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Los metales pesados y sus efectos ambientales.

  1. LOS METALES PESADOS Y SUS EFECTOS AMBIENTALES M.C. RAUL CASTAÑEDA CEJA
  2. CONTAMINACIÓN DEL AGUA POR METALES PESADOS La contaminación hídrica se entiende como la acción de introducir algún material en el agua alterando su calidad y su composición química. Existen varias fuentes de contaminación hídrica a causa de actividades domésticas, industriales o agrícolas. Ríos y canales son contaminados por los desechos del alcantarillado, residuos industriales, detergentes y pesticidas que se escurren en tierras agrícolas. CONTAMINACIÓN DEL AGUA
  3. METALES PESADOS Los metales pesados son un grupo de elementos químicos que presentan una densidad alta. Son en general tóxicos para los seres humanos y entre los más susceptibles de presentarse en el agua destacamos: Mercurio, Cadmio, Níquel, Cobre, Plomo y Cromo.
  4. • Una forma opcional de nombrar a este grupo es como “elementos tóxicos”, los cuales, de acuerdo a la lista de contaminantes prioritarios de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA), incluyen a los siguientes elementos: Arsénico (As), cromo (Cr), cobalto (Co), níquel (Ni), cobre (Cu), zinc (Zn), plata (Ag), cadmio (Cd), mercurio (Hg), titanio (Ti), selenio (Se) y plomo (Pb). • Entre las principales fuentes de emisión de los metales de mayor preocupación en México se tiene: Mercurio, Cadmio y Plomo; además Arsénico y Cobre. METALES PESADOS EN MEXICO
  5. Los metales pesados se encuentran en forma natural en la corteza terrestre. Estos se pueden convertir en contaminantes si su distribución en el ambiente se altera mediante actividades humanas. En general esto puede ocurrir durante la extracción minera, el refinamiento de productos mineros o por la liberación al ambiente de efluentes industriales y emisiones vehiculares.
  6. CONTAMINACIÓN POR METALES PESADOS Las actividades humanas han ejercido un efecto considerable en la concentración y movilidad de los metales en suelos. •Productos químicos agrícolas y lodos residuales. •Actividades de minería y fundición. El proceso de minería implica: la extracción de las menas, el procesado preliminar, la evacuación de los residuos y transporte de los productos semi-procesados. Todas estas operaciones pueden producir una contaminación localizada de metales. Generación de electricidad y otras actividades industriales. La combustión de carbón es una de las principales fuentes de deposición de metales en suelos.
  7. Las centrales térmicas de combustión de petróleo pueden ser fuentes de plomo, níquel y vanadio. Las mayores fuentes industriales de metales incluyen fábricas de hierro y acero que emiten metales asociados con las menas de hierro, como el níquel. Residuos domésticos. Aproximadamente el 10% de la basura está compuesta de metales. Uno de los problemas más serios de las sociedades modernas es como deshacerse de este volumen de basuras. Las dos alternativas son enterrar o incinerar. El enterramiento puede contaminar las aguas subterráneas, mientras que la incineración puede contaminar la atmósfera al liberar algunos de los metales volátiles.
  8. CONTAMINACIÓN POR METALES PESADOS
  9. CONTAMINACIÓN POR METALES PESADOS EN EL AGUA Las aguas procedentes de las industrias como la minera, la de recubrimientos metálicos, las fundidoras y otras más contaminan el agua con diversos metales. Las normas oficiales mexicanas contra la contaminación ambiental consideran metales contaminantes del agua (en orden de importancia por su abundancia) a: 1. Aluminio 2. Plata 3. Cadmio 4. Arsénico 5. Cobre 6. Fierro 7. Mercurio 8. Cobalto 9. Vanadio 10. Manganeso 11. Níquel 12. Zinc 13. Magnesio 14. Antimonio 15. Cromo 16. Selenio 17. Titanio 18. Berilio 19. Estaño 20. Boro 21. Molibdeno 22. Tungsteno 23. Germanio 24. Bismuto 25. Plomo 26. Telurio
  10. También se desechan aguas residuales industriales que contienen sustancias muy tóxicas como los cianuros que son arrojados a las alcantarillas por industrias dedicadas a la galvanoplastia o a la refinación y limpieza de metales. Los procesos para reciclar y extraer del aire, del agua o del suelo a los contaminantes de los metales pesados como el plomo, el mercurio y el cadmio son muy costosos, por lo que hay que evitar arrojarlos al medio ambiente, además de los graves daños que causan en los seres vivos.
