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Anlisis de Parmetros de Calidad Medioambiental ITF-Especialidad en Explotaciones Forestales. Curso 2007-2008

Departamento de Qumica y Ciencia de los Materiales

TEMA 6.- ANLISIS DE ESPECIACIN EN MUESTRAS MEDIOAMBIENTALES

1. Introduccin 2. Especies qumicas presentes en el medio ambiente 3. Factores que afectan a la especiacin de metales 4. Importancia de los estudios de especiacin de elementos traza 5. Especiacin de elementos

5.1. Especiacin de aluminio 5.2. Especiacin de arsnico 5.3. Especiacin de mercurio

5.4. Especiacin de selenio

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1. INTRODUCCIN

La distribucin, movilidad, toxicidad, bioacumulacin y biodegradabilidad de

los elementos depende no slo de su concentracin, sino tambin de la forma

qumica en la que stos se encuentran. Los anlisis de especiacin de

elementos traza son imprescindibles en el estudio de muestras

medioambientales. Segn la IUPAC, la especiacin es el proceso por el cual

se conocen las formas atmicas o moleculares de un analito. Esta definicin

incluye tanto especies orgnicas como inorgnicas (diferentes estados de

oxidacin).

En una definicin ms completa, la especiacin debe hacer referencia a la

cuantificacin de las diferentes formas en las que se encuentra el analito, y no

solamente a la identificacin de las mismas. Los anlisis de especiacin estn

relacionados con la determinacin de metales y metaloides.

En algunos casos se incluye en la definicin de especiacin, al anlisis en

el que se determina un elemento en varias fracciones obtenidas a partir de un

suelo o sedimento. Sin embargo esta definicin no es aceptada en general.

2. ESPECIES QUMICAS PRESENTES EN EL MEDIO AMBIENTE

Los elementos pueden estar presentes en el medio ambiente en una gran

variedad de formas fsico-qumicas. Algunos elementos traza como el mercurio,

plomo, selenio y arsnico presentan numerosas especies voltiles. Sin

embargo, la mayora de elementos se presentan como especies solubles en

agua o fluidos biolgicos, en coloides, unidos o formando parte de una matriz

slida (por ejemplo, en las partculas atmosfricas o del agua, suelo y

sedimentos, tejidos biolgicos, etc.).

Las especies de elementos traza solubles son generalmente iones hidratados y complejos orgnicos e inorgnicos. La naturaleza y concentracin

de ligandos orgnicos e inorgnicos en los distintos compartimentos del medio

ambiente vara enormemente. Los ligandos inorgnicos que se encuentran

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generalmente en las aguas naturales son cloruro, fluoruro, sulfato, carbonato e

hidroxilo. Los complejos que se forman con estos ligandos son muy lbiles. Sin

embargo, los aniones se encuentran generalmente a una concentracin muy

elevada (tres rdenes de magnitud ms que los elementos traza), por lo que la

formacin de complejos no puede tener en cuenta nicamente la constante de

formacin del complejo.

Los ligandos orgnicos son especies como aminocidos, cidos

carboxlicos, azcares, etc. as como otros compuestos de estructura

desconocida. Las molculas orgnicas pequeas, de estructura definida,

juegan un papel importante en el control sobre la concentracin de los

elementos traza.

Los ligandos heterogneos, es decir ligandos con muchos puntos de unin

(quelatos) que son muy importantes y por ello muy estudiados.

Los elementos traza tambin pueden encontrarse en las aguas naturales

adsorbidos en partculas o coloides como por ejemplo en silicatos no arcillosos (cuarzo), arcillas (montmorillonita), carbonatos (calcita), xidos de Fe

y Mn (magnetita), fosfatos y sulfuros. La superficie de los minerales arcillosos

tienen una carga predominantemente negativa por lo que pueden adsorber

cationes metlicos en el rango de pH normal del de la mayora de los

ecosistemas naturales. La distribucin de ligansos orgnicos e inorgnicos en

este caso es menos importante ya que las partculas inorgnicas se encuentran

generalmente con materia orgnica adsorbida.

Las especies metlicas pueden retenerse en material slido por diferentes mecanismos, por ejemplo en suelos o sedimentos.

