CONTAMINACIÓN AMBIENTAL PROFESORA: Judith Narváez Terán Magister en Toxicología Industrial y Ambiental

METALES PESADOS GENERALIDADES

METALES PESADOS Los metales son contaminantes que han acompañado al hombre desde la más remota antigüedad. Los envenenamientos por arsénico, mercurio, poseen un carácter legendario. A diferencia de otros contaminantes ambientales, los metales son elementos químicos que el hombre no crea ni destruye, significa que no son degradados por los que se acumulan en los sistemas ambientales. El papel que el hombre desempeña, en la presencia ambiental de los metales es, por una parte, introducir en el medio ambiente estos elementos como consecuencia de las distintas actividades humanas y, por otra alterar la forma química y bioquímica que se encuentran.

Los metales están sujetos de forma natural a ciclos biogeoquímicos que determinan su presencia y concentración en los compartimientos ambientales: suelos, aguas subterráneas y superficiales, aire y seres vivos. La intervención humana puede modificar considerablemente la concentración de los metales en estos compartimentos y facilitar su distribución a partir de reservas minerales, en la que los metales se encuentran confinados. Los metales pesados son transportados de un lugar a otro a través del aire, o como gases o especies adsorbidas, como por ejemplo cerca de la mita de entrada de metales pesados en los Grandes Lagos es debido a la deposición desde el aire. La deposición de metales en lagos europeos data de la época de los antiguos griegos. Los metales pesados tienen alta densidad.

Los últimos sumideros de los metales son los sedimentos y los suelos Los últimos sumideros de los metales son los sedimentos y los suelos. La tabla periódica incluye 70 elementos metálicos, de los cuales 59 pueden ser considerados “metales pesados”, que son aquellos con peso atómico mayor que el del hierro (55,85 g/mol). Con esta precisión se excluirían metales con pesos atómicos menores que el del Fe y que con frecuencia pueden ser metales contaminantes, como el V (50,95), Mn (54,44), Cr (52,01) y a otros que realmente no son metales como As, F y P.

Por ello, resulta mejor hablar de contaminación por “elementos traza”, si bien hay que reconocer que la mayoría de los contaminantes inorgánicos son “metales pesados”. Los elementos traza están presentes en relativamente bajas concentraciones (mg.kg-1) en la corteza de la Tierra, suelos y plantas. Muchos de ellos son esenciales para el crecimiento y desarrollo de plantas, animales y seres humanos, aunque también pueden ser tóxicos si se superan ciertos umbrales.

ORIGEN DE LOS ELEMENTOS TRAZA Los elementos traza en los suelos pueden ser geogénicos o antropogénicos. Los primeros dependen en gran medida de lo que se ha llamado geodisponibilidad. La geodisponibilidad de un elemento o compuesto químico de un material terrestre es aquella porción de su contenido total que puede liberarse a la superficie o cerca de la superficie (o biosfera) por procesos mecánicos, químicos, o biológicos. La liberación de los elementos depende de la estructura y estabilidad termodinámica de los minerales de la roca.

La liberación de cationes de una roca por meteorización depende de muchos parámetros, como antes se indicó, clima, topografía, capacidad de drenaje de la roca (permeabilidad), tiempo, y particularmente la actividad biológica. El papel de los microorganismos en la degradación de los minerales es muy importante. De hecho participan en los ciclos geoquímicos de los principales nutrientes y de muchos elementos traza en la mayor parte. Los metales pesados son muy estables en el suelo y en el proceso natural de la edafización de una roca se concentran, pero en general sin rebasar los umbrales de toxicidad, y aunque así fuera, estos metales se encuentran en formas estables y por tanto poco disponibles.

De los distintos tipos de rocas, las ultra básicas, presentan altos contenidos en metales pesados (Cr, Ni, Cu y Mn). Las menores concentraciones de metales pesados se encuentran en las rocas ígneas ácidas y en las sedimentarias (areniscas y calizas). Los porcentajes más altos de metales traza en los suelos, heredados de la roca madre, se dan para Cr, Mn y Ni, mientras que Co, Cu, Zn y Pb se presentan en menores cantidades y son mínimos los contenidos en As, Cd y Hg. Las principales concentraciones anómalas de metales pesados en suelos provienen fundamentalmente de las menas metálicas (sulfuros, óxidos). La explotación y extracción de metales produce anualmente millones de toneladas de residuos, la mayoría con pirita y otros sulfuros, cuya oxidación libera grandes cantidades de metales pesados al ambiente, y en particular a los suelos.

Las principales fuentes antropogénicas de metales pesados en suelos, además de las comentadas anteriormente relacionadas con la minería, pueden ser: Actividades agrícolas: riego, fertilizantes inorgánicos, pesticidas, estiércol, enmiendas calizas y, sobre todo, lodos residuales de depuradoras. Generación de energía eléctrica: la combustión de carbón es una de las principales fuentes de deposición de metales en el suelo. Las centrales térmicas que usan petróleo pueden ser fuentes de Pb, Ni y V. Actividades industriales: las principales industrias contaminantes son las fábricas de hierro y acero, que emiten metales asociados a las menas de Fe y Ni.

