CONCEPTOS

Ley de darcy

En 1856, en la ciudad francesa de Dijon, el ingeniero Henry Darcy fue encargado del estudio de la red de abastecimiento a la ciudad. Parece que también debía diseñar filtros de arena para purificar el agua, así que se interesó por los factores que influían en el flujo del agua a través de los materiales arenosos, y presentó el resultado de sus trabajos como un apéndice a su informe de la red de distribución. Ese pequeño apéndice fue la base de todos los estudios físico-matemáticos posteriores sobre el flujo del agua subterránea.

En los laboratorios actuales disponemos de aparatos muy similares al que utilizó Darcy, y que se denominan permeámetros de carga constante (Figura 1).

Básicamente un permeámetro es un recipiente de sección constante por el que se hace circular agua conectando a uno de sus extremos un depósito elevado de nivel constante. En el otro extremo se regula el caudal de salida mediante un grifo que en cada experimento mantiene el caudal también constante.

Finalmente, se mide la altura de la columna de agua en varios puntos (como mínimo en dos, como en la Figura  1).

Darcy encontró que el caudal que atravesaba el permeámetro era linealmente proporcional a la sección y al gradiente hidráulico

Principio de continuidad

Los fluidos, al igual que el resto de la materia, están compuestos de moléculas; establecer el número de éstas es un desafío. En una pulgada cúbica de aire a temperatura ambiente existen aproximadamente 10^20 moléculas. Tratar de describir y predecir el movimiento individual de cada molécula es en extremo complejo y esta más allá de toda capacidad de proceso de cualquier super computadora.

Para simplificar el trabajo en ingeniería se refiere al comportamiento en volumen de un fluido como una distribución continúa de materia o continúo, es decir ya no importa el comportamiento de cada individuo sino lo que hacen las masas.

Para poder ver a un fluido como algo continuo es necesario que al momento de estudiar sus propiedades se observe una cantidad suficientemente grande en la que primero no cambie demasiado su densidad por que a nivel molecular esta propiedad varia demasiado.

Una consecuencia de este se puede ver en una extensión de la ley de la conservación de materia en la llamada ecuación de continuidad. (Acumulación de masa) = (Materia que entra) - (Materia que sale) Considera el caso en que se quiere estudiar la cantidad de materia que entra y sales de un tanque: (Acumulación de masa) = (Materia que entra) - (Materia que sale) Si no hay acumulación de masa. 0 = (Materia que entra) - (Materia que sale) 0 = (densidad)(velocidad de entrada)(Área de entrada) - (densidad)(velocidad) de salida)(Área de salida) (densidad)(velocidad de entrada)(Área de entrada) = (densidad)(velocidad de salida)(Área de salida)

Que es la ecuación de continuidad que indica que la misma cantidad de materia que entra es la misma que sale no importando que la velocidad la densidad y el área de entrada y salida sean diferentes.

Cometabolismo

Proceso mediante el cual una sustancia normalmente no biodegradable es biodegradada sólo en presencia de una fuente de carbono adicional.

Xenobioticos

Se trata de compuestos  de naturaleza química muy variada, algunos de los cuales son de origen natural, entre los que se destacan las micotoxinas, si bien la inmensa mayoría son productos originados por la propia actividad humana, como los contaminantes ambientales o los compuestos químicos de síntesis.

 Se consideran residuos a los remanentes de plaguicidas y medicamentos de uso veterinario y se reconocen como contaminantes los metales pesados, las micotoxinas, las nitrosaminas, los bifenilos policlorados, las dioxinas y los furanos policlorados.

LNAPL: Una luz líquido no acuoso de fase (LNAPL) es una de las aguas subterráneas contaminante que no es soluble y tiene una menor densidad que el agua , que es el opuesto de DNAPL . Una vez que se infiltra en LNAPL a través del suelo, se detendrá a la altura de la capa freática ya LNAPL es menos denso que el agua. Los esfuerzos para localizar y eliminar LNAPL son relativamente más baratos y más fáciles que DNAPL por LNAPL flotará en la superficie del agua en la tabla de agua subterránea.

Ejemplos de LNAPL son gasolina y otros hidrocarburos .

DNAPL: Una densa no acuosa en fase líquida o DNAPL es un líquido que es tanto más densa que el agua y es inmiscible en o no se disuelve en agua. El DNAPL término se utiliza principalmente por los ingenieros ambientales y hidrogeólogos para describir los contaminantes en las aguas subterráneas de agua superficial y sedimentos. DNAPL tiende a hundirse por debajo de la mesa de agua cuando se derraman en cantidades significativas y sólo se detiene al llegar a roca impermeable. Su penetración en un acuífero hace que sean difíciles de localizar y solucionar.

ARTICULO 2 CONTAMINACIÓN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS

Contaminación de aguas subterráneas

PRINCIPALES AGENTES CONTAMINANTES

Los contaminantes químicos son muy variados y se pueden clasificar en iones normales, iones nitrogenados, materia orgánica, metales pesados y compuestos tóxicos.

