Introducción

 

LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

El concepto de ciclo biogeoquímico se usa para describir la distribución y transporte de materiales, los cuales controlan el recambio y transformación de éstos en los ambientes terrestres, acuáticos y atmosféricos. Los ciclos biogeoquímicos constituyen un sistema regulador de la hidrosfera y la biosfera. Estos ciclos describen los movimientos y las interacciones de los elementos químicos esenciales para la vida a través de la geosfera y la geosfera, a través de procesos físicos, químicos y biológicos. Los flujos de los elementos pueden ser abiertos, como el flujo de energía o cerrados, como el ciclo de la materia.

El ciclo de la materia es una interacción permanente entre la fase biótica y la fase abiótica, es un proceso sin principio ni fin; es decir, un reciclaje combinado y continuo, en una serie de procesos autorregulados; los deshechos son el punto de partida para formar algo nuevo.

Los principales elementos químicos son: carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo, azufre o los contaminantes, los ciclos de estos elementos se combinan de diferentes maneras e interrelacionan entre sí. Un solo elemento puede convertirse en el factor limitante en el desarrollo de un ecosistema. Por ejemplo la oferta de nitrógeno puede limitar los procesos vitales en los océanos. La comprensión de los ciclos biogeoquímicos es esencial para entender el funcionamiento de la tierra como sistema.

Los ciclos se usan para medir la dinámica del recambio comparando las magnitudes en el depósito y los flujos en diferentes compartimentos del ecosistema. De particular interés son las escalas espaciales y temporales de las transformaciones y las fases de transición.

Los aspectos básicos de los ciclos biogeoquímicos son:

  • La distribución de materiales- localización y tamaño del depósito.
  • El transporte- patrones y ratas de flujo.
  • La transformación- rata de flujo del depósito a otro componente.
  • Tiempo de residencia- Tiempo de almacenamiento.

Los ciclos biogeoquímicos generalmente se conceptualizan en modelos de compartimentos y se visualizan convenientemente por medio de cuadros y flechas (fig. 45) Entre los 80 elementos que se encuentran en el suelo, sólo una tercera parte son componentes esenciales en plantas y animales. Entre los elementos principales que constituyen la materia orgánica tenemos: C, H, O, N, P, S, mientras que otros cumplen la función de matrices iónicas o estructuras de soporte: Ca, Mg, Si, K, Na, Cl, F). Los metales esenciales traza, se encuentran generalmente como coenzimas (Fe, Mn, Co, Cu, Zn, Se, Mo). Hay algunos elementos importantes que no se usan por los organismos: uno muy abundante es el aluminio y otros que son muy tóxicos como: Hg>Cd>Pb. La composición en elementos de la biomasa, el agua de mar y la corteza terrestre se resume en la tabla 4.

TABLA 4: Elementos de interés y su abundancia en diferentes ambientes

Elemento
Biomasa
Corteza terrestre
Mar
Símbolo
No Atómico
Masa Atómica
Masa ppm
Átomos ppm
Esencial biota
Masa ppm
Átomos ppm
Masa ppm
Átomos ppm
H
1
1
65.900
496.800
*
1400
28.800
111.000
110.000
B
5
10.8
*
4.5
0.410
C
6
12
393.460
248.900
*
200
350
27.8
2387
N
7
14
5020
2720
*
0.4
0.030
O
8
16
524.290
249.00
*
466.000
604.000
883.000
55.200
F
9
19
*
625
680
1.3
0.068
Na
11
23
190
63
*
28.300
25.500
10.700
468
Mg
12
24.3
980
307
*
20.900
17.800
1290
53.2
Al
13
27
560
157
81.300
62.500
Si
14
28.1
1210
327
*
277.200
205.000
2.9
0.103
P
15
31.0
520
128
*
1050
700
0.07
0.002
S
16
32.1
710
169
*
260
170
904
28.2
Cl
17
35.5
500
106
*
19.353
546
K
19
39.1
2290
444
*
25.900
13.700
399
10.2
Ca
20
40.1
3780
717
*
36.300
18.800
412
10.2
Ti
22
47.9
4.400
1900
Mn
25
54.9
210
29
*
950
360
Fe
26
55.9
390
553
*
50.000
18.600
0.03
Co
27
58.9
*
Cu
29
63.6
*
Zn
30
65.4
*
Se
34
79
*
Br
35
79.9
67
0.084
Sr
38
87.6
375
89
8
0.091
Mo
42
95.9
*
Ba
56
137.3
425
64

