microbiologÍa ambiental
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MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL
LOS MICROORGANISMOS
Un microorganismo, también llamado microbio u organismo microscópico, es un ser vivo que sólo puede visualizarse con el microscopio.
La ciencia que estudia a los microorganismos es la microbiología. Son organismos que poseen una organización biológica elemental.
Actualmente, el conocimiento microbiológico se ha especializado tanto que lo encontramos divididos:
La microbiología médica estudia los microorganismos patógenos y la posible cura para las enfermedades que producen, la inmunología averigua las causas de la aparición de las enfermedades desde una perspectiva inmunológica.
La microbiología ecológica estudia el nicho que le corresponde a los microorganismos en el medio.La microbiología agrícola las relaciones existentes entre plantas y microorganismos, y la biotecnología los posibles beneficios que puede llevar para el hombre la explotación de microbios.
UBICACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS EN EL MUNDO VIVO
¿Cómo afectan los microorganismos nuestra vida?
Diversos tipos de microorganismos son causantes de enfermedades de plantas y animales y al igual que nosotros. Los microorganismos abundan casi en cualquier lugar, así que permanentemente estamos expuestos a un contagio.
Afortunadamente el organismo cuenta con un sistema de inmunidad formado por un ejército de células que se encargan de eliminar a todo intruso que penetre nuestro organismo. La inmunidad puede inducirse mediante las vacunas.
Los microorganismos también pueden afectarnos:
En el aspecto económico ya que le producen enfermedades a los animales y a las plantas dañando las cosechas.
A las clases de ganados y otros animales domésticos que sirven como fuente de alimento y que son nuestra principal fuente de comercio a nivel mundial.
CONCEPTOS
• Microbiología • Ecología microbiana• Reconocimiento del aporte de los organismos al mantenimiento del equilibrio ecológico.
DESARROLLO HISTÓRICO
60´s: Calidad ambiental incrementa su importancia DesarrolloÓptica carácter económico (calidad de vida)
Modificación- Deterioro Medio Ambiente- Degradación de suelos- Cambios Atmosféricos- Pérdida Biodiversidad
Explosión demográfica Agotamiento de los recursos no renovables
Prescripción constitucional estado y la sociedad civil deben proteger el medio ambiente.Protección de elementos:
Diversidad biológica, patrimonio genético, ciertas zonas geográficas y áreas naturales protegidas.
Protección patrimonio cultural. Responsabilidad por el daño ambiental.
1970: Importancia de los microorganismos en la naturalezaAprovechamiento de sus cualidades metabólicas en el mantenimiento y restauración del medio ambiente
CAMBIO DE ACTITUD
LEGISLACIÓN
CREACIÓN DE INSTITUCIONES AMBIENTALES REGULADORAS
1970: AGENCIA DE PROTECCIÓN AMBIENTAL- EPA
CONCEPTOS ECOLÓGICOS Y DE SISTEMAS
Los organismos vivos no existen en forma aislada. Actúan entre sí y sobre los componentes químicos y físicos del ambiente inanimado.
AMBIENTE:
Se define ambiente como el conjunto de factores físicos, químicos y biológicos así como factores sociales y culturales que influyen directa o indirectamente, de modo inmediato o a largo plazo, en los seres vivos y a las actividades humanas que existe en un momento determinado.
HÁBITAT:
Es la casa de cada especie y el lugar donde pasa su vida, teniendo las condiciones necesarias para poder sobrevivir: Humedad, luz, alimento, refugio.
Los organismos reaccionan ante una variedad de factores ambientales y sólo pueden ocupar un cierto hábitat cuando los valores de esos factores caen dentro del rango de tolerancia de la especie.
Nuestro hábitat puede ser el país en que vivimos, la región o la ciudad de residencia, o incluso la misma casa que habitamos.
El hábitat de la alondra cornuda son las praderas abiertas de Norteamérica. El hábitat de la lombriz de tierra, es el suelo húmedo donde encuentra sus alimentos, la
humedad necesaria. El hábitat de la rana son los estanques donde encuentra troncos, plantas, donde se
alimenta, aparea, reproduce y muere El hábitat de la vicuña son los pajonales de la Puna. Tolerancia: Rangos o niveles máximos y mínimos en los cuales una especie puede vivir.
NICHO ECOLÓGICO:
Está relacionado con la función o actividad que cumple la especie dentro del ecosistema. Dos especies no pueden ocupar el mismo nicho debido a que sus requerimientos
ambientales y tolerancias no son exactamente los mismos. El nicho ecológico de las bacterias es descomponer la materia orgánica muerta y desdoblar
las grandes moléculas proteínicas hasta convertirlas en sustancias inorgánicas y retornarlas al ambiente.
El nicho ecológico de la lombriz de tierra es degradar las hojas que caen al suelo (materia orgánica) y convertirlas en humus.
El nicho ecológico de la vicuña es ser herbívora.
SISTEMAS:
Concepto: Un sistema es un conjunto de partes o eventos que pueden considerarse como algo simple y completo, debido a la interdependencia e interacción de dichas partes o eventos.
Ejemplos:
- Un aeroplano se compone de diversas partes. Entre ellas se encuentran las partes mecánicas en el motor, los controles, asientos y os componentes de la estructura.
- Un avión en vuelo incluye el combustible, el piloto y los pasajeros. Es un sistema de transportación.
Un área ecológica puede comprender diversas especies de plantas y de animales en interacción recíproca y con los factores abióticos como los climáticos y geográficos.
Todos estos organismos, factores abióticos e interacciones constituyen una sola entidad: Un ecosistema.
TIPOS BÁSICOS DE SISTEMAS
Sistemas abiertos: Los sistemas abiertos procesan las entradas y producen las salidas. Se realizan en forma más o menos fija y la cantidad de salidas producidas se relaciona directamente con la cantidad de entradas aceptadas. Para continuar funcionando, los sistemas abiertos requieren constantemente de nuevas entradas.
MODELO GENERAL DE UN SISTEMA ABIERTO
ENTRADA------------------- SISTEMA-----------------------SALIDA
Ejemplo: La televisión es una caja negra que tiene entradas de electricidad y ondas electromagnéticas las cuales transforma en imágenes y sonido. La televisión es un sistema abierto porque si se cortan las entradas deja de funcionar (cesa de producir salidas)
ENTRADA--------------SISTEMA DE TV ----------------------SALIDA
Electricidad Ondas electromagnéticas Imagen y sonido
COMPONENTES DE UN SISTEMA
Se denominan componentes o elementos del sistema a las partes o piezas de un sistema. Cuando existen relaciones entre los componentes de un sistema, el científico los agrupa y se denomina subsistemas.
Entrada-------- Vegetal---Salida -entrada-------Res---- Salida –entrada-----Hombre----Salida Luz solar Energía química Energía química
(hojas de la planta) (carne de res)
Sistemas cibernéticos: Los sistemas cibernéticos son aquellos que emplean la retroalimentación para ejercer un cierto grado de autocontrol.
Poseen un estado ideal o punto de partida, que consiste en el estado o punto en el cual se apoya el sistema.
Es un diagrama en forma de ocho. Ejemplo: El sistema de regulación térmica del cuerpo humano.
NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LA MATERIA
Componentes Bióticos: Gen Células Tejidos Órganos Organismos Población Comunidad
Componentes abióticos Materia y Energía
1680: Antón van Leeuwenhoek Descripción microbianaGeneración espontáneaCreación de la vida
1860: Louis PasteurImportancia de los microorganismos
ESTUDIO DE LOS MICROORGANISMOS EN SU AMBIENTE
Estudio de la función de los microorganismos para el funcionamiento del planeta. Estudio de las interacciones: plantas/ animales
EL ORIGEN DE LA VIDA
Ciencia aplicada Protección Ambiental
Actualmente existen diversidad de especies, cada una de ellas tiene antecesores comunes, pero se han encontrado restos fósiles, revelando que existía un menor número de especies sobre la Tierra. Entonces el estudio de la evolución considera la posibilidad que exista una primera forma de vida. ¿Cómo apareció la primera forma de vida?
TEORÍAS SOBRE EL ORIGEN DE LA VIDA
1.-TEORÍA CREACIONISTA:- Invocan la intervención divina en la creación de la vida (Biblia).2.-TEORÍA COSMOZOICA:- Explica la presencia de la vida en la Tierra aduciendo que fue traída de otro lugar del universo, incorporada a un meteorito.3.-TEORÍA DE LA GENERACIÓN ESPONTÁNEA (TEORÌA ABIOGÈNICA):- Origen de la vida a partir de materia no viviente.
VAN HELMONT:- Puso granos de trigo y una camisa sucia en un recipiente oscuro y aparecían ratones. A medida que fue evolucionando la Biología se puso en duda la Teoría de la generación espontánea.
FRANCISCO REDI (1668):- Médico italiano llevó a cabo un experimento en el cual puso trozos de carne en dos recipientes. A uno de ellos lo tapó y al otro no. Entonces observó que en el que no estaba tapado estaba intacto y en el otro sin tapar aparecían moscas, obviamente éstas no se originaban espontáneamente sino que cumplían un ciclo evolutivo de vida.
LEEWENHOEK:- Descubrió el microscopio e hizo nuevamente énfasis en la teoría de la generación espontánea.