Los metales se encuentran en una gran variedad de formas qumicas en la

materia viva. Pueden estar presentes en molculas de bajo peso molecular o

macromolculas y el metal puede estar unido fuertemente o formando una

estructura lbil. La mayora de las especies de elementos traza, por ejemplo las

metaloencimas, se forman en los seres vivos, y estn sujetas a numerosos

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mecanismos de transformacin de las formas qumicas de los elementos que

se ingieren.

La mayora de las especies de elementos traza estudiadas pueden

clasificarse en tres grupos. Histricamente, los primeros estudios de

especiacin estaban relacionadas con las especies redox, ya que

frecuentemente, un elemento puede ser txico en un determinado estado de

oxidacin mientras que en otro es inocuo o incluso esencial. El segundo grupo

incluye organoelementos simples, unidos a grupos alquilo y arilo. El ltimo

grupo lo constituyen las metalomolculas de elevado peso molecular que

tienen un inters especial en los sistemas biolgicos.

Especies de inters en los anlisis de especiacin

SISTEMAS REDOX ESPECIES ALQUILADAS COMPUESTOS DE ELEVADO

PESO MLECULAR

Se (IV)/Se(VI) Metil-Hg, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Se Metaloporfirinas*

As(III)/As(V) Etil-Pb, As, Sb, Se Metalorpotenas

Sb(III)/Sb(V) Butil-Sn Metalodrogas

Cr(III)/Cr(VI) Ciclohexil-Sn Metaloenzimas

Fe(II)/Fe(III) Octil-Sn

*Las porfirinas son pigmentos que se encuentran tanto en la vida animal como en la vegetal y estn involucradas en la formacin de muchas sustancias importantes en el cuerpo, incluyendo la hemoglobina, la cual trasporta oxgeno en la sangre.

3. FACTORES QUE AFECTAN A LA ESPECIACIN DE METALES

Los factores que determinan la especie qumica existente de un elemento

determinado en el medio ambiente son la fuerza inica, el pH y pE (potencial

redox).

El potencial redox determina el estado de oxidacin de los elementos. En

aguas naturales bien oxigenadas, los elementos suelen encontrarse en el

estado de oxidacin ms alto, ya que el potencial redox del O2/H2O es ms alto

que el de cualquier otro par redox. En condiciones de anoxia como por ejemplo

en el agua intersticial en sedimentos, aguas profundas, etc. la situacin es

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diferente. En esta situacin, puede tener lugar, mediante la accin de los

microorganismos, la conversin de sulfato en sulfuros como por ejemplo HgS y

CdS que precipitan y se reduce de este manera la biodisponiblidad y por tanto

la toxicidad. En realidad, los nicos elementos que se unen a ligandos

inorgnicos y son solubles son Ni y Co.

De la misma forma que el potencial redox, el pH y la fuerza inica del

medio influyen en la existencia de unas especies u otras.

4. IMPORTANCIA DE LOS ESTUDIOS DE ESPECIACIN DE ELEMENTOS TRAZA

Los estudios de especiacin en matrices medioambientales se realizan

generalmente con dos propsitos. El primero de ellos es estudiar el transporte y

ciclos biogeoqumicos del elemento y el segundo, predecir su impacto

biolgico.

La especiacin qumica juega un papel muy importante en el control de la

toxicidad y biodisponibilidad para los seres vivos. Algunos elementos como el

arsnico y el cromo son mucho ms txicos en su estado de oxidacin ms

alto, mientras que otros como el hierro o el manganeso son ms txicos en su

estado reducido. El mercurio es mucho ms txico cuando se encuentre como

metilmercurio que en su forma inorgnica, sin embargo para el arsnico se da

la situacin contraria. La mayora de los complejos estables y metales unidos a

coloides no son txicos. La excepcin a esta regla son los complejos solubles

en grasa ya que son capaces de atravesar las membranas celulares.

En la qumica y tecnologa del agua, la especiacin influye no solamente en

la toxicidad, biodisponibilidad y movilidad, sino tambin en la eutrofizacin,

floculacin y adsorbibilidad. Sin embargo estos factores estn siempre

relacionados con alguno de los anteriores.

5. ESPECIACIN DE ELEMENTOS

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En esta seccin se describe la especiacin de algunos elementos de los

ms representativos en los diferentes compartimentos del medio ambiente.