El grupo genérico de iones normales comprende los iones cloruro, sulfato, bicarbonato, sodio, calcio, magnesio y los parámetros derivados: residuo seco y dureza.

El principal efecto de la dureza en las aguas de uso doméstico es el incremento en el gasto de jabón, detergentes o productos de ablandamiento de las aguas para evitar incrustaciones, aparte de las dificultades en la cocción de verduras y otros alimentos. En cuanto a los iones nitrogenados, sobre todo se trata de los nitratos derivados de la utilización de fertilizantes. La presencia de nitritos y amonio puede indicar que proceden de la descomposición de la materia orgánica de algún vertido de residuos y que puede venir acompañada de organismos patógenos.

Los principales inconvenientes que puede causar la materia orgánica en aguas destinadas al consumo humano son los de color, olor y sabor, la posibilidad de existencia de microorganismos patógenos que se nutren de ella y la presencia de ciertas sustancias orgánicas no biodegradables que permanecen en el agua y cuyos efectos sobre la salud humana aún no son suficientemente conocidos.

Se incluyen bajo la denominación de metales pesados los iones metálicos que, aunque suelen aparecer como trazas en las aguas subterráneas, pueden ser indicio fundado de contaminación cuando sus concentraciones son anormalmente altas. Compuestos tóxicos y trazadores, los plaguicidas organoclorados son los más peligrosos por su elevada toxicidad, por ser acumulativos y difícilmente degradables. Los organofosforados y carbonatados presentan en general menos peligro aunque los posibles efectos de todos ellos son escasamente conocidos.

Los detergentes comunican espuma y mal sabor.

El cianuro es altamente tóxico a elevadas concentraciones.

El principal problema que puede entrañar la contaminación microbiológica de las aguas subterráneas consiste en la posible propagación de enfermedades producidas por bacterias o virus que sean introducidas en el acuífero por los vertidos de productos fecales de origen humano o animal.

MECANISMOS DE INTRODUCCION Y PROPAGACION DE LA CONTAMINACION EN EL ACUIFERO

Los principales mecanismos de llegada de contaminantes son los de propagación a partir de la superficie, que incluyen los casos de arrastre de contaminantes desde la superficie del terreno por las aguas de infiltración (vertidos sobre el terreno, uso de fertilizantes, etc..) y los de infiltración de aguas superficiales contaminadas desde ríos, acequias, etc.., provocados por la acción humana; los de propagación desde la zona no saturada cuyos ejemplos más típicos son los derivados de los sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas y de embalsamiento superficial de residuos líquidos de diversa procedencia y, finalmente, los de propagación originados en la zona saturada cuyos casos más típicos son los pozos de inyección y la progresión de la intrusión salina por alteración del régimen de flujo.

I. Arrastre de contaminantes desde la superficie

II. Inyección directa al acuífero

CAUSAS DE CONTAMINACIÓN

- por actividades urbanas

- por actividades agrícolas

- por actividades industriales

- por aguas salinas

- por actividades mineras

- por vertidos de origen urbano

- otros

MIGRACIÓN DE CONTAMINANTES

Es el conjunto de procesos de transporte, almacenamiento, intercambio y transformación (transferencia), que por causas físicas, químicas y biológicas afectan a los solutos en el suelo y las aguas subterráneas

El transporte de solutos o de contaminantes en medios porosos, saturados, homogéneos e isótropos está regido por una ecuación de conservación de masa, que tiene en consideración que el flujo está afectado por los siguientes mecanismos:

a) movimiento convectivo (desplazamiento medio)

b) dispersión aparente (difusión molecular y dispersión mecánica)

c) reacciones geoquímicas (cambio iónico, adsorción,...)

d) procesos bioquímicos, radiológicos (degradación biológica, decrecimiento radioactivo,..)

Los medios porosos constituyen sistemas heterogéneos formados por una matriz sólida, con constituyentes minerales y orgánicos, y un complejo sistema de poros interconectados que están rellenos de fluidos (aire o agua).

TRANSPORTE DE SOLUTOS EN EL ACUÍFERO

Las sustancias disueltas, contaminantes o no, una vez incorporadas al sistema de flujo del acuífero, pueden ser transportadas bien por el propio movimiento del agua bien por difusión molecular, o por ambos medios simultáneamente.

Cuando son transportadas por el agua en movimiento, tienden a moverse en la dirección general del flujo y, si no existen interacciones con el terreno, a una velocidad que es igual a la velocidad media del agua subterránea. Sin embargo, a causa de las tortuosidades del terreno, los solutos tienden a separarse de la trayectoria ideal del agua y a moverse con diferente velocidad. Esta desviación de la trayectoria ideal se denomina dispersión mecánica o hidráulica. Cuando la dispersión se produce, además, a consecuencia de una difusión molecular, simultánea al movimiento del agua, se denomina dispersión hidrodinámica.

En la difusión no se produce movimiento de solutos a través del movimiento del agua. El movimiento es debido sólo a la existencia de un gradiente de concentración, no hidráulico. Su efecto es la tendencia a la igualación de concentración en cualquier parte del sistema.