  11. La actividad industrial y minera arroja al ambiente metales tóxicos como plomo, mercurio, cadmio, arsénico y cromo, muy dañinos para la salud humana y para la mayoría de formas de vida. Además, los metales originados en las fuentes de emisión generadas por el hombre, incluyendo la combustión de nafta con plomo, se encuentran en la atmósfera como material suspendido que respiramos. Por otro lado, las aguas residuales no tratadas, provenientes de minas y fábricas, llegan a los ríos, mientras los desechos contaminan las aguas subterráneas. Cuando se abandonan metales tóxicos en el ambiente, contaminan el suelo y se acumulan en las plantas y los tejidos orgánicos.
  12. La peligrosidad de los metales pesados es mayor al no ser química ni biológicamente degradables. Una vez emitidos, pueden permanecer en el ambiente durante cientos de años. Además, su concentración en los seres vivos aumenta a medida que son ingeridos por otros, por lo que la ingesta de plantas o animales contaminados puede provocar síntomas de intoxicación.
  13. A pesar de las abundantes pruebas de estos efectos nocivos para la salud, la exposición a los metales pesados continúa y puede incrementarse por la falta de una política consensuada y concreta. El mercurio todavía se utiliza profusamente en las minas de oro de América Latina. El arsénico, junto con los compuestos de cobre y cromo, es un ingrediente muy común en los conservantes de la madera. El aumento del uso del carbón incrementará la exposición a los metales porque las cenizas contienen muchos metales tóxicos que pueden ser aspiradas hasta el interior de los pulmones.
  14. EFECTOS RESPECTO A LA SALUD POR CONTAMINACIÓN EN EL AGUA CON METALES PESADOS Cada metal y cada elemento químico contaminante tienen un mecanismo de acción y un lugar de acumulación preferido. El más conocido es el plomo que afecta varios sistemas, por ejemplo en el sistema nervioso llega a dañar a las neuronas especialmente las del cerebro. El plomo afecta también a la medula ósea y otro lugar donde es frecuente encontrarlo es el riñón, específicamente en sistema tubular de las nefronas, Otro metal pesado es el cadmio que también afecta al riñón y otro que no es exactamente un metal pero es un contaminante es el arsénico que tienen efecto directo en las mitocondrias.
  15. Los daños en si son muy diversos dependiendo de cada metal, pero en general se puede decir que hay lesión celular. En cuanto al riñón, los metales pesados a la larga van a producir daño renal que puede llegar hasta una insuficiencia renal.
  16. Metal Síntomas Fuente natural Fuente antropogénica Daños a la salud Limite max Permisible Plomo Galena (PbS) Fundición de metales, fábricas de baterías, de loza, de electrónica y computo, elaboración de pigmentos, latas, pinturas, utilización de gasolina con Pb, en la actividad minera. Sistemas Respiratorio, nervioso y cardiovascular, Daña los riñones, cerebro, causa anemia, infertilidad, abortos, comportamiento impulsivo y crecimiento retardado de niños. (Saturnismo). 0.01 ppm Mercurio Cinabrio (HgS) Plantas químicas y termoeléctricas, minas de oro, plata y cobre, fundición de metales, industrias de cloro y sosa, de pulpas y papel, eléctricas, pinturas, aplicación de fertilizantes, Incineración de residuos peligrosos y biológico infeccioso. Bacteria-metilmercurio- fitoplancton-peces hombre. Afecta al sistema nervioso, al esperma, síndrome de down (46 a 47), ocasiona defectos de nacimientos, abortos, pérdida de la memoria. Y enfermedades como Acrodinia y Minamata. 0.001 ppm Cadmio Greenockita (CdS): 50% Actividades mineras de zinc, plomo y cobre, industrias de la galvanización, de baterías recargables, de producción de fertilizantes fosfatados, plásticos (juguetes de niños, bolígrafos) y PVC, pigmentos de pinturas, quema de combustibles fósiles. (50%). Los alimentos que son ricos en Cd: patés, champiñones, mariscos, mejillones, semilla de cacao. Fumar. Se acumula en los riñones, provoca cáncer de pulmones y próstata y huesos débiles. 0.005 ppm
  17. CICLO DEL MERCURIO Las bacterias presentes en los cuerpos de agua lo absorben y lo transforman en metilmercurio, la forma más tóxica del metal. El metilmercurio es tomado por fitoplancton, el alimento de los peces pequeños, y estos de los grandes, viajando a través de la cadena alimenticia hasta alcanzar el hombre, en donde aparecen las concentraciones más altas.
