Transito de los toxicos en el medio ambiente

TRANSITO DE LOS TÓXICOS TRANSITO DE LOS TÓXICOS

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSUNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

FACULTAD DE FARMACIAFACULTAD DE FARMACIA

UNIDAD DE POSTGRADOUNIDAD DE POSTGRADO

MAESTRÍA EN TOXICOLOGÍAMAESTRÍA EN TOXICOLOGÍA

TRANSITO DE LOS TÓXICOS TRANSITO DE LOS TÓXICOS EN EL MEDIO AMBIENTEEN EL MEDIO AMBIENTE

Q.F. Edison Vásquez Corales

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IntroducciónIntroducción

� Más de 100.000 productos químicosque se liberan en el medio ambientemundial cada año a través de suproducción normal, uso y eliminación.producción normal, uso y eliminación.

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Destino ambientalDestino ambiental

El transporte y su destino Los factores ambientales que

modifican la exposiciónExposición-respuesta

Figura 27.1 modelo de destino ambiental. Estos modelos seutilizan para ayudar a determinar cómo el ambiente modifica laexposición derivada de diversas fuentes de sustancias tóxicas.

Fuente Tóxico (s) La exposición Tóxico Efectos Tóxico

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Dinámica de los tóxicos en el Dinámica de los tóxicos en el ambienteambiente� Conceptualmente y matemáticamente,

el transporte y el destino de un tóxicoen el medio ambiente es muy similar ala de un organismo vivo.la de un organismo vivo.

� Las sustancias tóxicas pueden entraren un sistema ambiental a través demuchas rutas tubería de descarga, oescurrimiento de la superficie.

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ambienteambienteFuentes de tóxicos en el medio Fuentes de tóxicos en el medio ambienteambiente

A. Fuentes puntuales B. Fuentes no puntuales

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Procesos de transporte Procesos de transporte

� Después de la liberación de un tóxico enun compartimento del medio ambiente,los procesos de transporte sedeterminará su distribución espacial ytemporal en el medio ambiente.

� El medio de transporte generalmente esel aire o el agua, mientras que el tóxicopuede estar en las fases disuelta,gaseosas, condensada, o en partículas.

� Podemos clasificar el transporte físico,ya sea como advección o difusión.

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AdvecciónAdvección

� Advección es el movimiento pasivo deun producto químico en los medios detransporte a granel, ya sea en elmismo medio o entre diferentesmismo medio o entre diferentesmedios de comunicación de lainterfase.

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Difusión Difusión � La difusión es el transporte de un producto químico por el

movimiento al azar, debido a un estado de desequilibrio.� Por ejemplo, la difusión provoca el movimiento de un

producto químico dentro de una fase (por ejemplo, agua)desde un lugar de concentración relativamente elevado aun lugar de menor concentración hasta que el productoquímico está distribuida de forma homogénea en toda lafase.Asimismo el transporte difusivo impulsará una sustancia� Asimismo el transporte difusivo impulsará una sustanciaquímica entre los medios de comunicación, por ejemplo,agua y aire), hasta que sus concentraciones de equilibriose alcanzan y por lo tanto los potenciales químicos ofugacidades son iguales en cada fase.

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Transporte de contaminantes. Transporte de contaminantes. Distribución Distribución multifasesmultifases

ATMOSFERA�

�

�

�

� �

�

� �

�

�

�Gas

Disuelto

AGUA

ORGANISMOS

SEDIMENTO

SUELO

SUPERFICIE TERRESTRE

� �

Coloides

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Propiedades físicoPropiedades físico--químicasquímicas

�Presión de vapor�Presión parcial de un compuesto en fase gas en

equilibrio con el sólido o líquido puro. Gobierna la

Transporte y Distribución de contaminantes.

equilibrio con el sólido o líquido puro. Gobierna la distribución entre el líquido o sólido y la fase gas.

�Solubilidad en agua

�Coeficiente de partición octanol-agua (Kow)�Constante de equilibrio de un sistema de dos fases

agua y octanol. �Lipofilia = hidrofobia Polaridad

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Propiedades físicoPropiedades físico--químicasquímicas

� Factor de bioconcentración�Relación entre la concentración del contaminante en un

organismo y en su dieta. En general para organismos acuáticos BCF = Corg/C agua.

