecer en un medio se conoce como persistencia. Además de estas características se conoce que existe una cantidad máxima de un determinado componente que puede ser aportado al medio sin que produzca daño, esto es conocido como carga crítica. Por último, una de las características más importantes a la hora de evaluar el daño que podría producir un contaminante se define como especiación, del cual propone que en base a la forma química en la que se encuentre un componente, este podría aumentar su nivel de daño. En el presente trabajo se define con mayor detalle cada una de estas características al igual que en algunos casos se presentan las formas de análisis y cuantificación.

OBJETIVOS Objetivo General -

Definir las características de los contaminantes

Objetivos Específicos -

Definir la característica de biodisponibilidad Definir la característica de persistencia Definir la característica de movilidad Definir la característica de carga crítica Definir la característica de fraccionamiento Definir la característica de especiación

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CONTAMINACIÓN MINERA E HIDROCARBUROS

CARACTERÍSTICAS DE LOS CONTAMINANTES 1.1.

BIODISPONIBILIDAD

1.1.1. CONCEPTO En base al concepto presentado en la norma ISO/WD 11074 “Biodisponibilidad es el grado en el que un compuesto químico presente en la matriz del suelo puede ser absorbido o metabolizado por humanos o receptores ecológicos o se encuentra disponible para la interacción con sistemas biológicos”. La biodisponibilidad sería el grado de libertad en que se encuentra un elemento o compuesto de una fuente potencial para ser capturado por un organismo (ingerido o adsorbido) (Newman & Jagoe, 1994). Normalmente sólo una fracción pequeña de una sustancia potencialmente contaminante de un medio es biodisponible. Su efecto suele ser negativo, pero también puede ser indiferente para un organismo específico. (Galán Huertos & Romero Baena, 2008) La biodisponibilidad de un elemento es función de: a) la forma química y física en la que se encuentra en el medio; y b) la capacidad de los organismos para absorberlo o ingerirlo. Estos elementos pueden ser acumulados en el organismo (bioacumulación) hasta tres, cuatro o cinco órdenes de magnitud mayores que la concentración del medio donde vive. (Galán Huertos & Romero Baena, 2008)

1.1.2. CUANTIFICACIÓN El concepto cuantitativo de biodisponibilidad se desarrolla a partir de la constatación de que un incremento en la capacidad de la conversión microbiológica no conlleva un incremento de la velocidad de biotransformación del contaminante de interés cuando la transferencia de materia es un factor limitante, lo que parece constituir más la regla que la excepción en la contaminación del suelo. De esta forma, los contaminantes se hacen no disponibles cuando la velocidad de transferencia de materia es cero. (Gómez Lahoz, 2003) La velocidad qz (MT-1) con la que el contaminante es transformado puede establecerse a partir de la ecuación de Michaelis-Menten, como:

qc =qmax

Cx K m +Cc

Donde:

qmax Km

: Velocidad máxima : Constante de Michaelis Menten 4


Cx

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: Concentración del sustrato

La importancia relativa de la transferencia de materia con respecto a la actividad intrínseca de la célula puede ser cuantificada mediante el número adimensional de biodisponibilidad. (Gómez Lahoz, 2003) Bn =

k ( qmax ⁄K m )

Donde:

qmax Km k

: Velocidad máxima : Constante de Michaelis Menten

: Constante cinética de transferencia

De tal forma que cuando exista control preferente de la transferencia de materia se obtendrán valores inferiores a la unidad de este número mientras que valores superiores a 1 indicarán que el control reside en la actividad microbiológica.

1.2.

PERSISTENCIA

1.2.1. CONCEPTO La persistencia puede ser definida como la tendencia de un determinado compuesto a conservar su integridad molecular y sus características químicas, físicas y funcionales, en un medio a través del cual es transportado y distribuido, después de haber sido liberado al medio ambiente. (Navarro García & Barba Navarro , 1995) En el caso de plaguicidas, la persistencia está relacionada con la eficiencia de los procesos de transformación en condiciones naturales. (Narváez Valderrama, Palacio Baena, & Molina Pérez, 2011) En base a documentación presentada por FAO, se puede definir persistencia como la medida en términos de vida-mitad (tiempo necesario para que la concentración ambiental disminuya un 50 por ciento). La persistencia está determinada por procesos bióticos y abióticos de degradación. Los procesos bióticos son la biodegradación y el metabolismo; los procesos abióticos son fundamentalmente la hidrólisis, fotolisis y oxidación. (Clamari & Barg, 1993)

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CARACTERÍSTICAS DE LOS CONTAMINANTES 1.3.

