CURSO INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA AMBIENTAL Prof. Andrés Muñoz Pedreros.

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2 CURSO INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA AMBIENTAL Prof. Andrés Muñoz Pedreros

3 CICLOS BIOGEOQUIMICOS

4 Los ciclos biogeoquímicos pueden dividirse en dos tipos básicos: a) ciclos de nutrientes gaseosos y b) ciclos de nutrientes sedimentarios.

5 En los ciclos gaseosos el depósito donde se colecta el nutriente corresponde a la atmósfera. Existe poca (o ninguna) pérdida del elemento nutriente durante el relativamente rápido proceso de recirculación. Durante una fase importante del ciclo gaseoso relativamente "cerrado", el elemento se distribuye ampliamente en la atmósfera, la cual sirve como depósito principal del nutriente. Los ciclos típicos de nutrientes gaseosos incluyen al ciclo del carbono, al del oxígeno y al ciclo del nitrógeno.

6 En los ciclos sedimentarios El depósito de nutrientes son rocas sedimentarias. Son más lentos y tienden a ejercer una influencia limitante sobre los organismos vivos. Las rocas sedimentarias constituyen el depósito principal. Los nutrientes que intervienen ejercerán una influencia más limitada que los elementos de los ciclos de nutrientes gaseosos. Es más probable que se presenten deficiencias significativas entre los nutrientes sedimentarios que entre los nutrientes gaseosos. Los ciclos sedimentarios típicos, incluyen al ciclo del fósforo y al del azufre.

7 Ciclos de materia

8 Intercambio de materiales en el medio ambiente de a AtmósferaHidrósferaBiósferaGeósferaAnrtósfera Atmósfera - H2OH2OO2O2 H 2 S, particulas SO 2, CO 2 Hidrósfera H2OH2O-{CH 2 O} Minerales disueltos Contami- nantes Biósfera O 2, CO 2 H2OH2O - Mineral nutrientes Fertilizantes Geósfera H2OH2OH2OH2O Materia Orgánica - Residuos Peligrosos Anrtósfera O2, N2O2, N2 H2OH2O Alimentos Minerales -

9 Ciclo del carbono

10 El carbono se combina con el oxígeno para formar monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), también forma sales como el carbonato de sodio (Na2CO3), carbonato cálcico (en rocas carbonatadas, como calizas y estructuras de corales).- Un 18% de la materia orgánica viva está constituida por carbono.- El carbono es un elemento esencial para los seres vivientes.- Es el elemento básico de los compuestos orgánicos como proteínas, carbohidratos o azúcares, grasa y ácidos nucleicos.

11 El carbono es la base de todos los elementos orgánicos que son los que forman a los seres vivos. También se le encuentra en la atmósfera en forma de bióxido de carbono que se produce como resultado de la respiración, la putrefacción, la combustión de la materia orgánica y de los combustibles fósiles, así como en forma de carbonatos de las conchas de animales marinos. la fotosíntesis se realiza en plantas tanto en el medio terrestre como en el acuático.

12 Los organismos productores (vegetales terrestres o acuáticos) absorben el dióxido de carbono ya sea disuelto en el aire o en el agua, durante el proceso de la fotosíntesis para transformarlo en compuestos orgánicos, como la glucosa. Los consumidores (animales) se alimentan de esos vegetales. Así el carbono pasa a ellos colaborando en la formación de materia organica.- Los organismos de respiración aeróbica (los que utilizan oxígeno) aprovechan la glucosa durante ese proceso y al degradarla, es decir, cuando es utilizada en su metabolismo, el carbono que la forma se libera para convertirse nuevamente en dióxido de carbono que regresa a la atmósfera o al agua.

13 Ciclo del Carbono CO 2 en la atmósfera Hidrocarburos orgánicos fijados {CH2O}, carbón xenobiótico Carbón inorgánico soluble HCO 3 - Carbón inorgánico insoluble CaCO 3 y CaMg(CO 3 ) 2 Hidrocarburos orgánicos fijados C x H x y Kerogen Xenobióticos Procesos biogeoquímicos Biodegradación Fotosíntesis Disolución con CO 2 disuleto Precipitación química e Incorporación de carbón mineral en organismos

14 Una parte del dióxido de carbono disuelto en las aguas marinas, ayuda a algunos organismos a formar estructuras como las conchas de los caracoles marinos. Al morir éstos, los restos de su estructura se depositan en el fondo marino. Al cabo del tiempo, el carbono se disolverá en el agua y podrá ser utilizado durante su ciclo nuevamente. Durante las erupciones volcánicas se libera parte del carbono constituyente de las rocas de la corteza terrestre. En niveles profundos de la Tierra el carbono contribuye a la formación de combustibles fósiles, como el petróleo. Este importante compuesto se ha originado de los restos de organismos que vivieron hace miles de años. Los desechos de las plantas y animales así como los restos de organismos se descomponen por la acción de ciertos hongos y bacterias, durante este proceso de putrefacción se desprende CO2.

