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CONTAMINACIÓN DE SUELOS
(TEXTO UNIVERSITARIO)
Calidad que se acredita internacionalmente
ASIGNATURA
2
Asignatura: Contaminación de Suelos
Universidad Continental
Material publicado con fines de estudio.
Distribución gratuita.
Quinta edición.
Huancayo, 2015
MISIÓN
Somos una universidad privada, innovadora y comprometida con el desarrollo del Perú, que se dedica a formar personas competentes, íntegras y emprendedoras, con visión internacional; para que se conviertan en ciudadanos responsables e impulsen el desarrollo de sus comunidades, impartiendo experiencias de aprendizaje vivificantes e inspiradoras; y generando una alta valoración mutua entre todos los grupos de interés.
VISIÓN
Ser una de las 10 mejores universidades privadas del Perú al año 2020, reconocidos por nuestra excelencia académica y vocación de servicio, líderes en formación integral, con perspectiva global; promoviendo la competitividad del país.
3
Asignatura: Contaminación de Suelos
PRESENTACIÓN
El texto de Contaminación de suelos estudia aspectos fundamentales del recurso
natural suelo como receptor de contaminantes, siendo el suelo componente abiótico del
ecosistema. En ese sentido el texto está organizado para enseñar al estudiante de
ingeniería ambiental, los aspectos fundamentales que implica el conocimiento, manejo,
mitigación de impactos antrópicos negativos contaminantes y la conservación de suelos.
Ello con la finalidad de utilizar este recurso en las actividades silvoagropecuaria
conservando el ecosistema y propiciando un uso sostenible del recurso. La base de su
elaboración es el texto de Mirsal. I.A.: SoilPollution, Origin, Monitoring&Remediation
(2010). Este resumen debe ser complementado con artículos científicos resultados de
trabajos de investigación así como lecturas de experiencias locales.
Para lograr estas capacidades, este curso está estructurado en 2 unidades didácticas:
La primera unidad trata de la contaminación del suelo, considerando al suelo como
receptor. Principales problemas del suelo; factores que influyen en la contaminación de
los suelos, principales contaminantes y fuentes de contaminación del suelo, efectos de
la contaminación, toxicidad, caso de contaminación de suelos.
La segunda unidad comprende el comportamiento de los contaminantes en el suelo,
incluyendo la descontaminación y depuración de suelos, efectos y tratamientos
específicos de los contaminantes del suelo; técnicas de descontaminación física,
química y biológica, biorremediación de suelos contaminados.
Estos temas se complementarán con estudios de casos, analizando trabajos de
investigación y reconocimiento de suelos contaminados o en tratamiento.
Andrés Alberto Azabache Leytón
4
Asignatura: Contaminación de Suelos
ÍNDICE
Pág.
PRESENTACIÓN 3
ÍNDICE 4
PRIMERA UNIDAD: LA CONTAMINACION DEL SUELO 5
Tema Nº 1: TIPOS DE CONTAMINANTES DEL SUELO 5
1.1 LOS METALES PESADOS 5
1.2 RESIDUOS ORGÁNICOS TÓXICOS 19
Tema Nº 2: FUENTES DE CONTAMINACIÓN DEL SUELO 25
2.1CONTAMINANTES DE FUENTES AGROQUÍMICAS 25
2.2 CONTAMINANTES DEL SUELO DEFUENTES URBANAS 39
2.3 CONTAMINACIÓN DEL SUELO A TRAVÉS DE LA GUERRA QUÍMICA 46
2.4 CONTAMINACIÓN DEL SUELO A TRAVÉS DE LA GUERRA BIOLÓGICA 48
TEMA N° 3: COMPORTAMIENTO E INTERACCIÓN DE LOS CONTAMINANTES
EN EL SUELO 51
3.1 PROCESOS FÍSICOS Y MECANISMOS DE CONTAMINACIÓN 52
3.2 RETENCION ADSORTIVA 53
3.3 RETENCION NO ADSORTIVA 70
TEMA N° 4: VOLATILIZACIÓN DENTRO DE LA ATMOSFERADEL SUELO 74
4.1 VOLATILIZACIÓN DEL AMONÍACO 75
4.2 VOLATILIZACIÓN DE PESTICIDAS 79
SEGUNDA UNIDAD. COMPORTAMIENTO DE LOS CONTAMINANTES EN EL SUELO 85
Tema Nº 5:PROCESOS RELACIONADOS A LA MOVILIDAD QUÍMICA 85
5.1 SEPARACIÓN DE FASES INMISICIBLES 86
5
Asignatura: Contaminación de Suelos
5.2 EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE 87
5.3 REACCIONES DE PRECIPITACIÓN-DISOLUCIÓN 91
Tema N° 6: PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN QUÍMICA 93
Tema N° 7: BIODEGRADACIÓN Y TRANSFORMACIONES BIOLÓGICAS 102
Tema N° 8: TRANSFORMACIONES ENZIMÁTICAS 104