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MOVILIDAD

1.3.1. CONCEPTO Es la capacidad del contaminante de extenderse en el suelo y hacia otros sistemas con él relacionados. La movilidad y distribución de los compuestos orgánicos está controlada por los procesos de transferencia y degradación. El desplazamiento físico de estas sustancias suele producirse durante su período de aplicación, pero también en momentos de fuertes vientos o durante las tormentas que provocan un fuerte lixiviado de las sustancias presentes en la vegetación. Las gotitas pequeñas pueden ser transportadas más fácilmente por el viento que las de mayor tamaño. Otros procesos están relacionados, generalmente, con la evolución de los compuestos orgánicos una vez que se introducen en los suelos. (Consejería de Medio Ambiente de la junta de andalucía , 2003)

Ilustración 1 | PROCESOS QUE EXPERIMENTAN LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS

FUENTE: Consejería de Medio Ambiente de la junta de andalucía

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1.3.2. MOVILIDAD EN LOS METALES PESADOS La movilidad de un metal depende no sólo de su especiación química, sino de una serie de parámetros del suelo tales como pH, materia orgánica, carbonatos, minerales de la arcilla, etc. Así, no todos los cationes de cambio están igualmente disponibles, sino que depende del mineral o minerales de los que están formando parte como complejo de cambio. No será igual si se encuentran en una esmectita o en una illita. (Galán Huertos & Romero Baena, 2008) Cuando el metal está precipitado, no se comportará igual si lo hace como carbonato, sulfato o fosfato. Tampoco será lo mismo que el metal se encuentre formando parte de un sulfuro (relativamente oxidable y solubilizable) que de un silicato (prácticamente resistente en todos los medios). (Galán Huertos & Romero Baena, 2008) En general, la movilidad de los metales pesados es muy baja, quedando acumulados en los primeros centímetros del suelo, siendo lixiviados a los horizontes inferiores en muy pequeñas cantidades. (Galán Huertos & Romero Baena, 2008)

1.4.

CARGA CRÍTICA

1.4.1. CONCEPTO En base a la terminología empleada en la Conferencia de Ministros de Países Escandinavos de 1982, se define a la carga crítica de contaminantes o carga aceptable de contaminantes, como “la máxima cantidad de un componente dado que, a largo plazo, no causa efectos dañinos sobre la estructura y función de los ecosistemas, según los conocimientos disponibles” El concepto de carga crítica ha tenido en estos pocos años un importante desarrollo. Su aplicación parte de la idea de que es posible determinar las curvas de respuesta de los sistemas naturales o, mejor, de las partes más sensibles de los sistemas naturales, frente a los diferentes contaminantes producidos por las actuaciones humanas. Esto obliga a determinar cuáles son esos elementos sensibles y a definir qué se entiende por efectos dañinos significativos, lo que no siempre resulta fácil de determinar. Sin embargo, conceptualmente queda claro que, para cada ecosistema y contaminante, la carga crítica es un punto en la curva de respuesta de los daños (efectos) frente a la adición de un contaminante a partir del cual un nuevo aporte supondría la aparición de efectos reconocibles en la estructura, composición o funcionamiento del ecosistema.

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Hay, por tanto, una interacción entre la dosis de contaminante y la naturaleza o sensibilidad de cada sistema que, a pesar de presentar una gran variabilidad espacial debido a características climáticas, biológicas, edafológicas, hidrogeológicas, etc., debe ser comprendida y cartografiada. (Macías Vasquez, Campos Arbestain, Rodriguez Lado, & Barrel Modroño, 2003) 1.5.

FRACCIONAMIENTO

1.5.1. CONCEPTO Define a la forma en el que el contaminante se encuentra en el suelo. Los contaminantes en suelos y sedimentos se pueden hallar en seis formas diferentes (Rulkens et al., 1995): como partículas (contaminantes particulados), como películas líquidas, adsorbidos, absorbidos, disueltos en el agua intersticial de los poros, o como fases sólidas en los poros. (Galán Huertos & Romero Baena, 2008)

Ilustración 2 | ESTADO FÍSICO DE LOS CONTAMINANTES EN SUELO Y SEDIMENTOS

FUENTE: Rulkens et al., 1995

Para cada caso el comportamiento del contaminante es distinto. Por tanto, el análisis químico de los elementos traza de un suelo es una medida poco representativa de la peligrosidad de los posibles contaminantes. Indica en todo caso la peligrosidad potencial o futura, pero no la actual, de los elementos determinados, siempre con referencia a ciertos valores acordados previamente, que no deben ser superados.

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Por ello, además de este análisis, se debe disponer de datos sobre cómo se encuentran estos elementos potencialmente tóxicos, tanto en su formas físicas como química, y las fracciones asimilables, que es una medida directa de la peligrosidad real. (Galán Huertos & Romero Baena, 2008)

Tabla 1 | RELACIÓN ENTRE FRACCIONAMIENTO Y MOVILIDAD – DISPONIBILIDAD RELATIVA

FORMA DEL METAL EN EL SUELO

MOVILIDAD – DISPONIBILIDAD RELATIVA

Iones simples o complejos en solución

Fácil

Cationes de cambio

Media

Metales quelatados por compuestos orgánicos

Menos disponibles

Metales adsorbidos sobre partículas del suelo

Menos disponibles

Compuestos metálicos precipitados sobre partículas del suelo

Disponibles cuando se disuelve el compuesto

Compuestos asociados o incorporados a una matriz biológica

Disponibles cuando se descompone

Metal asociado o formando parte de la estructura de un mineral

Disponible cuando se meteoriza / destruye el mineral

FUENTE: (Galán Huertos & Romero Baena, 2008)

1.6.