15 El ciclo del carbono queda completado gracias a los organismos descomponedores, los cuales llevan a cabo el proceso de mineralizar y descomponer los restos orgánicos, cadáveres, excrementos, etc. El ciclo del carbono queda completado gracias a los organismos descomponedores. El papel de los organismos descomponedores Además de la actividad que llevan a cabo los reino vegetal y animal en el ciclo del carbono, también entra dentro de éste el carbono liberado mediante la putrefacción y la combustión.-

16 Actualmente, la combustión de los combustibles fósiles a la vez que se destruyen bosques más rápidamente que se regeneran, provoca que se incremente el dióxido de carbono emitido a la atmósfera; el resultado es el conocido efecto invernadero, que podría alterar el clima mundial en las próximas décadas. aumento el CO2 en la atmósfera

17 Ciclo del Oxígeno

18 ES UN CAMINO CIRCULAR CONTÍNUO DE UN ELEMENTO QUÍMICO ENTRE LOS COMPONENTES VIVOS Y NO VIVOS DEL SISTEMA. DESDE LA ÉPOCA PRIMITIVA DE LOS OCÉNOS HASTA LA ERA ACTUAL, HAN PASADO MILES DE MILLONES DE AÑOS, EN LOS CUALES SE HAN PRESENTADO UNA SERIE DE CAMBIOS FÍSICO-QUÍMICOS Y GEOLÓGICOS. UNO DE LOS MÁS IMPORTANTES ES QUE PARTE DEL AGUA EXISTENTE EN EL PLANETA BROTÓ DEL INTERIOR DE LA CORTEZA TERRESTRE, COMO RESULTADO DE LA ACTIVIDAD VOLCÁNICA.

19 o o DISOCIACIÓN FOTOQUÍMICA DEL AGUA EN HIDRÓGENO Y OXÍGENO LUZ ULTRAVIOLETA o o CARBONO o o NITRÓGENO o o AZUFRE o o FIERRO

20 LA APARICIÓN DE LA VIDA DETERMINÓ QUE LOS CAMBIOS QUÍMICOS EN EL OCÉANO PRIMITIVO SE INCREMENTARAN. ÉSTE TENÍA POCO O NADA DE OXÍGENO, CONTENÍA SALES INORGÁNICAS Y COMPLEJAS MOLÉCULAS ORGÁNICAS QUE PROPORCIONARON LAS BASES PARA LOS PRIMEROS PROCESOS VITALES.

21 EL OXÍGENO MOLECULAR ( O 2 ) REPRESENTA EL 21% DE LA ATMÓSFERA TERRESTRE. ORGANISMOS TERRESTRES RESPIRADORES Y CUANDO SE DISUELVE EN EL AGUA, LAS NECESIDADES DE LOS ORGANISMOS ACUÁTICOS

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23 CAPA DE OZONO (O 3 ) : GAS QUE IMPIDE, EN LAS PARTES SUPERIORES DE LA ATMÓSFERA, EL PASO DE LAS RADIACIONES DE ALTA ENERGÍA COMO LOS RAYOS UV Y LOS RAYOS X ÉSTA CAPA PROTECTORA PRIMITIVA POSIBILITÓ LA SALIDA Y EVOLUCIÓN GRADUAL DE LOS ORGANISMOS DEL MAR, SU ORIGEN BIOLÓGICO REMONTA A UN PERÍODO MAYOR DE 3.000 MILLONES DE AÑOS, Y FUE CONTEMPORÁNEO DE LAS PRIMERAS BACTERIAS FOTOSINTÉTICAS, PERO EL OZONO DEL QUE SE HABLA EN NUESTROS DÍAS ES OTRO Y SE LE CONSIDERA CONTAMINANTE.

24 PUNTOS CRÍTICOS DEL CICLO DEL OXÍGENO EUTROFICACIÓN DE LAS AGUAS: SUCEDE POR LA PRESENCIA DE DESECHOS ORGÁNICOS EL AIRE CONTAMINADO ES ARRASTRADO POR LA LLUVIA Y PRECIPITADO A LA TIERRA HASTA EL AUA, LOS COMPUESTOS NATURALES SE VEN AFECTADOS POR LA PRESENCIA DE ESAS MOLÉCULAS TÓXICAS. LA CANTIDAD DE OXÍGENO EN EL AIRE TAMBIÉN DISMINUYE COMO CONSECUENCIA DE LA TALA DE BOSQUES O LA AUSENCIA DE LA CUBIERTA VEGETAL.

25 Ciclo del agua

26 Propiedades del Agua Propiedad Efectos e Importancia Excelente solvente Transporte de nutrientes y productos de residuos facilitan procesos biológicos en un medo acuático La constante dieléctrica más alta de cualquier líquido común Alta solubilidad de sustancias iónica y la ionización de los mismos en solución Una tensión superficial más alta que todos los líquidos Factor de control en fisiología: domina el fenómeno de gota y superficie Transparente para luz visible y fracciones de ondas más largas de luz ultravioleta Sin color permite que la luz requerida para la fotosíntesis entre hasta profundidades considerables Densidad máxima como liquido a 4ºC Hielo flota; circulación vertical restringido en cuerpos de agua estratificadas Calor de evaporación más alta que cualquier otro material Determina la transferencia de calor y moléculas de agua entre la atmósfera y cuerpos de agua Calor latente de fusión más alto que cualquier otro liquido excepto amonio La temperatura está estabilizada en el punto de congelamiento de agua Capacidad de calor más alta que cualquier otro líquido excepto amonio Estabilización de la temperatura de organismos y regiones geográficas