4.- TEORÌA BIOGÈNICA
LÁZARO SPALLANZANI: Demostró que esto no ocurría, hirvió caldo nutritivo en matraces de vidrio y los cerró herméticamente. El caldo permaneció estéril.
LOUIS PASTEUR: Hirvió matraces provistos de un tubo en forma de S conteniendo caldo de cultivo pero en vez de cerrarlos dejó el extremo abierto. De esta manera el aire fresco penetraba al interior del matraz más no las bacterias porque éstas quedaban atrapadas a lo largo del cuello del matraz.
¿CUÁL ERA ENTONCES EL ORIGEN DE LA VIDA?
TEORÍA DE OPARÍN (1936) bioquímico explicó que la vida surgió bajo ciertas condiciones que existían en la Tierra.
Los océanos contenían gran cantidad de moléculas orgánicas las cuales posteriormente se asociaron en complejos temporales y éstos podrían haber sido el primer ser viviente, apareciendo el metabolismo, crecimiento y reproducción y quizá la irritabilidad, dando origen a las formas vivientes.
EXPERIMENTO DE OPARÍN
HISTORIA DE LA GENÉTICA DEL DESARROLLO
GRECIA: Anaximandro (VI a.C.) Empédocles (V a.C.) ROMA: Poeta Lucrecio (I a.C.) Creyeron en transformaciones fantásticas de unas especies en otras, como por ejemplo:
Hombres a animales, plantas a animales etc.
ARISTÓTELES:
Sugirió una clasificación de los seres vivientes.Que la naturaleza realiza transformaciones graduales del reino inanimado a animado.Los organismos más simples y menos complejos se encuentran en la parte inferior.Las formas más complejas y perfectas se encuentran en la parte superior, en los peldaños más altos es decir el hombre termina en la cima.
Lo que no está claro es que si la vida evolucionó siguiendo este patrón o si es que había sido creada por una fuerza superior. Y es que hasta el siglo XVII se aceptaba que estos grupos eran invariables y que cada especie era producto del resultado de la creación.Este punto está incorporado en el libro del Génesis del antiguo testamento. HASTA EL SIGLO XVII SE ACEPTABA LA INVARIABILIDAD.
SIGLO XVIII
Varios biólogos comenzaron a analizar seriamente el concepto de la invariabilidad o inmutabilidad de las especies. Los estudios en plantas y animales pusieron en evidencia que no existía una distinción clara entre especie y variedades.
TEORÍA DE LA EVOLUCIÓN
El primer paso hacia el desarrollo de la teoría moderna de la evolución orgánica fue Lamarck.
LAMARCK. (1744-1829) El cambio y no la inmutabilidad de las especies era la base para la diversificación de la
vida. Que los organismos más complejos, habían evolucionado desde los más simples.
LAS IDEAS DE LAMARCK NO FUERON ACEPTADAS PORQUE:
Creyó en una sola línea de desarrollo evolutivo. Creyó erróneamente que la evolución era causada por cambios en los caracteres
adquiridos durante el ciclo vital del organismo, como resultado del uso y desuso de sus órganos.
Eran transmitidos de generación en generación.
CHARLES DARWIN (1809-1882)
Naturalista francés, realizó estudios que proporcionaron los fundamentos para el concepto moderno de la evolución orgánica. Presentó evidencias detalles y explicaciones que demostraban que se había efectuado la evolución así como el mecanismo (Teoría de la selección natural). Darwin estudió los animales, vegetales y los terrenos de los litorales Atlántico y Pacífico de América del sur a bordo de la embarcación BEAGLE, dirigiéndose luego a la Isla Galápagos, al Oeste del Ecuador, donde se sintió fascinado por la diversidad de tortugas gigantes y pinzones que vivían en las Islas.
ALFRED WALLACE
Formuló la idea de la selección natural sobre la base de sus estudios de la distribución de las plantas y animales en la India y la Península Malaya. Llegó a la misma conclusión pero sin conocer la obra de Darwin.
TEORÍA DE DARWIN- WALLACE DE LA SELECCIÓN NATURAL
La posibilidad de variación es característica de todas las especies animales y plantas. De cualquier especie nacen más individuos de los que pueden obtener su alimento y poder
sobrevivir. Si es que nacen más sujetos de los que pueden sobrevivir existe una lucha por la
existencia, una competencia en busca de espacio y alimento. Aquellas variaciones que capacitan mejor a un organismo para sobrevivir en un medio
ambiente dado, favorecerán a sus poseedores sobre otros organismos. Los organismos supervivientes originarán la siguiente generación transmitiéndose
variaciones afortunadas a la siguiente generación, y así en forma sucesiva.
TEORÍA MODERNA DE LA EVOLUCIÓN Y SELECCIÓN NATURAL (TEORÍA NEO DARWINIANA)
Reconoce el papel del medio ambiente como el factor que dirige pero que no causa el cambio evolutivo.
Es decir que el medio ambiente no es el factor causante de las variaciones hereditarias, sino el factor que determina cuáles de las especies sobrevivirán y cuáles se extinguirán.
Es así que de esta manera se da la Selección Natural. Selección Natural: Es el procedimiento aislado para separar los genotipos que convienen
mejor al organismo para adaptarlo a un medio dado, a fin de que pueda reproducirse y lograr su existencia.
LA IDEA DE LA LUCHA POR LA SUPERVIVENCIA Y LA SUPERVIVENCIA DEL MÁS APTO
Incluyen las capacidades para obtener la nutrición adecuada. Resistir y enfrentarse a diversos factores físicos y químicos del medio tales como calor frío,
desecación, sustancias tóxicas, así como depredadores y parásitos. La clave para comprender los mecanismos evolutivos, reside en la GENÉTICA, debido a que
LOS GENES SON LA MATERIA PRIMA DE LA EVOLUCIÓN.
¿QUÉ ES UN MICROORGANISMO?
PROTISTAS
VIRUSPRION HONGOS
ANIMALES
ARCHIBACTERIAS
BACTERIAS
MICROORGANISMO
BACTERIAS
ARQUIBACTERIAS:
- “BACTERIAS EXÓTICAS”- DIFERENCIAS GENÉTICAS- FORMAS DE VIDA MÁS PRIMITIVAS- RELACIÓN ESTRECHA EUCARIOTES- AMBIENTES EXTREMOS
HONGOS FILAMENTOSOS
PROTOZOOS
VIRUS- FRONTERA VIVO/ NO VIVO- AGLOMERACIÓN MATERIAL GENÉTICO- PARÁSITOS OBLIGADOS
“La microbiología de suelos favorece el cuidado del ambiente”
Está comprobado que con el uso de microorganismos se puede potenciar el rendimiento de cultivos como la soja. Esta práctica, además, contribuye al desarrollo de una agricultura más amigable con el medio ambiente. Investigar el uso de microorganismos para controlar plagas, enfermedades y malezas, es otra de las tareas de la microbiología. Así lo explicó el ingeniero agrónomo Gustavo González Anta durante las jornadas de Microbiología desarrolladas en la Universidad.
“Conocemos sólo una pequeña fracción de los microorganismos que viven en el suelo. Pasamos una gran cantidad de nuestra vida cotidiana sin reparar en ellos, y hay una enorme riqueza en un gramo de suelo aún por develar”. Con esta apreciación, el ingeniero agrónomo Gustavo González Anta, definió el aporte de la microbiología en el desarrollo de prácticas agrarias más amigables con el medio ambiente.
La microbiología es la ciencia que estudia a los seres vivos cuyo tamaño hace que sólo puedan ser apreciados mediante el microscopio. El objeto de esta disciplina está determinado por la tecnología que permite evidenciar y estudiar a los microorganismos. Por su parte, la microbiología de suelos supone la aplicación de técnicas de biología molecular al estudio de una gran diversidad de microorganismos que resultaban totalmente desconocidos porque no se habían obtenido en cultivos de laboratorio. Mediante esta ciencia puede determinarse el papel funcional de los diferentes microorganismos que constituyen las comunidades edáficas.
En las III Jornadas Bonaerenses de Microbiología de Suelos realizadas en la UNNOBA, el docente Gustavo González Anta se refirió al proceso de fijación biológica del nitrógeno en cultivos de soja. “Cuando hablamos de soja, hablamos de proteína; cuando hablamos de proteína, hablamos de nitrógeno y, si en lugar de tomar el nitrógeno de un fertilizante de síntesis química o del suelo podemos asociar las plantas a un microorganismo fijándolo en el aire, conseguimos que la soja pueda nutrirse de modo conveniente, producir más proteína y generar más rendimiento”, indicó el profesional a Info Universidades.
En esta línea, destacó que la microbiología aplicada a este proceso permite reducir la polución ambiental, porque cuando se utilizan fertilizantes químicos se necesita gran cantidad de energía: “Hay un gran gasto de energía para producir el fertilizante nitrogenado por excelencia, que es la urea”. Además, el fertilizante químico no se aprovecha en su totalidad. En cambio, cuando la planta genera una simbiosis con las bacterias del género rhizobium y forma una estructura común como los nódulos, tanto el cultivo como la bacteria se nutren.
Trabajo científico
La producción de inoculantes es un proceso que resulta de un complejo trabajo científico. El productor recibe el inoculante a través de la cadena de distribución de agroinsumos tradicional y lo utiliza para tratar las semillas antes de sembrarlas. “Hablamos de soja, pero hay una gran cantidad de microorganismos específicos para otros cultivos”, aclaró Anta.