El carbono, azufre y mercurio son elementos que han experimentado perturbaciones significativas de sus ciclos en las últimas 10 generaciones del hombre. Estos ciclos son de interés particular debido a que ellos cubren escalas espaciales grandes e incluyen una interacción de todas las esferas principales (atmósfera, hidrosfera, sedimentos, biosfera, pedosfera, litosfera) y las fases (gas, líquida y sólida) sobre un amplio rango de escalas de tiempo. Además, estos ciclos están fuertemente acoplados entre sí y pueden servir como ejemplo para demostrar la complejidad biogeoquímica de los ciclos en general y del impacto humano natural que da lugar a cambios ambientales importantes.

 

Ciclo de la energía

La energía se define como la capacidad de hacer un trabajo. Hay muchas formas de energía, tales como cinética (energía para el movimiento) y potencial (energía almacenada). El movimiento de energía se describe por las bases científicas llamadas las leyes de la termodinámica.

  • La primera ley expresa que: la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma de una forma de energía a otra.
  • La segunda ley expresa: que cuando la energía cambia de una forma a otra, parte de ésta se convierte en calor perdido no útil. Como resultado se requiere un abastecimiento constante de energía para mantener un sistema. El calor, que se pierde en cada transformación debe ser reemplazado.

La energía fluye a través de un ecosistema en una serie de transformaciones. La base del ciclo de la energía es la energía solar. El funcionamiento del ciclo se puede resumir como muestra la figura 46. Un 50% de la energía de las radiaciones solares es interceptada por las nubes. Las nubes emiten la mitad de esta energía, es decir, un 25 % del total. Esto es lo que hace que la tierra vista desde el espacio, aparezca como un planeta brillante y luminoso. Un 2% de la energía permanece retenida en las nubes, mientras que el 23% restante llega a la corteza terrestre.

Del 50 % de la energía solar restante, sólo un 19% atraviesa la atmósfera para llegar directamente a la superficie terrestre, un 17% es absorbida por los gases de la atmósfera, en especial por el ozono, el vapor de agua y el dióxido de carbono, un 12% es reflejada por la atmósfera y un 2% se refleja desde la corteza hacia el espacio.

Sólo el 47% de la energía emitida por el sol llega a la superficie de la tierra, donde será empleada para la evaporación (40%), fotosíntesis (0.1%), mientras que el resto será absorbido por la corteza terrestre.

La radiación solar se transforma en calor y se distribuye en los océanos y continentes. Los océanos distribuyen la energía en profundidad a través de las olas. La radiación que incide en los continentes depende en buena parte del tipo de suelo, de la vegetación y el relieve.Los océanos además de ser grandes transportadores de energía desde la superficie terrestre, desempeñan una función importante en el ciclo energético, puesto que las transformaciones de fase vienen acompañadas por cambios latentes de calor. La evaporación y el desplazamiento de vapor, por la acción del viento y la condensación posterior, genera un transporte de calor a través de la atmósfera. Estos cambios caloríficos son, los que, en última instancia, llevan al desarrollo del sistema de circulación del aire del planeta.

La radiación solar se transforma en distintos tipos de energía. Durante el proceso de la fotosíntesis se observa un ejemplo de transformación de la energía luminosa en energía química y gracias a los desequilibrios térmicos de la corteza terrestre, la energía solar se convierte en la energía cinética y potencial de los vientos y las corrientes oceánicas.

Figura 46: Flujo de energía y nutrientes a través del ecosistema. Arreglo de los organismos por relaciones alimenticias. La figura muestra un ciclo continuo de nutrientes (azul) y un flujo continuo de energía, la cual se pierde en forma de calor y retorna a la atmósfera.

La energía solar capacita a las plantas para formar tejidos orgánicos a partir de dióxido de carbono, agua y nutrientes inorgánicos a través del proceso de la fotosíntesis. La energía de la luz es transformada en energía química en los cloroplastos de las células vegetales. Cuando la planta muere y se descompone o es comida por un consumidor, la energía almacenada en la planta se transfiere.