Advección

El transporte advectivo o flujo másico advectivo se refiere al movimiento pasivo de solutos disueltos en el agua.

Difusión

El transporte difusivo es debido al movimiento de iones disueltos y moléculas debido a la existencia de gradientes de concentración y a la agitación térmica de las moléculas.

Dispersión

Los diferentes tipos, tamaños y orientación de los poros da lugar a velocidades que difieren de unos puntos a otros. Además, también hay variaciones de velocidad en un mismo poro, en donde la velocidad es más pequeña cerca de la pared del poro. Este mecanismo es llamado dispersión mecánica,

  

TIEMPO DE TRANSITO DE CONTAMINANTES

t = tR + T

tR = H mr / R T = d m / k i

H = espesor no saturado

R = recarga local

mr = humedad volumétrica media del perfil

d = distancia horizontal foco - captación

m = porosidad volumétrica total

k = permeabilidad

i = gradiente hidráulico

 En el medio no saturado:

En el medio saturado:

TRANSFERENCIA DE MASAS

Durante el transporte de las sustancias disueltas, potencialmente contaminantes, a lo largo del flujo subterráneo, éstas están sometidas a una serie de procesos que tienden a atenuar sus efectos (autodepuración del agua subterránea). Los principales procesos que pueden tener lugar son:

Procesos físicos

Dispersión. Provoca la dilución de contaminantes. La capacidad de dispersión de un medio depende de su grado de heterogeneidad, velocidad del agua subterránea,.. En general, es inversamente proporcional a la porosidad.

Filtración. Elimina virtualmente todos los sólidos en suspensión. No es efectiva frente a la mayoría de las especies químicas inorgánicas. Muy efectiva en medios arcillosos.

Circulación de gases. Favorece la descomposición de sustancias orgánicas. La limitación de esta circulación puede provocar condiciones anaerobias. Volatilización y fuga en estado de gas pueden afectar a nitratos y sulfatos.

Procesos geoquímicos

Formación de complejos y fuerza iónica. Los complejos y pares iónicos se forman en su mayoría por combinación de iones polivalentes. La fuerza iónica es una medida del total de iones disueltos. Tanto una como otra hacen aumentar la cantidad de especies disueltas que estarían limitadas por oxidación, precipitación o adsorción.

Neutralización - reacciones ácido-base. La mayoría de los constituyentes de las aguas subterráneas son más soluble y, por tanto, más móviles cuando el pH es bajo.

Oxidación - reducción. Muchos elementos pueden presentar varios estados de oxidación estando su movilidad estrechamente ligada a dicho estado. En suelos no saturados y zonas de recarga de acuíferos suelen predominar condiciones oxidantes o parcialmente reductoras, mientras que en la zona saturada suelen predominar las reductoras, especialmente si existe materia orgánica.

Precipitación - disolución. Teóricamente casi cualquier constituyente que se encuentre en solución puede precipitar. El calcio, magnesio, bicarbonatos y sulfatos, especialmente, pueden estar sometidos a estos procesos. Constituyentes traza como arsénico, boro, cadmio, cianuro, hierro, plomo, mercurio, presentan una notable capacidad de precipitación en ciertas condiciones.

Adsorción - desorción. El proceso de intercambio iónico puede provocar la retención de cationes y aniones en la superficie de las arcillas. La cantidad de cationes metálicos adsorbidos aumenta con el pH. Los elementos adsorbidos pueden volver a la solución (desorción) cuando un agua con menor concentración de estos elementos entra en contacto con el material adsorbente.

Procesos bioquímicos

Degradación biológica y asimilación. Muchas sustancias orgánicas pueden ser extraídas del agua por actividad biológica: sulfatos, nitratos, arsénico y mercurio pueden ser fijados biológicamente. El molibdeno es fuertemente asimilado y fijado por las plantas.

Síntesis celular. El nitrógeno, carbono, azufre y fósforo, así como otra constituyente son necesarios para el crecimiento de los organismos y pueden, por consiguiente, ser retirados en su movimiento desde los emplazamientos de residuos.

PROCESOS EN LA ZONA NO SATURADA

Las entradas de agua son debidas a las lluvias, al riego, recarga artificial y lixiviados de vertidos, cuyas características físico-químicas es necesario conocer. Los procesos que en mayor medida afectan a esta zona son la evapotranspiración que conlleva la concentración de las sales disueltas y la absorción radicular selectiva, cuya fase líquida forma parte de la evapotranspiración pero que puede jugar un importante papel en la pérdida de algunos iones (nitratos fundamentalmente).

Degradación de compuestos orgánicos, oxidación-reducción, precipitación-disolución y cambio iónico.

La volatilización puede afectar al amonio y aciertas sustancias orgánicas (plaguicidas).

Realmente, en esta zona también tienen lugar la mayoría de los procesos que se indican en la zona intermedia o zona no saturada propiamente dicha, e incluso con mayor intensidad, como puede ser el caso de la adsorción de metales pesados o de nitrificación del amonio.

Los procesos de adsorción, incluido el cambio iónico, afectan fundamentalmente a cationes.