Sobre la receptividad del productor agropecuario para adoptar esta tecnología, el investigador precisó que el 90 por ciento de los productores utiliza inoculantes porque ve un beneficio de mayor rendimiento. “Tal vez, lo más importante desde el punto de vista agronómico es que la asociación de la planta a un microorganismo posibilita una estrategia biológica más saludable”, señaló y destacó la importancia del rol de la información: “Es un excelente ejemplo de cómo pueden complementarse el sector público y privado para que el productor adopte tecnología, en este caso, para una mejor nutrición de los cultivos”.
Por la sustentabilidad
La microbiología de suelos contribuye a la sustentabilidad: “Sabemos que el petróleo es un recurso finito. Por ejemplo, para producir una tonelada de amoníaco (insumo básico para la fabricación de la urea) se requiere de seis barriles de petróleo. Eso significa polución, costo y desaprovechamiento, ante una tecnología que no produce ningún tipo de contaminación y ayuda al rendimiento. Esto contribuye a la sustentabilidad del sistema y permite utilizar el nitrógeno del fertilizante en los cultivos que lo requieren, como el maíz y el trigo, que no tienen la capacidad de fijarlo como las leguminosas”, agregó.
El aporte de la microbiología no se limita a la fijación del nitrógeno sino que se traslada a otras áreas. “El otro gran tema es ver cómo podemos controlar plagas, enfermedades y malezas con el uso de microorganismos. Esto también hace a la sustentabilidad del sistema y a una producción más amigable con el medio ambiente” señaló el especialista.
El docente planteó la importancia de formar recursos humanos para intervenir en escenarios científicos y tecnológicos complejos: “Duplicamos nuestro conocimiento en cinco años y en el campo de la microbiología agrícola necesitamos equipos interdisciplinarios. Las nuevas generaciones tienen un ámbito de desarrollo profesional extraordinario, con una potencialidad infinita”.
MICROORGANISMOS Y METALES PESADOS: UNA INTERACCIÓN EN BENEFICIO DEL MEDIO AMBIENTE
La acumulación de desechos, sobre todo en áreas urbanas, genera la dispersión de gran
diversidad de compuestos en suelos, aguas superficiales y aire, con la consecuente
filtración de los mismos hacia las aguas subterráneas: los acuíferos que constituyen la
reserva de agua potable.
¿Cómo solucionamos el problema generado por la dispersión de contaminantes en el
medio ambiente? La respuesta es lo que llamamos remediación. Para definir este término
podemos decir que es el uso intencional de procesos de degradación químicos o
biológicos para eliminar sustancias contaminantes ambientales que han sido vertidos con
conocimiento o accidentalmente en el medio ambiente. Los procesos de remediación
pueden efectuarse in situ, o sea en el mismo lugar donde ha ocurrido el derrame, o bien
ex situ, separando la porción contaminada y trasladándola a un reactor. Tal es el caso de
efluentes industriales o domiciliarios que se tratan previamente al vertido al medio
ambiente.
Cuando escuchamos la radio, usamos una linterna, arrancamos el motor de nuestro
automóvil, nunca pensamos que todos estos elementos contienen metales pesados.
¿Somos conscientes del destino que corren cuando se descarten? ¿Sabemos qué ocurre
cuando tiramos apenas una pila a la basura? ¿Cuál es el destino de los metales pesados
durante la fabricación de pilas y baterías y en otros procesos industriales?
Las actividades industriales generan una contaminación a gran escala con metales pesados
(Cu, Zn, Pb, Cd, Cr, Ni, Hg, Co, Ag, Au) y radionuclidos (U, Th) en el medio ambiente. En el
caso particular de los suelos, suelen afectar la fertilidad y/o el uso posterior de los
mismos, mientras que en el caso de los acuíferos y aguas superficiales, pueden
comprometer seriamente el uso de este recurso como fuente de agua para el consumo
humano. La remediación de estos ambientes contaminados mediante la utilización de
métodos químicos involucra procesos de costos excesivamente altos debido a la
especificidad requerida. Además, este tipo de solución no es aplicable en procesos de
remediación in situ, ya que es imposible tratar un metal determinado debido a la
competencia existente por la presencia de otros. La aplicación de métodos de
remediación efectivos depende del conocimiento de los factores hidrológicos y geológicos
del sitio, la solubilidad y especiación de los metales pesados, los procesos de atenuación e
inmovilización y la medida en que los metales puedan dispersarse tanto horizontal como
verticalmente a medida que migran por el suelo. Por otra parte, la utilización de métodos
biológicos para remediar un ambiente contaminado (biorremediación) ofrece una alta
especificidad en la remoción del metal de interés con flexibilidad operacional, tanto en
sistemas in situ como ex situ.
IMPACTO AMBIENTAL
El impacto ambiental de los contaminantes metálicos en suelos y sedimentos es
estrictamente dependiente de la capacidad de complejamiento de éstos con componentes
del medio ambiente y su respuesta a las condiciones fisicoquímicas y biológicas de su
entorno. Los metales son especies químicas no degradables. Por tal motivo, una vez
volcados al medio ambiente, sólo pueden distribuirse entre los entornos aire - agua -
suelo, a veces cambiando su estado de oxidación, o incorporarse a los seres vivos. Los
procesos de adsorción y la formación de complejos en medios naturales son responsables
de que la mayor parte de los vestigios de metales pesados se acumulen en los sólidos en
suspensión, incorporándose rápidamente a los sedimentos, donde se presentan los
mayores niveles de concentración de estos contaminantes. Como resultado de estas
interacciones, los sedimentos juegan un papel muy importante en la regulación de la
calidad del agua. Por su parte, las aguas intersticiales, en contacto directo con los
sedimentos, actúan como fuente o sumidero de estos contaminantes y en ellas se
observan concentraciones intermedias entre las aguas superficiales y los sedimentos (5,
11, 14, 16)
BIODISPONIBILIDAD
La toxicidad de los metales pesados es muy alta. Su acción directa sobre los seres vivos
ocurre a través del bloqueo de las actividades biológicas, es decir, la inactivación
enzimática por la formación de enlaces entre el metal y los grupos -SH (sulfhidrilos) de las
proteínas, causando daños irreversibles en los diferentes organismos. Para que los
metales pesados puedan ejercer su toxicidad sobre un ser vivo, éstos deben encontrarse
disponibles para ser captados por éste, es decir que el metal debe estar biodisponible. El
concepto de biodisponibilidad se encuentra íntimamente relacionado con las condiciones
físicoquímicas del ambiente, que determinan la especiación y por lo tanto la
concentración de metal libre y lábil. Por ello es fundamental al determinar el grado de
contaminación por metales pesados de un ambiente, conocer su biodisponibilidad, es
decir, la concentración de metal libre y lábil presente en la muestra (3, 15, 17, 22, 24).
Los métodos electroquímicos permiten determinar la especiación de un metal y analizar la
disponibilidad del mismo en diferentes ambientes. En particular la aplicación de las
técnicas de Voltamperometría de Preconcentración (4, 8, 9) que permiten evaluar la
existencia de complejos entre el metal y ligandos presentes en el medio ambiente natural
y la labilidad de los mismos. Por medio de las curvas de intensidad de corriente registrada
en una muestra en función del potencial aplicado a la misma, se evidencia la presencia de
metales a través de la aparición de picos, cuyas áreas y alturas son proporcionales a las
concentraciones de los mismos en estado libre en esas condiciones de lectura. Las Figuras
1.A., 1.B y 1.C (6) muestran una serie de voltamperogramas realizados en nuestro
laboratorio de Electroquímica, para muestras naturales de aguas subterráneas (Figura
1.A), intersticiales (Figura 1.B) y superficiales (Figura 1.C), con y sin tratamiento de
destrucción fotoquímica de materia orgánica de manera de eliminar todo ligando
presente, en las cuales se evaluó la presencia de Cu, Cd, Pb y Zn.
Figura 1a
Figura 1b
Figura 1c
Se ve claramente como cambia el perfil de las muestras antes y después de la destrucción
de ligandos de origen orgánico, como consecuencia de la liberación de metales de sus
complejos estables. Es decir que en toda muestra natural la concentración de metal total
se halla alejada de la disponible y ese alejamiento se debe al complejamiento existente
con los componentes naturales de la muestra.
TRANSFORMACIONES MEDIADAS POR MICROORGANISMOS
Todas las interacciones entre los microorganismos y los metales u otros elementos como
carbono, nitrógeno, azufre y fósforo son componentes fundamentales del ciclos
biogeoquímicos. Las interacciones metal-microbiota son estudiadas entonces en
profundidad en el contexto de la biotecnología ambiental, con el objeto de implementar
métodos de remoción, recuperación o detoxificación de metales pesados y radionúclidos
(10, 20, 21, 30) .
Dependiendo del estado de oxidación que se presente un metal y la especie que esté
conformando, un microorganismo puede realizar dos transformaciones posibles. Una
correspondería a la movilización del metal, es decir el pasaje de un estado insoluble inicial
(metales asociados a suelos, sulfuros u óxidos metálicos, por ejemplo) correspondiente a
una fase sólida, a un estado soluble final, en fase acuosa. Este proceso se conoce con el
nombre de lixiviación microbiana. El otro corresponde a la inmovilización del metal, es
decir el pasaje de un estado soluble inicial en fase acuosa a uno insoluble final en fase
sólida. A su vez existen en la naturaleza diferentes mecanismos por los cuales la
inmovilización del metal puede llegar a ocurrir. Veamos entonces un poco más en detalle
estas interacciones metales pesados-microorganismos.
