SciTransfer - the University of Arizona Superfund Research Program

SciTransfer
Número 001, Agosto del 2006
Una publicación del Programa de Investigación Básica
de Superfund de la Universidad de Arizona
Solventes Clorados Contaminantes
en los Acuíferos de Arizona
Centro Binacional Estados Unidos-México
para Ciencias Ambientales y Toxicología
Por Dr. Janick F. Artiola y MPA Mónica D. Ramírez.
Traductora: MC Rocío Estrella
Primera Parte: Fuentes, Propiedades, Efectos a la
Salud y Comportamiento en el Medioambiente.
Introducción
La contaminación del agua subterránea por los compuestos orgánicos peligrosos de origen industrial
se identificó en los Estados Unidos como un problema serio a principios de la década de 1970.
Pequeñas cantidades de solventes orgánicos clorados líquidos pueden contaminar grandes
volúmenes de los recursos subterráneos de agua potable por que son considerados como tóxicos a
concentraciones muy bajas (ver la siguiente sección). La Agencia de Protección Ambiental de los
Estados Unidos (USEPA - US Environmental Protection Agency) ha identificado e incluido dentro de
su programa del “Superfund” ocho lugares con problemas de contaminación de agua subterránea en
Arizona. También hay 35 lugares más en Arizona incluidos en el programa de Fondo de Garantía de
Calidad del Agua (WQARF - Water Quality Assurance Revolving Fund). Más del 90% de estos lugares
contienen solventes clorados tóxicos como el tricloroetileno (TCE) (ver el mapa en la pagina
siguiente). Entre los sitios (lugares) de Superfund con aguas subterráneas contaminadas con TCE y
percloroetileno (PCE) se incluyen: plantas fabricantes de productos electrónicos, instalaciones
militares, tintorerías y antiguos basureros (rellenos sanitarios). En la mayoría de los casos la
contaminación del agua subterránea ocurrió debido al almacenamiento o la disposición de solventes
líquidos residuales entre las décadas de 1940 y 1970. Frecuentemente el TCE y el PCE se encuentran
en el agua junto con otros compuestos químicos tóxicos como el dicloroeteno (DCE) y el cloruro de
vinilo (VC) que son productos de la degradación natural de estos dos compuestos químicos.
( ) = Términos técnicos
El WQARF gobierna la remediación de los lugares con agua subterránea contaminada en Arizona
Territorio de los Indios Nativo Americanos
Condado
Ciudad
Lista de Prioridades Nacionales (NPL) (8)
Fondo de Garantía de Calidad del Agua
(WQARF) (35)
Departamento de Defensa (DOD) (6)
Mas del 90% de estos
lugares contienen
solventes tóxicos clorados
como el TCE
22 5
1
213 millas
Fuentes y Propiedades de los Solventes Clorados
El TCE
y el PCE son compuestos químicos manufacturados (sintéticos) usados en numerosos procesos y productos
industriales. El TCE es un compuesto químico que disuelve aceites y grasas utilizado para el desgrase de equipos y
maquinarias militares e industriales, y el PCE es utilizado por las tintorerías (establecimientos de lavado en seco). Hasta
la década de 1970 el TCE también era utilizado en las industrias alimenticias y farmacéuticas para extraer aceites y
especias y para descafeinar el café. Hoy en día su uso es prohibido cuando involucre cualquier clase de producto
alimenticio. Sin embargo, el TCE se utiliza en productos de limpieza (quita manchas) y pegamentos y sigue siendo
empleado como desgrasante industrial, solvente de extracción y como refrigerante de baja temperatura.
El TCE y el PCE son compuestos moderadamente volátiles (punto de ebullición es de 87-121ºC), muy poco solubles en
agua (solubilidad de ~129-1100 mg/L), y alrededor de 1.5 veces más densos que el agua (gravedad especifica de 1.481.62 mg/cm³). En conjunto todas estas propiedades hacen que los solventes clorados se muevan con facilidad, se
degraden muy lentamente en el medioambiente, y que a la vez sean muy difíciles de remover de los suelos y acuíferos
(ver la figura en la página siguiente). Estos compuestos químicos pueden moverse en forma liquida o gaseosa de manera
horizontal o vertical esparciéndose (mediante procesos de difusión y dispersión) a medida que el aire y el agua se mueven a través
del suelo y los acuíferos (medios porosos). Debido a que el TCE y el PCE tienen una solubilidad muy baja, estos compuestos
no se mezclan con el agua en los acuíferos contaminados, de manera similar a la que el aceite y el agua no se mezclan.