Son típicos los intercambios entre calcio, sodio o amonio así como la adsorción de potasio o metales pesados, aunque también pueden afectar a aniones (fosfatos).

Los procesos de disolución - precipitación dependen básicamente de la solubilidad de los compuestos y de su equilibrio respecto a la saturación. Estos procesos, que afectan fundamentalmente a carbonatos también pueden afectar a otras sales (fosfatos). El algunos casos, las sales precipitadas pueden ser nuevamente puestas en disolución cuando se modifica la fuerza iónica, como ocurre con el carbonato de cadmio en presencia de agua de cierta salinidad.

Las reacciones de oxidación en ambiente aerobio, capaz de aportar oxígeno, son especialmente intensas en los compuestos del nitrógeno (nitrificación del amonio y nitrito) y en los sulfuros, que son transformados a sulfatos. Por el contrario, las reacciones de reducción, en ambiente anaerobio y con presencia de materia orgánica, conducen a la formación de amonio (desnitrificación) y sulfuros (reducción de sulfatos).

La biodegradación que afecta a las sustancias orgánicas tiene lugar en los primeros centímetros del suelo donde tanto la presencia de oxígeno como la actividad biológica son muy elevadas. Esta biodegradación provoca una rápida disminución de la carga contaminante orgánica existente en el agua, que se constata por descensos en los valores de los parámetros que la caracterizan, como son la DBO5, DQO y materia orgánica.

Finalmente, las sustancias solubles y que no han sido retenidas por los distintos procesos mencionados alcanzan el acuífero con el agua de recarga.

ARTICULO 1: CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS DE LOS PLAGUICIDAS Y SU TRANSPORTE EN EL AMBIENTE

CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS DE LOS PLAGUICIDAS Y SU TRANSPORTE EN EL AMBIENTE

 Para entender como se comporta un plaguicida en el ambiente se necesita conocer cierta información sobre las propiedades físico-químicas de la molécula y su mecanismo de transporte, así como las características medio ambientales y la geografía del lugar en el que se le encuentra.

Los científicos han logrado determinar ciertas características físico-químicas cuantificables para los plaguicidas, como es la solubilidad, presión de vapor, Constante de la Ley de Henry, el Coeficiente de Carbono orgánico (Koc) y el Coeficiente de Partición Octanol-Agua (Kow).

La molécula de plaguicida no permanece intacta por tiempo indefinido en el medio ambiente, ya que con el tiempo sufre una degradación influenciada por microorganismos, actividad química, pH, clima, y contenido de materia orgánica del suelo, entre otros.

1.- CARACTERÍSTICAS MEDIO AMBIENTALES

Son los lugares en que puede estar presente el plaguicida como: materiales o sustancias de desecho, agua subterránea o superficial, aire, suelo, subsuelo, sedimento y biota

2.- MECANISMOS DE TRANSPORTE AMBIENTAL DE LOS PLAGUICIDAS

Es la forma en que se mueven los plaguicidas en el medio ambiente, desde la fuente emisora del plaguicida hasta los puntos donde existe exposición para el ser humano o biota.

El transporte ambiental involucra los movimientos de gases, líquidos y partículas sólidas dentro de un medio determinado y a través de las interfaces entre el aire, el agua, sedimento, suelo, plantas y animales.  

Ilustración 1. Posibles mecanismos de transporte y transformación de plaguicidas en el ambiente.

2.1. Difusión

Es el movimiento de moléculas debido a un gradiente de concentración. Este movimiento es al azar pero trae como consecuencia el flujo de materiales desde las zonas más concentradas a las menos concentradas.

·          Lixiviación. Es el parámetro más importante de evaluación del movimiento de una sustancia en el suelo. Está ligado a la dinámica del agua, a la estructura del suelo y a factores propios del plaguicida.

·         Evaporación. La tasa de pérdida de un plaguicida por volatilización depende de su presión de vapor, de la temperatura, de su volatilidad intrínseca y de la velocidad de difusión hacia la superficie de evaporación.

Ilustración 2. Tipos de procesos físico-químicos en el ambiente.

3.- INFLUENCIA DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL SITIO EN EL TRANSPORTE DE PLAGUICIDAS

Las características físicas y las condiciones climáticas del sitio de estudio contribuyen al transporte de los contaminantes. Por consiguiente, es necesaria la información acerca de la topografía, tipos de suelo y ubicación, tipo de cubierta del suelo, precipitación anual, condiciones de temperatura, entre otros, para poder estimar hacia donde pudiera desplazarse el plaguicida aplicado.

4.- FACTORES FÍSICO-QUÍMICOS QUE INFLUYEN EN EL DESTINO DE LOS CONTAMINANTES Y EN EL TRANSPORTE AMBIENTAL

4.1. Volatilización

La volatilidad representa la tendencia del plaguicida a pasar a la fase gaseosa. La volatilidad se mide a partir de la constante de Henry que depende de la presión de vapor en estado líquido y de la solubilidad en agua.