MOVILIZACIÓN DE LOS METALES PESADOS
Biolixiviación
Este mecanismo de solubilización es utilizado en la industria minera. Por intermedio de la
acción microbiana, los metales presentes en los minerales resultan extraídos en fase
acuosa. Tal es el caso de la obtención de Cu por la oxidación de las menas de Cu2S
(calcocita) a CuSO4 por intermedio de la acción de las bacterias Thiobacillus
ferroxidans y Thiobacillus thiooxidans [Figura 2, (23)].
Figura 2
Desde el punto de vista de la biorremediación, el biolixiviado puede utilizarse dentro de la
perspectiva de la hidrometalurgia, recuperando metales a partir de materiales sólidos
contaminados como suelos, cenizas resultantes de quema de desechos, sedimentos
acuáticos, etc. Este proceso se ha aplicado con éxito utilizando bacterias oxidadoras del
hierro o sulfuros, como Thiobacillus ferroxidans o Thiobacillus thiooxidans,
respectivamente, en la recuperación de Cu, Ni, Zn y Cd, tanto en condiciones aerobias
como anaerobias, ya que estos microorganismos pueden utilizar el catión Fe3+ como
último aceptor de electrones en lugar del O2 (2). Las bacterias del género Thiobacillus son
microorganismos acidófilos, es decir, requieren un pH = 2,5 para crecer en condiciones
óptimas, lo cual resulta adecuado para mantener a los metales en solución, sobre todo al
Fe3+. Con valores de pH mayores a 5,5, estos microorganismos no se desarrollan, por lo
tanto la lixiviación no sería efectiva. Pero como era de esperar, existen otros
microorganismos en la naturaleza capaces de lograr una solubilización efectiva de metales
tales como Mn, Fe, Zn, Cd y Pb a pH mayores a través un mecanismo diferente. Se ha
comprobado que este mecanismo ocurre a través de la liberación de compuestos
orgánicos capaces de complejar y así solubilizar metales, tales como ácidos carboxílicos o
los compuestos llamados sideróforos (10, 20, 21). Algunos hongos como Trichoderma
harzianum pueden solubilizar MnO2, Fe2O3 y Zn metálico mediante la liberación de
agentes quelantes. Ralstonia eutropha (Alcaligenes eutrophus) es una bacteria capaz de
acumular metales pesados, previa solubilización de los mismos mediante la liberación de
sideróforos. Los sideróforos son péptidos con capacidad complejante que son liberados al
medio con el objeto de captar Fe, que es utilizado como oligoelemento dentro del
metabolismo celular. La biosíntesis de sideróforos, si bien se induce en ausencia de Fe en
el medio, también ocurre en presencia de otros metales, con el fin de detoxificar el
entorno celular (7, 12, 31). Otro caso interesante resulta la utilización de una combinación
de la solubilización microbiana del Pb de la piromorfita, Pb5(PO4)3Cl, mediada por el
hongo Aspergillus niger con la acumulación del metal disuelto por parte de plantas que
crecen en suelos contaminados con dicho mineral (10). Este último fenómeno es conocido
por fitorremediación, donde la retención del metal es mediada por la acumulación en
vegetales.
INMOVILIZACIÓN DE METALES PESADOS
Dentro de la amplia diversidad microbiana, existen microorganismos resistentes y
microorganismos tolerantes a metales. Los resistentes se caracterizan por poseer
mecanismos de detoxificación codificados genéticamente, inducidos por la presencia del
metal (27). En cambio, los tolerantes son indiferentes a la presencia o ausencia de metal.
Tanto los microorganismos resistentes como tolerantes son de particular interés como
captores de metales en sitios contaminados, debido a que ambos pueden extraer los
contaminantes. La resistencia o tolerancia experimentada por microorganismos es posible
gracias a la acción de diferentes mecanismos [Figura 3, (21)]. Estos fenómenos son:
biosorción, bioacumulación, biomineralización, biotransformación y quimiosorción
mediada por microorganismos.
Figura 3
Biosorción
La biosorción es un fenómeno ampliamente estudiado en la biorremediación de diversos
metales pesados como el cadmio, cromo, plomo, níquel, zinc y cobre (13, 19, 28, 29). Los
microorganismos utilizados como biosorbentes, aislados a partir de ecosistemas
contaminados, retienen los metales pesados a intervalos de tiempo relativamente cortos
al entrar en contacto con soluciones de dichos metales. Esto minimiza los costos en un
proceso de remediación, ya que no requiere el agregado de nutrientes al sistema, al no
requerir un metabolismo microbiano activo. La biomasa capaz de participar en estos
procesos es fácilmente extraíble de sistemas acuosos como cursos de aguas o efluentes de
diversos orígenes, por lo que el proceso global de biorremediación sería rentable. Es por
ello que la búsqueda de este tipo de microorganismos se encuentra en crecimiento
constante, junto con el estudio de sistemas biosorbentes como por ejemplo la utilización
de consorcios microbianos, o sistemas mixtos formados por microorganismos y
macromoléculas (polímeros) sorbentes, que incrementarían los rendimientos en la
captación de mezclas de metales pesados (1, 18, 25, 33, 34).
Los fenómenos de biosorción se caracterizan por la retención del metal mediante una
interacción físicoquímica del metal con ligandos pertenecientes a la superficie celular. Esta
interacción se produce con grupos funcionales expuestos hacia el exterior celular
pertenecientes a partes de moléculas componentes de las paredes celulares, como por
ejemplo carboxilo, amino, hidroxilo, fosfato y sulfhidrilo. Es un mecanismo de cinética
rápida que no presenta una alta dependencia con la temperatura y en muchos casos
puede estudiarse en detalle mediante la construcción de los modelos de isotermas de
Langmuir y Freundlich.
Bioacumulación
Este mecanismo celular involucra un sistema de transporte de membrana que internaliza
al metal pesado presente en el entorno celular con gasto de energía. Este consumo
energético se genera a través del sistema H+-ATPasa. Una vez incorporado el metal
pesado al citoplasma, éste es secuestrado por la presencia de proteínas ricas en grupos
sulfhidrilos llamadas metalotioneínas o también puede ser compartimentalizado dentro
de una vacuola, como ocurre en hongos.
Algunos ejemplos de este proceso son muy interesantes, como el caso de acumulación de
uranio por la bacteria Pseudomonas aeruginosa, el cual fue detectado íntegramente en el
citoplasma, al igual que en la levadura Saccaromyces cerevisiae (21).
Biomineralización
Los microorganismos son capaces de precipitar metales y radionuclidos como carbonatos
e hidróxidos, mediante un mecanismo de resistencia codificado en plásmidos. Este
mecanismo aparece por el funcionamiento de una bomba que expulsa el metal tóxico
presente en el citoplasma hacia el exterior celular en contracorriente a un flujo de H+
hacia el interior celular. Esto produce una alcalinización localizada sobre la superficie
celular externa y por lo tanto la precipitación del metal pesado (Figura 3.).
Otra forma de precipitar los metales es a través de la formación de sulfuros o fosfatos,
como resultado de alguna actividad enzimática celular. Un ejemplo de ello es la
precipitación de sulfuros metálicos en reactores con cultivos mixtos de bacterias
reductoras de sulfato (10, 21) o la acumulación de CdS en la pared celular de las
bacterias Klebsiella planticola y Pseudomonas aeruginosa (26, 35).
Biotransformación
Este es un proceso que involucra un cambio químico sobre el metal pesado, como por
ejemplo en el estado de oxidación o metilación. Esta transformación biológica de los
metales pesados que resultan tóxicos mediada por enzimas microbianas puede dar como
resultado compuestos poco solubles en agua o bien compuestos volátiles. El ejemplo más
claro es el ciclo del Hg en la naturaleza, donde la bacteriaPseudomonas aeruginosa puede
reducir el catión Hg2+ a Hg0, y otros organismos pueden luego metilarlo dando como
producto el CH3Hg+ y (CH3)2Hg, que son volátiles y aún más tóxicos que el propio Hg
(Figura 4.).
Figura 4
Las reducciones de V(V) a V(III), Au(III) a Au(0) y Cr(VI) a Cr(III), conducen a la precipitación
del metal bajo condiciones fisiológicas. Entre estos últimos el Cr es el metal más
ampliamente utilizado en la industria de aceros, automóviles, equipamiento de hospitales
y curtiembres, entre otras. El Cr(VI) es un contaminante de prioridad 1 catalogado por la
Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA: www.epa.gov), ya que es
estable en solución acuosa y por lo tanto de alta movilidad en diferentes ambientes, con
un alto potencial mutagénico y carcinogénico. El pasaje a Cr(III) produce la inmovilización
por precipitación de hidróxidos y la disminución en la mutagenicidad. La utilización de
microorganismos resitentes a Cr con capacidad de bioconversión Cr(VI) en Cr(III) es de
fundamental importancia en el tratamiento biológico de efluentes industriales (21, 28).
Quimiosorción mediada por microorganismos
Dentro de este término se pueden describir aquella clase de reacciones en donde los
microorganismos biomineralizan un metal, formando un depósito primario. Este depósito
primario funciona como núcleo de cristalización, con la subsecuente deposición del metal
de interés, promoviendo y acelerando así el mecanismo de mineralización (Figura 3).