  18. METALES PESADOS EN MEXICO Metal Síntomas Fuente natural Fuente antropogénica Daños a la salud Limite max Permisible Arsénico Arseniatos (AsO4) Industrias de cobre, de plomo y zinc, fundidoras de metales, se encuentra en los plaguicidas, en huevos producidos en sistemas industriales. Disminución de glóbulos rojos y blancos, llagas de aspecto leproso en el cuerpo, cáncer de piel, pulmón e hígado, infertilidad, abortos, perdida del cabello y daño del cerebro. 0.01 ppm Cobre Calcosina La minería, las industrias, que producen pinturas, fertilizantes, colorantes y pesticidas, la incineración de basuras urbanas y combustión de carbón. En niveles altos: irritación de la nariz, la boca y los ojos, vómitos, diarrea, calambres estomacales y náusea. Cantidades muy altas de daña hígado y los riñones y causar la muerte. Se acumula en los ojos, cerebro y riñón. > 2 ppm
  19. ¿CUÁLES SON LAS MEDIDAS SANITARIAS PARA CONTROLAR LA CONTAMINACIÓN DE ESTOS METALES PESADOS? Lamentablemente, si el agua está contaminada, y la gente tiene que bañarse, tomar el agua, etc., no se puede evitar el contacto con los metales pesados, es decir que no hay una medida directa como por ejemplo hervir el agua en el caso de contaminación bacteriana, así que es imposible tomar una medida directa, pero sí se puede prevenir evitando que los metales lleguen al agua y al suelo.
  20. Es necesario entonces controlar las fuentes de contaminación con metales pesados; prevenir que estos se difundan en el medio ambiente evitando que los desechos que contienen metales pesados lleguen a él. En concreto las medidas sanitarias son principalmente de prevención: identificar las fuentes de contaminación, controlar la difusión a partir de estas, tratar de no incluir en los procesos industriales materia prima que contenga metales pesados, y otras parecidas. Si ya existen suelos y aguas contaminadas, se deben aplicar algunas medidas que se llaman de remediación.
  21. Los sustratos contaminados suelen ser producto del trabajo minero, polución, industria de fundición y chapado, deposito de origen atmosférico de incineradores y tubos de escape de vehículos, uso de fertilizantes y pesticidas, y el deposito de lodos y barros residuales.