La fuente de energía para los animales son las plantas u otros animales. Los animales requieren energía para convertir nutrientes de su alimento en tejido corporal, debido a que ellos no están en capacidad de aprovechar directamente la luz del sol. Cuando las plantas son consumidas, una pequeña proporción de la energía almacenada en las plantas es transferida a los animales para el crecimiento, mantenimiento y realización de las actividades. Cuando los animales son consumidos por otros animales, otra transferencia de energía ocurre. Con cada transferencia, parte de la energía se desecha en forma de calor y finalmente irradia de regreso al espacio como radiación infrarroja.

Cuando los animales usan la energía almacenada en sus cuerpos, los compuestos inorgánicos se liberan a través del sistema excretor de sus cuerpos y eventualmente con la muerte del animal. Esos compuestos inorgánicos son una fuente de nutrientes, los cuales posteriormente se usan por las plantas.

 

Ciclo del carbono

Los átomos de carbono constituyen la estructura de una gran variedad de moléculas orgánicas; como resultado de su capacidad para formar cadenas largas y anillos de enlaces covalentes. Además depósitos grandes de carbonatos interactúan con el agua, donde ejercen el principal control sobre l24a capacidad buffer y la salinidad. Las escalas de tiempo varían desde segundos (para el intercambio de gases, o las transformaciones bioquímicas) a millones de años (para la formación de rocas calcáreas). El ciclo biogeoquímico del carbono es muy complejo e incluye tanto las dimensiones físicas, químicas, como biológicas. En la figura 47 se observa su representación gráfica.

Fig. 47 Ciclo global del carbono. Tamaño aproximado de las reservas en 1012 kg, CID: carbono inorgánico disuelto, COB carbono orgánico en la biota, COP en partículas y COD disuelto, caja verde biota, caja púrpura pedosfera.

Además todos compuestos que forman a los seres vivos son moléculas orgánicas. Este ciclo gira alrededor del dióxido de carbono, ya que éste es el compuesto predominante en la atmósfera. El ciclo funciona a través de la fotosíntesis, la respiración, las emisiones por el uso de combustibles fósiles y las erupciones volcánicas.

El flujo de CO2 está estrechamente unido a la actividad biótica. El metano es producido por bacterias anaeróbicas, que derivan su energía de la oxidación de moléculas orgánicas simples tales como metanol y acetato o de hidrógeno molecular. Sitios importantes de producción de metano son los cultivos de arroz, sedimentos lacustres, humedales y el intestino del ganado y las termites.

Una gran variedad de organismos autótrofos fijan grandes cantidades de CO2 o bicarbonato en las moléculas orgánicas por fotosíntesis o chemosíntesis. El CO2 se libera en la respiración aeróbica y anaeróbica de los organismos vivos y en los procesos de descomposición de los organismos muertos, realizados por hongos y bacterias.

Los ácidos orgánicos y el dióxido de carbono inorgánico, el cual es 10-100 veces más abundante en el suelo que en la atmósfera, contribuyen significativamente a la meteorización de rocas y minerales y controlan de esta forma el ciclo biogeoquímico de otros elementos. La materia orgánica del suelo está constituida de restos animales y vegetales en varios estadios de descomposición, células microbiales y sustancias producidas durante el proceso de descomposición. La descomposición de la materia orgánica es selectiva y generalmente incompleta, especialmente en suelos ácidos, húmedos y fríos. Como resultado, los compuestos orgánicos tienden a acumularse en los suelos como agregados coloidales (humus). Las sustancias húmicas son moléculas complejas ácidas que colorean de oscuro y con peso molecular entre unos cientos a cientos de miles y se clasifican de acuerdo a su solubilidad en ácido y base:

  • La humina es insoluble en ambos.
  • El ácido fúlvico es soluble en ambos, contiene menos H, N, y S, pero más O, más carboxilo, menos grupos hidroxífenol y mayor acidez.
  • El ácido húmico es insoluble en ácido, forma complejos con la mayor parte de metales y juega un papel importante en la movilización y transporte de micronutrientes y toxinas del continente al agua, realza la solubilización mineral y actúa como un transportador o a través de la inmovilización e inactivación de los ligandos en los coloides.