Tema N° 9: TRANSFORMACIONES AYUDADAS POR ACCIÓN BACTERIANA 109
Tema N° 10: REMEDIACIÓN DEL SUELO 111
10.1 TECNOLOGÍAS DE REMEDIACIÓN 112
10.2 TECNOLOGÍAS DE REMEDIACIÓN FÍSICA Y QUÍMICA 114
10.3TRATAMIENTO BIOLÓGICO (BIOREMEDIACIÓN) 121
10.4MÉTODOS DE ESTABILIZACIÓN Y SOLIDIFICACIÓN 125
10.5TRATAMIENTO TERMAL 125 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 126
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Asignatura: Contaminación de Suelos
PRIMERA UNIDAD
LOS CONTAMINANTES DEL SUELO
TIPOS DE CONTAMINANTES DEL SUELO
Se considera como un contaminante a cualquier químico de origen natural o
antropogénico que se acumula en el medio suelo y cambia el equilibrio natural del
suelo, como un resultado de la actividad humana. Sin embargo, una sociedad
moderna, no puede desarrollarse sin el uso de compuestos naturales y sintéticos
que pueden ser agregados a los diferentes ecosistemas. El arte de salvaguardar el
medioambiente consiste en minimizar la cantidad de compuestos externos al
sistema que llegan a la superficie de la tierra y restringen tanto como sea posible
los lugares que generan contaminación controlando sus hábitos de eliminación.
1.1 LOS METALES PESADOS
Las concentraciones naturales de metales pesados en los suelos dependen
primariamente del tipo y química de los materiales parentales de los cuales se deriva
el suelo. Sin embargo, las entradas antropogénicas pueden conducir a
concentraciones que altamente exceden aquellas de las fuentes naturales. Las
concentraciones promedio de algunos metales pesados en la corteza terrestre, en
algunos sedimentos y generalmente en los suelos, se muestran en el cuadro N° 1.
Del cuadro N° 1 se puede concluir que el plomo, cadmio, estaño, y mercurio, son
los más abundantes contaminantes metálicos introducidos al suelo por actividades
antropogénicas. La concentración promedio de cadmio en los suelos es seis veces
la concentración promedio en la corteza terrestre.
7
Asignatura: Contaminación de Suelos
Los metales pesados son elementos que tienen una densidad mayor que 5 en su
forma elemental y comprenden algo de 38 elementos. Sin embargo, el término
usualmente se refiere a 12 metales que están relacionados a la industria, estos son:
cadmio, cromo, cobalto, cobre, hierro, mercurio, manganeso, molibdeno, níquel,
plomo, estaño y zinc.
El plomo es uno de los contaminantes metálicos más antiguos introducido por el
hombre en el medioambiente. Fue llamado plumbumnigrum por los romanos para
diferenciarlo del plumbumcandidum, el estaño. Las tuberías de drenaje de agua
hechas de plomo y que llevan la insignia de algunos emperadores romanos todavía
está en uso, a pesar del hecho que introducen plomo como un contaminante
peligroso dentro del suelo cuando se hacen porosos. El uso de plomo parta hacer
tuberías de agua ya no se permite debido a su efecto peligroso sobre el
medioambiente y el daño que ellos causan para los humanos. El plomo, si se ingiere
con los alimentos o el agua, causa severos daños a los sistemas nervioso, urinario
y reproductivo. Puede causar aborto en hembras y reduce la fertilidad de machos al
bajar severamente su capacidad de producción de esperma. También puede causar
anemia por obstrucción de la biosíntesis de hemoglobina.
El cadmio, un metal pesado, el cual es principalmente usado en la producción de
baterías de níquel/cadmio o en pigmentos y estabilizadores para PVC (policloruro
de vinilo); en las industrias eléctrica y metalúrgica, es uno de los contaminantes
metálicos más frecuentemente registrados. Entra al medio ambiente a través de
emisiones en la industria metalúrgica o la aplicación de fertilizantes fosfatados en la
8
Asignatura: Contaminación de Suelos
agricultura. Los detergentes y productos del petróleo pueden también contribuir a
su circulación como un contaminante ambiental.
CUADRO N° 1. Composición elemental de la corteza terrestre y sedimentos. Nota:
solo hierro y titanio están en porcentaje, todos los demás elementos están en g/g (Modificado por Salomon y Forstner, 1984).