Por tanto, una porción pequeña del solvente se disolverá en el agua mientras que la otra porción del solvente que no se
disuelva permanecerá como una fase liquida densa no acuosa (DNAPL). Este líquido pesado puede infiltrarse hasta el
fondo del acuífero o también puede permanecer atrapado dentro de los poros del suelo y los acuíferos.
Vista Expandida del NAPL ResidualAtrapado
en los Poros que se Forman entre las Partículas
de Suelo y los Sedimentos.
Superficie
del Suelo
Sólido
Agua
Aire
Tanque de Almacenamiento
de Solventes
Clorados
DNAPL (la mayor
parte del fluido)
Solventes Clorados
Disueltos
Acuífero
Superficial
Volatilización
Contaminantes
adsorbidos
Nivel
Freático
Biodegradación
DNAPL
Fase Liquida
Densa No Acuosa
Acuitardo
Dispersión & Dilución
Pluma de un Solvente Soluble
Acuífero Profundo
Esquema de la contaminación de los solventes clorados como líquidos de fase densa no acuosa descendiendo en el acuífero y sirviendo como una fuente para una pluma de contaminación de un solvente
soluble. También se muestran los procesos de atenuación naturales (U.S. EPA 1999).
Note que aun cuando las cantidades
de TCE o PCE que pueden disolverse
en el agua son muy pequeñas, estas
cantidades son suficientes para
contaminar fuentes de agua a niveles
muy por encima de los estándares
nacionales para el agua potable fijados
por la USEPA. Un solo kilogramo (2.2
libras) de TCE o PCE puede contaminar
unos 200 millones de litros (52
millones de galones) al nivel máximo
permisible fijado por la USEPA para el
agua potable. Los estándares nacionales primarios para el agua potable de la
USEPA incluyen al TCE y al PCE como
“compuestos químicos con potencial
de causar cáncer y daños al hígado”
(ver la sección siguiente) y tienen un
nivel máximo del contaminante
(MCL- Maximum Contaminant Level)
permisible de 0.005 mg/L (5 partes por
billón).
Impactos del TCE a la Salud
Por Dr. Ornella Selmin
Los seres humanos pueden ser expuestos al TCE y al PCE El
en el trabajo y en los hogares a través del uso de algunos
productos de limpieza y/o también cuando se bebe agua
contaminada. Algunos estudios de investigación sugieren
que la absorción cutánea (a través de la piel) y la inhalación son las principales rutas de exposición al TCE en la
población en general. Esto se debe a que el TCE y el PCE
por ser compuestos químicos moderadamente volátiles
presentes en el agua contaminada pueden ser transferidos al aire (ver la figura en la parte superior).
Numerosas investigaciones han demostrado que el TCE y
los subproductos de su descomposición (metabolitos) como
el cloruro de vinilo (CV) pueden inducir cáncer en los
humanos. Muchos tipos de cáncer (hígado, riñones,
pecho, próstata, cuello del útero, linfoma, y leucemia)
han sido asociados con la exposición al TCE y otros
compuestos químicos clorados. Otros efectos adversos
relacionados con la exposición al TCE incluyen
enfermedades relacionadas con el sistema nervioso
central y reproductivo de los humanos. La exposición al
TCE también puede afectar el sistema inmunológico detonando el surgimiento de enfermedades como el Lupus y
Esclerodermia. La exposición a este compuesto químico
también ha sido asociada con el aumento en el número
de defectos de nacimiento (malformaciones congénitas).
Programa de Investigación Básica del Superfund
(SBRP- Superfund Basic Research Program) de la
Universidad de Arizona ha estado estudiando los efectos
que el TCE tiene en el inicio de las malformaciones
cardiacas (los defectos del corazón) en los recién nacidos.
La información recopilada por los Doctores Onrnella
Selmin y Raymond Runyan, investigadores del SBRP,
muestra que el TCE y sus metabolitos alteran los procesos
celulares y bioquímicos que controlan el desarrollo
fisiológico de los corazones de los embriones. En
particular, la exposición al TCE altera la habilidad de los
genes humanos de transmitir su información genética
completa. Entre los genes afectados por la exposición al
TCE están aquellos involucrados en los pasos cruciales
del desarrollo de los tejidos del corazón (diferenciación).