Un ejemplo de este proceso es el agregado de Fe en un efluente a tratar, en presencia de
bacterias reductoras del sulfato. Estos microorganismos producen sulfuros que precipitan
en forma de FeS, sobre la superficie celular. Los otros metales contaminantes utilizan el
FeS formado como soporte y cristalizan sobre sus cristales. Luego, aprovechando las
propiedades magnéticas del Fe, pueden separarse fácilmente de la fase soluble,
decontaminando así el material (21).
Cualquiera de los mecanismos microbianos descriptos remueve los metales pesados de
efluentes contaminados. Los microorganismos autóctonos que sobreviven en sitios
contaminados han desarrollado mecanismos de resistencia y/o tolerancia que nos son
útiles a la hora de la implementación de procesos de biorremediación. Pseudomonas
fluorescens 200H, aislada en nuestro laboratorio a partir de aguas superficiales
contaminadas del arroyo Las Catonas (Partido de Moreno, Buenos Aires) logra la
separación de la fase acuosa del 65% de Cd y 32% de Zn presentes en el medio de cultivo
(Figura 5.).
Figura 5
Si bien la mayor parte de Cd y Zn aparece retenida en las fracciones correspondientes a
pared celular, experimentos posteriores nos revelaron que el porcentaje de metal
biosorbido es muy bajo, alrededor del 7%. Evidentemente existe la posibilidad de que
ocurra una biomineralización del metal, la cual requiere un metabolismo celular activo,
que tendremos que estudiar más a fondo. Éste es sólo un ejemplo. A diario realizamos
nuevos aislamientos, con el objeto de reunir la mayor cantidad de microorganismos que
en cultivos puros o mixtos logren una separación eficiente de los metales de nuestro
estudio, Cu, Pb, Cd y Zn y con ellos diseñar sistemas de biorremediación ex situ de
efluentes líquidos (32).
En conclusión, el rol de los microorganismos es fundamental en los ciclos biogeoquímicos
de los metales y su utilización en los procesos de biorremediación de desechos sólidos y
líquidos es esencial para el cuidado del medio ambiente.
Identificación y análisis de patologías en puentes de carreteras urbanas y rurales
RESUMEN
La preocupación con un gran número de puentes con importantes problemas patológicos fue el factor de motivación para llevar a cabo esta investigación. Puentes de tamaños mediano y pequeño tienen relevancia significativa en el desarrollo económico y social del país, pues deben garantizar el tránsito de personas, vehículos, materias primas y productos locales. Sin embargo, las precarias condiciones de los puentes en las zonas urbanas y rurales hacen difícil el desplazamiento, causando incomodidad e inseguridad para los usuarios. Por otro lado, los costos de transporte para los productores y el mantenimiento para los gobiernos locales continúan aumentando. Este artículo tiene la intención de evaluar las condiciones de conservación de puentes pequeños y medianos en la región urbana y rural de Campinas (SP)-Brasil. Así, este estudio se basa en el análisis de cuatro puentes de esta región, en los que se presentan varios ejemplos sobre el terreno de las manifestaciones patológicas en puentes de concreto, acero y madera. Este artículo también se centra en el diseño de puentes y la relación con su estado patológico estableciendo conceptos que podrían aplicarse al método correctivo y a la identificación de la patología en puentes de concreto, acero y madera. Por último, el objetivo es concluir que la forma más adecuada para evitar un estado patológico es el mantenimiento preventivo.
Palabras Clave: Puentes, patología, concreto, acero, madera
1. Introducción
La importancia de los puentes en el desarrollo y en las relaciones humanas ha sido el objetivo principal del impulso para el conocimiento en la construcción y mantención de dichas estructuras.
En general el propósito inicial de un puente es superar un obstáculo para luego continuar el camino. Sin embargo, tomando en cuenta la literatura técnica sobre clasificaciones de puentes, es necesario considerar aspectos de diseño, tales como obstáculos superados, vistas laterales, cantidad de vanos libres, área de soporte que constituye el material, naturaleza del tránsito, etc.
En general, se reconoce que técnicamente existe un énfasis en los grandes puentes con sistemas estructurales complejos, sin considerar adecuadamente los puentes pequeños y de tamaño mediano. Sin embargo miles de pequeños puentes conectan a un sinnúmero de personas, ofreciéndoles acceso a oportunidades de recursos necesarios y a un flujo de producción.
Desgraciadamente, es posible notar que la mayoría de los puentes rurales y urbanos presentan condiciones patológicas críticas, poniendo en riesgo la seguridad de la sociedad y produciendo pérdidas económicas.
Este artículo intenta colaborar con las tareas de identificación de patologías en puentes pequeños y de tamaño mediano. Para tal efecto, es necesario revisar los factores relativos a los diseños de puentes y patologías en estructuras de madera, acero y concreto. El trabajo de identificación de la patología de un puente es presentado, en conjunto, con un caso de estudio realizado en cuatro puentes de Campinas (SP) en el sudeste de Brasil.
2. Preparación del diseño del puente
Los diseños de los puentes se caracterizan por la complejidad y la información que debiera ser sintetizada por el diseñador. Entonces, para diseños grandes y especiales, se requiere un equipo multidisciplinario. La calidad de un puente puede ser medida en función de su resultado funcional, estructural, económico y estético. Por lo tanto, un profesional requiere de conocimientos de ingeniería en transporte, estructuras, geotécnica, topografía, hidráulica, arquitectura y también se requieren otros especialistas para cada proyecto.
Cuando se observa el aspecto estructural, es evidente que el adecuado diseño estructural de un puente es de vital importancia, puesto que interferirá con su factibilidad, costos, funcionalidad y estética. Sin embargo, la eficiencia estructural no es siempre considerada como una cualidad, sino como un pre-requisito para un correcto diseño, en comparación con otras características tales como funcionalidad, hidráulica, ingeniería geotécnica y estética.
Para el diseño de un puente-camino, los valores resultados del diseño y los estados límites máximos de vida útil debieran cumplir con la norma brasilera ABNT: NBR 8681 (2003), en la cual, por ejemplo, la clasificación es realizada para resultados excepcionales, variables y permanentes. Según la norma ABNT: NBR 7187 (2003) para el diseño y ejecución de un Puente de hormigón reforzado o pre-tensado, los resultados activos dentro de los puentes son presentados dentro de los siguientes grupos con características relacionadas al diseño de los puentes.
Cuando los resultados activos son determinados a través de rutinas de cálculos, se verifican las fuerzas internas y secciones resistentes en el procedimiento de diseño, tomando en cuenta efectos locales y globales.
La determinación de fuerzas internas en las estructuras de los puentes no es una tarea sencilla y requiere de la experiencia y habilidad del ingeniero. El conocimiento de la estática estructural, en conjunto con una serie de combinaciones permite al diseñador determinar la distribución de carga.
Liebenberg (1993) también afirma que, incluso con procesadores de datos y actualizaciones computacionales, los procesos interactivos de análisis estructural, tales como el método de elementos finitos permiten a los diseñadores de puentes llegar a aproximaciones más realistas y a substituir cálculos numéricos complejos.
Hambly (1990) describió los cálculos de dimensionamiento revisando el conjunto de ecuaciones de equilibrio, en el total de una estructura o en parte de ella, comprobando la resistencia de cada sección y evaluando la condición de vida útil así como efectos secundarios.
Luego de dimensionar y detallar cada paso, la mayor preocupación debiera ser la selección del método constructivo.
La construcción y ensamblaje de un puente requiere de estudios acuciosos. En este estudio en particular, se debe considerar todas las medidas a ser tomadas, paso a paso, para garantizar aspectos de seguridad en la construcción, según indican Pinho y Bellei (2007). Otra inquietud es la ubicación de recursos en el método constructivo, como destacó Liebenberg (1993), debido a que el método de construcción es un factor muy importante en la selección de la alternativa estructural de un puente. Existen numerosos métodos de construcción para súper-estructuras tales como el hormigón vaciado en obra, elementos de hormigón pre-fabricado y vanos sucesivos.
3. Patologías estructurales
De acuerdo con Ripper y Souza (1998) se ha designado como Patología Estructural, el campo de la Ingeniería en Edificaciones que estudia los orígenes, formas manifiestas, consecuencias y mecanismos de ocurrencia de fallas y sistemas de daños en las
estructuras. También es parte de ella el área de la Ingeniería que trata patologías, incluyendo sistemas, mecanismos, causas y orígenes de fallas en obras civiles, es decir estudia las partes que componen el diagnóstico del problema.
Las patologías estructurales que se presentan en los puentes varían en intensidad e incidencia, provocando muchas veces altos gastos de reparación, como describió Raina (2003). En un aspecto similar, siempre existirán consideraciones estéticas y, a menudo, reducciones de la capacidad de resistencia, a veces conduciendo a una parcial o total falla estructural. Dado el constante aumento de situaciones de patología estructural, se ha investigado en esta área, no sólo en busca de la sistematización patológica, sino que también en el fomento de nuevos conceptos tecnológicos. Algunos nuevos conceptos, no tan difundidos sino hasta hace poco, son el rendimiento, durabilidad, entorno, conformidad, ciclo de vida útil y mantención.
Es posible definir el ciclo de vida material, como el período durante el cual sus características químicas y físicas permanecen sobre los límites mínimos especificados para su función. El ciclo de vida, puede ser extendido en forma significativa con un adecuado programa de mantención estructural.