Ele
men
to
Pro
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io
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co
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Pro
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io
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sed
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Piz
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Sed
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Are
nis
ca
Cali
za
Su
elo
Hierro 4,1% 4,1% 4,7% 6,5% 6,5% 4,8% 2,9% 1,7% 3,2%
Titanio 0,6% 0,4% 0,5% 0,5% 0,5% 0,6% 0,4% 0,03% 0,5%
Vanadio 160 105 130 120 145 170 20 45 108
Cromo 100 72 90 90 60 100 35 11 84
Níquel 80 52 68 250 35 90 9 7 34
Cinc 75 95 95 165 92 350 30 20 60
Cobre 50 33 45 250 56 100 30 5,1 26
Cobalto 20 14 19 74 13 20 0,3 0,1 12
Plomo 14 19 20 80 22 150 10 5,7 29
Estaño 2,2 4,6 6,0 1,5 2 - 0,5 0,5 5,8
Cadmio 0,11 0,17 0,22 0,42 - 1 0,05 0,03 0,6
Mercurio 0,05 0,19 0,18 0,08 - - 0,29 16 0,1
En humanos, la exposición por largos periodos al cadmio puede conducir a una
disfunción renal y enfermedades obstructivas del pulmón. Ello también está unido a
trastornos óseos tales como la desmineralización de las sustancias óseas
osteomalacia y osteoporosis.
La ingesta diaria de cadmio para humanos está estimada entre 0,15 y 1,5 g. Los
fumadores corren el riesgo de un considerable incremento: por cada cigarro, son
inhalados adicionalmente de casi 2 a 4 g de cadmio.
9
Asignatura: Contaminación de Suelos
El estaño, un metal de color blanco plateado, suave y flexible, el cual es usado
como recubrimiento y como soldadura para unir tuberías o circuitos eléctricos es,
uno de los más abundantes contaminantes metálicos producidos dentro de los
suelos. Por largo tiempo también fue usado para la producción de papel de estaño,
el cual ha sido reemplazado por aluminio. Tiene también muchas aplicaciones en la
industria tales como industria cerámica y electrónica, y aún es principalmente usado
para contenedores de acero enchapado usados para transportar alimentos y
bebidas.
La principal fuente de este mineral es la casiterita (SnO2), ampliamente presente en
la región geográfica conocida como el cinturón del estaño. Esta es una zona que
se extiende desde China a través de Tailandia, Birmania y Malasia hasta Indonesia.
Ingresa al medioambiente como un contaminante en diferentes formas, el más
peligroso de los cuales es el orgánico (estaño metilado), usado en varios procesos
industriales tales como la producción de pinturas, plásticos y pesticidas.
En humanos, la exposición prolongada a compuestos de estaño metilado,
especialmente estaño trimetil, puede causar desórdenes tan graves como la
depresión, enfermedades hepáticas, malfuncionamiento del sistema inmune y daño
cromosómico.
Los compuestos orgánicos de estaño pueden ser adsorbidos en partículas de lodos
y así encontrarse en aguas superficiales, donde pueden causar gran daño
envenenando a una gran variedad de organismos acuáticos.
10
Asignatura: Contaminación de Suelos
El mercurio también conocido como hidrargiro (líquido plateado) y
Argentumvivum (plata rápida), está caracterizado entre los metales pesados por
su bajo punto de fusión, la existencia de una serie completa de compuestos
orgánicos y la formación de amalgamas. En estado elemental, se conoce desde los
primeros tiempos de la historia.
El mercurio pasa a los suelos naturalmente a través del material parental o por
deposición de productos de meteorización transportados de rocas pre-existentes, o
a través de la actividad humana, como es el caso de la industria metalúrgica o la
deposición de productos mineros y dispositivos antiguos que tienen componentes o
partes relacionadas al mercurio. El mercurio también puede ser depositado desde
aguas ácidas.
La interacción del mercurio y otros contaminantes metálicos pesados con el
medioambiente del suelo depende de los siguientes cuatro factores:
Valores de pH y potencial redox del agua.
Actividad microbial
Concentración de cualquier material complejante y su cercanía directa.
Temperatura prevalente.
La absorción de mercurio por humanos puede ocurrir a través de la ingesta de
material contaminado o, inhalación de compuestos volátiles de mercurio (circulando
en el aire) resultado de la combustión de combustibles fósiles. Los pescados y
crustáceos que acumulan mercurio desde aguas ácidas, en forma de metal u
orgánica, puede ayudar en el transporte a los seres humanos. Esto causa severos
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Asignatura: Contaminación de Suelos
desórdenes tales como disminución en la producción de esperma y eventualmente
la esterilidad masculina, daño cromosomal y al DNA, trastornos al sistema nervioso,
y daño a las funciones cerebrales.
