CONTAMINACIÓN DEL AGUA DE MAR POR P OR HIDROCARBUROS Y METALES PESADOS
JAVIER MAURICIO GARRIDO VERGARA JULIO CESAR MONROY SILVERA
Trabajo de investigación para la materia de Oceanografía Química
Ingeniera Guisella Mayo Docente de la materia
ESCUELA NAVAL ALMIRANTE PADILLA FACULTAD DE OCEANOGRAFÍA FÍSICA CARTAGENA DE INDIAS 2012
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN
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CONTAMINACIÓN DEL AGUA POR HIDROCARBUROS
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Procesos durante un derrame de crudo en el mar Efectos de los hidrocarburos en el mar
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CONTAMINACIÓN DEL AGUA POR METALES PESADOS
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Mercurio (Hg) Cadmio (Cd) Plomo (Pb) Cromo (Cr)
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BIBLIOGRAFÍA
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INTRODUCCIÓN La cuantificación de la contaminación de las áreas marinas es de gran importancia para entender básicamente el impacto que tienen las actividades humanas en el medio. Aunque no son sólo antropogénicos los orígenes de la contaminación del medio marino, en la actualidad sí superan en mucho a los procesos contaminantes de origen natural, además de que su impacto es mucho más grave.
Actividades como la exploración y explotación del petróleo, su uso diario y transformación en gases de efecto invernadero, actividades mineras, industriales, etc., son algunas que han contribuido a que el medio marino y los seres vivos que alberga se vean amenazados.
En el presente trabajo se realiza una compilación de las principales causas y consecuencias que presenta para el ambiente marino dos de los tipos de contaminación de más relevancia: la contaminación por hidrocarburos y por metales pesados.
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CONTAMINACIÓN DEL AGUA POR HIDROCARBUROS
Los hidrocarburos se utilizan para los vehículos de combustible y edificios de calor, así como lubricar la maquinaria y bicicletas, hacer plástico, la medicina, la tinta, fertilizantes, pinturas, barnices y electricidad. El petróleo se utiliza en muchos procesos, pero no todo el petróleo es el mismo. Los tipos de petróleo pueden diferir en la viscosidad (es la resistencia al flujo, la melaza es altamente viscosa), la volatilidad (la rapidez con que se evapora) y la toxicidad (lo que es venenoso para los seres humanos y el medio ambiente). Estas tres características son muy importantes cuando los derrames de petróleo se limpian, porque las características pueden influir en el método de limpieza que se utilizará. El siguiente cuadro resume los diferentes tipos de petróleo y sus características: Tabla 1. Tipos de petróleo y sus características Tipo
Ejemplo
Densidad
Volatilidad
Combustible de avión, gasolina Diesel, no. 2, petróleo crudo ligero
liviano
alta(evapora en uno o dos dias)
liviano
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La mayoría de los crudos
Medio
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Crudos pesados, Diesel no. 6, bunker C
pesado
Moderada (deja un residuo de hasta 1/3 del total derramado hasta algunos días). Aproximadamen te 1/3 se Habra evaporado después de un dia No evaporación o disolución
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Toxicidad
Alta concentración de compuestos tóxicos solubles en agua. Moderada possible contaminación a largo plazo en regiones inter-mareales)
Limpieza
Ninguna posible Puede ser muy efectiva
Contaminación severa y a largo plazo en regiones inter-mareales; Gran impacto biológico
Muy efectiva si se lleva a cabo cuando antes.
Contaminación severa y a largo plazo en regiones inter-mareales; Gran impacto en los animales, los cuales ingerirán y se cubrirán con crudo; posible contaminación a largo plazo
Difíciles de limpiar.
La contaminación por petróleo proviene de los derrames de hidrocarburos procedentes de petroleros de gran tamaño, pero hay otras fuentes de contaminación por hidrocarburos que, colectivamente, vierten más hidrocarburos en agua que los grandes derrames de petróleo. El siguiente gráfico muestra la cantidad de contaminación por hidrocarburos, que puede provenir de varias fuentes (SDWF, 2012). 20 12).
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Figura 1. Diferentes fuentes de contaminación por hidrocarburos
Fuente: autores.