4.2. Presión de Vapor

Es una medida de volatilidad de una sustancia química (plaguicida) en estado puro y es un determinante importante de la velocidad de volatilización al aire desde suelos o cuerpos de agua superficiales contaminados.

Un plaguicida con presión de vapor mayor a 10.6 mm Hg puede fácilmente volatilizarse y tiende a alejarse del lugar donde se aplicó.

Los plaguicidas con presión de vapor menor a 1.0 x 10^-8 (1.0 E-08) tienen bajo potencial para volatilizarse. Los plaguicidas con una presión de vapor mayor a 1.0 x 10^-3 (1.0 E-03) tienen alto potencial para volatilizarse.

4.3. Constante de la Ley de Henry (H)

Describe la tendencia de un plaguicida a volatilizarse del agua o suelo húmedo. El valor se calcula usando la presión de vapor, solubilidad en agua y peso molecular de un plaguicida.

Coeficiente de partición aire-agua (H_c)

H_c = p/c, donde:

p = presión de vapor del plaguicida (Pa)

c = solubilidad en agua (mol. m^-3)

H_c = Pa/moles. m^-3 = Pa m³/moles

H_c = p’ x PM x 10^-3/c’

H_c = mPa x PM x10^-3/ppm donde:

p’ = presión de vapor del plaguicida (mPa)

PM = peso molecular del plaguicida

c’ = solubilidad en agua (ppm)

Cuando el plaguicida tiene una alta solubilidad en agua con relación a su presión de vapor, el plaguicida se disolverá principalmente en agua.

Un valor alto de la Ley de Henry, indica que un plaguicida tiene un potencial elevado para volatilizarse del suelo húmedo; un valor bajo predice un mayor potencial de lixiviación del plaguicida.

4.4. Persistencia

Se define como la capacidad de cualquier plaguicida para retener sus características físicas, químicas y funcionales en el medio en el cual es transportado o distribuido, durante un período limitado después de su emisión. Los plaguicidas que persisten más tiempo en el ambiente, tienen mayor probabilidad de interactuar con los diversos elementos que conforman los ecosistemas.

De manera a facilitar la información contenida en esta base de datos se asignó un valor de 1 a los plaguicidas ligeramente persistentes; 2 a los poco persistentes; 3 a los moderadamente persistentes y 4 a los altamente persistentes.

4.4.1. Vida media

La vida media está definida como el tiempo (en días, semanas o años) requerido para que la mitad del plaguicida presente después de una aplicación se descomponga en productos de degradación.

·         Vida media en suelo: Es el tiempo requerido para que un plaguicida se degrade en el suelo. La vida media está determinada por el tipo de organismos presentes en el suelo, el tipo de suelo (arena, arcilla, limo), pH y temperatura, entre otros.

·         Vida media por Fotólisis: Es el tiempo requerido para que la mitad de un plaguicida aplicado expuesto a la luz del sol se degrade.

·         Vida media por Hidrólisis: Es el tiempo requerido para que la mitad de un plaguicida aplicado se degrade por la acción del agua.

4.5. Solubilidad en Agua

La solubilidad en agua de un plaguicida es una medida que determina la máxima concentración de un plaguicida a disolverse en un litro de agua y por lo general tiene un rango de 1 a 100,000 mg/L.

Los plaguicidas muy solubles en agua se adsorben con baja afinidad a los suelos y por lo tanto, son fácilmente transportados del lugar de la aplicación por una fuerte lluvia, riego o escurrimiento, hasta los cuerpos de agua superficial y/o subterránea.

4.6 Coeficiente de Adsorción de carbono orgánico (Koc).

A este valor también se le conoce como Coeficiente de adsorción suelo/agua o el Coeficiente de adsorción. Es una medida de la tendencia de un compuesto orgánico a ser adsorbido (retenido) por los suelos o sedimentos.

K_oc = K_D x 100/ %oc, donde:

%oc es el porcentaje de carbono orgánico en el suelo = % materia orgánica/ 1.72.

El Koc es específico para cada plaguicida y es sumamente independiente de las propiedades del suelo. Los valores del Koc van de 1 a 10,000,000.

Un Koc elevado indica que el plaguicida orgánico se fija con firmeza en la materia orgánica del suelo, por lo que poca cantidad del compuesto se mueve a las aguas superficiales o a los acuíferos.

4.7. Coeficiente de Partición Octanol/Agua (Kow)

El coeficiente de partición Octanol-agua, Kow, es una medida de cómo una sustancia química puede distribuirse entre dos solventes inmiscibles, agua (es un solvente polar) y octanol (es un solvente relativamente no polar, que representa a las grasas). El Kow proporciona un valor de la polaridad de un plaguicida, que es frecuentemente utilizado en modelos para determinar como un plaguicida puede distribuirse en tejido de grasa animal.

K_ow = C _octanol / C _agua, donde:

C = la concentración molar

pK_ow = -log 10 K_ow

Los plaguicidas con una vida media y un K_ow altos pueden acumularse en tejido graso y bioacumularse a lo largo de la cadena alimenticia.