Además de los cuatro metales pesados anteriormente mencionados, el cobre y el
cinc proporcionan suficientes razones para preocuparnos debido a la facilidad con
que ellos pueden pasar al medioambiente y sus efectos dañinos sobre la vida
humana y animal.
El cobre es quizás el producto metalúrgico conocido más viejo y extractado por los
humanos. Su metalurgia fue ampliamente conocida alrededor de cuatro mil años
antes de la era de cristo.
El cobre es usado en muchas industrias, predominantemente para alambrado en
las industrias eléctricas, debido a su facilidad de fabricación de cables. Es también
usado en la industria metalúrgica para hacer aleaciones. Ejemplos son las
aleaciones usadas para monedas de baja denominación y aleaciones cobre-cinc
conocidas como latón. Las aleaciones cobre-cinc-estaño son muy duras y fueron
una vez usadas para hacer armas y cañones. El cobre pasa al medioambiente como
contaminantes particulados generados en el aire, como complejos orgánicos en
agua y como compuestos inorgánicos o metales. Esto está causando un estado
creciente en el contenido de cobre de los suelos y consecuentemente incrementa el
daño a los organismos del suelo. Su efecto sobre la salud humana es también
severo y algunos estudios lo relacionan a enfermedades graves y desórdenes como
daños al hígado y los riñones. Las especulaciones acerca de su rol como un agente
cancerígeno, sin embargo, aún no ha sido enfatizado.
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Asignatura: Contaminación de Suelos
El cinc, es un abundante elemento producido principalmente en los Estados Unidos,
Alemania, Gran Bretaña, Polonia y Bélgica, donde se presenta como carbonato de
cinc (ZnCO3). El cinc es principalmente usado para acero galvanizado; y también
forma un componente muy importante de muchas aleaciones. Otras importantes
aplicaciones del cinc incluyen fundiciones en la industria de automóviles, en algunos
elementos de la construcción, producción de papel fotocopia y acuarelas, para
electrodos negativos de algunas baterías, así como se usa como un activador y
catalítico en la industria del caucho. El zinc es agregado a los suelos, a través de la
meteorización de rocas y minerales que contienen zinc, o a través de actividades
humanas que incluyen la disposición de residuos industriales.
El zinc está relacionado a algunos desórdenes, tales como enfermedades del
páncreas y alteración del metabolismo.
1.1.1 LOS METALES PESADOS Y EL SISTEMA SUELO
El suelo es un sistema tridimensional compuesto principalmente de un componente
en estado sólido además de los otros dos componentes, la fase líquida y la fase
gaseosa. Los metales pesados tienen, de acuerdo a la condición física y forma
química del metal o la forma que es tomado el compuesto, un importante efecto en
cualquiera de estas fases.
La interacción de los metales con el estado sólido no ocurre aisladamente de la fase
líquida, pero el pH, junto con otras propiedades del agua del suelo, controlará la
solución, adsorción sobre la superficie sólida y factibilidad de reacciones químicas
dentro del sistema. En términos específicos la interacción de metales pesados con
el estado sólido será dentro del marco de cualquiera de los siguientes procesos:
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Asignatura: Contaminación de Suelos
ADSORCIÓN. La adsorción en el sistema suelo depende principalmente de los
parámetros físicoquímicos, especialmente el pH y el metal adsorbente. Así, nos
encontramos con que los minerales de arcilla en general adsorberán menos
cantidad de metales que los óxidos y material orgánico. La materia orgánica
disuelta puede incrementar la solubilidad de metales y activar superficies
minerales reactivas, mejorando así la adsorción.
DIFUSIÓN EN EL MATERIAL SUELO. Los iones de metales son capaces de
difundir dentro del suelo en tasas que dependerán de sus diámetros iónicos así
como del pH prevalente del medio. Sin embargo, el incremento del pH, puede
conducir a la formación de hidroxicomplejos que podrían causar un incremento
de los diámetros iónicos, disminuyendo así la tasa de difusión y por lo tanto
inmovilizando los metales pesados que van a difundir.
FORMACIÓN DE COMPLEJOS. Los iones de los metales pueden estar
coordinados a substancias orgánicas, en particular ácidos húmicos y fúlvicos.
1.1.2 TRANSPORTE DE METALES PESADOS EN EL SISTEMA SUELO
La difusión y la dispersión de metales pesados pueden ser en la forma de un
proceso de transporte activo dependiendo de muchos factores, el más importante
del cual está relacionado al movimiento y características de la solución suelo y agua
de infiltración. En resumen, estos factores son intensidad de la lluvia, evaporación,
retención de agua del suelo y propiedades hidráulicas del suelo tales como
propiedades de conductividad y difusión.
