Bioquimica -Xenobioticos

CICLO 2013-I

BIOQUMICA AMBIENTAL

MSc. Sonia Pilar Yufra Cruz

XENOBITICOS

CONTENIDOS TEMTICOS

Concepto de Xenobitico. Clasificaciones de xenobiticos. Contaminantes orgnicos: plaguicidas y compuestos

industriales. Contaminantes inorgnicos: metales pesados y xidos.

Dispersin de los Xenobiticos en el ambiente Atmsfera: Reacciones qumicas y fotoqumicas. Contaminantes atmosfricos: xidos de

carbono y efecto invernadero; xidos de azufre y lluvia cida; xidos de nitrgeno y smog

fotoqumico; clorofluorcarbonos y destruccin de la capa de ozono.

Hidrsfera: Solubilidad de los gases en el agua. Contaminantes del agua: metales pesados, hidrocarburos y bifenilo policlorados. Contaminacin de ros por materia orgnica y

eutrofizacin de lagos.

Litsfera: Componentes de los suelos: arcillas y sustancias hmicas. Micronutrientes y micronutrientes: fertilizantes. Contaminantes del suelo: insecticidas, herbicidas y fungicidas.

CONCEPTO DE XENOBITICO

Especie extraa a los sistemas vivientes.

Ejemplos: metales pesados (el plomo, sin funcin fisiolgica); compuestos orgnicos sintticos (no se hacen en la naturaleza).

Txicos, contaminantes ambientales

Txico o veneno: causa efectos adversos a los seres vivos.

Contaminante:

Modifica el equilibrio natural del medio ambiente.

Suelen producir efectos txicos

Alteran en el funcionamiento de la clula.

Ejemplos:

Metales pesados

Sustancias orgnicas: pesticidas

Hidrocarburos halogenados y no halogenados

Policloruro de bifenilo (PCB)

Bromofenofos defosforados (DBF)

Residuos qumicos txicos

Radiaciones nucleares.

Pueden ser:

Sustancias agroqumicas

Compuestos biolgicos

Carcingenos

Microorganismos

Ozono

Aire

Agua

Suelo

Radiacin

Sustancias con perfil persistente, bioacumulable o txico (PBTs, Persistent, Bioaccumulative and Toxic )

Contaminantes orgnicos persistentes (POPs, Persistent Organic Pollutants).

Si hay un efecto txico:

Relacin dosis y respuesta.

Toxicidad puede ser:

Aguda (evaluada segn la dosis letal al 50% o DL50)

Crnica (tumores, lceras, irritaciones, entre otros efectos)

(magnitud del dao

en la salud)

(Cantidad de contaminantes a la

que cada individuo se expone)

Los contaminantes se pueden clasificar:

ORIGEN

APLICACIONES

ACCIN INTRNSECA

ACCIN BIOLGICA O BIOQUMICA

REACTIVIDAD METABLICA

NATURALEZA

CLASIFICACIN DE CONTAMINANTES

Por su ORIGEN:

Intencional o casual.

Desechos urbanos

Desechos industriales

Desechos mixtos

Restos de explotaciones mineras

Restos de explotaciones agrcolas.

De procedencia variada:

Tabaco

Conservantes

Pesticidas / Estabilizantes

Plastificantes / Aditivos

Inductores del crecimiento / Toxinas bacterianas.

Accidentes industriales:

Factoras

Transporte

tico

ial

a

CLASIFICACIN DE LOS CONTAMINANTES

Por sus APLICACIONES:

Medicamentos

Productos de uso doms

Productos de uso industr

Productos de uso agrcol


Por su ACCION INTRNSECA:

Frmacos:

Antibiticos

Antineoplsicos

Pesticidas

Drogas

Txicos de accin local:

Casticos, corrosivos o vesicantes:

cidos

Lejas

Nitratos

Sulfatos

Disolventes

Cromatos

alquitranes.

Txicos de accin sistmica:

Aditivos

Edulcorantes

Conservantes

Pesticidas.


Por su ACCION BIOLOGICA o BIOQUIMICA:

Biocidas (Luz UV, dixido de cloro, lisozima)

Mutagnicos (mitomicina C)

Carcinognicos (asbesto, cromo)

Teratognicos (rayos X, gamma)

Inhibidores, activadores e inductores de enzimas (tripanavir, diisopropilfluorofosfato)

Agentes desacoplantes (DNP, dinitrofenol, pentaclorofenol)


Por su REACTIVIDAD METABOLICA:

Biodegradables o persistentes:

Bioacumulativos

Bioactivables


Por su NATURALEZA:

Fsica, qumica y biolgica.

De naturaleza fsica:

Color: Tintes

Turbidez: minas e industria

Calor: centrales nucleares y trmicas.

alcanfor

Radiaciones en la naturaleza, uso de la energa nuclear (investigacin, medicina, industria).

Ruido o contaminacin por olores.

Sustancias voltiles olorosas: alcanfor, almizcle, floral, mentolado, ter, agrios, ftidos.


De naturaleza biolgica:

Seres vivos o compuestos procedentes de ellos:

Bacterias

Virus

Hongos

Protozoos

Materia orgnica

Residuos de vegetales

Residuos urbanos

Residuos fecales

Residuos de camales, mataderos


De naturaleza qumica:

Xenobiticos orgnicos

Pesticidas

Insecticidas

Organofosforados

Carbamatos

Organoclorados

Dicloro-difenil-etano: DDT, DDE

Ciclodinicos: aldrin, dieldrin, endrin

Hexaclorociclohexanos: lindano

Mirex, clorex, heptacloro etc

Herbicidas:

Fenoxiacticos, triazinas, derivados bipiridlicos,

derivados de rea

Fungicidas

Otros

Compuestos industriales

Plastificantes

CFC

Hidrocarburos: alifticos (propano, etileno), alicclicos (ciclohexano, ciclopentano) y aromticos (benceno, polifenilos)

DICLORO-DIFENIL-TRICLOROETANO

METIL-ETIL-PARATION

GAMMA-HEXACLORO-CICLOHEXANO

HERBICIDAS

DICLORO-DIFENIL-METILREA (DIURN)

ISMEROS DE TRIAZINA

HIDROCARBUROS

TOLUENO ESTIRENO BIFENILO

ANTRACENO BENZOPIRENO

CICLOHEXANO

Xenobiticos inorgnicos:

cidos, lcalis, nitratos, nitritos, sulfatos, fosfatos, halgenos

xidos de nitrgeno, xidos de carbono, xidos de azufre, ozono y radicales libres

Silicatos, iones en general, amoniaco

Metales pesados: Mn, Co, Pb, Zn, Fe, Cd, Cr, As, Ni, Se, Hg, Be.