  22. 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 Cu2S (calcocita) a CuSO4 por intermedio de la acción de las bacterias Acidithiobacillus ferroxidans y Acidithiobacillus thiooxidans (bacterias oxidadoras del hierro o sulfuros) permitiendo separar el cobre de los minerales sólidos con los que se encontraba mezclado. Este método se usa principalmente en la industria de cobre con una duración de 75-90 días. Los minerales no están disponibles en las minas en su estado puro como el que compramos desde las tiendas. El mineral debe ser sometido primero a un proceso de lixiviación para obtener el metal en estado puro. 2Cu2S + O2 + 4H = 2CuS + 2H2O + 2Cu CuS + 2O2 = Cu + SO4
  23. • El impacto ambiental de la minería siempre ha sido muy fuerte, ya que los metales son compuestos inorgánicos muy difíciles de degradar y suelen permanecer en aguas y suelos por largos periodos de tiempo, además de ser tóxicos en altas concentraciones. • En muchos lugares donde la minería ha llenado cuerpos de agua y suelos con desechos minerales, se han podido aislar diversas bacterias que pueden degradarlos. La más común es el Acidithiobacillus ferrooxidans. • Acidithiobacillus ferrooxidans vive en depósitos de pirita (FeS2), metabolizando hierro y azufre y produciendo ácido sulfúrico. • Acidithiobacillus thiooxidans consume azufre y produce ácido sulfúrico. • Ambas especies de bacterias se usan en procesos mineros llamados biolixiviación donde se extraen minerales más puros a través de la oxidación, donde las bacterias se usan como catalizadores. Acidithiobacillus ferrooxidans y A. thiooxidans FeS2 + 302 +2H2O =2H2SO4 + 2S +Fe 2S + 3O2 + 2H2O= 2H2SO4 Los metales se liberan del mineral por solubilización con el ácido sulfúrico derivado de la oxidación del azufre.
  24. • El término biooxidación es utilizado para describir un proceso que emplea bacterias para degradar un sulfuro, usualmente pirita (FeS2) o arsenopirita (FeAsS), en la que el oro o la plata, o ambos, se encuentran encapsulados. Acidithiobacillus ferrooxidans y A. thiooxidans
  25. Este mecanismo celular involucra un sistema de transporte de membrana que internaliza al metal pesado presente en el entorno celular con gasto de energía. Una vez incorporado el metal pesado al citoplasma, éste es secuestrado por la presencia de proteínas ricas en grupos sulfhidrilos llamadas metalotioneínas (cisteína) o también puede ser secuestrado dentro de una vacuola, como ocurre en hongos. Están presentes estas proteínas en la cianobacteria Syneccococus sp; levaduras como Saccharomyces cerevisiae y Candida albicans y Pseudomonas aeruginosa. BIOTECNOLOGIA AMBIENTAL
  26. Este es un proceso que involucra un cambio químico sobre el metal pesado. 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. Entre los microorganismos se encuentran Micrococcus y Pseudomonas que actúan en plomo y mercurio.
  27. • La biosorción es un fenómeno ampliamente estudiado en la biorremediación de diversos metales pesados como el cadmio, cromo, plomo, níquel, zinc y cobre 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 (SH-). • Los microorganismos involucrados son: Bacterias (Zoogloea ramigera, Pseudomonas syringae); Hongos (Aspergillus niger, Ganoderma lucidum, Penicillium digitarum). • Es por ello que la búsqueda de este tipo de microorganismos se encuentra en crecimiento constante. Biosorción
  28. • Biomineralización Los microorganismos son capaces de precipitar metales como carbonatos e hidróxidos. Esto se produce mediante una alcalinización localizada sobre la superficie celular externa y por lo tanto la precipitación del metal pesado. Otra forma de precipitar los metales es a través de la formación de sulfuros o fosfatos, como resultado de alguna actividad enzimática celular en la pared celular de las bacterias Klebsiella planticola y Pseudomonas aeruginosa.
  29. • La contaminación de los suelos debido a los metales pesados es uno de los problemas más graves de la actualidad. • Ralstonia eutropha CH34 (bacteria del suelo) se trata de la primera bacteria capaz de luchar contra el cadmio y otros . Se le ha introducido en el genoma de la bacteria un gen de ratón. El gen de ratón introducido en el genoma de la bacteria provoca la secreción de una proteína (metalotioneínas) de unión a metales pesados en la superficie celular del microorganismo. Mediante procedimientos de ingeniería genética, han conseguido finalmente esta bacteria recombinante que tiene la facultad de disminuir la toxicidad del suelo en el que se encuentra. ELIMINACION DE METALES PESADOS
  30. • En el laboratorio se demostró que ciertas cepas mutantes de Escherichia coli podían detoxificar medios líquidos con altas concentraciones de cobre. • Se usa la bacteria Cupriavidus metallidurans para eliminar metales pesados en aguas y suelo. • Pueden crecer en concentraciones masivas de cloruro de oro (AuCl3.ClH.3H2O) u oro líquido, un compuesto químico tóxico que se encuentra en la naturaleza. • Investigadores de la Universidad de Michigan han alimentado las bacterias con cloruro de oro, imitando el proceso que ocurre en la naturaleza. Al cabo de una semana de "digestión" el "residuo" excretado resulta ser una pepita de oro de 24 kilates.