Existe una serie de procesos naturales que ocurren inmediatamente después que el petróleo se derrama en un cuerpo de agua. los cuales están relacionados con las propiedades físico - químicas del petróleo y con las condiciones climáticas existentes en el lugar del derrame. El petróleo, al ser derramado en un cuerpo de agua, comienza a sufrir cambios físicos, químicos y biológicos naturales. Estos procesos son acompañados por el esparcimiento y el movimiento, debido a oleaje, vientos y corrientes, evaporación, solución / dilución, sedimentación, dispersión en gotas y partículas, emulsificaciones, oxidación, fotoquímica, biodegradación por microorganismos, ingestión por organismos marinos y formación de bolas de alquitrán y partículas. Estos procesos incluyen: el esparcimiento de la mancha y su gradual intemperización. A continuación se muestra en forma esquemática los distintos factores y procesos que, intervienen en el comportamiento del petróleo en agua (Estrucplan Consultora, 2012):
Esparcimiento Tipo de petróleo derramado Composición química Gravedad específica Tensión superficial Viscosidad Punto de fluidez Punto de inflamación Solubilidad Tasa de esparcimiento Movimiento 5
Viento Oleaje Mareas Corrientes Despojos en flotación Intemperización del petróleo Emulsificación Petróleo en agua Agua en petróleo Evaporación Disolución Oxidación Sedimentación Biodegradación Dispersión
Procesos durante un derrame de crudo en el mar.
1. El efecto más común es la difusión del crudo sobre la superficie del agua. La mayor parte del crudo es menos denso que el agua, así que cuando hay derrame de petróleo, se propaga a través de la superficie del agua. El petróleo se propaga muy rápidamente, con aceites más ligeros, como gasolina, esparciéndose con una rapidez superior que la de los crudos pesados. Las corrientes, el viento y las temperaturas cálidas causan que el petróleo se extienda más rápidamente. Típicamente, el petróleo puede extenderse tan delgada como una capa de pintura muy rápidamente. Por esta razón, es importante que los derrames de petróleo sean controlados lo más rápidamente posible. 2. El aceite puede depositarse en el fondo del agua. Mientras que la densidad de las gamas de aceite van de 0,85 gramos por centímetro cúbico a 1,04 gramos por centímetro cúbico, la mayoría de las densidades de petróleo caen el rango de los 0,90 a 0,98 gramos por centímetro cúbico. El agua del océano tiene una densidad entre 1,02 y 1,03 gramos por centímetro cúbico, dependiendo de la concentración de sal. El agua de río, sin embargo, tiene una densidad de 1,0 gramos por centímetro cúbico. Esto significa que un aceite pesado, con una densidad de 1,01 gramos por centímetro cúbico, flotaría en el agua de mar, pero se hundiría en un río. 3. El aceite puede ser movido, con las corrientes, las mareas y el viento. Esto puede ser un problema importante en los ríos, porque 6
las corrientes pueden llevar el aceite de una gran distancia de su origen. También puede causar daños considerables en los océanos, debido a que la marea puede llevar el aceite a las playas y las zonas inter-mareales, que son especialmente sensibles a la contaminación por hidrocarburos. 4. Bacterias naturales pueden digerir los hidrocarburos y los convierte en dióxido de carbono y agua. Esto se conoce como biodegradación, y es un proceso natural que puede limpiar el agua y el sedimento después de un derrame de petróleo. 5. Algo de hidrocarburo se evapora. Hasta un 50 por ciento del volumen de los derrames de petróleo mayoría puede evaporarse. Combustibles ligeros, tales como gasolina, se evaporan casi en su totalidad dentro de uno o dos días. 6. Procesos físicos, químicos, y biológicos pueden causar que el crudo se modifique debido a su exposición a la intemperie y por tanto cambien sus características. 7. La oxidación es una reacción química que ocurre entre oxígeno e hidrocarburos, y es un proceso natural que lentamente descompone los hidrocarburos. 8. La emulsificación es la combinación de dos líquidos, cuando uno se suspende en el otro. Entre el agua y el aceite, la combinación puede ser agua-en-aceite o aceite-en-agua; agua-en-aceite es una mezcla estable y puede persistir durante años. El agua-enaceite a menudo consiste en agua del 50 por ciento a 80, y el agua aparece de color marrón rojizo y se siente grasiento, debido a la presencia de aceite (SDWF, 2012). Efectos de los hidrocarburos en el mar.