Contaminantes atmosfricos: CO, SO2, SO3, NO2, NO

Hidrocarburos no saturados y aromticos,

CFH (hidrocarburos clorinados)

Clorofluorometanos

Micropartculas (Si, Be, As, Cr, Pb, asbesto, humos)

Lluvia cida

Productos de reacciones fotoqumicas

Radicales libres

Agentes oxidantes (O3).

Fuentes industriales de compuestos aromticos txicos

COMPUESTOS AROMTICOS FUENTES INDUSTRIALES

Benceno Combustibles fsiles, solventes

Estireno Plsticos

Hidrocarburos aromticos policclicos (PAH) Combustibles fsiles, preservantes de madera

Alquilfenoles Surfactantes, detergentes

Sulfoaromticos Surfactantes, detergentes, colorantes

Aminoaromticos Pesticidas, colorantes, pigmentos, frmacos

Azoaromticos Colorantes

Nitroaromticos Explosivos, frmacos, pesticidas, colorantes

Clorofenoles y dioxinas Preservantes de madera, pesticidas, efluentes de

blanqueamiento

Hidrocarburos cloroaromticos y bifenilos

policlorados

Pesticidas, solventes, fluidos hidrulicos y

dielctricos

DISPERSIN DE XENOBITICOS EN EL AMBIENTE

Atmsfera: Reacciones qumicas y fotoqumicas

Las especies qumicas atmosfricas gaseosas:

xidos inorgnicos (CO, CO2, NO2, SO2)

oxidantes (O3, H2O2, radical HO, radical HO2, radicales ROO, NO3...)

reductores (CO , SO2, H2S)

orgnicos (tambin reductores, en la atmsfera no contaminada, CH4 es la

especie orgnica predominante, mientras que los alcanos, alquenos y compuestos arlicos son comunes alrededor de las fuentes de contaminacin orgnica)

las especies orgnicas oxidadas (carbonilos, nitratos orgnicos)

especies fotoqumicamente activas (NO2, formaldehdo)

cidos (H2SO4)

bases (NH3)

sales (NH4HSO4,)

especies reactivas inestables (NO2 electrnicamente excitado, radical HO).


Procesos Fotoqumicos

Las reacciones fotoqumicas, inducidas por radiacin solar, determinan la naturaleza y el destino final de una especie qumica en la atmsfera.

NO2 puede absorber la luz de la energa hn, produciendo una molcula

electrnicamente excitada, designada con un asterisco:

NO2 + hn NO2*

Para que se produzca una reaccin fotoqumica, la luz debe ser absorbida por las especies que reaccionan.

Energa de un cuanto:

h*n

h = constante de Planck, 6,63E-27 erg.s

n = frecuencia de radiacin electromagntica absorbida en s-1

inversamente proporcional a su longitud de onda l


Prdida del exceso de energa:

Prdida de energa hacia otra molcula o tomo (M) por la extincin

fsica, seguida por la disipacin de la energa en forma de calor

O2 + M + M O2 (mayor energa de traslacin)

Disociacin de la molcula excitada

O2 * O + O

Reaccin directa con otra especie

O2 + O3 + O 2O2 Luminiscencia, que consiste en la prdida de energa por la emisin de

radiacin electromagntica

NO2 * NO2 + hn

Quimioluminiscencia: cuando la especie excitada se forma en un proceso qumico:

O3 + NO NO2 + O2 (mayor energa)

Transferencia de energa intermolecular en el que una especie excitada transfiere la energa a otra especie, que luego se excita

O2 + O2 Na + Na* La reaccin posterior de la segunda especie se llama una reaccin

fotosensible.

Transferencia intramolecular en la que la energa es transferida de una molcula

XY* XY ( denota otro estado de excitacin de la misma molcula)

Isomerizacin espontnea

Fotoionizacin por prdida de un electrn

+ -

N2* N2 + e La radiacin electromagntica absorbida en la regin del infrarrojo carece de la

energa para romper enlaces qumicos, pero hace que las molculas del receptor

obtengan la energa de la vibracin y rotacin.

IONES Y RADICALES EN LA ATMSFERA

Radicales Libres

La radiacin electromagntica energtica puede producir tomos con electrones no apareados llamados radicales libres:

Los radicales libres son muy reactivos.

Pueden tener una vida media de varios minutos, o incluso ms.

Con el tiempo, uno de los radicales en una cadena se destruye y se termina la cadena:

H3C + H3C C2H6

Las reacciones con radicales libres: formacin del smog fotoqumico.

Los radicales libres y tomos de gases diatmicos persisten a grandes alturas

Las especies electrnicamente excitadas tienen una vida finita muy breve

Smog fotoqumico

Los radicales hidroxilo e hidroperoxilo en la atmsfera

El radical hidroxilo, HO, se forma a mayor altura por la fotlisis del agua:

H2O + hn HO + H Si hay materia orgnica, el radical hidroxilo es producto intermedio en la

formacin de smog fotoqumico y el HO se genera por fotlisis del vapor de cido nitroso:

HONO + hn HO + NO

En la tropsfera, el radical hidroxilo se produce como resultado de la fotlisis del ozono:

O3 + hn ( < 315 nm) O* + O2 Una fraccin de los tomos de oxgeno excitado reacciona con las

molculas de agua:

O* + H2O 2HO

El radical hidroxilo se elimina de la tropsfera por reaccin con el

monxido de carbono o el metano:

CH4 + HO H3C + H2O

CO + HO CO2 + H El radical metilo, H3C reacciona con O2:

H3C + O2 H3COO (radical metilperoxilo) El tomo de hidrgeno producido en la reaccin que involucra al

metano reacciona con O2 para producir el radical hidroperoxilo:

H + O2 HOO El radical hidroperoxilo puede experimentar reacciones de

terminacin de la cadena:

HOO + HO H2O + O2

HOO + HOO H2O2 + O2

Tambin se pueden presentar reacciones que regeneran al radical hidroxilo:

HOO + NO NO2 + HO

HOO + O3 2O2 + HO

CONTAMINANTES ATMOSFRICOS

xidos de carbono y efecto invernadero

El dixido de carbono, CO2, es el ms abundante constituyente atmosfrico natural

El nivel de dixido de carbono en la atmsfera se incrementa en

alrededor de 1 ppm por ao, lo que podra causar el efecto

invernadero.