5.1. ESPECIACIN DE ALUMINIO

La toxicidad del aluminio ha sido muy estudiada y actualmente es uno de

los elementos que ms interesan desde el punto de vista de la especiacin. En

las muestras biolgicas el aluminio se encuentra nicamente con valencia +3.

Las formas de este elemento unido a ligandos orgnicos son mucho menos

txicas que cuando se encuentra unido a ligandos inorgnicos. Las especies de

inters medioambiental del aluminio son: Al3+, Al(OH)2+, Al(OH)4- y Al(OH)2+.

El aluminio es uno de los metales ms ampliamente usados y tambin uno

de los ms frecuentemente encontrados en los compuestos de la corteza

terrestre. Debido a este hecho, el aluminio es comnmente conocido como un

compuesto inocuo. El aluminio puede entrar en el organismo a travs de la

ingesta, respiracin o contacto drmico. La toma de concentraciones

significativas de aluminio puede causar un efecto serio en la salud como dao

al sistema nervioso central, demencia, prdida de la memoria, etc. El aluminio

tambin puede causar problemas en los riones de los pacientes, cuando entra

en el cuerpo durante el proceso de dilisis.

En el medio ambiente el aluminio produce problemas de acidificacin. El

aluminio puede acumularse en las plantas y causar problemas de salud a

animales que consumen esas plantas. Se ha observado que la cscara de los

huevos de aves son mucho ms finas cuando existe contaminacin de este

elemento en el medio donde habitan.

Algunos estudios han demostrado que el aluminio se encuentra en la nieve

formando acuo-complejos o complejos simples con ligandos inorgnicos. En los

ros se encuentra generalmente unido a macromolculas o en sustancias

coloidales.

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Debido a que la fraccin txica del aluminio corresponde a su in libre y

sus acuo-complejos, los mtodos analticos se han encaminado a la

discriminacin de estos complejos de aluminio de complejos con sulfato y

fluoruro y tambin con la materia orgnica. Para ello se han estudiado

numerosos reactivos coloreados que reaccionan con las distintas especies

txicas de aluminio para su posterior determinacin por espectrofotometra,

como por ejemplo el aluminn o hidroxiquinona. Sin embargo, a pesar de que

los reactivos que se han probado no reaccionan con los complejos de fluoruro,

si que lo hacen con los complejos de aluminio con sulfato y con materia

orgnica, teniendo lugar por tanto errores importantes en la medida de estas

especies txicas de aluminio mediante espectrofotometra.

La determinacin de especies de aluminio en aguas naturales se ha llevado

a cabo tambin mediante cromatografa inica y cromatografa en columna de

intercambio inico (Chelex-100). El inconveniente es la coelucin de las

especies de aluminio con otras indeseables o la obstruccin de los

componentes del cromatgrafo debido a la presencia de cidos hmicos u

otras sustancias en las muestras.

Tambin se han desarrollado estudios de especiacin de aluminio en

humanos. En estos estudios generalmente se emplea la ultrafiltracin, dilisis,

filtracin con geles, HPLC, etc. Las especies que se estudian en este tipo de

muestras son la fraccin separada por ultrafiltracin, protenas de aluminio,

especies de bajo peso molecular de aluminio y complejos de aluminio con

Deferoxamina (DFO) que es un frmaco utilizado para solucionar problemas de

exceso de Al. Mediante estudios de este tipo, se ha confirmado que la

transferrina es la nica protena que se encuentra unida al Al en el hombre. La

especiacin de compuestos de aluminio de bajo peso molecular en plasma se

est abordando en la actualidad ya que se ha comprobado que determinados

ligandos, por ejemplo el citrato, pueden producir efectos antagonistas en la

toxicidad del Al en los humanos.