14
Asignatura: Contaminación de Suelos
1.1.3 BIODISPONIBILIDAD DE METALES PESADOS
El término biodisponibilidad representa la medida de la tasa y extensión de la
absorción de una substancia activa que alcanza el sistema circulatorio en un
organismo. En términos simples, es la medida de su absorción y circulación
sistémica por un organismo.
La absorción de metales pesados es un término que describe la entrada de estos
metales, sus sales o compuestos dentro de un organismo, como la respiración y la
absorción a través de la piel. La absorción es un proceso complejo, dependiendo
principalmente del potencial químico, que es la fuerza que hace que los iones de los
metales se muevan pasivamente a lo largo de gradientes de concentración en la
solución suelo. A lo largo de estas gradientes varias formas químicas de iones
metálicos se mueven al exterior y al interior de un organismo. Esto explica
esencialmente el proceso de absorción pasiva. Sin embargo, la absorción también
puede ocurrir de forma activa, es decir, cuando los organismos usan la fracción de
suelo conteniendo metales, en cualquier forma que pueden estar disponibles, como
alimento.
Después de la absorción, la substancia es primero distribuida y luego excretada,
almacenada o metabolizada. La excreción, almacenaje, y metabolismo, disminuyen
la concentración del compuesto químico dentro del organismo, incrementando el
potencial del compuesto químico en el medioambiente externo y finalmente, la
mejora del movimiento dentro del organismo. Esto puede conducir, si existe la
exposición medioambiental persistente, a un estado de equilibrio dinámico entre la
cantidad de producto químico acumulado dentro del organismo y la cantidad que ha
15
Asignatura: Contaminación de Suelos
salido de el. Si este equilibrio permanece sin alterarse, la cantidad de químico dentro
del organismo permanece constante. Pero si la concentración del compuesto
químico, en el medioambiente externo del organismo, se incrementa, se alterará el
equilibrio y la concentración dentro del organismo empieza una vez más a
incrementarse hasta que el sistema alcance un nuevo equilibrio dinámico. Si se
repite esta situación por largo tiempo puede conducir a concentraciones muy altas
del compuesto químico dentro del organismo, conduciendo algunas veces al
colapso del sistema seguido por severos problemas de salud o incluso la muerte.
Las elevadas concentraciones de una substancia, derivadas de los procesos
anteriormente mencionados, pueden ser temporalmente almacenadas en el cuerpo
del organismo. Una descripción del proceso en este caso simple es almacenaje,
como el almacenaje de grasa en animales hibernantes o el almacenaje de almidón
en semillas. En el caso que la concentración al interior del organismo se hiciera
anómalamente alta respecto al aire o al agua que rodean al organismo y que no
parezca de naturaleza temporal, se denomina bioconcentración o
bioacumulación. Aunque el proceso es el mismo para químicos naturales o
fabricados, el término bioconcentración usualmente se refiere a químicos extraños
al organismo. Las acumulaciones de compuestos xenobióticos en pescados y otros
animales acuáticos, después de la absorción a través de las branquias (o algunas
veces la piel), representa uno de los procesos de bioacumulación más conocidos.
La preferencia en la bioacumulación es por substancias hidrofóbicas, esto es,
substancias solubles en grasas (lipofílicas); estas tendrán la mejor oportunidad de
ser acumuladas, mientras que las solubles en agua (hidrofílicas) permanecen, en la
16
Asignatura: Contaminación de Suelos
mayoría de los casos, en la solución. Sin embargo, los metales pesados como el
mercurio y ciertos productos químicos solubles en agua forman una excepción a
esta regla, debido a que ellos se enlazan fuertemente a sitios específicos dentro del
cuerpo. Cuando sucede el enlace, aún productos químicos solubles en agua se
pueden acumular. Un ejemplo a este respecto puede ser el caso del cobalto. Este
se enlaza muy estrecha y específicamente a sitios en el hígado donde se acumula
a pesar de su solubilidad en agua. Similar proceso de acumulación son conocidos
que se presentan con el mercurio, cobre, cadmio y plomo.