El grupo del SBRP continua investigando cómo prevenir
o corregir los efectos negativos de la exposición al TCE en
animales de laboratorio mediante el uso de suplementos
alimenticios como el acido fólico. Si estas investigaciones
muestran resultados positivos, entonces se llevarán a cabo
otros estudios para ver si el uso de un método similar
pudiera ayudar a reducir la incidencia de malformaciones
congénitas del corazón presentes al nacer en individuos
que han sido expuestos al TCE.
¿Por que son los Solventes Clorados (TCE y PCE) difíciles de Remover
del Agua Subterránea?
En general, los compuestos químicos clorados son muy difíciles de
remover o eliminar porque interactúan con la
materia orgánica del suelo, forman fases líquidas separadas (DNAPL), y porque se degradan muy lentamente en el
medio ambiente a través de procesos naturales. La baja solubilidad de estos compuestos hace que sean fácilmente
atrapados (absorbidos) por la materia orgánica (MO) del suelo. Esto limita considerablemente su movilidad y al mismo
tiempo su consumo por los microorganismos del suelo (biodisponibilidad). Por ejemplo, cuando el TCE está presente en el
agua en contacto con la materia orgánica del suelo, bajo condiciones ideales, el TCE se alojará de forma preferencial
en la materia orgánica. El TCE se concentrará en la MO del suelo a niveles aproximadamente 100 veces superiores que
en el agua. Los acuíferos de Arizona contienen bajas concentraciones de materia orgánica. No obstante, el suelo y la
materia orgánica del acuífero pueden atrapar cantidades relativamente pequeñas pero significativas de TCE, PCE y
otros contaminantes con características químicas similares.
Pared de la Columna
Arena
Fase Liquida Densa No Acuosa
La presencia de la DNAPL de TCE
Agua
Concentración (µg/L or ppb)
en los acuíferos (también relacionada
con la baja solubilidad en agua del TCE) limita la remoción
eficiente y completa del TCE del agua subterránea, porque
estas fases están normalmente atrapadas dentro de los
poros que forman los materiales de suelos y acuíferos (ver la
figura a la derecha). En general los líquidos atrapados en los
poros son de acceso difícil y en consecuencia se disuelven
muy lentamente en el agua. El Dr. Mark L. Brusseau, investigador del SBRP, ha demostrado que el método de bombeo y
tratamiento (pump-and treat method) normalmente no logra
remover todo el TCE del agua subterránea, aun después de
muchos años de bombeo.
Estándar para el agua potable para el TCE = 5 ppb
Tiempo (años)
Niveles de las concentraciones de TCE durante el bombeo y tratamiento a
través del tiempo: Fuente: M.L. Brusseau.
TCE DNAPL Atrapado en los poros de arena (corte
transversal). Fuente: M.L. Brusseau y G. Schnaar.
Esto se debe a la presencia de la DNAPL del TCE (ver
la grafica a la izquierda). Con el método de bombeo y
tratamiento es frecuente observar como la
concentración de TCE vuelve a aumentar cuando se
interrumpe el bombeo y se inicia de nuevo algunas
semanas mas tarde. Se ha demostrado que este efecto
tiene relación con la limitada disolución del TCE en el
agua, es decir, la velocidad de transferencia de la
masa liquida de TCE al agua es muy lenta. El proceso
limitado de disolución del TCE en el agua se agrava
aun más debido a la presencia de zonas en el acuífero
donde el flujo lento (o permeabilidad baja) del agua limita
el lavado (o la remoción) de estos compuestos químicos.
Para resumir, la DNAPL del TCE no se disuelve lo
suficientemente rápido como para ser removida del
acuífero de forma eficiente mediante el lavado.
Los
Reacciones Anaeróbicas
compuestos químicos orgánicos clorados
como el TCE y el PCE son químicamente muy
estables y por lo tanto se descomponen muy
lentamente (reacciones abióticas) en el agua. Las
bacterias pueden mediar la degradación (reacciones
bióticas) de estos compuestos
químicos, muy
lentamente, en presencia y ausencia de oxígeno
disuelto en el agua (medio ambientes aeróbicos y
anaeróbicos).