El estudio de la Patología Estructural involucra el análisis detallado del problema, describiendo sus causas, formas manifiestas, mecanismos de ocurrencia, mantención estructural y profilaxis. Con una correcta estimación del caso, es posible que el profesional involucrado pueda definir una de las cuatro medidas terapéuticas para un caso de condición patológica. Según Sartorti y Mascia (2010) el terapeuta es responsable por el estudio de las correcciones y soluciones al problema. Existe un consenso que para alcanzar una alternativa correcta de aplicación terapéutica, se debe realizar un estudio detallado indicando el diagnostico real del origen patológico. En la Tabla 1 se muestran las terapias a ser adoptadas, de acuerdo a cada caso. Maldonado et al. (2009) también establecieron que una evaluación correcta de los eventos que ocurren en una estructura, llevan a una intervención que dependerá, entre otros factores, del material disponible, costo de mano de obra y tiempo límite de ejecución.
Tabla 1. Tratamientos comunes para estructuras de concreto reforzado
3.1 Patologías del hormigón reforzado y pre-tensado
El hormigón, de la manera en que es empleado, tiene una naturaleza inestable a través del tiempo, presentando algunos cambios químicos y físicos en sus características, debido a las propiedades de sus componentes y a sus reacciones ante factores ambientales propios del lugar donde la estructura desarrolla su función.
Existen muchos factores que influyen en el comportamiento final del hormigón, los más relevantes para la patología en estudio, dentro de las estructuras de concreto reforzado y pre-tensado, son: calidad del material, relación agua/cemento (w/c), medio ambiente, medidas y la calidad del proceso de construcción de obra civil.
3.1.1 Causas de patologías en estructuras de hormigón
En el análisis de la estructura dañada, el reconocimiento de la causa patológica es indispensable junto con correcto tratamiento, necesario para garantizar la minimización de la patología post-recuperación. Las causas del deterioro de las estructuras pueden ser divididas en dos grandes grupos, según Ripper y Souza (1998). Estas pueden ser causas intrínsecas y extrínsecas.
Las causas intrínsecas son aquellas que residen en la estructura misma. Tienen su origen en los componentes y materiales de la estructura. Son causas provocadas por errores humanos durante la ejecución y/o fase de empleo, así como por agentes naturales externos como ataques químicos e incluso accidentes. Mientras que las causas extrínsecas son aquellas independientes de la estructura misma, ya sea por su composición o fallas durante la ejecución. Pueden ser entendidas como factores que agreden las estructuras "desde fuera hacia adentro" durante todo el proceso de concepción, ejecución, o diseño de vida útil.
3.1.2 Formación y mecanismos manifiestos de las patologías en el hormigón pre-tensado y reforzado
a) Grietas
La formación de grietas se debe a la deformación provocada por la carga medioambiental o mecánica en una pieza de hormigón reforzado o pre-tensado, y puede tener origen en muchos factores, tales como grietas por deformación de tensión o compresión (estado crítico de leve colapso); grietas originadas por esfuerzo cortante o torsión (según Fusco (2008), que constituyen un estado crítico de leve colapso); grietas causadas por desplazamiento del hormigón; grietas originadas por contracción; grietas causadas por deformación de longitud térmicas o higroscópicas; grietas provocadas por deficiencia en el posicionamiento de equipo de soporte y detalles en las juntas dentadas.
Las aberturas pueden presentar diferentes dimensiones y denominaciones según Raine (2003). De acuerdo a sus magnitudes son clasificadas e indicadas en la Tabla 2. También se presentan algunos comentarios a continuación.
corrosión del hormigón
En particular, la corrosión del hormigón es el deterioro donde las reacciones producidas son químicas y no electro-químicas, pudiendo ocurrir en tres formas: lixiviación, reacción de iones y expansión. Lorenzo et al. (2009) concentra la atención en la microbiología como causa importante de la corrosión en puentes y viaductos. La variabilidad genética y fisiológica existente en los microorganismos, especialmente en la bacteria, permite que determinados grupos se instalen en un tipo de estructuras, provocando daños.
Corrosión del acero reforzado
Los ambientes agresivos, una alta porosidad, alta capilaridad, deficiencia en el grosor de la cubierta, materiales de construcción defectuosos y grietas severas son, según Perdrix (1992), factores predominantes de corrosión en el acero reforzado.
La corrosión del acero, de acuerdo con su forma manifiesta es clasificada e indicada en la Figura 1.
Puesto que el hormigón presenta una alta concentración de hidróxido de calcio, se produce considerable alcalinidad, con un pH ≥12.5. El dióxido de carbono, responsable de la reacción de carbonatación, reduce el pH del hormigón, depasivando el acero y facilitando el ataque de sustancias nocivas. La velocidad de penetración del frente de carbonatación está en función directa con la permeabilidad y agrietamiento del material. La relación w/c que determina la permeabilidad especifica del hormigón y el grosor de la cubierta, puede influir en la velocidad de carbonatación, como se comprueba en la Tabla 3, (Helene y Pereira, 2007).
Tabla 2. Dimensiones de las aberturas de grietas, surcos, ranuras, fracturas y brechas
Tabla 3. Penetración del frente de carbonatación en el hormigón de cemento Portland
Yoris et al. (2010) también concluyeron que la carbonatación es significativa en estructuras ubicadas en ambientes industriales y están expuestas a ciclos de humectación y secado.
Una de las medidas preventivas y correctivas es la protección catódica con ánodos de protección. Sin embargo Pereira (2009) señaló que una adecuada concepción y determinación de los sistemas de protección catódica, así como una adecuada inspección periódica de los ánodos, adquieren gran importancia para la eficiencia y rendimiento de un sistema de protección. Esta inspección debiera considerar el diseño de vida útil, porque con el sistema operando, los ánodos se desgastarán hasta consumirse, permitiendo el desarrollo de procesos corrosivos.
b) Reacciones químicas
Además de las reacciones químicas necesarias para la hidratación de los componentes del hormigón, que inducen a deformaciones por encogimiento, pueden existir reacciones nocivas tales como reacciones expansivas. Mehta y Monteiro (2008) indicaron que las más comunes de este tipo son: reacción alcalina del agregado, reacción alcalina dolomita, feldespato calcio-sódico, ataque de sulfatos.
c) Daño provocado por la colisión de vehículos y fuego
La colisión de un vehículo contra las estructuras del puente provoca cargas extremas y elevadas difíciles de dimensionar, causando deformación aguda y daños tales como el desprendimiento de la cubierta y la exposición de la barra de acero reforzado, exigiendo un programa de protección para tales reparaciones (El Debs y Takeya, 2003).
Puesto que el estudio del fuego es bastante común, existe buen material de referencia sobre esta materia. En las estructuras de hormigón reforzado y pre-tensado, el fuego produce una acción tremendamente nociva. El calentamiento del material produce un
aumento del volumen generando enormes esfuerzos internos que provocan deformación del hormigón, grietas y colapso del hormigón.
Helene y Pereira (2007) descubrieron que el grado de alteración que se puede producir en un hormigón y sus componentes ante la acción del fuego, dependerá principalmente del nivel de temperatura alcanzado, tiempo de exposición y composición del hormigón. Mehta y Monteiro (2008) también destacaron que un hormigón más permeable otorgará un nivel de deterioro menor que un hormigón más compacto, ya que contiene vapor de agua retenido en los capilares y vacios de la matriz.
d) Deterioro del hormigón pre-tensado
Los elementos del concreto pre-tensado también pueden sufrir con las acciones nocivas de factores bien conocidos y cuantificados, según Cauduro (2003): pérdida de adherencia entre el acero tensado y el hormigón; relajación del acero pre-tensado; retracción del hormigón; corrosión por deformación del hormigón bajo tensión del acero pre-tensado; deficiencia de la barra de acero de refuerzo pasiva en el anclaje.
3.2 Puentes de Madera
Según Wood Handbook (1999) a comienzos del siglo veinte, la mayoría de los puentes en Norte América eran construidos en madera. En la década de los noventa, se inició una campaña a nivel nacional para restaurarlos y permitirles elevar su capacidad de carga.
Calil et al. (2003) destacaron que la durabilidad de la madera - siempre que sus procesos de secado y preservación hayan sido desarrollados correctamente -junto con el empleo de técnicas modernas, permiten que en Brasil se puedan producir estructuras que duren 50 años o más. Por cierto, el mercado de la construcción requiere productos de alto rendimiento, bajo costo, valor estético y que sean ecológicos desde un punto de vista medioambiental.
3.2.1 Factor de interferencia en el rendimiento estructural de la madera
Según Porteous y Kermani (2008), los factores esenciales que influyen en las propiedades de la madera son de orden anatómicos (densidad, ángulos fibrosos, nodos, falla natural de la madera, presencia de declive y flexión de parénquima); factores de uso y medioambientales (humedad y fallas causadas por ataques biológicos, defectos de secado y de procesos).
3.2.2 Mecanismos de formación y manifestación patológica en estructuras de madera
La manifestación de patologías en la madera se relaciona estrechamente con el ambiente donde se encuentra la madera y con el proceso de secado que se ha llevado a cabo. Aunque es susceptible a deterioro, su durabilidad está probada por medio de técnicas de
prevención apropiadas. Es así como podemos mencionar trozos de madera con más de 2000 años de antigüedad en los monumentos Egipcios, según indica Dinwoodie (2000).