� Coeficiente de adsorción en suelos y sedimentos Koc

Transporte y Distribución de contaminantes.

� Coeficiente de adsorción en suelos y sedimentos Koc�Distribución entre los sólidos del suelo y la fase líquida.

Koc =( µg/ g Corg)/ (µg/ml)

� Constante de Henry (H)�Coeficiente de partición entre la concentración del

compuesto en el aire y en el agua en contacto y equilibrio con el. Regula la volatilización de los compuestos del agua. H = Cgas/Cagua

Koc: (coeficiente de partición carbono orgánico-agua del suelo o sedimento12

Procesos de transporte en la atmósfera Procesos de transporte en la atmósfera Distribución gasDistribución gas--partículapartícula

Gas

Deposición seca

ATMÓSFERA

�

�

�

�

� �

�

� �

�

�

�

Desorción

Sorción

AGUA

SUELO

ORGANISMOS

Deposición húmeda

TSP, total suspended particles, mg de partículas en suspensión13

Distribución gasDistribución gas--partícula partícula � Diámetro de las partículas en la atmósfera

presenta una distribución bimodal con dos máximos◦ Diámetro de 1.0 µm

◦ Diámetro 10 µm

� Partículas de diámetro ≤ 1.0 µm, comportamiento similar a gas. Deposición seca despreciable

� Contaminantes orgánicos asociados a las partículas de menor tamaño

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Procesos de transporte en la hidrosferaProcesos de transporte en la hidrosfera

GasATMÓSFERA

Deposición seca Deposición húmeda

�

�

�

�

� �

�

� �

�

�

�

Desorción

Sorción

AGUA

Deposición seca Deposición húmeda

ORGANISMOS

� �

Disuelto

Sedimentación

SEDIMENTO

RíosAguas residualesEscorrentías

Transporte hidráulicoIntercambio aire-agua

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Transporte de contaminantes en la Transporte de contaminantes en la hidrosferahidrosfera

Distribución disuelto-materia particulada en suspen sión

Kd (L/kg), coeficiente de distribuciónC , concentración en las partículasK = C /SPM

d Cpar, concentración en las partículasCdis , concentración en el disueltoSPM, materia particulada en suspensión

Kd = Cpar/SPMCdis

Fase particulada SedimentaciónTransporte hidráulico

Fase disuelta Intercambio aire-aguaTransporte hidráulico

Bioacumulación

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Intercambio aire-agua-fitoplancton de los contaminantes orgánicos

Intercambio aire-agua

CG

FF-W

FA-W

−=−'H

CCkF GWolWA

Intercambio agua-fitoplánctonhmix CW CF

FF-W

Flujos verticales

-J. Dachs, S.J. Eisenreich, J.E. Baker, F.C. Ko, J.D. Jeremiason. Environ. Sci. Technol. 33, 3653-3660, 1999.

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Bioacumulación en el fitoplancton

kd

ku

Cfito CW

Cfito , concentración en el fitoplancton (ng/kg)kd,constante de depuraciónku, constante de entrada en el fitoplanctonk , velocidad de crecimiento del

fitoGfitodWu

fitoCkCkCk

dt

dC−−=

(Skoglund et al. Environ. Sci. Tecnol. 30, 2113-2120 (1996)

ku kG, velocidad de crecimiento del fitoplanctonCW, concentración en el agua fase disuelta

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� Resuspensión.Debido a corrientes o turbulencias, parte del sedimentosuperficial se remueve y pasa de nuevo a la columna deagua.

� Solubilización� Bioturbación

Procesos que afectan a la sedimentación y procesos post deposicionales:

� BioturbaciónRemovilización por efecto de los organismos (poliquetos) queviven en el sedimento. Afecta sobretodo a compuestosasociados a las partículas.

� Difusión molecularDifusión de los compuestos en la columna de sedimento.Afecta sobretodo a los compuestos con una cierta solubilidaden agua.