4.8. Potencial de contaminación de agua subterránea

La Agencia de Protección Ambiental (EPA), de los Estados Unidos, realizó estudios de laboratorio durante 10 años, asociando ciertas propiedades de los plaguicidas con la lixiviación.

5. CLASIFICACIÓN DE LA TOXICIDAD DE LOS PLAGUICIDAS

El método más comúnmente empleado y avalado por la Organización Mundial de la Salud (OMS) para medir la toxicidad es la Dosis Letal 50, DL₅₀, que se define como la cantidad mínima de una sustancia, generalmente expresada en mg/kg, que es capaz de matar al 50% de una población de animales de prueba. Los resultados de DL50 obtenidos para una sustancia dada se extrapolan a los humanos y sirven de base para los sistemas de clasificación de la toxicidad.

En el catálogo de plaguicidas de la CICOPLAFEST se adopta la clasificación de la toxicidad recomendada por la OMS, con base en la DL₅₀ obtenida en ratas cuando el plaguicida se administra por vía oral en forma aguda. La clasificación según estos criterios se anota en el siguiente cuadro.

CONCLUSIONES

Las propiedades de algunas sustancias químicas, tales como los plaguicidas, implican cierto nivel de riesgo tanto al medio ambiente como a la salud humana.

En México, debido a la gran diversidad de climas, suelos, orografía, biota y tipo de tecnología aplicada en la agricultura, se deben tomar los valores del cuadro 7 como una base o referencia, y no como una regla, debido a que son datos tomados en laboratorio bajo condiciones controladas, lo cual no ocurre en la naturaleza.

Sería importante realizar investigaciones a nivel de laboratorio y campo con las condiciones ambientales que prevalecen en México, a fin de entender los parámetros ambientales e identificar de forma más precisa el transporte y comportamiento de los plaguicidas en el ambiente a lo largo de su ciclo de vida. Esto proporcionaría la mínima información requerida para: prevenir el desarrollo de resistencia de las plagas, la intoxicación de insectos, animales y plantas benéficos para el hombre y evitar la bioacumulación a lo largo de las cadenas tróficas y la contaminación de suelo, aire y agua.

ARTICULO 3: SOLUCIONANDO GRANDES PROBLEMAS AMBIENTALES CON LA AYUDA DE PEQUEÑOS AMIGOS: LAS TÉCNICAS DE BIORREMEDIACION

Solucionando grandes problemas ambientales con la ayuda de pequeños amigos: las técnicas de biorremediacion

 Podemos definir biorremediacion como la utilización de seres vivos para solucionar un problema ambiental, tales como suelo a agua subterránea contaminados. En un ambiente no contaminado, las bacterias, los hongos, los parásitos y los microorganismos heterotróficos degradan constantemente la materia orgánica disponible, para obtener energía. Cuando un agente contaminante orgánico, combustible, petróleo u otro es accidentalmente liberado en un ambiente dado, algunos de los microorganismos indígenas morirán, mientras que sobrevivirán algunos otros capaces de degradar estos compuestos orgánicos. La biorremediacion trabaja proveyendo a estos organismos de nutrientes, oxigeno y otras condiciones.

 Dependiendo del sitio y de sus contaminantes, la biorremediacion puede ser más segura y menos costosa que soluciones alternativas tales como la incineración o el enterramiento de las materias contaminadas.

Biorremediacion puede definirse como la respuesta biológica al abuso. Esta definición permite distinguir entre el uso de microorganismos para recuperar áreas contaminadas y para tratamientos de residuos tanto industriales como domiciliarios. Distintas situaciones de abuso ambiental pueden observarse en las figuras 1, 2 y 3.

Figura 1. Típico aspecto del riachuelo. Las aguas oscuras cargadas de residuos orgánicos, derivados del petróleo, cientos de tóxicos y escasas en oxigeno no permiten el desarrollo de una fauna y flora normal.

Figura 2. Descarga directa sin pre-tratamiento, de residuos orgánicos originados en una empresa cárnica (frigorífico).

Figura 3. Arroyo Bonaerense. Se observa la acumulación de basura luego de una crecida; la espuma indica la presencia de detergentes en el agua.

Debe tenerse en cuenta el destino del área que desea descontaminarse. Por ejemplo, en el caso de un ecosistema acuático, deberá definirse cuáles serán los usos que tendrán esas aguas: pueden ser destinadas a producir agua potable, para usos de recreación (balnearios), empleadas en agricultura o ganadería, como reserva biológica u otros usos. El objetivo de la biorremediacion es eliminar, o al menos disminuir la concentración de sustancias potencialmente tóxicas, dispersadas accidentalmente o no en suelos y/o cuerpos de agua superficial o subterránea, utilizando como parte fundamental del proceso a los microorganismos.

Los microorganismos utilizados en biorremediacion son generalmente no-fotosintéticos; ecológicamente ocupan el nivel trófico (de alimentación) denominado de los des componedores, en el que los hongos y bacterias son componentes principales. Estos organismos están presentes en prácticamente todos los lugares del planeta, inclusive a profundidades y temperaturas que se creía libres de ellos, como los pozos petrolíferos profundos.