El dixido de carbono y otros gases contribuyen al "efecto invernadero",

en la que la energa radiante solar entrante reabsorbe parte de la

radiacin infrarroja que emana de ella.

Se sabe que el CO2 y el CH4, absorben la radiacin infrarroja y la Tierra pierde calor.

Los niveles de estos gases han aumentado notablemente desde 1850,

Los clorofluorocarbonos (CFC), que son tambin gases invernadero,

fueron introducidos en la dcada de 1930.

Dixido de carbono: por quema de combustibles fsiles y deforestacin

Metano, CH4, es ms eficaz para atrapar el calor que el CO2.

Otros gases: clorofluorocarbonos y el N2O.

Niveles preindustriales de CO2 y CH4 en la atmsfera eran de 260 partes por milln y 0,70 ppm, respectivamente.

En los ltimos 300 aos: se han incrementado a 360 ppm, y 1.8 ppm.

Incremento de dixido de carbono se atribuye a la deforestacin

El dixido de carbono aumenta en 1 ppm por ao.

El metano aumenta a 0,02 ppm / ao.

El aumento de niveles de metano se debe a:

fugas de gas natural

emisiones de la minera del carbn y de recuperacin del petrleo

liberacin de la quema de sabanas y bosques tropicales.

Quema de reas verdes

Deforestacin

Oscilaciones: "pulso fotosinttico"

Destruccin de bosques y la conversin de tierras forestales a usos agrcolas: mayor aumento en los niveles de CO2.

Las plantas que viven en climas ms clidos por el efecto invernadero crecen ms rpido y consumen ms CO2.

El aumento de CO2 en la atmsfera dar lugar a absorcin acelerada del gas por los ocanos.

La cantidad de CO2 disuelto en los ocanos es cerca de 60 veces la cantidad de gas CO2 en la atmsfera.

Los tiempos de transferencia de dixido de carbono de la atmsfera a las capas superiores del ocano son del orden de aos.

Si hubiera sequa por calentamiento climtico se podra reducir el consumo de CO2 por las plantas.

Condiciones ms clidas aceleran la liberacin de CO2 y CH4 por degradacin microbiana de la materia orgnica.

Se predice un calentamiento global de al menos 3.0 C y hasta 5,5 C en unas dcadas.

Aumento de la temperatura similar al de la ltima edad de hielo hace 18.000 aos (que ocurri a un ritmo mucho ms lento de slo 1 o 2 C

por cada 1.000 aos).

Escasez de agua se agrava por la disminucin de lluvias y por aumento de la evaporacin.

La escasez de agua provoca una mayor demanda para el riego y la produccin de baja calidad, el aumento de la salinidad del agua de

escorrenta y las aguas residuales.

La reaccin fotoqumica que sufre el dixido de carbono y una de las principales fuentes de CO en altitudes ms altas, es la fotodisociacin de CO2 por radiacin de la fraccin ultravioleta de la energa solar en

la estratsfera:

CO2 + h CO + O

El efecto invernadero

Oxidos de azufre y lluvia cida

En el ciclo del azufre participan: H2S, (CH3)2S, SO2, SO3, y sulfatos.

Atmsfera: 100 millones de toneladas de azufre al ao por actividad humana (SO2)

Azufre no antropognico:

SO2 y H2S de volcanes

(CH3)2S y H2S de la descomposicin biolgica de materia orgnica y la reduccin de sulfato.

Principal fuente de azufre natural: sulfuro de dimetilo biognico, (CH3)2S, de origen marino.

El H2S que llega a la atmsfera se convierte en SO2 por el proceso siguiente:

H2S + 3/2 O2 SO2 + H2O

Radicales hidroxilo extraen iones de hidrgeno y luego otras dos reacciones dan SO2

H2S + HO HS + H2O

HS + O2 HO + SO

SO + O2 SO2 + O La principal fuente antropognica de dixido de azufre: carbn

Cerca de la mitad del azufre en el carbn est en alguna forma de pirita, FeS2, la otra mitad es azufre orgnico.

La produccin de dixido de azufre a partir de la combustin de la pirita est dada por la siguiente reaccin:

4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 + 8SO2

Lluvia cida

Efecto del dixido de azufre atmosfrico

Por exposicin aguda:

Destruccin del tejido foliar

Por exposicin crnica:

Provoca clorosis,

El dixido de azufre en la atmsfera se convierte en cido sulfrico y las plantas pueden ser daadas por aerosoles de cido sulfrico.

Lluvia cida

Los xidos de azufre y nitrgeno en la atmsfera se convierten en cidos sulfrico y ntrico, respectivamente.

En combinacin con cido clorhdrico de las emisiones de cloruro de hidrgeno, causan lluvia cida .

Lluvia cida: precipitacin con presencia de cidos ms fuertes que el CO2(aq).

El dixido de azufre, SO2, contribuye ms a la acidez de la lluvia: el dixido de azufre es mucho ms soluble en agua que el dixido de

carbono.

La mayor parte de la lluvia cida es un contaminante secundario producido por oxidacin atmosfrica de gases acidificantes:

SO2 + H2O + O2 {2H+ + SO42-}(aq)

2NO2 + H2O + O2 2 {H+ + NO3-}(aq)

Efectos dainos de la lluvia cida

Fitotoxicidad directa por concentracin excesiva de cido.

Fitotoxicidad a partir de gases formadores de cidos( SO2 y NO2)

Fitotoxicidad indirecta: Al3+ liberado del suelo.

Destruccin de bosques sensibles.