El proceso de secado de la Madera, según indica el manual de Montana (2000), es de vital importancia, puesto que brinda las siguientes ventajas: disminuye el peso propio; aumenta la resistencia mecánica; las contracciones de la madera ocurren antes de emplearla; aumenta la resistencia contra los hongos; bacterias e insectos; mejora la resistencia de adherencia; otorga mayor habilidad de adherencia; las deformaciones y surcos generalmente ocurren en la etapa de secado; y finalmente las pinturas, barnices y lacados solo pueden ser aplicados cuando el secado haya terminado. Además, una característica de la madera que merece ser destacada es su propia anisotropía, responsable de diversas propiedades elásticas y de resistencia, de acuerdo con la dirección de aplicación de la carga en relación a las fibras, como proponen Stalnaker y Harris (1997). El deterioro de la madera es un proceso que altera significativamente sus propiedades. De acuerdo con Calil et al. (2008), en forma simple, los agentes causantes de la patología pueden ser clasificados en bióticos y abióticos.
a) Agentes bióticos
Estos son especialmente representados por microorganismos como los hongos y bacterias; coleópteros (escarabajos y taladradores de madera) e insectos isópteros (termitas); y taladradores marinos (moluscos y crustáceos). Los agentes bióticos requieren de algunas condiciones para sobrevivir, tales como temperatura, oxígeno, humedad y una adecuada fuente de alimento, que en este caso es la madera (manual de Montana, 2000).
Los efectos patológicos esenciales de estos agentes son la putrefacción y la plaga de insectos, dependiendo de la habilidad de cada organismo pueden producirse ataques aislados o de un solo tipo, o de un grupo de termitas (organismos cuyo alimento es la madera).
La norma ABNT: NBR 7190 (1997) establece situaciones de riesgo para la biodegradación de la madera. Los diseñadores deben indicar un procedimiento adecuado para cada situación. Según Calil et al. (2003), en general, cuatro preservadores son responsables por el 80% de la madera tratada: creosota, penta-clorofenol, CCA (sal de cromo - cobre - arsénico) y CCB (sal de cromo - cobre - boro).
b) Agentes abióticos
Según Calil et al. (2003) los agentes bióticos son del tipo físico-mecánicos, químicos y climáticos. El mecanismo patológico esencial de la madera considera los siguientes agentes abióticos: deformación y surcos provocados por la variación de humedad, abrasión mecánica corrosión de partes de metal, degradación foto-química, deterioro por altas temperaturas, patologías causadas por excesiva deformación e inestabilidad, remoción de maderas, fracturas iniciales y daños provocados por el fuego.
3.3 Puentes de acero
Davison y Owens (2003) observaron que el acero estructural cuya aleación metálica está compuesta principalmente de hierro y pequeñas cantidades de carbón (de 0.002% a 2.0%), posee propiedades de resistencia y ductilidad. Aditivos y aleaciones especiales son generalmente empleadas como especialidades en la ingeniería del acero. Además de los tipos de patologías presentes en las estructuras de acero, descritas a continuación, Pinho y Bellei (2007) observan que en las estructuras compuestas (vigas y placas) fabricadas en acero y hormigón, muy empleadas en la construcción de puentes pequeños y de tamaño mediano, también se debe verificar la integración entre el hormigón y el acero, es decir las conexiones.
3.3.1 Mecanismos de formación y manifestación de patologías en estructuras de acero
a) Oxidación del acero
Pannoni (2004) establece que el fenómeno de la corrosión involucra una amplia variedad de mecanismos generadores, que pueden ser clasificados en cuatro grupos: corrosión en ambiente acuoso (90%), oxidación y corrosión por calor (8%), corrosión en ambientes orgánicos (1.8%), corrosión por metales líquidos (0.2%). La causa más frecuente de deterioro en las estructuras de metal es la oxidación del acero. La corrosión de las estructuras de acero se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Tipología de la corrosión del acero. (A) vista superior, (B) vista lateral
La pintura es el medio generalmente empleado para evitar la oxidación del acero, esta debe ser aplicada en intervalos máximos de 5 a 10 años, dependiendo del ambiente. Los criterios de aplicación de pintura son presentados por Pfeil and Pfeil (2009). Además de la pintura, es esencial contar con un drenaje adecuado, previniendo la acumulación de agua en cualquier parte de la estructura.
El nivel de oxidación puede ser clasificado en tres categorías:
√ superficial - sólo oxidación superficial, sin reducción del área
√ mediana - aparecen aéreas definitivamente corroídas, creando pequeñas capas
√ severa - corrosión avanzada, penetrando el acero y pudiendo llevar a la perforación de la pieza
En zonas marinas, las piezas ubicadas dentro de la fluctuación de las mareas, o expuestas a humedad en forma irregular, son las más afectadas. Las cabezas de los tornillos y las partes soldadas son las más expuestas a corrosión.
b) Deterioro causado por sobrecarga
Las partes expuestas a gran esfuerzo pueden alcanzar su límite de rendimiento, produciendo deterioros permanentemente visibles, que son denominados deterioros plásticos por la norma DNIT (2004).
c) Deterioro causado por falta de refuerzos
La falta de refuerzos en las estructuras de acero puede llevar al desplazamiento severo y extremo, provocando un colapso, debido al pandeo. Otro fenómeno relacionado a la falta de refuerzo es la vibración excesiva (Rodrigues, 2008).
d) Deterioro causado por efectos térmicos
Según Pfeil (1983) las variaciones de temperatura actúan sobre las estructuras creando movimientos de elongación y encogimiento. Cuando estos movimientos son detenidos por un soporte, se ejerce gran esfuerzo sobre el material que pudiera exceder su límite de rendimiento, en especial en estructuras hiperestáticas, provocando así deformaciones plásticas. Este efecto es reducido con el empleo de espacios intermedios entre los soportes y conexiones, y usando equipamiento de soporte en buenas condiciones.
e) Daño causado por el efecto del fuego
Según Pfeil and Pfeil (2009), las altas temperaturas sobre 100°C, tienden a eliminar el límite de rendimiento del material, provocando un diagrama de curva esfuerzo-
deformación, también creando una gran variación del módulo de elasticidad. Según Silva (2001) las temperaturas sobre 250 y 300°C causan desplazamiento en los aceros, por lo tanto un tratamiento térmico es la mejor alternativa para aumentar el tiempo de resistencia de un elemento bajo condiciones de fuego.
f) Grietas causadas por fatiga y/o concentración de esfuerzo
Algunos detalles inapropiados producen alta concentración de esfuerzo en partes metálicas, que pueden crear grietas en el metal. Algunos ejemplos son las esquinas entrantes en ángulos agudos, variaciones puntiagudas del espesor o ancho de la placa, concentraciones de soldadura.
Las fisuras o grietas por fatiga se producen en estructuras expuestas a carga cíclica como es el caso de los puentes. Estas variaciones de carga provocan oscilaciones de esfuerzo que pueden generar fisuras y grietas. En los puntos de concentración de esfuerzo, los efectos de fatiga son más agudos. Las rupturas generadas por fatiga son muy peligrosas y frágiles. Algunos factores que pueden provocar grietas y fisuras son: alta frecuencia de tráfico de camiones pesados; variación a gran escala del esfuerzo; calidad del material; calidad de la soldadura, edad e historia de las cargas del Puente.
g) Daños por soldadura
Las fallas por soldadura, ya sean por bajo rendimiento o material inadecuado, pueden provocar daños severos a la estructura generando una ruptura leve.
h) Daños causados por excesiva vibración
El uso de las estructuras de piso, con grandes espacios intermedios que reducen el pandeo, pueden provocar vibraciones incomodas. La norma ABNT: NBR 8800 (2009) indica que el problema de vibraciones puede ser considerado en el diseño estructural, a través del análisis dinámico. Los efectos nocivos de la vibración pueden volverse incómodos para los usuarios y un riesgo de ruptura para la estructura por efecto cíclico, generando fatiga.
3.4 Otras fuentes patológicas en puentes
En los puentes también se pueden observar situaciones patológicas, ya sea en sus elementos o en el conjunto estructural completo, independiente del material con que está construida la estructura. Las patologías más comunes son: problemas en los cimientos y juntas, movimiento estructural general de la estructura, movimiento rotacional total de la estructura, desgaste y defectos en la pista, juntas con espacios insuficientes o condiciones inapropiadas, cambios de los cursos de agua que provocan erosión y rompimiento de los cimientos, problemas con la mantención del equipo de apoyo (DNIT, 2004).
3.5 Mantención estructural e inspecciones de los puentes
La mantención e inspección de los puentes ha sido la preocupación de entidades públicas y privadas y es de consenso general que estas medidas minimizan pérdidas por enormes reformas y también reducen accidentes. En relación a la norma ABNT:NBR 9452 (1986), códigos de inspección de puentes y viaductos de hormigón, Sartorti y Mascia (2010) indican que el método actual no cumple íntegramente los requerimientos necesarios para una inspección satisfactoria. Este no cubre los ítems considerados relevantes y frecuentes en puentes y viaductos, porque restringe y afecta la inspección, escondiendo valiosa información con relación a la estabilidad de la estructura. A la luz de esta realidad, es posible apelar al uso de una fuente alternativa además del código DNIT (2004). Existen al menos cinco clasificaciones para la inspección en conformidad con el código DNIT (2004), que incluyen inspecciones de registro, rutinarias, especiales, extraordinarias e intermediarias. Basados en los datos recopilados, debiera adoptarse un programa de mantención que busque aumentar la vida útil y reducir los costos, como una posible intervención para corregir las patologías mencionadas.