El principal y más importante efecto que tiene el petróleo sobre el mar es que impide que se realice la fotosíntesis del plancton, primer eslabón de la cadena alimentaria marina, debido a que el petróleo cubre la superficie de las aguas, formando las mareas negras, impidiendo la llegada de los rayos solares al fitoplancton, quienes son autótrofos (fabrican su propio alimento) y sirven de base de alimentación para los seres vivos marinos, por ello son tan importantes y el efecto del petróleo sobre éste es tan trascendental en la vida marina. 7
Por otro lado, los animales marinos y las aves quedan cubiertos de petróleo con lo que les impide volar o nadar libremente por lo que mueren sin más remedio (Profesorenlinea.cl, 2012). El mayor derrame de petróleo en la historia de Estados Unidos se produjo en marzo de 1989. Un buque petrolero llamado Exxon Valdez chocó contra un arrecife en Prince William Sound, Alaska, derramando más de 41,6 millones de litros de aceite. A pesar de este derrame de petróleo fue el más grande en la historia estadounidense, no fue hasta el 18 de mayor derrame de petróleo en el mundo, de hecho, de acuerdo con Oilspills.org, un derrame de petróleo más grande ocurrido fuera de la costa de Terranova, menos de un año antes de la Exxon Valdez. El mayor derrame de petróleo en el registro se produjo en el Golfo Pérsico en 1991, cuando el ejército iraquí destruyó petroleros y terminales petroleras y pozos en Kuwait. De hecho, el derrame de petróleo del Golfo Pérsico lanzó más de 37 veces más crudo en el medio ambiente que el Exxon Valdez.
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CONTAMINACIÓN DEL AGUA POR METALES PESADOS
El término metal pesado se utiliza para hacer referencia a un grupo de metales y semimetales que se caracterizan por ser peligrosos para los seres vivos y el medio ambiente (Izquierdo, 2010). La presencia de estos elementos en el medio acuático se debe principalmente a las fuentes antropogénicas, derivándose de las actividades industriales principalmente. En los cuerpos de agua oceánicos, normalmente son introducidos al medio directamente por descargas de aguas residuales de las industrias o por la escorrentía de los ríos que desembocan en las costas. Los organismos vivos necesitan concentraciones variables de elementos metálicos esenciales, como el hierro (Fe), el cromo (Cr), el cobre (Cu), el cinc (Zn), el níquel (Ni) y el cobalto (Co), y son indispensables para el correcto funcionamiento de su metabolismo celular. Sin embargo, estos mismos metales pueden resultar tóxicos para los seres vivos cuando están presentes en concentraciones superiores a las necesarias. Asimismo, existen otros elementos que no forman parte del grupo de metales esenciales y son tóxicos para los seres vivos y, en consecuencia, peligrosos para el medio ambiente en concentraciones bajas, entre los que se incluyen principalmente el cadmio (Cd), el mercurio (Hg), el plomo (Pb) y el arsénico (As) (Izquierdo, 2010). Los metales pesados que se encuentran en mayores proporciones en el medio acuático y que representan mayores peligros para los seres vivos son Hg, Cd, Pb y Cr (Villanueva y Botello, 1992). Mercurio (Hg)
El mercurio es uno de los elementos menos abundantes pero más tóxicos de la corteza terrestre. Está presente en la pizarra, el granito, la caliza, la arenisca y otras rocas, además de en distintos minerales. Tanto el contenido de mercurio presente en las emisiones volcánicas como la desgasificación de cristal, las precipitaciones de la atmosfera o la tierra mineral de la superficie y los deshechos orgánicos, junto con las
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actividades antropogénicas, aumentan el nivel de mercurio en el entorno (Cabrera-Vique et al, 2007). Los estudios indican que la contaminación del medio marino con mercurio se está incrementando a una tasa de 4.8% por año. El mercurio disuelto tiene una fuerte afinidad con la materia orgánica y sedimento suspendido, así que se puede esperar que esté unido a estas partículas en la columna de agua y subsecuentemente a acumularse en el sedimento. La contaminación con mercurio depende del pH, salinidad, concentración de sulfatos, deposición de volúmenes anormales de limos, crecimiento de algas u otra flora consumidora de oxígeno y las interferenciass humanas (Hana’a et al, 2009). interferencia La continua ingesta de de mercurio durante largos periodos de tiempo puede causar la acumulación de una concentración lo suficientemente alta para que aparezcan sus efectos seriamente tóxicos. Los peces son conocidos por acumular mercurio en grandes concentraciones en sus tejidos. Las concentraciones se incrementan por bioamplificación en la cadena trófica (Navarro, 1993), como se ilustra en la Figura 1. Figura 2. El mercurio en la cadena trófica de animales marinos