5.2. ESPECIACIN DE ARSNICO

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El arsnico se encuentra ampliamente distribuido en el medio ambiente en

forma orgnica e inorgnica. Los compuestos de arsnico en las aguas

aireadas y suelos son generalmente inorgnicos (principalmente arsenito, As3+)

mientras que en la biomasa son orgnicos. Las formas metiladas como

dimetilarsnico (DMA) y monometilarsnico (MMA) son las especies de

arsnico ms comunes de entre las orgnicas. Sin embargo, en organismos

marinos, la arsenobetana es la ms frecuente. La toxicidad de este elemento

depende de su forma qumica. Las especies ms txicas son las inorgnicas,

arsenito (As3+) y arseniato (As5+), por ejemplo AsH3 es muy txico y (H3AsO3)

es unas 60 veces ms txico que el As5+ (H3AsO4). Las formas metiladas como

MMA, DMA y TMAO (xido de trimetilarsnico) son menos txicas (100 veces

menos aproximadamente que las inorgnicas). La arsenocolina (AsC),

arsenobetana (AsB) y el in tetrametilarsonio (TMAs) no son txicos. La

posible toxicidad de muchos arsenoazcares no se ha demostrado hasta la

actualidad.

En la siguiente figura se muestran las especies de arsnico comentadas

anteriormente:

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En la siguiente figura se muestran las especies de arsnico que tienen

lugar en disolucin en funcin del pH y el potencial redox:

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Tericamente el arsnico puede existir en un medio acutico en cuatro

estados de oxidacin diferentes (+5, +3, 0, -3). La forma AsH3 solo se origina

en condiciones muy bajas de pE, mientras que la forma metlica As0 es difcil

de encontrar. La arsina es poco soluble en agua y se forma en condiciones

fuertemente reductoras, poco frecuentes en el medio ambiente. En condiciones

reductoras suaves predomina la forma arsenito, HAsO2 mientras que en aguas

bien oxigenadas y a elevados pH, la forma arseniato es la ms comn, HAs042-.

La oxidacin de arsenito a arseniato es lenta a los valores de pH de las aguas

naturales, pero se produce ms rpidamente en condiciones de pH extremas.

El As3+ es un cido fuerte y forma preferentemente xidos (As203), mientras

que el As5+ se comporta como un cido dbil reaccionando con los sulfuros

para formar precipitados de baja solubilidad, a valores de pH y pE para los

cuales los sulfuros son estables (pH

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Mtodos analticos de especiacin

La mayora de los procedimientos analticos propuestos para la especiacin

de arsnico se basan en el empleo de tcnicas acopladas basadas en la

cromatografa de gases o de lquidos y tcnicas espectroscpicas sensibles

(ETAAS, ICP-AES, ICP-MS, AFS). No obstante suele ser necesario introducir

una etapa de derivatizacin precolumna o postcolumna con objeto de mejorar

la sensibilidad. Esta etapa puede consistir en un proceso de generacin de

hidruros (HG) como se estudi en el Tema 2 o una etapa de oxidacin (fotooxidacin, digestin con microondas) para poder cuantificar la presencia

de especies de arsnico que no generen hidruros (AsB, AsC, arsenoazucares).

La generacin de hidruros (HG) es quizs la etapa de derivatizacin ms

empleada en la determinacin de arsnico, ya que aumenta la sensibilidad y

elimina una gran parte de las interferencias de la matriz de la muestra, por el

cambio de fase que representa la formacin del hidruro. Antes de la

implantacin de tcnicas separativas cromatogrficas, se empleaba la

generacin de hidruros selectiva para poder diferenciar entre As (III) y As(V).

Tambin se ha empleado la HG en combinacin con una trampa fra para

preconcentrar la muestra.

La HG tiene su origen en la reaccin de March, en la que se usa un

sistema metal/cido, generalmente Zn/HCl para producir hidrgeno naciente

capaz de reducir del analito hasta hidruro:

Zn + 2 H+ Zn2+ + 2 H

Otra tcnica, ms extendida en la actualidad, se basa en el empleo del

sistema BH4-/cido, utilizando borohidruro en fase slida o, con mayor

frecuencia, en disolucin, lo que facilita su manejo y almacenamiento. La

reaccin que tiene lugar entre el borohidruro y el cido es la siguiente:

BH4- + 3 H20 + H+ H3BO3 + 8 H

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A valores de pH < 1, la descomposicin del borohidruro tiene lugar en

microsegundos, de manera que el hidrgeno naciente reduce al analito

(As(III),As (V), MMA, DMA) hasta formar las arsinas correspondientes (AsH3,

MeAsH2, Me2AsH).