  31. • La Abatori condii (transgénica) es una nueva cepa capaz de eliminar residuos de cobre, plomo, cromo, cloro, o que degraden desechos industriales que actualmente no son biodegradables. • La gama de bacterias Sphaerotilus, se aplica en la reducción de fosfatos en agua. Abatori condii y Sphaerotilus natans
  32. • La fitorremediación aprovecha la capacidad de ciertas plantas para absorber, acumular, metabolizar, volatilizar o estabilizar contaminantes presentes en el suelo, agua o sedimentos como: metales pesados, metales radioactivos, compuestos orgánicos y compuestos derivados del petróleo. • CARACTERISTICAS DE LAS PLANTAS • Deben estar adaptadas a las condiciones ambientales y de suelo. • Deben crecer rápido. Tener una rápida tasa de crecimiento y alta productividad. • Ser tolerantes a altas concentraciones de metales. • No concentrar tóxicos en partes comestibles. • Las plantas deben ser hiperacumuladoras de metales o ciertas substancias. • Ser especies locales, representativas de la comunidad natural. • Ser fácilmente cosechables. • Según la base de datos PHYTOREM de Canadá. Global, hay cerca de 775 especies de plantas fitorremediadoras acuáticas y silvestres. • 400 especies son hiperacumuladoras: 75% acumulan Ni. FITORREMEDIACION
  33. • Es una tecnología sustentable. • Es eficiente para tratar diversos tipos de contaminantes in situ. • Es aplicable a ambientes con concentraciones de contaminantes de bajas a moderadas. • Es de bajo costo, no requiere personal especializado para su manejo ni consumo de energía. • Es poco perjudicial para el ambiente. • No produce contaminantes secundarios y por lo mismo no hay necesidad de lugares para desecho. • Tiene una alta probabilidad de ser aceptada por el público, ya que es estéticamente agradable • Tiene una versatilidad potencial para tratar una gama diversa de materiales peligrosos. • Se pueden reciclar recursos (agua, biomasa, metales. VENTAJAS
  34. PLANTAS QUE TOLERAN O UTILIZAN METALES PESADOS La mayoría de las plantas capaces de crecer en tierras ricas en metales lo hacen excluyendo iones potencialmente tóxicos de sus sistemas de raíces. En otras plantas, los metales son utilizados como micro nutrientes, aunque a menudo aún concentraciones mínimas saturan a la planta. La habilidad de tolerar la presencia de metales pesados está determinada por el nivel de variación genética del individuo. Las plantas más tolerantes son las conocidas como "hiper acumuladores de metales".
  35. LOS HIPER ACUMULADORES Son plantas que acumulan altas concentraciones de metales en sus tejidos y tienen dos características principales: * la habilidad de crecer y desarrollarse en tierras con unos niveles de metales, tóxicos para casi todas las especies de plantas. * los metales se acumulan exclusivamente en el tallo, y no en las raíces. Los hiper acumuladores tienen las desventajas de ser pequeñas y tardar mucho en crecer. Esto es una desventaja ya que el objetivo es utilizar estas plantas o sus características para purificar tierras contaminadas por metales tóxicos – la fitodescontaminación.