La velocidad y extensión de la absorción de iones de metales pesados y el grado
de su contribución a la circulación sistémica de un organismo (biodisponibilidad)
depende de varios factores, siendo el más importante el estado de oxidación
(valencia) del ion metálico. Esto se conoce como la especiación del ion. La
especiación describe las diferentes formas químicas, es decir, los estados de
valencia del mismo elemento en la solución (es decir, FeII, FeIII o CrIII y CrVI, cada
uno de los cuales se conoce como especies del ión del mismo elemento; de ahí el
nombre). La especiación es muy importante en toxicología ambiental; ya que la
especiación puede afectar la movilidad de metales en el medioambiente, y su
toxicidad (biodisponibilidad). Un ejemplo puede darse con el cromo (Cr), la forma
hexavalente (Cr6+) es más tóxico que la forma trivalente (Cr3+), también el arsénico
trivalente (As3+) es más móvil en el medioambiente acuático que su forma
pentavalente (As5+).
Otro factor que afecta la movilidad y biodisponibilidad de metales pesados es el tipo
y naturaleza de los iones complejos. Normalmente, los complejos orgánicos de
17
Asignatura: Contaminación de Suelos
formas solubles tienen una reducida biodisponibilidad (es decir, no pueden
fácilmente ser absorbidos y tampoco pueden unirse al sistema circulatorio de un
organismo). Ejemplos de este comportamiento, son el mercurio y el arsénico. Las
formas orgánicas de ambos metales tienen diferente toxicidad respecto a los iones
inorgánicos; el mercurio orgánico es más tóxico que su forma inorgánica (es decir,
más fácilmente absorbido y entra al sistema circulatorio en los sistemas vivos); aún,
en el caso del arsénico, lo contrario es cierto. Por lo tanto, la regla es algo ambigua
y no puede ser generalizada.
Sin embargo, como una regla, todos los metales (excepto el molibdeno) son más
solubles y biodisponibles a pH bajo y por lo tanto los problemas de toxicidad
probablemente son más serios en medios ácidos,
1.1.4 EFECTOS BIOQUÍMICOS DE METALES PESADOS
Los diferentes desórdenes en la salud, causados por la larga exposición a los
metales pesados, da tal vez la falsa impresión que los metales pesados bajo todas
condiciones pueden ser perjudiciales o incluso letales para los organismos vivos.
Los metales pesados pueden, bajo ciertas condiciones, ser de gran beneficio para
animales y plantas, pues algunos de ellos son constituyentes de enzimas y otras
proteínas importantes involucradas en principales vías metabólicas. En un sentido
bioquímico, los metales pesados pueden ser clasificados en dos grupos:
A. EL GRUPO DE METALES PESADOS BIOLÓGICAMENTE ESENCIALES.
Este es el grupo también conocido como micronutrientes o elementos traza
esenciales. Ellos contribuyen a la estructura de enzimas e importantes proteínas
presentes en los principales procesos metabólicos. La deficiencia de estos
18
Asignatura: Contaminación de Suelos
elementos, bajo ciertas concentraciones críticas, conduce en condiciones
normales a serias enfermedades y disfunciones metabólicas.
B. EL GRUPO DE METALES PESADOS NO ESENCIALES. Este grupo no es
esencial, y no tiene concentraciones críticas debajo de las cuales los se
presentan desórdenes de deficiencias; en lugar de eso, pueden ser tóxicos a
los organismos si las concentraciones van más allá de un límite dado. La
toxicidad de estos elementos se presenta debido a la alteración del metabolismo
por reemplazo de los metales esenciales en enzimas o reaccionando con el
grupo fosfato en ADP y ATP. Ejemplos de estos casos son el arsénico, cadmio,
mercurio, plomo, plutonio, antimonio, talio y uranio.
FIGURA N° 1. Representación diagramática de la clasificación bioquímica de los metales pesados.