Normalmente se emplean disoluciones de borohidruro sdico o potsico,

estabilizadas en medio alcalino con hidrxido sdico y potsico, para graduar la

descomposicin del borohidruro, siendo conveniente filtrar las disoluciones

para prolongar su estabilidad.

Los primeros estudios para distinguir diversas especies de arsnico -As (III)

y As (V)- mediante el uso de hidruros aprovecharon la respuesta diferencia de

estos compuestos, al llevar a cabo la reaccin a diversos valores de pH. Se

realizaron experiencias en un reactor que contena la muestra y por el que

circulaba un flujo de argn. Al inyectar en el reactor una disolucin de NaBH4

se generaba la arsina, siendo detectada por AAS. En este estudio se lleg a la

conclusin de que en el intervalo de pH de 0 a 5, la generaci de la arsina a

partir de As (III) es esencialmente independiente del pH, mientras que la

generaci6n desde As (V) disminuye continuamente al aumentar el pH hasta un

valor de pH por encima de 3.5, a partir del cual deja de generarse

apreciablemente. Similares experiencias confirmaron estos resultados en un

rango de pH de 0 y 10, proponiendo un valor de pH 6 para determinar

selectivamente As (III) frente al As (V).

Generalmente se acoplan sistemas de preconcentracin (trampas fras) a

los reactores donde se generan los hidruros. Estas trampas consisten en un

tubo de vidrio en forma de U conteniendo un relleno de bolas de vidrio. La U de

vidrio se enfra con nitrgeno lquido, de manera que la arsina licuada queda

retenida en la U. A continuacin se deja que la U alcance la temperatura

ambiente, con lo que se consigue la volatilizacin de la arsina, al mismo tiempo

que se pasa una corriente de nitrgeno por ella para arrastrar las especies

hasta un detector AAS.

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Los mtodos de separacin cromatogrfica ms utilizados se basan en el

empleo de columnas de intercambio inico y de pares inicos.

La cromatografa de pares inicos para especies de arsnico utiliza

diversos contraiones, generalmente disoluciones acuosas de sales de aminas

cuaternarias o alquilsulfonatos, que se adicionan en la fase mvil de manera

que el par inico formado con el arsnico puede interaccionar con el relleno

hidrofbico de una columna de fase reversa C18. Con la cromatografa de

pares inicos se pueden separar tanto especies moleculares cargadas como no

cargadas.

La cromatografa de intercambio inico para compuestos de arsnico se

basa fundamentalmente en el empleo de columnas de intercambio aninico

fuerte.

Frecuentemente, las especies de arsnico son separadas en el

cromatgrafo lquido, generndose en continuo los hidruros por adicin de

disoluciones de borohidruro y cido mediante un dispositivo de flujo. La

deteccin se realiza por atomizacin del analito en un detector AAS equipado

con un tubo de cuarzo, en forma de T, que puede ser calentado exteriormente

mediante una llama de aire-acetileno o mediante una resistencia elctrica.

Tambin se suelen emplear otras tcnicas espectroscpicas como el

ICP/OES, ICP-MS o AFS (fluorescencia atmica).

5.3. ESPECIACIN DE MERCURIO Las especies de mercurio presentes en el medio ambiente se muestran en

la siguiente figura:

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En trminos generales, las especies organomercuriales son ms txicas

que el mercurio inorgnico. La toxicidad creciente de los compuestos alquilados

comparados con las formas inorgnicas y la elemental del mercurio, se debe a

la naturaleza lipoflica de muchos de estos compuestos, que permite su paso a

travs de las barreras cerebrales y su unin a grupos sulfhidrilos. Adems los

compuestos organomercuriales se asocian a las clulas de la sangre y son

transportadas al resto del organismo. La vida media de los compuestos

organomercuriales es de 70 das aproximadamente frente a los 6 das del

mercurio inorgnico. No obstante, algunos rganos retienen el metilmercurio

durante mucho ms tiempo (por ejemplo 150 das en el cerebro).

La accin txica del mercurio deriva por un lado de la inhibicin que

produce en los grupos sulfhidrilo de numerosas enzimas, y por otro, de la

desnaturalizacin y precipitacin de las protenas, en especial las sintetizadas

por las neuronas.