Efectos respiratorios en humanos y otros animales.

Acidificacin del agua dulce con efectos txicos para flora y fauna

Corrosin de estructuras expuestas, equipos y materiales ornamentales.

La piedra caliza es susceptible a la lluvia cida

2H+ + CaCO3(s) Ca2+ + CO2(g) + H2O

Reduccin de visibilidad por aerosoles de sulfato e influencia de aerosoles de sulfato en las propiedades fsicas y pticas de las

nubes.

xidos de Nitrgeno y smog fotoqumico

Tres xidos de nitrgeno se encuentran en la atmsfera: xido nitroso (N2O), xido ntrico (NO) y dixido de nitrgeno (NO2).

xido nitroso:

por microorganismos

no reactivo

no influye en las reacciones qumicas importantes en la atmsfera inferior.

Sus niveles disminuyen con la altitud en la estratosfera:

N2O + hn N2 + O

Ocurre una reaccin con el singlete de oxgeno atmico:

N2O + O N2 + O2

N2O + O NO La fijacin incrementada del nitrgeno

+ NO

junto con un

aumento de la

produccin microbiana de N2O, puede contribuir al agotamiento de la capa de ozono.

xidos de Nitrgeno y smog fotoqumico

xido ntrico (NO):

Incoloro y sin olor

Dixido de nitrgeno (NO2):

picante y de color rojo-marrn

Colectivamente designados NOx

Entran en la atmsfera a partir de:

Rayos y procesos biolgicos,

Fuentes contaminantes (ms importantes)

Casi todo el NO2 antropognico entra a la atmsfera como resultado de la quema de combustibles fsiles.

Mecanismos de formacin de smog

Reacciones producidas en una atmsfera con xidos de nitrgeno, hidrocarburos reactivos, y el oxgeno.

Hay variacin temporal de los niveles de hidrocarburos, ozono, NO, NO2 la cual se explica por:

1. Reaccin fotoqumica primaria productora de tomos de oxgeno

NO2 + hn ( < 420 nm) NO + O 2. Reacciones que involucran a las especies de oxgeno (M es un

tercer cuerpo de absorcin de energa):

O2 + O + M O3 + M

O3 + NO NO2 + O2


3. Produccin de radicales libres orgnicos a partir de hidrocarburos,

RH:

O + RH R + otros productos

Si el RH fuera metano, CH4, la reaccin sera

O + CH4 H3C + HO

O3 + RH R + y/u otros productos (R es un radical libre que podra o no contener oxgeno)

4. Propagacin de cadena, ramificacin y terminacin:

NO + ROO NO2 + y/u otros productos

NO2 + R productos (por ejemplo, PAN)


Las especies reactivas intermedias: radical HO

Muy reactivo: un tomo de hidrgeno y de oxgeno unidos entre s y con un electrn no apareado en el oxgeno.

El radical hidroxilo es producido por reaccin de un tomo de oxgeno con un hidrocarburo.

Tambin por reaccin del oxgeno atmico excitado con agua ("energizado)

O* + H2O 2HO Por fotodisociacin del peroxido de hidrgeno:

H2O2 + hn ( < 350 nm) 2HO O por fotlisis del cido nitroso:

HNO2 + hn HO + NO


El radical hidroxilo reacciona con especies inorgnicas como los xidos de nitrgeno:

HO + NO2 HNO3

HO + NO + M HNO2 + M y el monxido de carbono:

CO + HO + O2 CO2 + HOO La ltima reaccin es la responsable de la desaparicin de la

concentracin atmosfrica de CO y produce el radical

hidroperoxilo HOO.

El radical hidroperoxilo participa en la oxidacin del NO:

HOO + NO HO + NO2

Formacin de smog fotoqumico

Algunas interacciones entre NO y NO2

Regeneracin del NO2

Para la formacin del smog, extraccin de un tomo de hidrgeno de un hidrocarburo por el HO y oxidacin del NO a NO2:

RH + HO R + H2O El radical alquilo, R, reacciona con O2 para producir un radical

peroxilo, ROO:

R + O2 ROO Esta especie oxida al NO hasta NO2:

ROO + NO RO + NO2 radical peroxilo radical alcoxilo

Y con ello se obtiene la conversin de NO a NO2.

La oxidacin del NO puede ocurrir tambin:

peroxiacilo radical peroxilo

Los nitratos de peroxiacilo (contaminantes del aire) se forman por una reaccin de adicin con NO2:

peroxiacilo PAN (nitrato de peroxiacilo)

Clorofluorcarbonos y destruccin de la capa de ozono

Los CFC (ej. Diclorodifluorometano, fren) son compuestos de 1 y 2 carbonos que contienen Cl y F unido al carbono.

Estables y no txicos.

Muy usados en la fabricacin de espumas flexibles y rgidas

Como fluidos de refrigeracin

Aire acondicionado

Los halones, como el CBrClF2 (haln 1211), se usan en sistemas de extincin de incendios

En 1974 se propuso que los CFC podran catalizar la destruccin del ozono estratosfrico


Los CFC se fotodescomponen por la radiacin ultravioleta de alta energa en la estratsfera, lo cual rompe su fuerte enlace C-Cl:

Cl2CF2 + hn Cl. + ClCF2

.

Los tomos de Cl liberados son muy reactivos.

El ozono es una de las especies ms reactivas con ellos:

Cl + O3 ClO + O2 En la estratsfera, hay una gran concentracin de oxgeno atmico:

O3 + hn O2 + O


Tambin se presenta xido ntrico, NO

Las especies de monxido de cloro reaccionan con O o NO, regenerando tomos de Cl y dando lugar a reacciones en cadena:

ClO + O Cl + O2

Cl + O3 ClO + O2

O3 + O 2O2

ClO + NO Cl + NO2

O3 + Cl ClO + O2

O3 + NO NO2 + O2


El ClO y el Cl se han detectado de 25 a 45 km de altura.

El dmero (ClO)2 es intermediario en la destruccin del ozono estratosfrico.

Los sustitutos de los halocarbonos son clorofluorocarbonos que contienen hidrgeno (HCFC) y fluorocarbonos que contienen

hidrgeno (HFC).