¿Cómo Obtienen Energía los Microorganismos?

Hay diversas formas por las cuales los organismos son capaces de producir la energía necesaria para su crecimiento y reproducción (White, 1995):

1.   Fotosíntesis

2.  Oxidación de compuestos inorgánicos

3.  Oxidación de compuestos orgánicos

En este artículo nos referiremos específicamente a la tercera categoría, formada por organismos heterotróficos, capaces de degradar materias orgánicas y tóxicas orgánicas. Los caminos metabólicos que pueden emplear los microorganismos presentes en esta categoría se pueden clasificar en tres grupos; el primero de ellos depende del oxígeno (aeróbico) como aceptor final de electrones, mientras que los otros dos se realizan en ausencia de oxígeno (anaeróbico).

La acción de los microorganismos anaeróbicos es más lenta, pero en contrapartida son capaces de degradar compuestos más tóxicos o con escasos lugares atacables enzimáticamente en sus moléculas, como los hidrocarburos aromáticos policíclicos, solventes clorados y pesticidas. El más simple sistema anaeróbico es el de los digestores, que utilizan un tanque mezclador que puede operar de modo continuo o discontinuo (batch); como subproducto de su operación puede obtenerse metano

a) Respiración aeróbica. Este es el proceso más eficiente de los tres (en cuanto a la producción de energía o ATPs), por lo que es el elegido por los microorganismos siempre que esté presente el oxígeno (que es el aceptor final de los electrones) y, por supuesto, que tenga la maquinaria enzimática para realizar el proceso (Fig. 4).

Figura 4. Esquemas de diferentes tipos de metabolismos microbianos

Estos organismos son utilizados en las plantas de tratamiento de aguas cloacales e industriales. Su función básicamente se lleva a cabo poniendo en contacto las aguas residuales con una población microbiana aclimatada, y controlando cuidadosamente las condiciones ambientales (nutrientes, concentración de gases, concentración de tóxicos, etc.). Los organismos aeróbicos degradan la materia orgánica más rápidamente y eficientemente que los anaeróbicos, por lo que generalmente son los utilizados en los procesos de depuración de aguas, o lodos.

b) Respiración anaeróbica. Es similar a la respiración aeróbica, con la diferencia de que el último aceptor de los electrones no es el oxígeno (sino nitratos, sulfatos, hidrógeno, etc.) sólo pueden crecer en ausencia total de oxígeno (el oxígeno es tóxico para ellos). Es un grupo pequeño (pocas especies) de organismos, formado sólo por bacterias (Fig. 4). Importantes representantes son las bacterias metanogénicas y las bacterias sulfatorreductoras.

c) Fermentación: Algunos organismos obtienen energía de la degradación de compuestos orgánicos, degradándolos sólo parcialmente (Fig. 4). Tanto el donador como el aceptor de los electrones es una molécula orgánica. Dependiendo de los organismos involucrados, tanto los productos como los substratos utilizados pueden ser muy variables.

Se entiende por biorremediacion in situ a aquellos procesos que utilizan microorganismos para degradar sustancias peligrosas en el suelo y agua con mínima alteración de la estructura del suelo. Usualmente el objetivo es realizarlo en forma aeróbica.

Ejemplo 1. Derrame de hidrocarburos

Consideremos un caso frecuente de contaminación: El derrame de hidrocarburos sobre el suelo. Normalmente, en este tipo de derrames, el petróleo se mueve hacia las capas subyacentes del suelo, pudiendo alcanzar el nivel de las aguas subterráneas, y moverse en la dirección de éstas alcanzando zonas algunos kilómetros "aguas abajo" en la dirección de flujo de las aguas freáticas, formando lo que se denomina una "pluma", como puede verse en la Figura 5.

Figura 5. Típica pluma de hidrocarburos. El hidrocarburo percola a través del suelo, y se acumula sobre subterránea, ya que flota sobre ella.

La implementación del proceso de biorremediacion (luego de una limpieza por métodos físicos, si esto fuera necesario) en una situación de este tipo podría involucrar los siguientes pasos:

1) Retirada de la fase líquida no acuosa (NALP). Si existe una fase no acuosa de hidrocarburo (NALP en la terminología anglosajona), debe procederse a su remoción, ya que es una fuente concentrada del material peligroso. Difícilmente pueda degradarse in situ, debido a su elevada toxicidad; la manera más económica de realizar este proceso es bombeando este líquido, y separando en la superficie el petróleo del agua.

2) Estudios hidrogeológicos. El agua subterránea transporta los contaminantes, y si se considera necesario eliminarlos de ella, será necesario realizar estudios hidrogeológicos que permitan establecer el tamaño de la "pluma", la dirección y la velocidad de flujo de las aguas subterráneas en esa zona. Para esto deben perforarse pozos de inspección, que permitan muestrear el grado y extensión de la contaminación. Estudios sobre las características y composición del suelo, y estimar la cantidad de líquido que deberá ser tratado.