Por otro lado, disminuye la produccin energtica celular y la actividad

mitocondrial, sin duda por inhibicin de la sntesis de protenas que integran las

estructuras de las mitocondrias. El mercurio disminuye el transporte activo de

azucares, aminocidos y precursores de los cidos nucleicos, provocando la

MeHg Me2H

EtHg Et2HPh2H

MeEtH

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muerte celular. Las clulas ms sensibles serian las neuronas del cerebro y

cerebelo.

En la siguiente figura se muestra el ciclo del mercurio en el medioambiente:

Tcnicas analticas de especiacin de mercurio

La mayora de los anlisis de mercurio se llevan ahora a cabo empleando

tcnicas espectroscpicas debido a su elevada sensibilidad. En todas las

tcnicas atmicas la muestra debe ser atomizada para una llama o un horno,

sin embargo, como el mercurio existe como vapor monoatmico a temperatura

ambiente su atomizacin es ms simple que la de otros elementos. Basta

reducir el mercurio inorgnico para formar mercurio elemental, que es

arrastrado de la fase liquida a fase vapor con un gas inerte que lo conduce

hasta la unidad de medida. Este vapor fro (CV) (Tema 2) formado se ha convertido en el mtodo mas ampliamente utilizado para el anlisis de

mercurio, ya que proporciona tericamente un 100 % de introduccin de la

muestra, comparado con el 2-10 % de eficiencia que se alcanza en las

muestras nebulizadas, lo que origina un claro aumento de sensibilidad.

Los reductores normalmente utilizados para generar el vapor fro son el

SnCl2 y el NaBH4. El Hg0 es arrastrado por una corriente gaseosa junto a agua

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y otros compuestos voltiles, por lo que debe secarse antes del anlisis para

evitar interferencias. Para ello la corriente gaseosa que contiene el mercurio se

hace pasar por una membrana higroscpica. Como los tomos de mercurio

estn ya en forma de vapor, no se precisa atomizacin en la llama. Sin

embargo, el gas debe retenerse en el camino ptico del equipo con objeto de

medir mejor la absorcin. Para ello, suele utilizarse un tubo de cuarzo en "T"

que se coloca en el quemador del instrumento.

Las tcnicas de emisin atmica tambin se han utilizado para la

determinacin de mercurio. En general, la espectrometra de emisin de llama

es menos sensible que la espectrometra de absorcin atmica que debe

sumarse a las importantes interferencias espectrales. La espectrometra de

fluorescencia atmica, constituye una tcnica complementaria a las tcnicas de

emisin que se emplea con frecuencia para la determinacin de mercurio que

permite una gran sensibilidad y selectividad. De la misma forma, el ICP-MS

proporciona una tcnica de deteccin muy sensible y selectiva para la

especiacin de mercurio.

En los estudios de especiacin, es necesario utilizar una tcnica separativa

y por ello las tcnicas cromatogrficas, tanto de gases como de lquidos se

emplean frecuentemente para separar las distintas especies de mercurio. Los

mtodos de especiacin de mercurio hasta ahora contemplan el uso de la

cromatografa de gases con detector de captura de electrones (GC-ECD), de

fluorescencia atmica (GC-AFS), de masas (GC-MS), ICP-MS, etc.

5.4. ESPECIACIN DE SELENIO

El selenio tiene las siguientes valencias (-2, 0, +2, +4, +6). Las fuentes

naturales ms frecuentes de selenio en el medio ambiente son los depsitos de

sulfuros metlicos (Cu, Zn, Ag, Hg) que junto con algunos minerales de selenio,

como berzelianita (Cu4Se), tiemanita (HgSe) y naumanita (Ag2Se), contienen

mas del 24 % del selenio. El origen antropognico se debe a su utilizacin en la

industria del vidrio, agricultura y en la combustin de carbones y fuel-oil.

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En el medio ambiente, el selenio inorgnico puede existir como seleniuro (-

2), selenio elemental (0), selenito (+4) o seleniato (+6). Las formas orgnicas

de selenio (-2) generalmente se encuentran como selenoaminocidos,

compuestos metilados y selenoprotenas.