Son:

CH2FCF3 (HFC-134a, 1,1,1,2-tetrafluoroetano, un sustituto del CFC-12 en aire acondicionado y refrigeracin automotriz)

CHCl2CF3 (HCFC-123, sustituto del CFC-11 en el soplado de espuma plstica)

CH3CCl2F (HCFC-141b, sustituto del CFC-11 en el soplado de espuma plstica)

CHClF2 (HCFC-22, aire acondicionado y fabricacin de envases de alimentos de espuma plstica).

Destruccin del ozono

de oxgeno

HIDRSFERA: SOLUBILIDAD DE LOS

GASES EN EL AGUA

Formacin

Hace unos 4600 millones de aos: toda el agua estaba presente en forma de vapor.

Enfriamiento: precipitaciones llenan de agua las partes ms bajas de la superficie formando los ocanos.

Varios cientos de millones de aos despus de la formacin de la Tierra: ocanos y otros cuerpos de agua.

Distribucin del agua en la Tierra

Casi la totalidad del agua: agua salada.

Aguas dulces: la mayor parte est en forma de hielo y en aguas subterrneas.

El agua sobre continentes y de la atmsfera se hallan en menor cantidad.

Distribucin del agua en la Tierra

Agua lquida ocenica 1322106 km3

Agua slida ocenica 26106 km3

Epicontinentales1 225 000 km3

Atmosfrica 12 000 km3

Subterrnea2 2-8 106 km3

1 En las aguas epicontinentales (situadas en los continentes y que pueden ser dulces o salobres) se encuentran

el Mar Caspio, el Mar Muerto, adems de ros, lagos, etc.). 2 Estimacin. Calcular su cantidad es muy difcil.

Ciclo del agua

El ciclo del agua

El vapor de agua de la atmsfera se condensa y cae en forma de lluvia o nieve.

El agua que cae desciende de montaas por ros, o se infiltra como aguas subterrneas.

Gran parte de las aguas continentales acaban en los ocanos, o son evaporadas o transpiradas por las plantas volviendo de nuevo a la

atmsfera.

El agua tambin se evapora de mares y ocanos

La energa del sol mantiene este ciclo en funcionamiento continuo.

Anualmente se evaporan cerca de 500 000 km3 de agua

En la atmsfera permanecen aproximadamente 12 000 km3, por lo que los mismos 500 000 km3 que se han evaporado vuelven a

precipitar a lo largo del ao.

En los desiertos llueve menos de 200 mm y en algunas zonas de montaa llueve ms de 6000 mm.

del ciclo

Atmsfera 9-10 das

Ros 12-20 das

Lagos 1-100 aos

Acuferos subterrneos 300 aos

Ocanos 3000 aos

a) Polaridad

Caractersticas del agua

Una molcula est polarizada cuando se orienta con un lado hacia el polo positivo y con otro hacia el negativo si se encuentra situada en un campo

elctrico.

La distribucin de cargas dentro de la molcula no es homognea

En la molcula de agua el tomo de oxgeno se une con dos tomos de hidrgeno por enlaces polarizados que forman entre s un ngulo de

aproximadamente 105.

Como el tomo de oxgeno es ms electronegativo que los de hidrgeno, en el lado del oxgeno se sita la zona negativa y en el lado de los hidrgenos la

positiva

Se llama enlace de puente de Hidrgeno al que une a una molcula de agua con las que estn a su alrededor.

Este enlace entre molculas de agua vecinas se produce por la atraccin entre la zona positiva de una molcula y la negativa de la vecina.

Polaridad de la molcula de agua,

representada por

Adems el oxgeno es ms

electronegativo que el

hidrgeno y atrae con ms

fuerza a los electrones de

cada enlace. La molcula de agua presenta una distribucin

asimtrica de sus electrones, lo que la convierte

en una molcula polar, alrededor del oxgeno se

concentra una densidad de carga negativa ,

mientras que los ncleos de hidrgeno quedan

desprovistos parcialmente de sus electrones y

manifiestan, por tanto, una densidad de carga

positiva.

b) Calor especfico, calor de vaporizacin y calor de fusin

Las cantidades de calor necesarias para evaporar, fundir o calentar el agua son ms elevadas que en otras sustancias de tamao parecido, al

estar las molculas unidas por fuerzas elctricas entre las zonas

positivas de unas y las negativas de otras.

Esto hace que el agua sea un buen regulador de la temperatura del planeta y de los seres vivos.

c) Cohesividad

Atraccin entre las molculas del agua

Explica la tensin superficial que hace que la superficie del agua presente una cierta resistencia.

d) Densidad y estratificacin

La densidad del agua (1kg/L), vara con la temperatura y sustancias disueltas.

La densidad aumenta al disminuir la temperatura hasta llegar a los 4 C en los

que la densidad es mxima.

A partir de esa temperatura disminuye la densidad y el hielo flota en el agua.

Cuando un cuerpo de agua se congela, la capa de hielo flota en la superficie y asla al

resto de la masa de agua impidiendo que

se congele.

Las capas de agua que se hallan a distintas densidades se colocan en estratos que

funcionan como partes independientes.

e) Solubilidad

Los compuestos con enlaces inicos son solubles en agua

Los que tienen enlaces covalentes se disuelven en otros compuestos covalentes.

Casi todos los compuestos formados de elementos situados a la derecha de la tabla peridica forman enlaces covalentes.

Son pinturas, disolventes, grasas, hidrocarburos, azcar, alcohol, etc.

Caractersticas del agua en la Tierra que afectan la

solubilidad

Salinidad

Presin osmtica

Gases disueltos

Caractersticas del agua en la Tierra que afectan la

solubilidad

a. Salinidad

Los iones que dan la salinidad al agua provienen de los continentes y de las dorsales ocenicas.

En un litro de agua de mar tpico hay cerca de 35 g de sales

Dos terceras partes son cloruro de sodio

En mares interiores la salinidad puede ser muy alta: Mar Muerto con 226 g de sal por litro.

En las aguas dulces hay menor cantidad de iones.

Bicarbonato de calcio (decigramos por litro): indica el grado de dureza de las aguas.

b. Presin osmtica

Presin necesaria para detener el flujo osmtico de una solucin cualquiera.

c. Gases disueltos

En el mar hay muchos por la extensin de la interfase.