Fuente: Ground Truth Trekking
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Hasta cierto punto, todas las formas de mercurio pueden llegar a acumularse, pero el metilmercurio se absorbe y acumula más que otras formas. El mercurio inorgánico también puede ser absorbido pero por lo general en menores cantidades y con menor eficiencia que el metilmercurio (US EPA, 1997). El metilmercurio es un complejo orgànico común, y se forma cuando el mercurio elemental se libera al medio ambiente y se transforma a través de los procesos de metilación en complejos orgánicos. Esta transformación está medida por la interacción con bacterias y otros microorganismos que viven en el suelo, las aguas y los sedimentos. En comparación con otros compuestos de mercurio, la eliminación del metilmercurio en peces es muy lenta (US EPA). En concentraciones ambientales constantes, las concentraciones de mercurio en peces de determinada especie tienden a aumentar con la edad, como consecuencia de la lenta eliminación del metilmercurio y una mayor ingesta debido a los desplazamientos en los niveles tróficos que suele haber a medida que el pez va creciendo (come cada vez más peces, y las presas son más grandes) (PNUMA, 2010). Cadmio (Cd)
El cadmio es un elemento metálico, de color blanco brillante, dúctil, maleable y resistente a la corrosión. Sobre este elemento el Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente (2011) menciona: la fuente más importante de liberación de cadmio al ambiente es el empleo de combustibles fósiles, como el carbón y el petróleo, aunque también puede ser liberado durante el refinado del zinc, plomo o cobre. Las condiciones ambientales como la erosión causan el transporte de grandes cantidades de cadmio a los océanos, cuyo contenido de este metal es de 0.1 µg/kg. Los sedimentos oceánicos cercanos a las áreas de alta actividad humana pueden contener cadmio en concentraciones muy elevadas, asociadas con las descargas de desechos biológicos. La movilidad de cadmio en los ambientes acuáticos se ven reforzadas por un pH bajo, baja dureza, niveles bajos de materia suspendida, potencial redox de alta y baja salinidad. En los sistemas acuáticos, el cadmio es más fácilmente absorbido por los organismos directamente del agua en su forma iónica libre (PNUMA, 2010).
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Plomo (Pb)
Este metal no es esencial para los seres vivos, sin embargo, existe en todos los tejidos y órganos de los mamíferos. Se presenta en dos estados de oxidación Pb+2 y Pb+4, siendo el primero el que predomina en el ambiente acuático. Su cantidad aumenta en sitios donde hay descargas de lodos de plantas de tratamiento, dragado de puertos y canales de navegación o por el derrame de desechos industriales a ríos, estuarios y lagunas costeras (Villanueva y Botello, 1992). Las concentraciones de plomo, a diferencia de las de otros metales pesados, se han alterado en vastas extensiones de las aguas costeras, como resultado del consumo de derivados del plomo utilizados como aditivos antidetonantes en los motores de combustión interna. El plomo es introducido por el hombre en el ciclo sedimentario en cantidades comparables a las de los procesos procesos naturales. Los análisis de plomo en las capas de hielo de Groenlandia han indicado que la precipitación de plomo se ha multiplicado por quinientos durante los últimos dos mil ochocientos años. El tiempo de residencia del plomo en las aguas marinas se ha estimado en cuatrocientos años. Este valor relativamente bajo refleja su participación en las reacciones biológicas y su absorción por los organismos marinos. La entrada de aerosoles de plomo en aguas costeras del Pacífico, el Atlántico y el Mediterráneo ha alterado considerablemente las concentraciones de plomo en el agua superficial del mar (Fund. Mar de Chile, 2012). Cromo (Cr) El cromo se considera un metal esencial en organismos cuando se encuentra a bajas concentraciones, al aumentar éstas, el cromo VI es muy tóxico por su solubilidad y fácil penetración al interior de las células, mientras que el cromo III es insoluble y de difícil ingreso. En los ríos y océanos, está constituyendo complejos, principalmente hidróxidos en concentraciones que van de 1 a 1.5 pg/l. En aguas marinas existe el ion CrO-2 formando parte de los nódulos de manganeso. En los sedimentos costeros las concentraciones decrecen en zonas oceánicas 12
profundas, siendo de 80 µg/g para el Atlántico y de 77 µg/g para el Pacífico (Villanueva y Botello, 1992).
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