27 Reservas de agua en la Tierra Océanos1.370.000 x 10 3 km 3 Polos 23.000 x 10 3 km 3 Lagos y ríos 250 x 10 3 km 3 Atmósfera 13 x 10 3 km 3 Total1.393.263 x 10 3 km 3 23.263 x 10 3 km 3 (2,6 %)

28 Hielo polar74,7 % Lagos0,31 % Ríos0,003 % Humedad de suelo0,01 % Napas25,0 % Animales y plantas0,003 % Atmósfera0,035 % Reservas de agua en la Tierra 0,323% ( 0,054% ) Disponibilidad de agua dulce: 23.263 x 10 3 km 3 (2,6 %)

29 Océanos 2500 años Agua continentales1400 años Hielo polar 9700 años Glaciares de montaña 1600 años Lagos 17 años Pantanos 5 años Agua del suelo1 años Cursos de agua 16 días Humedad atmosférica 8 días Agua biológica varias horas Tasas de renovación del agua en la Tierra

30 precipitación evapotranspiración evaporación Escorrentía movimiento de agua subterránea infiltración

31 precipitación en los océanos 458 evaporación desde los océanos 502 aguas superficiales 43 precipitación en los continentes 110 evapotransporación desde los continentes 65 aguas subterráneas 2 Balance hídrico global (10 3 km 3 / año)

32 Ciclo del nitrógeno

33 Ciclo del Nitrógeno Atmósfera N 2 N 2 O, trazas de NO, NO 2, HNO 3, NH 4 NO 3 Hidrósfera y Geósfera NO 3 -, NH 4 + disuelto, organicamente fijado N en biomasa muerta y combustibles fósiles Antrósfera NH 3, HNO 3, NO, NO 2 Nitratos inorganicos, Componentes organonitrogenos Biósfera Nitrógeno fijado biológiamente NH 2 en proteinas Emisión de contaminantes NO, NO 2 NH 4 +, NO 3 - dusuelto de precipitación Fijación de N 2 molecular como nitrógeno de amino Evolución de N 2, NO, NO 2 Por microorganismos Fertilizante NO 3 - NO 3 -, NH 4 + a base de descomposicón Nitratos explotados

34 Ciclo del fósforo

35 Es un ciclo típico de nutrientes sedimentario. El fósforo forma la base de un gran número de compuestos, de los cuales los mas importantes son los fosfatos. Su reserva fundamental en la naturaleza es la corteza terrestre por meteorizacion de las rocas o sacados por las cenizas volcánicas, queda disponible para que lo puedan tomar las plantas. Es arrastrado por las aguas y llega al mar, parte de el sedimenta al fondo y forma rocas que tardaran millones de años en volver a emerger.

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37 Ciclo del azufre

38 Componente de aminoácidos Estructura secundaria de proteínas (enlace S-S) Sulfato ( SO 4 2- ) elemento fundamental para vegetales y bacterias.

39 Ciclo sedimentario Fracción de deposito 1. Ca SO 4 *2H 2 O 2. FeS 2 3. SO 4 2- Fracción de intercambio: - Compuestos inorgánicos - Disuelta en la hidrosfera

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41 La forma en que el sulfuro esta presenten un ambiente depende del pH del mismo. H 2 S  HS -  S 2- pH ácido pH neutro pH básico

42 Óxidos de azufre Incluyen el dióxido de azufre (SO 2 ) y el trióxido de azufre (SO 3 ) 1. Dióxido de azufre (SO 2 ) Importante contaminante primario Es un gas incoloro y no inflamable, de olor fuerte e irritante.

43 Su vida media en la atmósfera es corta, de unos 2 a 4 días. Casi la mitad vuelve a depositarse en la superficie húmedo o seco y el resto se convierte en iones sulfato (SO42-). Por este motivo, como se ve con detalle en la sección correspondiente, es un importante factor en la lluvia ácida. En conjunto, más de la mitad del que llega a la atmósfera es emitido por actividades humanas, sobre todo por la combustión de carbón y petróleo y por la metalurgia. Otra fuente muy importante es la oxidación del H 2 S. Y, en la naturaleza, es emitido en la actividad volcánica.

44 En algunas áreas industrializadas hasta el 90% del emitido a la atmósfera procede de las actividades humanas, aunque en los últimos años está disminuyendo su emisión en muchos lugares gracias a las medidas adoptadas.

45 2. Trioxido de azufre (SO 3 ) Contaminante secundario que se forma cuando el SO 2 reacciona con el oxígeno en la atmósfera. Posteriormente este gas reacciona con el agua formando ácido sulfúrico con lo que contribuye de forma muy importante a la lluvia ácida y produce daños importantes en la salud, la reproducción de peces y anfibios, la corrosión de metales y la destrucción de monumentos y construcciones de piedra.