CONTAMINANTES DEL AGUA

Contaminantes del agua

Clase de contaminante Significado

Elementos traza Salud, biota acutica, toxicidad

Metales pesados Salud, biota acutica, toxicidad

Metales unidos orgnicamente Transporte de metales

Radionclidos Toxicidad

Contaminantes inorgnicos Toxicidad, biota acutica

Asbestos Salud humana

Nutrientes algales Eutroficacin

Acidez, alcalinidad, salinidad (en exceso) Calidad del agua, vida acutica

Contaminantes orgnicos traza Toxicidad

Bifenilos policlorinados Posibles efectos biolgicos

Pesticidas Toxicidad, biota acutica, vida salvaje

Restos de petrleo Efecto en vida salvaje, esttica

Desage, desechos humanos y animales Calidad del agua, niveles de oxgeno

Demanda bioqumica de oxgeno Calidad del agua, niveles de oxgeno

Patgenos Efectos en salud

Detergentes Eutroficacin, vida salvaje, esttica

Carcingenos qumicos Incidencia de cncer

Sedimentos Calidad del agua, biota acutica, vida salvaje

Gusto, olor y color Esttica

METALES PESADOS, HIDROCARBUROS Y BIFENILO

POLICLORADOS

Cadmio

Plomo

Mercurio

Cadmio

De vertidos industriales

De residuos mineros

Usado en revestimientos metlicos

Efectos muy graves

Hipertensin arterial

Dao renal

Destruccin de tejido testicular

Destruccin de glbulos rojos.

Sustituye al zinc de algunas enzimas: afectan a su actividad

cataltica

Plomo

De fuentes industriales y mineras

Se produce en estado de oxidacin 2+

El plomo de la gasolina: principal fuente de plomo atmosfrico y

terrestre

Ingresa a los sistemas naturales del agua

Intoxicacin por plomo:

Severa disfuncin renal

Disfuncin del sistema reproductor, hgado, cerebro y sistema nervioso

central

Exposicin ambiental causa retardo mental en nios.

Envenenamiento por plomo: anemia leve.

Dolores de cabeza y dolor muscular, fatiga e irritabilidad.

Componente en soldadura y en formulaciones de tuberas

El agua de los hogares tiene algn tipo de contacto con el plomo.

El agua en plomera de casa puede acumular alto nivel de plomo (junto con

zinc, cadmio y cobre).

Mercurio

Es un componente traza de muchos minerales

La roca continental contiene 80 partes por mil millones

El cinabrio (sulfuro de mercurio) es fuente de mercurio comercial

El carbn de combustible fsil contiene mercurio (100 partes por mil millones o ms)

El mercurio ingresa por

productos qumicos desechados de laboratorio

pilas

termmetros rotos

amalgamas dentales

fungicidas para csped y productos farmacuticos.

Las aguas residuales pueden contener hasta 10 veces el nivel de mercurio de las aguas naturales.

Caso Minamata (Japn):

1953-1960.

111 casos de envenenamiento por mercurio

43 defunciones

Personas que haban consumido pescados y mariscos

Baha de Minamata: contaminada con desechos de mercurio a partir de una planta qumica

Defectos congnitos en 19 bebs cuyas madres haban consumido pescado contaminado con mercurio.

El nivel de metal en mariscos contaminados fue 5.20 partes por milln.

Efectos txicos del mercurio:

Daos neurolgicos

irritabilidad, parlisis, ceguera, o locura

Daos genticos:

fragmentacin cromosmica y defectos de nacimiento

Algunas formas mercurio no son txicas

Se han usado como medicamentos: tratamiento de la sfilis.

Las sales de Hg (II) soluble y el metilmercurio, son altamente txicos.

Las concentraciones muy altas de mercurio en agua y tejidos de peces resultan de:

Formacin del in monometilmercurio soluble, CH3Hg+

Dimetil mercurio voltil, (CH3)2Hg, por bacterias anaerbicas en sedimentos.

Estos se concentran en tejido graso de peces

El agente de metilacin es la metilcobalamina, un anlogo de la vitamina B12:

metilcobalamina

HgCl2 CH3HgCl + Cl-

HIDROCARBUROS CONTAMINANTES

Hidrocarburos aromticos: De dos clases principales:

con un anillo de benceno

con mltiples anillos: conocidos como Hidrocarburos Aromticos Policclicos (PAH).

Los PAHs son los ms estudiados

Se ha demostrado que son carcinognicos y mutagnicos en animales de laboratorio, as como para el hombre.

Los PAHs se encuentran en: Aire, suelo y agua, en animales y vegetales, en

sedimentos marinos y no marinos,

En alimentos ahumados, arroz procesado, caf tostado, productos horneados, carnes a la brasa, productos de agricultura y ceras y parafinas comerciales, aceite mineral y solventes.

Los PAHs del medio se derivan de la combustin incompleta de sustancias orgnicas a altas temperaturas.

Su presencia se ha detectado en aguas residuales, aguas de escorrenta o agua de lluvia y en agua de bebida.

Benzo(a)pireno Benzo(e)pireno

Criseno Dibenzo(a,h)antraceno

Compuesto Frmula Solubilidad en

agua 25 C

(ppb)

Presin de

vapor a 25 C

(kPa)

Temperatura de

ebullicin (C)

Antraceno C14H10 70 1.9 x 10-4 342

Fenantreno C14H10 1290 6.8 x 10-4 340

Fluoranteno C16H10 260 1.9 x 10-3 384

Pireno C16H10 135 2.5 x 10-6 404

Benzo(a)antraceno C18H12 9.4 1.0 x 10-8 438

Benzo (a) pireno C20H12 1.2 5.6 x 10-9 495

Perileno C22H12 0.4 - 503

HIDROCARBUROS AROMTICOS POLICCLICOS Y SUS

PROPIEDADES

HIDROCARBUROS Y DERIVADOS DEL PETROLEO

Fraccin Productos T ebullicin N carbonos en la

cadena

Ligeras

Gases < 20 1-2

Gases licuados

(GLP)

< 20 3-4

Gasolinas 40-150 5-9

Naftas 150-200 10-12

Medias

Querosene 170-250 13-17

Gas-oil 250-320 17-20

Pesadas

Fuel-oil ligero 320-400 20-35

Fuel-oil pesado 400-500 20-35

Asfaltos > 500 > 35

FUENTES DE CONTAMINACIN MARINA POR

HIDROCARBUROS

Origen Porcentaje (%)

Descargas desde tierra (aguas residuales,

ros)

38

Operaciones en buques (limpieza, residuos) 32

Accidentes de transporte martimo 12

Atmsfera (gases de combustin

incompleta, evaporacin)

9

Origen natural (filtraciones, erosin) 8

Plataformas petrolferas 1

BIFENILOS POLICLORADOS

Se les describi como contaminantes en 1966

Los PCB se hallan en el agua, sedimentos, tejidos de aves, y tejidos de peces.