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Mecanismos de entrada de Mecanismos de entrada de contaminantes en la vegetacióncontaminantes en la vegetación

AIRE

HOJA EXTERIOR

HOJA INTERIOR

Distribución gas-partícula, lípidos, área superficial planta

Kow

INTERIOR PLANTA

RAIZ INTERIOR

RAIZ EXTERIOR

SUELO

Kow

Kow

Solubilidad, H, Kow, TOC

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BioacumulaciónBioacumulación en ecosistemas en ecosistemas terrestresterrestres

Vegetación-ganado vacuno-leche

Atmósfera

Vegetación

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BALANCE DE MASAS DE PCBsEN UNA VACA LECHERA

1.5 µµµµg/d95 µµµµg PCB 138

0.9 µµµµg/d

Thomas, G. O. et al. Environ. Sci. Technol. 33, 104-112, 1999.

1 µµµµg/d

0.9 µµµµg/d

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Procesos de transformación Procesos de transformación � El riesgo ambiental potencial asociado

con el uso de un producto químico está directamente relacionado con la persistencia en el medio ambiente que a su vez depende de la velocidad de las su vez depende de la velocidad de las reacciones de transformación química.

� Clases:◦ Reacciones reversible: ionización,

complejación.◦ Reacciones irreversible: fotolisis, hidrólisis, y

reacciones redox.

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IonizaciónIonizaciónReacciones reversibles: Reacciones reversibles: IonizaciónIonización� La forma más común de la disociación

tóxico neutro es el equilibrio ácido-base. El ácido monoprótido hipotético,HA, se disocian en agua para formarHA, se disocian en agua para formarel par ácido-base (H+, A-)

3HA + H2O = H3O+ + A−

Ka = [H3O+][A−][HA]

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IonizaciónIonizaciónReacciones reversibles: Reacciones reversibles: IonizaciónIonización

� El pKa de HCN es de aproximadamente 9 y latoxicidad de la CN-es mucho mayor que la deHCN para muchos organismos acuáticos. Así,la descarga de un pH básico (alto) de efluentesindustriales que contienen cianuro supondríaun mayor peligro para los peces de un todoun mayor peligro para los peces de un todomás bajos de pH de efluentes (en igualdad decondiciones). El efluente puede ser tratadapara reducir el pH por debajo del pKa según lareacción:

CN− + H+ = HCN(aq)

HCN(aq) = HCN(air).25

IonizaciónIonizaciónReacciones reversibles: Reacciones reversibles: IonizaciónIonización� Esto puede estar bien para los peces,

pero las aves en la zona y laspersonas que trabajan en la plantaindustrial tendrá ahora una exposiciónindustrial tendrá ahora una exposiciónmucho mayor a la HCN. Así, tanto eldestino y la toxicidad de una sustanciaquímica puede ser influenciada por lasreacciones de ionización simple.

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Precipitación y disolución. Precipitación y disolución. Reacciones reversibles: Reacciones reversibles: Precipitación y disolución. Precipitación y disolución. � Un caso especial de ionización es la

disolución de una fase sólida neutralen especies solubles. Por ejemplo, elbinario de sulfuro de metal sólido,binario de sulfuro de metal sólido,CUS, se disuelve en el agua deacuerdo a

CuS(s) + H+ = Cu2+ + HS−

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Reacciones reversibles: Reacciones reversibles: ComplejaciónComplejación y y especiación químicaespeciación química

� En el caso del cobre, los iones inorgánicos(Cl-, OH-) y detritus orgánicos (ácidoshúmicos, péptidos) reacciona con Cu2+

disuelto para formar varios complejosmetal-ligando. La difusión molecular de unmetal-ligando. La difusión molecular de uncomplejo de cobre será menor que el noacomplejado (hidratado) de cobre y por logeneral disminuirá con el tamaño y elnúmero de ligandos.

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Reacciones reversibles: Reacciones reversibles: ComplejaciónComplejación y y especiación químicaespeciación química� La toxicidad de Cu2+ libre, no

acomplejada para muchos organismosacuáticos es mucho mayor que el Cu2+

que forma complejos con agentesquelantes, como EDTA o el glutatión.

� Muchos agentes tóxicos de metales de� Muchos agentes tóxicos de metales detransición, tales como Cu, Pb, Cd, y Hg ,han elevado constantes de unión con loscompuestos que contienen grupos deácido amino, sulfhidrilo, ycarboxílicos . Estos grupos son muycomunes en la materia orgánica natural.