Las
reacciones
aeróbicas
y
anaeróbicas involucradas en la degradación de
estos compuestos son complejas y distintas.
Cuando se entienden estas diferencias entonces
se pueden comprender mejor los procesos de
biodegradación de estos compuestos en el
medioambiente.
Cuando el oxígeno no se encuentra presente en
Reacciones Aeróbicas
Cuando el oxígeno se encuentra presente (como un
aceptor final de electrones),
entonces existen dos formas
diferentes de llevar a cabo la biodegradación.
Esta forma también depende del número de
cloros presentes en el compuesto. Cuando se
encuentran presentes otros compuestos químicos
donadores de electrones (cometabolismo), el TCE es
degradado como sustrato secundario (cosustrato).
Por lo cual, en agua subterránea contaminada
con TCE, el proceso de cometabolismo requiere
que se encuentren presentes, o que se añadan,
sustratos primarios específicos como el metano,
amonio o tolueno. El TCE también puede ser
degradado en presencia de otros compuestos
químicos menos clorados como el CV (cloruro de
vinilo) que puede servir como un sustrato
primario.
Ambas
reacciones
degradan
completamente el TCE dando como resultado
productos inocuos como el dióxido de carbono,
cloruro y nueva masa celular bacteriana. Hasta
hoy, no se ha descubierto ninguna forma de
biodegradar el PCE bajo condiciones anaeróbicas.
CV
el agua, diversos grupos de bacterias que crecen
anaeróbicamente pueden degradar los compuestos químicos clorados. Cuando se trata de compuestos químicos altamente clorados como el
TCE y el PCE, el proceso más rápido implica el
uso de los mismos compuestos clorados, en lugar
del oxígeno, como aceptores finales de electrones (halorespiración o decloración reductiva).
Este
proceso requiere también la presencia de un
compuesto químico orgánico simple como el
etanol que actúe como sustrato primario y que
actúe como un donador de electrones para las
bacterias. En general, la
halorespiración da
como resultado laremoción rápida de los átomos
de cloro produciendo
compuestos menos
clorados como el DCE, CV, y eteno (E). Los compuestos químicos específicos restantes después
de la halorespiración son importantes por que
algunos de estos compuestos como el VC, son
también considerados como tóxicos. El cometabolismo del TCE y el PCE es un proceso
secundario mucho mas lento usado por algunas
bacterias anaeróbicas que requiere la presencia
de un sustrato primario como el metano. Los
productos restantes después del cometabolismo
de estos dos compuestos incluyen el DCE, VC y E.
Sin embargo,
recientemente ha habido
reportes de que estos compuestos químicos
menos clorados pueden ser degradados completamente a dióxido de carbono, cloruro y nueva
masa celular bacteriana en presencia de aceptores de electrones terminales alternativos como
el hierro o los iones de sulfato comunes en aguas
subterráneas.
La
velocidad de la biodegradación de los compuestos orgánicos en aguas subterráneas también dependerá de la
cantidad de los compuestos químicos que estén biodisponibles para las bacterias. Por ejemplo, las moléculas de TCE que
se encuentren atrapadas dentro de la materia orgánica o en los poros de los gránulos de suelo, como se menciono
anteriormente, no constituyen una fuente de alimento fácilmente biodisponible. Por lo cual, la velocidad de degradación
de estos compuestos químicos se ve limitada. Estas dos condiciones predominantes en los acuíferos son las que limitan
severamente la biodegradación aeróbica o anaeróbica de los contaminantes orgánicos clorados como el PCE y el TCE de
forma eficiente.
En la segunda parte de la serie Solventes Clorados Contaminantes en los Acuíferos de Arizona, discutiremos los diferentes
métodos para tratar y remover el TCE de los acuíferos haciendo énfasis en los métodos más innovadores. Esta segunda
parte también incluirá un resumen de las investigaciones que actualmente realiza el SBRP en la Universidad de Arizona.
Así mismo se presentaran los métodos más modernos e innovadores para modelar (matemáticamente) el comportamiento
de estos contaminantes y definir mejor su distribución en lugares contaminados con el propósito de optimizar su
remoción y eliminación en acuíferos contaminados.
Referencias