Se obtienen por sustitucin de 1 a 10 tomos de Cl en la estructura de arilo bifenilo

Esta sustitucin puede producir 209 compuestos diferentes.

PCB PCB con 5 Cl

Son muy estables

Se han usados como fluidos aislantes, refrigerantes en

transformadores y condensadores

Como aditivos de algunas pinturas epoxi.

La eliminacin de los PCB ha causado problemas, porque solo

pueden ser destruidos por

procesos de incineracin especial.

CONTAMINACIN DE ROS POR MATERIA ORGNICA

Y EUTROFIZACIN DE LAGOS Ocurre cuando un exceso de materia orgnica entra al agua.

Cuando la materia orgnica aumenta en un rio de poco caudal el nmero de descomponedores ir en aumento.

Los descomponedores crecen y utilizan una gran cantidad de oxgeno durante su crecimiento.

Este oxgeno se agota a medida que se produce el proceso de descomposicin.

Esta falta de oxgeno puede matar a los organismos acuticos.

Como los organismos acuticos mueren, tambin se descomponen y ello conduce a una mayor reduccin de los niveles de oxgeno.

Los altos niveles de nutrientes inorgnicos causan un crecimiento excesivo de plantas y algas.

Cuando mueren, se convierten en materia orgnica en el agua del lago o estanque. Se reduce el nivel de oxgeno.

El proceso rpido de crecimiento de una planta seguida de mayor actividad de descomponedores y una disminucin del nivel de oxgeno se llama eutrofizacin.

Nutrientes de fuentes agrcola y

urbana se liberanpor escorrenta y

La capa de picnoclina bloquea el flujo del oxigeno hacia el fondo

El material orgnico (algas y deposicin atmosfrica plancton muertos) va al fondo

y se descompone

Capa inferior

ms pesada,

salada y fra

Escape

Los animales mviles se

alejan de res hipxicas

Mortalidad

El O2 se consume a medida qu la materia orgnica se

descompone, haciendo que los animales lentos o fijados se

sofoquen

EUTROFIZACIN

Describe la condicin de los lagos o embalses con crecimiento excesivo de algas.

El exceso de crecimiento en condiciones eutrficas puede conducir a un grave deterioro de la masa de agua.

La eutrofizacin es un fenmeno natural.

Es responsable de la formacin de enormes yacimientos de carbn y de turba.

Diversos tipos de residuos industriales tambin son componentes.

En la mayora de casos, el nutriente vegetal ms propenso a ser limitante es el fsforo, y es el causante de la eutrofizacin excesiva.

Los detergentes para el hogar son una fuente comn de fosfato en las aguas residuales

Turba

rubia

Turba

negra

LITSFERA - COMPONENTES DE LOS SUELOS:

ARCILLAS Y SUSTANCIAS HMICAS Capa externa de la Tierra

Formada por materiales slidos, 20 a 70 Km. de espesor

Corteza ocenica de 10 Km. de espesor.

Dividida en placas tectnicas que se desplazan

Las tierras emergidas ocupan el 29% de la superficie

En el suelo viven una gran cantidad de bacterias y hongos.

Su biomasa supera a los animales sobre el suelo.

Los suelos cambian de un lugar a otro por razones climticas y ambientales.

El suelo est formado por: rocas, arena, arcilla, humus o materia orgnica en descomposicin, minerales

COMPOSICIN DEL SUELO

Fraccin mineral

Pedruscos > 256 mm

Guijarros 64 a 256 mm

Grava 4 a 64 mm

Gravilla 2 a 4 mm

Arena gruesa 1 a 2 mm

Arena 0.2 a 2 mm (granos de cuarzo con algunas

micas)

Arena fina 0.02 a 0.2 mm

Limo 0.002 a 0.02 mm

Arcilla < 0.002 mm (silicatos con aluminio y

hierro)

PROPIEDADES DEL SUELO POR SU COMPOSICION

Arenoso Arcilloso Calizo

Permeabilidad Alta Nula Media

Almacenamiento Poco Mucho Poco

Aireacin Buena Mala Buena

Nutrientes Pocos Muchos Mucho calcio

HUMUS O FRACCIN ORGNICA DEL SUELO

En desierto: proporcin del 1%

En la turba: 100%

Promedio en muchos suelos: 5% (2% de carbono)

Formado por

Organismos muertos, excreciones

Composicin qumica: productos orgnicos fcilmente degradables

desaparecen, al final quedan

molculas orgnicas con enlaces

resistentes a la degradacin

biolgica (aromticos con muchos

ciclos y anillos, fenoles, funciones

cidas, etc.)

FACTORES FISICOS

Accin del hielo, lluvia, vientos, variaciones de temperatura

Pulverizan rocas cada vez ms pequeas.

Litosfera se inici como un conjunto de valles y montaas

Vida slo en las aguas.

Por accin de vientos, lluvia, sismos y

deshielo, masas de

roca se rompen y caen,

se desmenuzan en

partes ms finas que se

acumulan en valles:

meteorizacin

FACTORES QUMICOS

Los minerales en contacto con agua o aire: se disuelven o se

oxidan, dando origen a

sustancias con propiedades

diferentes

Entre el suelo, se infiltra agua y aire.

El agua disolvi materiales, los mezcl, y el oxgeno inici su

oxidacin: descomposicin de

rocas y formacin de nuevos

compuestos

Las rocas sufrieron cambios qumicos.