En la atmósfera hay 700 billones de dióxido de carbono. El 20% de esta cantidad es transformada cada año por plantas y microorganismos, a través de la fotosíntesis, en hidratos de carbono. El uso de combustibles fósiles está causando un incremento constante de CO2 atmosférico (caso 0.5% por año) y de CH4 (>65%, que el período preindustrial). Estos incrementos se esperan que contribuyan significativamente en el calentamiento global por absorción de la radiación infrarroja en la atmósfera y el cambio en el balance del calor global.

 

Ciclo del Oxigeno

El oxígeno es uno de los principales constituyentes de la materia viva y se requiere en grandes cantidades. El ciclo del oxígeno es, en buena parte, complementario del ciclo del carbono, pero es más complicado, entre otras cosas, por su capacidad de combinación química que le hace presentarse bajo múltiples formas. Debido a lo cual se presentan varios subciclos de oxígeno entre la litosfera y la atmósfera y entre la hidrosfera y las dos fases anteriores.

El oxígeno presente, tanto en la atmósfera como en las rocas superficiales, es de origen biológico, es decir, ha sido producido por los organismos autótrofos, ya que en un comienzo la atmósfera carecía de este elemento. La formación de una capa de ozono que impidió la penetración excesiva de las radiaciones ultravioletas, favoreció el desarrollo de organismos fotosintéticos que produjeron mayor cantidad de oxígeno.

El oxígeno molecular puede ser formado por disociación de las moléculas de agua en las capas altas de la atmósfera, bajo el efecto de las radiaciones de alta energía, pero el oxígeno atmosférico es únicamente de origen biológico.

Existe una doble relación entre los gases de la atmósfera y los sistemas terrestre y marino. Por un lado, a través de la fotosíntesis, tanto terrestre como oceánica, el dióxido de carbono presente en la atmósfera se transforma en oxígeno útil para los seres vivos. Esta es la principal vía de formación de oxígeno, se calcula en 400 mil millones de toneladas la cantidad de oxígeno emitido anualmente a través de la fotosíntesis.

Los seres vivos devuelven dióxido de carbono a la atmósfera al respirar. Este último proceso es el que se conoce con el nombre de descomposición oxidativa. También forma parte de este proceso la emisión de dióxido de carbono, que se produce durante la descomposición de la materia orgánica que tiene lugar en los suelos.

Por otro lado, el oxígeno de la atmósfera captado a través de la fotosíntesis (y el que existe en el aire) contribuye a la oxidación de sustancias inorgánicas. También colabora en la meteorización de sedimentos orgánicos fósiles, como el carbón y el petróleo. Otros procesos de oxidación muy importantes son: la del carbono elemental, que produce dióxido de carbono, la de los sulfuros minerales, que produce sulfatos, y la del nitrógeno gaseoso, que produce nitratos. En la Figura 45 se muestra el ciclo del oxígeno nido al ciclo del carbono.

 

 

El ciclo de nitrógeno

En el caso del nitrógeno, nos encontramos ante un proceso semejante, en cierto modo, al de la fotosíntesis. Es lo que se denomina fijación biológica del nitrógeno, y se produce tanto en la tierra como en los océanos (fig. 51).

La materia orgánica muerta, como los excrementos o la orina animales, contienen compuestos orgánicos complejos ricos en nitrógeno. Una serie de bacterias y hongos presentes en los suelos transforman el nitrógeno de estos aminoácidos y proteínas, y se deshacen del nitrógeno restante en forma de iones amonio. Este proceso recibe el nombre de amonificación. Cada año se transforman unos dos millones de toneladas de nitrógeno en este proceso.Otras bacterias presentes en los suelos oxidan estos iones amonio y los transforman en iones de nitrato, desprendiendo energía en un proceso denominado nitrificación. Algunos de estos nitratos pasan a las aguas subterráneas, junto con el agua procedente de lluvias, que finalmente llegan a los océanos.