En general las áreas altamente industrializadas incluyen As, Cd, Cr, Hg, Fe, Ni, Pb y Zn. Residuos domésticos: aproximadamente el 10% de la basura está compuesta por metales. Su enterramiento puede contaminar las aguas subterráneas, mientras que la incineración puede contaminar la atmósfera al liberar metales volátiles y como consecuencia contaminar los suelos. Por otra parte, las basuras no controladas obviamente son una importante fuente de contaminantes para el suelo y las aguas superficiales.

TOXICIDAD DE LOS METALES PESADOS Desde el punto de vista toxicológico, los metales suelen presentar una acusada multiplicidad de efectos tóxicos. Una especie química concreta del metal influye poderosamente en sus efectos tóxicos, así como en las variables toxico cinéticas de adsorción, distribución y excreción. Por citar algunos ejemplos el vapor de mercurio es altamente tóxico, de los cuatro metales pesados Hg, Pb, Cd y As considerados como los más peligrosos no son particularmente tóxicos como elementos libres en su forma condensada. Son peligrosos: -en forma catiónica -cuando están enlazados a cadenas cortas de átomos de carbono

La toxicidad de todos los metales pesados depende mucho de la forma química del elemento, es decir de su especiación. Las formas que son casi totalmente insolubles pasan a través del cuerpo humano sin hacerles daño, por ejemplo, el caso del arsénico, la forma más devastadora es el As2O3. En el caso del mercurio la forma más tóxica es el que tiene grupos alquilo unidos al metal (HgCH3) ya que muchos de estos compuestos son solubles en tejidos humanos y pueden atravesar las membranas biológicas. La toxicidad para una concentración dada de metal presente en ríos, canales, lagos depende del pH y de las cantidades disueltas, así como del carbono suspendido, ya que las interacciones del tipo complejación y adsorción, pueden eliminar parte de los iones metálicos de la actividad biológica potencial. BIOQUIMICA: el mecanismo de acción tóxica proviene de al fuerte afinidad de los cationes por el azufre ( HS_) grupo.

BIOACUMULACIÓN DE METALES PESADOS Muchos organismos acuáticos bioconcentran metales pesados como las ostras y mejillones pueden contener 100.000 veces más de cadmio y mercurio que los que se encuentran en el agua donde viven. Algunas substancias presentan los fenómenos de biomagnificación donde sus concentraciones aumentan progresivamente a lo largo de una cadena trófica.

PRINCIPALES CONTAMINANTES AMBIENTALES METALICOS ARSÉNICO: se encuentra ampliamente distribuido en el medio ambiente. En la naturaleza aparece en dos estados de oxidación: As3+, As5+ formando parte de una multitud de compuestos: Derivados del As3+ se forman: As2O3 trióxido de arsenito; AsNa3 arsenito de sodio. Derivados del As5+ se forman: As2O5 pentóxido de arsénico; As2Ca5 arseniato de calcio. Se encuentran habitualmente asociados a los depósitos de sulfuros.

También forma compuestos orgánicos, en las que puede presentar estados de oxidación: As3+, As5+. El arsénico puede metilarse por la acción de bacterias y otros seres vivos en sedimentos y aguas naturales. Combinado con el hidrógeno el arsénico forma la arsenamina AsH3, forma inorgánica muy tóxica, que plantea riesgos profesionales en la refinería hidrometalúrgicos de los metales férreos. La arsenamina es un potente agente hemolítico con efectos potencialmente letales.

FUENTES DEL ARSÉNICO: Naturales como las erupciones volcánicas. Antropogénicas: Agentes conservantes de la madera Pesticidas Fundición de metales no férreos especialmente Cu, Zn y Pb. Fabricación de aleaciones y semiconductores. Combustión de carbón

Su emisión consiste fundamentalmente en trióxido de arsénico (III) (As2O3) en forma de partículas cuya deposición posterior depende de su tamaño y densidad. Puede introducirse en la atmósfera en forma volátil, como la arsenamina producido en los procesos de decapado ácido. También son volátiles algunos derivados orgánicos del arsénico, si bien esta fuente es menos frecuente. El arsénico trivalente, la arsenamina AsH3 y sus derivados experimentan oxidación en el aire, de tal forma que el arsénico en la atmósfera consiste en una mezcla de los estados de oxidación As3+ y As5+.

En los suelos agrícolas, los compuestos inorgánicos de arsénico se consideran inmóviles, permaneciendo retenidos en forma indefinida. La alcalinización del suelo contribuye a aumentar la movilidad del arsénico. En aguas superficiales y subterráneas el arsénico inorgánico (As3+, As5+) tienden a adsorberse en la materia en suspensión, sedimentos y fracción sólida del suelo, especialmente en arcillas, óxidos ferrosos y férricos; hidróxidos de aluminio; compuestos de manganeso y materia orgánica.

En algunas ácidas y neutras, se absorbe fácilmente en los sedimentos el As5+ mientras que el As3+ lo hace más débilmente. En las condiciones de pH de las aguas naturales se encuentra en forma iónica, que se absorbe fuertemente a las arcillas y los óxidos he hidróxidos de hierro, manganeso y aluminio. La adsorción del arsénico atmosférico en ambos estados de oxidación disminuye en estados alcalino. El estado de oxidación predominante, tanto en suelos como en aguas, depende del potencial REDOX del medio. En medios oxidantes con altas concentraciones de oxígeno, predominan el As5+, mientras que el arsénico As3+ es la forma más abundante en medios reductores