FACTORES BIOLOGICOS

Los animales y plantas: fragmentan rocas, por presin de

races vegetales y por accin de

animales al excavar

Los restos de animales y plantas forman humus.

Humus: materia orgnica en descomposicin que se encuentra

en la capa superficial de la corteza

terrestre

Mientras ms humus se encuentre en un terreno ms frtil es.

FACTORES GEOLOGICOS

Los movimientos ssmicos

Derrumbes

Cambios bruscos del relieve,

Erosin y deposicin del material rocoso.

MACRONUTRIENTES Y MICRONUTRIENTES:

FERTILIZANTES

Macronutrientes: elementos en alta concentracin en el suelo

Micronutrientes: en pequeas concentraciones, su carencia es letal para la planta y su exceso es txico.

Fertilizante: sustancia o compuesto, natural o sinttico, que ayuda al crecimiento vegetal.

TIPOS DE FERTILIZANTES

Por su composicin:

Nitrogenados: esencial para el crecimiento vegetal, constituyente de

protenas. Absorbido por races como in

nitrato (NO3-) y amonio (NH4

+).

Fosfatados: la falta de este elemento puede impedir que otros elementos sean

absorbidos.

Potsicos: potasio implicado en la acumulacin de hidratos de carbono y

grasas en frutos, en procesos de

transpiracin, en movimiento de agua en la

planta y en regulacin de apertura y cierre

de estomas.

Orgnicos: proceden de residuos ganaderos (estircol) o residuos

procedentes de lodos de depuradoras.

Contaminacin del suelo por fertilizantes

La aplicacin incorrecta de fertilizantes provoca problemas de contaminacin por:

Cambio en el pH del suelo

Efectos sobre las sales solubles

Principales efectos:

Eutrofizacin y contaminacin de acuferos

Salinizacin del suelo

Inmovilizacin de metales pesados

Contaminacin de los productos vegetales

Elementos qumicos en la contaminacin del suelo

Elemento Funcin principal Tipo

Carbono Estructural, en carbohidratos, lpidos, protenas y

cidos nucleicos

Macronutriente

Hidrgeno Estructural, en carbohidratos, lpidos, protenas y

cidos nucleicos

Macronutriente

Oxgeno Estructural, en carbohidratos, lpidos, protenas y

cidos nucleicos

Macronutriente

Nitrgeno Estructural, en protenas, cidos nucleicos, clorofila

y algunas coenzimas

Macronutriente

Fsforo Estructural, en cidos nucleicos, fosfolpidos y ATP Macronutriente

Calcio Estructural, en la lamela media de la pared celular.

Fisiolgica, en la permeabilidad de la membrana

Micronutriente

Magnesio Estructural, en la clorofila. Fisiolgica, como

activador enzimtico en el metabolismo del

carbono

Micronutriente

Azufre Estructural, en algunos aminocidos y vitaminas Micronutriente

Potasio Fisiolgica, en la smosis y el balance inico,

activador enzimtico

Micronutriente

Elementos qumicos en la contaminacin del suelo

Elemento Funcin principal Tipo

Cloro Fisiolgica, en el balance inico, participa en las

reacciones lumnicas de la fotosntesis

Micronutriente

Hierro Fisiolgica, forma parte de algunas enzimas Micronutriente

Manganeso Fisiolgica, forma parte de las enzimas que

participan en la fotosntesis y el metabolismo del

nitrgeno

Cobre Fisiolgica, forma parte de las enzimas que

intervienen en la fotosntesis

Zinc Fisiolgica, forma parte de las enzimas que

intervienen en la fotosntesis y en el metabolismo

del nitrgeno

Molibdeno Fisiolgica, forma parte de algunas enzimas que

intervienen en el metabolismo del nitrgeno

Micronutriente

Micronutriente

Micronutriente

Micronutriente

Boro Fisiolgica, su papel aun no est bien definido,

pero participa en el transporte de membrana y en

la utilizacin del calcio

Micronutriente

CONTAMINANTES DEL SUELO: INSECTICIDAS,

HERBICIDAS Y FUNGICIDAS

Pesticidas:

Insecticidas, qumicos para matar insectos peste

Herbicidas, para matar plantas y hierbas

Fungicidas, para matar hongos

Venenos para ratas

Tres formas principales de degradacin de pesticidas:

Degradacin qumica

Reacciones fotoqumicas

Biodegradacin

CONCLUSIONES

Los contaminantes o xenobiticos se encuentran dispersos por todo el planeta

Muchos de estos contaminantes se generan por la actividad humana y animal

Los xenobiticos pueden causar distintos efectos con grados de severidad dependiendo de la escala zoolgica o vegetal.

Hay factores naturales que generan la acumulacin de algunos compuestos contaminantes, dependiendo del ecosistema

Los diferentes ambientes, ocanos, suelo, atmsfera, representan lugares ideales para el intercambio de material y energa y pueden

ser

Fcilmente alcanzados por los xenobiticos

ACTIVIDADES DE INVESTIGACIN SUGERIDAS

Debera revisar informacin sobre contaminantes xenobiticos:

Metabolismo de xenobiticos: http://medbioqui11.wordpress.com/2011/10/03/metabolismo-de-

xenobioticos/

Biotransformacin de xenobiticos:

http://www.slideshare.net/Fernandoraul/biotransformacin-de-xenobiticos

Toxicologa:

http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/TextosOnline/En

ciclopediaOIT/tomo1/33.pdf

Fundamentos de las Ciencia Toxicolgicas (Jos Bello Gutierrez):

http://books.google.com.pe/books?id=EwQk094_lKcC&pg=PA249&lpg=PA

249&dq=xenobi%C3%B3ticos&source=bl&ots=tW5HJQSkoU&sig=BQYl8X

YOtazGV5oVLxNTAi9ErtY&hl=es&ei=NaLSTri1EYXEgAf4sMDFDQ&sa=X

&oi=book_result&ct=result&resnum=1&ved=0CCQQ6AEwADg8#v=onepag

e&q=xenobi%C3%B3ticos&f=false

GRACIAS

Documents

Bioquimica -Xenobioticos