ESPECIACIÓN

1.6.1. CONCEPTO Según la IUPAC, la especiación química es la clara identificación y cuantificación de las diferentes especies químicas de un mismo elemento presentes en una muestra o matriz real. La suma de todas las especies debe corresponder al contenido total del elemento en la muestra estudiada1.

1

B. Michalke, Fresenius Journal of Analytical Chemistry (1999), 363, 439-445

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La especiación proporciona información respecto a la biodisponibilidad en unas determinadas condiciones medioambientales. Las diferentes especies de metales tienen un comportamiento distinto con respecto a la removilización y la biodisponibilidad. Por ejemplo la fracción de metal más móvil es la “absorbida como ion intercambiable“ lo que representa un riesgo de contaminación debido a la liberación de metales a las aguas bajo condiciones naturales

1.6.2. ANÁLISIS Para realizar un correcto análisis de la especiación de un contaminante se debe tener en cuenta: -

Una muestra: El análisis de una matriz dopada (spike) no es un análisis de especiación, sin embargo, esto no niega la utilidad de los spikes, convenientes a la hora de mostrar el comportamiento selectivo de una técnica ante diferentes especies.

-

Definir las especies objeto del análisis desde el punto de vista químico

-

Definir el marco adecuado para el grupo de especies que van a ser analizadas. No es posible determinar especies de un elemento si se intenta analizar únicamente a una especie (error muy común en el campo de especiación de mercurio, donde gran número de metodologías tratan de determinar únicamente al metil mercurio.

Otros dos parámetros a tener en cuenta a la hora de desarrollar un método de análisis de especiación son la estabilidad termodinámica y cinética. Es de vital importancia que el tiempo de análisis se ajuste al tiempo de vida de la especie que queremos analizar. El mayor problema se da en la estabilidad cinética, la cual se encuentra afectada por equilibrios ácidobase, redox y de complejación. En estos casos, pequeños cambios en las condiciones ambientales pueden modificar los equilibrios físico-químicos existentes de manera que las especies finalmente determinadas no representan a aquellas que se encontraban originalmente en la muestra. (Gaona Martínez, 2004)

Ilustración 3 | CICLO BIOQUIMICO DEL MERCURIO

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FUENTE: Modificado de Harris et ál. 2007

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CONCLUSIONES -

Se define como biodisponibilidad al grado de libertad en que se encuentra un elemento o compuesto de una fuente potencial para ser capturado por un organismo.

-

Se define como persistencia a la tendencia de un determinado compuesto a conservar su integridad molecular y sus características químicas, físicas y funcionales, en un medio a través del cual es transportado y distribuido, después de haber sido liberado al medio ambiente.

-

Se define como movilidad a la capacidad del contaminante de extenderse en el suelo y hacia otros sistemas con él relacionados. La distribución en el caso de los compuestos orgánicos está controlada por los procesos de transferencia y degradación.

-

Se define como carga crítica a la máxima cantidad de un componente dado que, a largo plazo, no causa efectos dañinos sobre la estructura y función de los ecosistemas, según los conocimientos disponibles.

-

Se define como fraccionamiento a la forma en el que el contaminante se encuentra en el suelo. Los contaminantes en suelos y sedimentos se pueden hallar en seis formas diferentes: como partículas (contaminantes particulados), como películas líquidas, adsorbidos, absorbidos, disueltos en el agua intersticial de los poros, o como fases sólidas en los poros.

-

Se define como especiación a la identificación y cuantificación de las diferentes especies químicas de un mismo elemento presentes en una muestra o matriz real.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Clamari, D., & Barg, U. (1993). Hazard assessment of agricultural chemicals by simple simulation models. Roma: FAO. Consejería de Medio Ambiente de la junta de andalucía . (2003). Contaminación de suelos por compuestos orgánicos . Andalucía . Galán Huertos, E., & Romero Baena, A. (2008). Contaminación de suelos por Metales pesados . Sevilla: Macla 10. Gaona Martínez, X. (2004). El mercurio como contaminante global. Barcelona: Universidad Autónoma de Barcelona . Gómez Lahoz, C. (2003). Biodisponibilidad, concepto y cuantificación. Sevilla: Instituto de Recursos Naturales y Agrobiológía de Sevilla. Harris , R., Krabbenhoft, D. P., Mason, R., Murray, M. W., Reash, R., & Saltman , T. (2007). Monitoring and evaluating trends in methylmercury accumulation in aquatic biota. 2007: SETAC. Macías Vasquez, F., Campos Arbestain, M., Rodriguez Lado, L., & Barrel Modroño, E. (2003). Cargas críticas de contaminantes. Santiago de Compostel: Universidad de Santiago de Compostel. Narváez Valderrama, J. F., Palacio Baena, J. A., & Molina Pérez, F. J. (2011). Persistencia de plaguicidas en el ambiente y su ecotoxicidad . Antioquia : Revista Gestión y Ambiente . Navarro García , S., & Barba Navarro , A. (1995). Comportamiento de los plaguicidas en el medio ambiente. Murcia : Universidad de Murcia .

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CARACTERÍSTICAS DE LOS CONTAMINANTES

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