  36. LA VACUOLA Este orgánulo celular ocupa un espacio considerable en las células vegetales y es un "almacén" rodeado por un sistema similar a un filtro, la membrana. Al guardarse en la vacuola las células no sufren los efectos tóxicos de estos materiales. La vacuola representa entre un 40 y un 70% del volumen total de una célula vegetal, por lo que habría una capacidad enorme. El proceso es el siguiente: cuando un metal pesado entra en una célula vegetal es inmovilizado (atrapado por materiales similares a una esponja -fitoquelatinas), y luego los metales junto con la fitoquelatinas pasan a la vacuola. De este modo la célula tiene dos sistemas de protección: la unión del metal con la fitoquelatina; y su depositación en la vacuola. De esta manera se podrían plantar plantas como la patata en terrenos contaminados por metales tóxicos para que absorban lo más posible de estos metales tóxicos o venenos.
  37. • Existen varias técnicas de fitorremediación aplicables a suelos contaminados con elementos tóxicos: Fitoextracción Fitoestabilización Fitodegradación Fitovolatilización Fitorrestauración
  38. La Fitoextracción o Fitoacumulación • El uso de plantas para remover metales desde el suelo, transportarlos y concentrarlos como biomasa en la parte superficial (plantas hiperacumuladoras: Brassica y plantas con mucha biomasa). Brassica juncea – acumula selenio, sulfuro, plomo, cromio, cadmio, níquel, zinc y cobre. • Estas posteriormente se cortan o se cosechan y se incineran.
  39. Fitoestabilización • Se basa en el uso de plantas tolerantes a metales para inmovilizarlos a través de su absorción y acumulación en las raíces o precipitación por exudados de la planta (gomas y resinas insolubles) en la rizósfera, disminuyendo su movilidad y biodisponibilidad para otras plantas o microorganismos en suelos donde la gran cantidad de contaminantes imposibilita la fitoextracción. LEMNA MINOR
  40. Fitodegradación • Se refiere a la degradación o eliminación de contaminantes tóxicos a través de las enzimas de las plantas, o por la acción de microorganismos rizosféricos.
  41. Fitovolatilización • Cuando los arboles absorben agua contaminada con compuestos tóxicos volátiles, eliminan la gran mayoría del COV en la evapotranspiración de las hojas.
  42. Fitorrestauración • Está referida a la reforestación de áreas contaminadas con especies resistentes de rápido crecimiento, que previenen la migración de partículas contaminantes y la erosión de los suelos.
  43. • Las comunidades bacterianas asociadas a las raíces de las plantas hiperacumuladoras de metales desempeñan una función muy importante en el proceso de extracción del metal contenido en el suelo. • Es por ello que la fitorremediación demanda del estudio de las comunidades microbianas relacionadas con estas plantas y de las interacciones que los microorganismos estables con estas.
  44. • Biotecnología de plantas y la fitorremediación • Adaptación y recombinación genética para incrementar la eficiencia de las capacidades fitorremediantes de una planta. • Introducción de rasgos de metaloacumuladoras en plantas de rápido crecimiento y alta biomasa. • Algunas enzimas presentes en la planta descomponen estos contaminantes en productos utilizables para el metabolismo de la planta.
  45. Salvinia molesta Elodea canadensis Helianthus annuus Brassica napus Carex gracilis Cichorium intybus
  46. Arabidopsis thaliana Populus spp Nicotiana tabacum Vetiveria zizanoidesRaphanus sativus Daucus carota
  47. Myriophylum aquaticum Beta vulgaris Azadirachta indica
  48. APROVECHAR LAS CARACTERÍSTICAS DE ESTE TIPO DE PLANTAS El objetivo es transferir la cualidad hiper acumulativa, utilizando técnicas de ingeniería genética, a especies mayores, más robustas y que crezcan más rápidamente. Hay que sobre expresar estos genes en plantas transgénicas que mostraran las características de hiper acumulación y de una gran tolerancia a metales. Para que esto sea posible es necesario un progreso en la identificación de las propiedades metabólicas clave que permiten a estas plantas tolerar concentraciones elevadas de metales pesados. Nombre de la planta: Alyssum Bertolinii Metal que absorbe :Níquel Nombre de la planta: Thlaspi calaminare Metal que absorbe : Zinc
  49. Nombre de la planta: T. Rotundifolium Metal que absorbe : Plomo Nombre de la planta: Haumaniastrum Katangense Metal que absorbe : Cobre