El Se(-2) se combina con hidrgeno, formando SeH2 gaseoso, y con la

mayora de los metales divalentes, para dar seleniuros insolubles, y tambin se

encuentra en diversos compuestos organoselnicos. El Se(+4) y Se(+6) se

encuentran como los oxoaniones selenito (H2Se03) y seleniato (H2Se04), que se

comportan como un cido dbil y fuerte, respectivamente. Los selenitos forman

precipitados insolubles con alcalinoterreos y otros metales, mientras que los

seleniatos presentan una gran solubilidad.

El selenio inorgnico se puede transformar en compuestos orgnicos

mediante procesos de biometilacion. Dentro de los compuestos orgnicos de

selenio se encuentran tanto especies voltiles, como dimetilseleniuro,

dimetildiseleniuro, y dietilseleniuro, solubles en agua como trimetilselenonio, y

selenoaminoacidos, como selenometionina, selenoetionina, selenocisteina y

selenocisteina.

El selenio puede distribuirse en los diversos compartimentos

medioambientales en diferentes formas qumicas y niveles de concentracin

dependiendo de factores como el compartimiento ambiental, pH, solubilidad,

condiciones de xido-reduccin, temperatura, presencia de determinadas

materias minerales y la accin biolgica.

La siguiente figura muestra las transformaciones biogeoqumicas del

selenio en aguas marinas:

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En general, los organismos marinos poseen mayores concentraciones de

selenio que los animales terrestres. En el ciclo biogeoqumico del selenio en el

medioambiente marino intervienen las formas inorgnicas de este elemento y

compuestos rganometlicos como dimetilseleniuro y selenoaminocidos.

El selenio es un elemento esencial que se incorpora en la dieta a travs de

muchos alimentos. Asimismo, este elemento forma parte de encimas como por

ejemplo la glutatin peroxidasa (GSH-Px) que cataliza la reduccin de una

amplia variedad de perxidos orgnicos y del agua oxigenada, a los

correspondientes alcoholes y agua. Estos radicales pueden formarse como

consecuencia del metabolismo de sustancias txicas, etanol, y medicamentos

(antibiticos). Existen evidencias de que muchas de las enfermedades y

problemas asociados a la deficiencia de selenio estn causadas por la

disminucin de los niveles de esta enzima. Es evidente que la vitamina E y

otras enzimas, como la catalasa, la superxido dismutasa y la glutatin

transferasa, constituyen la parte esencial del mecanismo de defensa celular

frente al perxido de hidrgeno y a radicales libres, como alcoxi, peroxi e

hidroxilo. Esta proteccin es particularmente importante en la conservacin de

las membranas celulares, cuya integridad y correcto funcionamiento es

fundamental para mantener en orden los sistemas y procesos biolgicos en

organismos superiores. Parece que, tanto el envejecimiento de los organismos,

como la aparicin de tumores cancerosos, podran estar relacionados con los

efectos degenerativos causados por los radicales libres.

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En el organismo humano el selenio se encuentra presente en forma de

diferentes biomolculas cuyas principales unidades bsicas son la

selenometionina y la selenocistina.

A pesar de los posibles efectos beneficiosos del selenio comentados

anteriormente, este elemento tambin puede producir efectos txicos debido a

exposiciones elevadas, dependiendo de varios factores, como su forma

qumica, el ser vivo al que afecta, as como su edad y sexo y la va de

absorcin del compuesto. El intervalo que existe entre niveles beneficiosos y

txicos es muy estrecho.

La toxicidad de selenio a elevadas concentraciones se debe a su afinidad

por los grupos SH por lo que afecta a numerosas protenas y encimas que

intervienen en el metabolismo. El selenio acta sustituyendo al azufre en estas

biomolculas y por ejemplo, la actividad de la cistena y la metionina, se ve

afectada cuando el selenio (en niveles muy superiores a los normales)

sustituye al azufre. Estos cambios se producen con mayor facilidad cuanto ms

soluble y, por tanto, absorbible es el compuesto responsable.

Cuando el selenio elemental se absorbe oralmente no se ha apreciado

toxicidad, pero cuando el selenio esta en forma de vapor o como polvo fino en

suspensin causa irritacin en el tracto gastrointestinal. Entre las especies de

selenio mas probables de producir este tipo de desordenes clnicos se

encuentran: SeO2, SeOCI2, H2Se y SeF6 todas ellas voltiles y producidas

industrialmente.