CLASIFICACION ELEMENTOS
ESENCIALES
PARA ANIMALES Co, Cr, Se, I
PARA PLANTAS B, Mo
PARA PLANTAS Y ANIMALES Cu, Mn, Fe, Zn
NO ESENCIALES As, Cd, Hg, Pb, Pu, Sb, Tl, U
1.1.4 PRINCIPALES ACCIDENTES AMBIENTALES RELACIONADOS A
METALES PESADOS
1.1.4.1EL DESASTRE DE MINAMATA. 1950-1956
Al inicio del año 1950, cuando la producción de acetaldehído estuvo en auge para
satisfacer las necesidades del mercado mundial de plásticos, una misteriosa
enfermedad causaba un extraño comportamiento en animales, especialmente en
19
Asignatura: Contaminación de Suelos
gatos, empezando a preocupar a la población del pequeño pueblo de Minamata en
el sur de Japón. La pérdida de coordinación motora causó que los gatos se muevan
de una manera anormal que causó que caigan al mar y mueran. Los pobladores
empezaron a llamarlo el síndrome del suicidio de los gatos e incluso la enfermedad
del baile de los gatos. Conforme pasaba el tiempo, empezaron a morir gran cantidad
de peces en la bahía de Minamata, seguido por lo que pareció ser una transferencia
de la enfermedad a los humanos. Los efectos fisiológicos, incluyendo la pérdida
sucesiva del control motor, fue desvastadora, y resultó algunas veces en parálisis
parcial y cuerpos contorneados. A este serio desarrollo se le restó importancia de
parte de las autoridades locales y la ChissoCorporation, el propietario de la fábrica
que producía acetaldehído cerca de la ciudad. Nadie parecía conectar esta
misteriosa enfermedad con el derrame de residuos industriales al mar. No fue hasta
antes de 1956, después que la enfermedad empezó a tomar escala epidémica entre
los humanos, que se identificó como envenenamiento por metales pesados causado
por el drenaje industrial de residuos líquidos conteniendo mercurio dentro de la
bahía. Los resultados de las investigaciones mostraron que el HgSO4 que llegó a la
bahía en el drenaje de efluentes industriales fue primero precipitado como HgS, el
cual fue posteriormente metilado a través de la acción biológica de bacterias en los
sedimentos para formar CH3Hg+. Esta forma de mercurio (monometil), lipofílico y
fácilmente biodisponible para los seres vivos en el mar, fue bioacumulado por los
peces y otros organismos del mar. Desde que los residentes de Minamata se basan
casi exclusivamente en el pescado y otros organismos acuáticos como fuente de
proteínas, el mercurio orgánico fue transferido a sus cuerpos, desencadenando el
desastre.
20
Asignatura: Contaminación de Suelos
El mercurio es una neurotoxina, que tiene efectos teratogénicos (malformaciones
congénitas), causando defectos derivados del daño a células fetales o embriónicas,
y esto fue quizá porque la que se presentó como síntomas extraños y desórdenes
de salud que aparecieron en las cercanías de Minamata.
1.2 RESIDUOS ORGÁNICOS TÓXICOS
Las propiedades moleculares de los productos químicos orgánicos, en particular la
estructura electrónica, la solubilidad en agua, y la habilidad para volatilizarse, son
de gran importancia en definir su comportamiento en el suelo. Por ejemplo, la
habilidad de las moléculas para ionizarse es la razón primaria porque muchas
interacciones de compuestos orgánicos tóxicos con los suelos son dependientes
del pH. Para compuestos no iónicos, la solubilidad acuosa (propiedad hidrofílica) es
GRÁFICO N° 1. El mapa de Japón
21
Asignatura: Contaminación de Suelos
el parámetro molecular más importante correlacionado con la adsorción, pues, en
general, los compuestos químicos no iónicos altamente solubles exhiben baja
afinidad a la superficie del suelo, mientras que los compuestos químicos de baja
solubilidad tienen alta afinidad con la superficie del suelo. También hay otras
propiedades moleculares relevantes al comportamiento químico en el suelo, tales
como forma, tamaño, configuración, polaridad y polarizabilidad, acidez o volatilidad.
No es mi objetivo referir las propiedades de los compuestos químicos orgánicos
tóxicos que tienen el potencial de ser contaminantes de los suelos. Hay cientos o
miles de productos sintéticos que, como resultado de una degradación química y
biológica, pueden ser transformados en nuevos compuestos, y es casi imposible
resumir sus propiedades. Para fines de la asignatura, se agruparán los potenciales
contaminantes orgánicos del suelo como pequeñas y macromoléculas, y para cada
grupo se discutirá aquellas propiedades fisicoquímicas relevantes a su
comportamiento en el suelo.
1.2.1 PEQUEÑAS MOLÉCULAS ORGÁNICAS
Son compuestos químicos orgánicos caracterizados por pequeñas moléculas que
llegan a la superficie del suelo principalmente como resultado de prácticas de
protección de cultivos o durante la eliminación de residuos industriales. Los
compuestos químicos para la protección de cultivos son aplicados directamente al
suelo o llegan al suelo como aplicación por aspersión a los cultivos. En este caso,
estaríamos tratando con una contaminación de fuente no puntual, mientras en el
caso de residuos industriales, el lugar de contaminación es un punto fuente bien
definido. Cuando estas sustancias llegan al suelo, se presentan diferentes procesos
22
Asignatura: Contaminación de Suelos
de degradación y transferencia y las propiedades químicas del compuesto, tales
como la estructura molecular, carga iónica y ionizabilidad, polarizabilidad,
volatilidad, y solubilidad en agua, determinarán que procesos predominan.
1.2.1.1PESTICIDAS
Uno de los compuestos más representativos del grupo de las pequeñas moléculas
orgánicas contaminantes son los pesticidas.