4. Identificación de las patologías estructurales de los puentes en la region de Campinas - SP
El correcto diagnóstico de las patologías revelará no solo las causas sino también los individuos responsables de ellas, cuya identificación será necesaria para efectos legales. El diagnóstico de cualquier tipo de patología debe estar basado en un análisis profundo de la estructura y en el conocimiento adecuado de los mecanismos de formación y manifestación de las patologías.
Esta investigación intenta llevar a cabo inspecciones visuales en nueve puentes de caminos colectores urbanos y rurales en Campinas-SP, Brasil. Este artículo presenta los datos recopilados en cuatro de esos puentes. La Tabla 4 destaca las principales características de cada puente analizado.
Tabla 4. Datos generales de los puentes investigados
4.1 Puente 1
Este Puente está ubicado adyacente al camino Joaquim Egídio y es la conexión con la estación ambiental del distrito y también con las granjas agricultoras de la región. Su tráfico principal está constituido por autos y camiones livianos. El puente fue construido con vigas de acero y troncos de madera ubicados en forma transversal, creando una rejilla para la losa (ver Figura 2), compuesta de una capa de suelo. Las juntas están compuestas de bloques de piedra y mortero.
Figura 2. Vista general del puente
La Figura 3 muestra el Puente con las vigas de acero bajo extremas condiciones de corrosión, las cuales ya han perdido parte considerable de su sección transversal en la zona de tensión. Los troncos transversales también se encuentran en precarias condiciones, con grandes signos de desintegración debido a la continua presencia de humedad que mantiene la capa de suelo que sirve como losa. Existen problemas adicionales en relación con las juntas que presentan grietas visibles, indicando sobrecargas excesivas a las permitidas por el diseño. En parte las juntas no están unidas debido a la erosión y bajo rendimiento; también se observa que los contraríeles de madera están en precarias condiciones y podrían fallar incluso con cargas menores.
Una sugerencia para mejorar o mantener la función estructural del Puente es reemplazar la superestructura por una estructura compuesta de hormigón y acero o madera. Así la losa de hormigón contribuirá a la resistencia que beneficiará una mayor capacidad de carga y eliminará los problemas tales como la vegetación en el puente y la retención de humedad, las cuales provocan pudrición de los troncos.
Figura 3. Corrosión del acero
Figura 4. Deterioro del pavimento
4.2 Puente 2
Ubicado en la calle Antonio Zaine, en el distrito de Barao Geraldo, el puente de la Figura 4 está cerca de la escuela Rio Branco, presenta tránsito de todo tipo de vehículos y durante el día el flujo de tráfico es muy intenso debido a la escuela. La estructura completa es de hormigón reforzado con un sistema estructural, un puente losa soportado en las juntas por hormigón reforzado. La luz es pequeña, mide solo 7.5 m, pero su ancho total es de 14.0 m incluyendo dos pasos peatonales de 3.0 m cada uno.
La estructura de la junta presenta grandes surcos en diversas partes, indicando que la presión de la tierra adyacente es mayor que la capacidad de resistencia. Además de la deficiencia patológica, el estado de conservación de los contraríeles y pavimento del puente son precarios. Se observa que el drenaje del puente no es eficiente.
El avanzado grado de agrietamiento indica un esfuerzo excesivo. Este tipo de patología puede causar daño a la comunidad, especialmente a los estudiantes de la escuela cercana. La intervención para fortalecer los soportes es urgente.
Las otras patologías tales como la corrosión en refuerzos de aparatos de protección y el avanzado deterioro del pavimento son temas que requieren tratamiento. Se observa una relativa negligencia en la inspección y mantención de la estructura del puente.
4.3 Puente 3
Construido sobre el Rio Atibaia, en el distrito de Sousas, el puente es la conexión principal entre dos distritos, sin mencionar que es la ruta óptima para llegar al distrito de Joaquim Egidio. Este puente sirve como paso constante de autos, buses y camiones, como se muestra en la Figura 5.
Figura 5. Vista del tráfico
La estructura es de hormigón reforzado y se divide en dos partes. La losa cubre una luz de 38.2 m, y es soportada por juntas y un pilar central ubicado en el medio del rio. Las pistas para tráfico tienen un ancho de 6.2 m, en las cuales se han colocado vigas de acero para soportar las aceras peatonales, cuyo ancho es aproximadamente de 2.0 m y fueron construidas con tablas de madera.
En la parte inferior del puente, las extremidades longitudinales se observan con una creciente variación en la sección de los anclajes (variación por mayor esfuerzo de cizalle en esta región) y las extremidades transversales están conectadas en forma monolítica con una losa tablero.
Entre las patologías se encuentra la excesiva vibración observada al inspeccionar el puente. Se observa que la posible lixiviación del hormigón puede derivarse principalmente
de la permeabilidad del hormigón y de un drenaje deficiente. También se observa que hay desprendimiento debido a la corrosión de acero reforzado.
Las extremidades de acero que soportan la acera están corroídas, pero no en un estado avanzado y la losa de hormigón está desgastada. Las partes de madera en la acera están deterioradas por la acción de hongos y presentan graves riesgos para los peatones (ver Figura 6).
Este puente forma parte del patrimonio de la ciudad de Campinas y constituye un riesgo para la población, por tanto requiere una mantención inmediata. La corrosión de los perfiles de metal requiere de un de un tratamiento con sustrato para remover partes corroídas e impurezas, así como la aplicación de pinturas anticorrosivas en las secciones donde es necesario reemplazar el material. También es necesario reemplazar muchas piezas de la tabla de madera tratada.
Figura 6. Estado de desintegración de la acera
4.4 Puente 4
Ubicado en una pista del camino de Rhodia in Barao Geraldo este puente sirve para conectar zonas de agricultura, transformándolo en un lugar de paso contante de camiones. Su tablero está compuesto de tablas de madera en forma longitudinal y sus troncos y extremidades transversales son empleados como troncos de madera, según se muestra en la Figura 7. El puente tiene una luz de una extensión de 16.0 m y un ancho de pista de 4.5 m de longitud.
Debido al precario estado de conservación de los troncos de madera, una viga transversal de acero ha sido ubicada en el medio de la luz, soportada por dos cables de acero en cada extremo y anclados con bloques de hormigón en la cabecera del puente. En la inspección
visual se observa que los cables no tienen suficiente tensión, por lo tanto, es posible moverlos manualmente.
Los troncos se encuentran en estado crítico de pudrición por hongos y la presencia de humedad permitió el desarrollo de musgo, como se muestra en la Figura 8.
Las juntas construidas con hormigón reforzado, presentan varias zonas con aglomeraciones de hormigón debido a deficiencias durante la construcción. Además el puente contiene mucha suciedad, especialmente en su extremidad transversal, lo que indica que el nivel del agua sube hasta la losa aumentando el riesgo de colapso en épocas de inundaciones.
La madera que constituye la losa aún se encuentra en un estado de conservación razonable, pero hay algunos puntos de desintegración y las reparaciones realizadas de mala manera, hacen que el puente sea peligroso para los peatones y conductores locales. Los guardarrieles también se encuentran en malas condiciones con poca capacidad de resistencia.
Se recomienda la mantención de este puente para permitir que los cables sean tensionados y también protegidos apropiadamente de la corrosión. Además los troncos del guardarriel deben ser reemplazados a la brevedad.
Figura 7. Vista de la losa
Figura 8. Desintegración de la madera de la estructura principal
5. Conclusiones
Esta investigación entrega importante información que es extremadamente relevante para el área de la ingeniería civil, en especial para la mantención de infraestructura de caminos en un país en vías de desarrollo, que debiera mejorar sus medios de transporte con el fin de incrementar sus exportaciones y mejorar su economía. Este factor podría contribuir a elevar el bienestar de su población.
Este artículo destaca las inadecuadas condiciones de muchos puentes para el tráfico vehicular. Esto es confirmado por el número comprobado de patologías serias encontradas, que proveen evidencia sobre las deficiencias en planificación, diseño y mantención.
La revisión de literatura en que se basa este articulo, expresa la importancia del diseño centrado en principios sólidos, involucrando a un equipo multidisciplinario para evaluar todos los puntos dando así al diseño de puentes un carácter funcional, económico, estético y medioambiental. También se observa la necesidad de conocimiento técnico en relación al estudio de patologías antes de realizar una inspección. En el aspecto de la durabilidad, se observa que las patologías localizadas afectan significativamente la estructura, y a través de ellas pueden surgir otras patologías que reducirían la vida útil de la estructura.
Se sugiere que para cada uno de los puentes estudiados, que presentan casos más severos, las entidades públicas presenten soluciones viables, tales como el reemplazo de estructuras dañadas por nuevos puentes, actuando de manera rápida y con eficiencia en la implementación de tales estructuras.
Finalmente se concluye que la prevención es la mejor manera de prevenir condiciones patológicas. La mantención preventiva es apoyada no sólo por un correcto diseño o apropiada implementación de acuerdo a parámetros de calidad, sino también por un programa de mantención estructural.