Estos iones de nitrato penetran en las células de las plantas, donde son nuevamente reducidos a iones amonio y transformados en componentes que contienen carbono para producir aminoácidos y otros componentes orgánicos ricos en nitrógeno. Esta transformación se denomina aminación.Al morir las plantas, estos aminoácidos y componentes orgánicos pasan a los suelos. Igualmente pueden pasar a ella a través de los excrementos y orines de los animales que se comen las plantas. De este modo vuelve a dar comienzo el proceso inicial: La amonificación.

Sin embargo, en todo este proceso se producen pérdidas de nitrógeno. En efecto, numerosos microorganismos que viven sobre todo en ambientes de poco oxigeno, como son los suelos inundados o los pantanos, reducen los nitratos a formas volátiles de nitrógeno: el gas nitrógeno y el óxido nitroso . Es lo que se conoce como desnitrificación. La energía necesaria para este proceso proviene de la descomposición de la materia orgánica.

En el suelo se debe presentar una substitución rápida del nitrógeno utilizado. Ciertas bacterias, como el Rhizobium, que vive en simbiosis con leguminosas, tienen la capacidad de fijar nitrógeno atmosférico en presencia de la enzima nitrogenasa y transformarlo en iones amonio.

En los océanos se produce un ciclo semejante. Los organismos marinos fijan el nitrógeno atmosférico y el nitrógeno disuelto en el agua. Durante las descargas eléctricas producidas por los rayos durante las tormentas y la combustión en los vehículos motorizados se forman óxidos de nitrógeno que se oxidan en la atmósfera, con la consiguiente producción de nitratos, los cuales se precipitan con la lluvia sobre la superficie terrestre. En el ciclo del nitrógeno el papel crucial lo realizan los microorganismos, en los procesos de fijación biológica de este elemento, esencial para los seres vivos y por lo tanto para el mantenimiento de la vida.

El ciclo del azufre

El ciclo del azufre es uno de los más intervenidos por las actividades del hombre. Las actividades antrópicas, principalmente las combustión del carbón, han duplicado las emisiones a la atmósfera. El azufre se presenta de forma natural en varios estados de oxidación. El azufre es un elemento esencial de la estructura de las proteinas. Como sulfato, en estado totalmente oxidado, es el segundo anión más abundante en agua dulce (después del bicarbonato) y el agua salada (después del clruro), y es el pricipal causante de la acidez tanto en agua de lluvia pura, como contaminada (lluvia ácida), por lo tanto influencia la meteorización de las rocas. El sulfato en la atmosfera influencia el ciclo hidrológico y constituye el componente dominante del núcleo de condensación igualmente en zonas no contaminadas.

En aguas naturales las fuentes de compuestos de azufre son las rocas (meteorización), suelos (descomposición de la materia orgánica y fertilizantes), el transporte atmosférico como precipitación y depositación seca (que incluye sales del mar, gases y ácido sulfúrico de los combustibles fósiles). Las aguas oxidadas contienen principalmente sulfatos, mientras que las aguas anóxicas acumulan sulfuros, los cuales provienen de la descomposición intensiva con potenciales redox reducidos a niveles menores de 100 mV, tales como humedales, aguas profundas y sedimentos. La precipitación mineral tienen lugar como yeso (CaSO4) o como sulfuro de metal, ejemplo pirita (FeS).

En los organismos la cantidad de azufre varía desde 0.02 a 5% en algunas bacterias que oxidan azufre, pero en general constituye el 0.25% de peso seco, semejante al fósforo. El azufre está casi siempre presente en las cantidades adecuadas para cubrir los requerimientos para la síntesis de proteínas, la cual es limitada por lo regular por la disponibilidad de nitrógeno. La fracción que usan los organismos no tienen una influencia significativa sobre el ciclo de azufre, ellos crean condiciones que directa o indirectamente influencian el ciclo. Se han identificado numerosas transformaciones bióticas entre diferentes estados de oxidación del azufre (Fig. 49).

Figura 49: Un microciclo complejo. La transformación bioquímica entre varios estado de oxidación del azufre, con organismos importantes en el cilo, especialmente bacterias.