Moléculas orgánicas catiónicas. Los herbicidas bipiridilo tales comodiquat y
paraquat son los principales compuestos de este grupo. Aquellos herbicidas que
pertenecen a la clase de amonio cuaternario bipiridilo están caracterizados por una
carga positiva y son compuestos heterocíclicos. Diquat y paraquat, los dos
herbicidas de este grupo, son principalmente herbicidas de contacto, pero también
pueden ser usados como biocidas acuáticos. Están disponibles comercialmente
como sales de dibromuro y dicloruro, y están caracterizados por su alta solubilidad
en soluciones acuosas, donde se disocian fácilmente para formar cationes
divalentes. Diquat y paraquat no son volátiles y no escapan como vapor del sistema
suelo o sistemas acuáticos. Son fácilmente fotodescompuestos por la exposición a
la luz del sol o ultravioleta, pero no son fotodescompuestos cuando se adsorben a
la materia orgánica particulada. Estos compuestos son capaces de formar
complejos de transferencia de carga bien definidos con fenoles y muchas otras
moléculas donantes de electrones.
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Asignatura: Contaminación de Suelos
GRÁFICO N° 2. Moléculas orgánicas catiónicas.
Moléculas orgánicas básicas. Varios miembros de la familia s-triazina fueron
seleccionados como ejemplos típicos de compuestos básicos. Las triazinas son
derivados del nitrógeno heterocíclico, la estructura de red está compuesta de
átomos de nitrógeno y carbono. La mayoría de triazinas son simétricas. El sustituto
en las posiciones R1 determina la terminación del nombre común. Con el átomo de
cloro, el nombre común termina en –azina, con grupos metiltio, -tryn; y con grupos
metoxil (-OHC3) –ton. La solubilidad de los compuestos está determinada por el
sustituto en R1; con la sustitución de –OHC3 resulta en la más alta solubilidad. La
presencia de átomos de nitrógeno ricos en electrones confiere a las s-triazinas la
habilidad de donar electrones, esto es, basicidad débil, y la capacidad de interactuar
con moléculas aceptoras de electrones, dando lugar a complejos de electrones
donante-aceptor (transferencia de carga).
Las triazinas simétricas tienen baja solubilidad en agua, la 2-cloro-s-triazina son
menos solubles que los análogos 2-metiltio y 2-metoxy. La solubilidad en agua se
incrementa a valores de pH donde se presenta fuerte protonización, esto es, entre
pH = 5,0 y 3,0 para 2-metoxy y 2-metiltio-s-triazina, y a pH = 2,0 o más bajo para 2-
cloro-s-triazina. Las modificaciones estructurales de los reemplazantes afectan
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Asignatura: Contaminación de Suelos
significativamente la solubilidad en todos los niveles de pH. Las s-triazinas, y
especialmente las cloro-s-triazinas son parcialmente fotodescompuestos en
sistemas acuosos por radiaciones ultravioleta e infrarroja, incluyendo la luz solar,
mientras que los compuestos sustituidos por metoxy no son fotodegradables. La
mayoría de s-triazinas son relativamente volátiles, de tal manera que pueden
perderse de sistemas suelo y sistemas acuáticos por procesos de volatilización.
GRÁFICO N° 3. Moléculas orgánicas básicas.
Moléculas orgánicas ácidas. Este grupo de compuestos comprende varias
familias de compuestos químicos, incluyendo fenoles sustituidos, ácidos alifáticos
clorinados, ácidos clorofano-oxialcanoico, y ácido benzoico sustituido, que poseen
grupos funcionales fenólicos o carboxilos capaces de ionizarse en medio acuoso
para dar especies aniónicas. Estos compuestos varían desde ácidos fuertes
provenientes del ácido tricloroacético (ATC) hasta ácidos relativamente débiles
como el 4-(4-cloro-o-a-liloxy) ácido butírico. Por ejemplo, los herbicidas benzoicos
son derivados del ácido benzoico que contiene átomos de cloro, metoxy, o grupos
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amino. En general, los herbicidas benzoicos son aplicados a las plantas y al suelo.
Dicamba y 2,3,6 TBA son dos herbicidas benzoicos con estructura química similar.
2,3,6 TBA es el nombre común para el ácido 2,3,6-triclorobenzoico. En dicamba, el
átomo de cloro en la posición N° 2 es reemplazado por un grupo metoxy (-OCH3).
Los ácidos alifáticos clorinados muestran la más alta solubilidad en agua y la mas
fuerte acidez entre este grupo de compuestos químicos, propio del efecto inductivo
electronegativo fuerte de los átomos de cloro que reemplazan el hidrógeno en el
canal alifático de estos ácidos.
GRÁFICO N° 4. Moléculas orgánicas ácidas.
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