3) Estudios microbiológicos. Es necesario estudiar el comportamiento de los microorganismos indígenas a los fines de evaluar la velocidad con la que degradan los contaminantes, realizar mezclas del suelo contaminado con materia orgánica (compost) y estudiar el grado de degradación conseguido por bacterias y hongos.

4) Elección de la ingeniería. Una vez realizados los estudios anteriores, debe diseñarse un sistema tal que permita optimizar el proceso de degradación microbiológica, realizando las instalaciones y perforaciones que permitan la inyección de oxígeno y de nutrientes. También deberán seleccionarse los puntos de extracción de agua para ser tratada por métodos físicos o químicos de eliminación de hidrocarburos, cuando esto sea necesario.

5)  Instalación y comienzo de las operaciones. En primer lugar se comienza la extracción de agua, y se pone en marcha el sistema de purificación de ésta (químico, físico o biológico); si la calidad del agua tratada es la esperada, se comienza a reinyectarla. Luego se prepara el envío de nutrientes y se inyecta junto con el agua de reinyección; la cantidad de nutrientes debe ser mínima en un primer momento, luego es aumentada paulatinamente hasta el óptimo calculado. Por último, cuando el sistema de inyección de nutrientes funciona adecuadamente, se comienza con la inyección de oxígeno (se utiliza oxígeno gaseoso o bien peróxido de hidrógeno).

6) Operación y monitoreo. Debe medirse con elevada frecuencia, diariamente, los valores de temperatura, nutrientes, concentración de oxígeno, pH, potenciales de oxidación/reducción, entre otros posibles parámetros, a lo largo de pozos seleccionados.

7) Fin de las operaciones. Cuando los niveles de los contaminantes alcanzan el nivel permitido por la legislación vigente o bien los valores seleccionados para el proyecto, se realiza normalmente un muestreo final para preparar los informes exigidos por los organismos de control en los distintos niveles gubernamentales. Es adecuado seguir las operaciones hasta que el nivel de oxígeno, nutrientes y carga bacteriana regrese a los niveles previos a las operaciones, asegurándose de esa manera que no sea posible la desorción de más hidrocarburo, que contamine el agua subterránea.

Ejemplo 2. Suelos contaminados con TNT

La Biorremediacion de suelos contaminados con nitrotoluenos es muy importante por dos motivos; en primer lugar los di nitros y trinitrotoluenos son considerados carcinógenos, y en segundo lugar, los emplazamientos con esta contaminación son muy importantes, tanto en número como en tamaño.

En ambientes estrictamente anaeróbicos, el 2, 4,6-trinitrotolueno (TNT) es totalmente reducido a triaminotolueno (TAT), el cual puede ser destoxificado por polimerización en medio aeróbico o por unión irreversible a arcillas. La transformación de los nitrotoluenos por los microorganismos es cometabólico (es decir, que no pueden degradarlo si están en contacto con sólo, por ejemplo, TNT; el organismo pueden ser incorporados a una matriz orgánica (humificación) quedando de esta manera inmovilizados.

Esta técnica es de tipo landfarming, y las operaciones principales son, en primer lugar, la promoción de la humificación de manera controlada, mediante la adición de materia orgánica al suelo, y en segundo lugar, el incremento del metabolismo de los microorganismos mediante el agregado de fuentes de carbono de pequeño peso molecular, fácilmente asimilables por los microorganismos, así como otros nutrientes.

Futuro de las Técnicas de Biorremediacion

Las aplicaciones más importantes de la biorremediacion han sido aquellas que modifican el ambiente para estimular la actividad de los organismos que allí se encuentran. El empleo de cultivos de microorganismos (muchas compañías venden preparados de éstos, ya sea como esporas, liofilizados u otros formulados, para favorecer la degradación de distintos contaminantes) parece no producir ninguna ayuda o ventaja en el proceso.

La biorremediacion es más económica y causa menos perturbación en el medio ambiente, como se demostró en una de las más exitosas aplicaciones de la técnica, el tratamiento de la línea de costa afectada por el derrame de crudo del Exxon Valdez, basada en la acción de microorganismos indígenas y modificaciones ambientales de gran sencillez, como la aplicación de nutrientes y la aireación.

Las técnicas de biorremediacion son una buena estrategia de limpieza para ciertos tipos de contaminación, como la producida por el petróleo y otros compuestos orgánicos no demasiado tóxicos.

Dependiendo del lugar contaminado, sus características climáticas, físico-químicas y ecológicas, así como de la composición y concentración de los contaminantes, la biorremediacion puede ser una opción más segura y de menor costo que otras soluciones alternativas, como la incineración o el enterramiento de los materiales contaminados.

El modelado matemático es una herramienta de gran ayuda para la predicción de los procesos de biorremediacion. Existe en la actualidad una gran variedad de software, tanto de libre distribución como comerciales. Cabe mencionar entre los programas de libre distribución a Bioplume III y BIOS creen v. 1.4, que han demostrado su valor en muchas situaciones en las que los procesos de biorremediacion han sido utilizados.

Otro aspecto sumamente importante a desarrollar en el futuro próximo es el uso de reacciones fotoquímicas para la eliminación de contaminantes.