La determinacin del contenido total de selenio de una muestra

proporciona una informacin incompleta acerca de su biodisponibilidad y su

efecto esencial o txico. Es la forma qumica en la que se encuentra el

elemento en la muestra la que determina su absorcin, transporte,

metabolismo, bioacumulacin, toxicidad, etc. Esto implica la necesidad de

realizar estudios de especiacin en una gran variedad de muestras biolgicas,

medioambientales o de alimentos, para la identificacin de sus formas fsico-

qumicas individuales y su concentracin, que justificara el contenido total de

selenio.

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As, la especiacin tiene un papel importante en los siguientes aspectos:

Determinacin de la toxicidad y ecotoxicidad de los elementos

seleccionados.

Control de calidad en productos alimenticios.

Control de medicinas y productos farmacuticos.

Control de procesos tecnolgicos.

Investigacin del impacto de las instalaciones tecnolgicas en el

medioambiente.

Estudio de la exposicin en el trabajo.

Anlisis clnico.

Tcnicas analticas

Al realizar estudios de especiacin hay que tener presente los niveles bajos

de concentracin y la complejidad de la matriz. Por tanto, son necesarias

metodologas analticas muy sensibles y selectivas que permitan la

identificacin y determinacin de cada una de las especies qumicas

individuales presentes en la muestra. Adems, hay que asegurar la integridad

de las especies a lo largo de cada una de las etapas del proceso analtico.

La naturaleza fsico-qumica de las diferentes especies de selenio, sus

niveles de concentracin, la naturaleza de las muestras, y el tipo de

informacin deseada condicionan la metodologa a emplear. Se puede

establecer una clasificacin de dichas metodologas para la especiacin de

selenio atendiendo a las tcnicas utilizadas para la separacin de las distintas

especies: cromatografa de gases, cromatografa liquida y ms recientemente

electroforesis capilar.

La volatilidad de las especies de selenio determina la tcnica de separacin

empleada previa a la deteccin.

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La cromatografa de gases es una tcnica de separacin para analitos

voltiles aunque se puede utilizar para compuestos no voltiles siempre que se

derivaticen previamente. En la especiacin de selenio, se suele emplear para

los compuestos orgnicos voltiles como el Se(VI).

Los sistemas de deteccin ms ampliamente usados con el GC son el de

captura de electrones (ECD), el detector de espectrometra de masas (MS), el

fotomtrico de llama (FPD) y el de plasma acoplado inductivamente-masas

(ICP-MS).

La cromatografa Iquida es una tcnica de separacin para analitos no

voltiles. Entre los mecanismos de separacin se encuentran intercambio

inico, pares inicos, micelar, exclusin por tamao y quiral.

La cromatografa de intercambio inico se utiliza para la separacin de

iones inorgnicos y orgnicos. Este tipo de cromatografa puede usarse para

separar Se(IV), Se(VI), SeCys, SeMet y TMSe.

Por ltimo, tambin se han utilizado columnas de intercambio cationico ya

que permiten la separacin de compuestos orgnicos de selenio en forma

cationica, sirviendo fundamentalmente de confirmacin de la presencia de las

especies de selenio (TMSe+, SeCys, Se(IV), SeMet y Se(VI)) .

En la cromatografa de exclusin de tamaos la columna acta como tamiz

para separar las molculas en base a su tamao fsico. Normalmente las

molculas ms pequeas son retenidas y las ms grandes pasan por la

columna en menor tiempo. Este tipo de separacin es ideal para compuestos

de pesos moleculares altos como protenas, polmetros y ppticos.

La fase estacionaria quiral se utiliza para la separacin de los enantiomeros

de los selenoaminocidos, para la separacin de especies quirales. Este tipo

de cromatografa es muy interesante en los estudios de especiacin

(especiacin quiral) de selenio ya que permite por ejemplo la separacin de los

de dos especies tan parecidas entre s como son los enantiomeros cuya nica

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diferencia es la actividad ptica. A pesar de la similitud entre los enantimeros,

se sabe que stos presentan diferentes propiedades, as la forma L de la

selenometionina es bioasimilable por el organismo mientras que la D no lo es.