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HidrólisisHidrólisisReacciones irreversibles Reacciones irreversibles HidrólisisHidrólisis� La hidrólisis es la ruptura de las

moléculas orgánicas por reacción conel agua con un desplazamiento netode un grupo saliente (X) con OH-de un grupo saliente (X) con OH-

RX + H2O = ROH + HX

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HidrólisisHidrólisisReacciones irreversibles Reacciones irreversibles HidrólisisHidrólisis� Muchos ésteres se hidrolizan en

cuestión de horas o días, mientrasque algunos productos químicosorgánicos que nunca se hidroliza.

� Para metanos halogenados, que son� Para metanos halogenados, que soncontaminantes de las aguassubterráneas comunes, sus vidasmedias oscilan entre cerca de 1 añopara CH3Cl a cerca de 7000 años deCCl4.

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Hidrólisis de plaguicidasHidrólisis de plaguicidas

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Fotólisis. Fotólisis. Reacciones irreversibles Reacciones irreversibles Fotólisis. Fotólisis. � Fotólisis puede tener lugar allí donde

existe suficiente energía de la luz,incluyendo la atmósfera (en la fasegaseosa y en los aerosoles y lagaseosa y en los aerosoles y laniebla/gotas de las nubes), las aguassuperficiales (en la fase disuelta o enla interfase partícula-agua), y en elmedio terrestre ( en la planta y elsuelo/superficies minerales).

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Fotólisis.Fotólisis.Reacciones irreversibles Reacciones irreversibles Fotólisis.Fotólisis.

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Fotólisis.Fotólisis.Reacciones irreversibles Reacciones irreversibles Fotólisis.Fotólisis.

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Reacciones irreversibles Reacciones irreversibles Reacciones de oxidoReacciones de oxido--reducciónreducción

� Reacciones típicas de químicaorgánica oxidativo incluyendesalquilación, epoxidación, ladesalquilación, epoxidación, laescisión del anillo aromático, y lahidroxilación.

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Reacciones irreversibles Reacciones irreversibles Reacciones de oxidoReacciones de oxido--reducciónreducción

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Reacciones de Reacciones de oxidooxido--reducciónreducción

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contaminantes de la atmósferacontaminantes de la atmósferaProcesos de eliminación de Procesos de eliminación de contaminantes de la atmósferacontaminantes de la atmósfera

1. Adsorción en partículas “grandes” (2-20 µm) que se depositan por gravedad

2. Adsorción en pequeñas partículas que actúan como núcleos para la condensación de agua (gotas de lluvia)

3. Adsorción en partículas que colisionan con las gota s de

DEPOSICIÓN SECA

3. Adsorción en partículas que colisionan con las gota s de lluvia y son arrastradas

4. Disolución de las moléculas gaseosas en las gotas de lluvia5. Difusión o intercambio entre la atmósfera y el ag ua (mares,

lagos, etc.)6. Por paso a la estratosfera

DEPOSICIÓN HÚMEDA

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Procesos de eliminación de Procesos de eliminación de contaminantes de la atmósferacontaminantes de la atmósfera

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Procesos de eliminación de Procesos de eliminación de contaminantes de la atmósferacontaminantes de la atmósfera

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Procesos de eliminación de Procesos de eliminación de contaminantes de la atmósferacontaminantes de la atmósferaProcesos de eliminación de Procesos de eliminación de contaminantes de la atmósferacontaminantes de la atmósfera

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Biotransformación. Biotransformación. � En particular, las bacterias, protozoos,

hongos y proporcionar una capacidadsignificativa de biotransformar sustanciastóxicas en el medio ambiente.

� Aunque muchos vertebrados puedenmetabolizar las sustancias tóxicas másmetabolizar las sustancias tóxicas másrápido que las formas inferiores de vida, lacapacidad total de los vertebrados quebiotransforman tóxicos (basado en labiomasa total y de la exposición) esinsignificante para el destino general de unasustancia tóxica en el medio ambiente.

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Biotransformación.Biotransformación.

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Biotransformación. Biotransformación.

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