El sulfuro de hidrógeno (H2S) es producido por microorganismos, o durante la descomposición de la materia orgánica (proteínas) por bacterias heterotróficas o por el sulfato, el cual es reducido por bacterias anaeróbias chemosintéticas y heterotróficas como un aceptor de electrones (en vez de oxígeno) en el metabolismo oxidativo. El sulfuro se oxida a sulfato directamente o por bacteria chemosintéticas aeróbicas que ganan energía de este proceso o por bacterias fotosintéticas anaeróbicas que usan sulfuro reducido (en vez de agua) como donador de electrones en la reducción fotosintética del CO2. La oxidación tiene lugar químicamente sin la presencia de bacterias. Aunque los requerimientos de azufre por las bacterias fotosintéticas son específicos y su distribución está restringida a zonas de gradientes de luz y condiciones redox, éstos contribuyen significativamente a la bioproducción anual en lagos y estuarios.

La fuente dominante de azufre gaseoso emitido por el océano es el sulfuro dimetilo (Fig. 50). El azufre reducido, como sulfuro de hidrógeno, se adiciona en grandes cantidades a la atmósfera de los gases volcánicos y de las fuentes biogénicas e industriales. El H2S sufre varias reacciones oxidativas a dióxido de azufre (SO2) y trióxido de azufre (SO3), los cuales se convierten rápidamente en ácido sulfúrico (H2SO4) cuando se disuelve en el agua atmosférica. Como resultado la distancia de recorrido y el tiempo de residencia de los gases de azufre son más cortos (uno a varios días).

El 95% del SO2 es emitido por el uso de combustibles fósiles. Más del 90% de las emisiones hechas por el hombre a la atmósfera se producen en el hemisferio norte . El flujo de sulfato en la lluvia regiones industriales contaminadas tiene por lo menos 1 g de S/m2 . Este valor es 10 veces más grande que el flujo marino, el cual es mayor que el flujo continental natural e ilustra el impacto masivo hecho por el hombre al ciclo del azufre.

El incremento en las emisiones de azufre ha causado una acidificación considerable de la precipitación, al igual que del suelo y de los ecosistemas acuáticos, especialmente en zonas ácido-sensibles como Escandinavía y Canadá. Esto ha provocado la alteración de otros ciclos (aluminio, metales pesados y nutrientes) y ha causado daños severos en bosques y lagos. A escala global las emisiones de azufre pueden influenciar el clima por el incremento de aerosoles, que actúan sobre los núcleos de condensación de las nubes.

Figura 50: El ciclo del azufre global. Tamaño de los depósitos en 109 kg y tiempo aproximado de recambio del azufre.

 

 

El ciclo del mercurio

El mercurio no es sólo el más tóxico de los metales, sino el más intrigante de los metales. El no se conoce que sea esencial para algún proceso metabólico y se acumula en la mayoría de seres vivos. El mercurio ocurre naturalmente en una variedad de compuestos orgánicos e inorgánicos, no sólo en estado sólido o disuelto, sino también disuelto en líquido y en la fase gaseosa. La transición de mercurio entre esos compuestos y fases es controlada por una multitud de procesos ambientales, que incluyen reacciones fotoquímicas, oxidación y reducción química, transformaciones microbiales, y fraccionamiento fisiológico. El mercurio difiere de otros metales por su carácter "orgánico": aparece naturalmente en compuestos organometálicos y tiene una alta afinidad por la mayor parte de los tipos de materia orgánica, especialmente las proteínas de los organismos. Además, el ciclo natural del mercurio ha sido interrumpido y acelerado por las actividades antropogénicas. Evidentemente el comportamiento biogeoquímico del mercurio es complejo, y su entendimiento requiere un estudio holístico de los procesos industriales, atmosféricos geológicos, hidrológicos químicos, microbiales, fisiológicos y ecológicos.

Los efectos tóxicos del vapor de mercurio para el hombre se conocen desde hace siglos de los síntomas observados en los trabajadores de las minas. En la edad media, el mercurio se uso para tratar la sífilis. El primer caso bien documentado de envenenamiento de mercurio a través del alimento es el desastre de Minamata (Japón en 1959) cuando docenas de personas murieron por peces contaminados. A causa de la contaminación industrial se ha observado deficiencia mental en niños perinatales después de la exposición a metilmercurio como resultado del consumo regular de ciertos peces marinos por sus madres.

La química del mercurio es muy compleja. El mercurio aparece en la naturaleza en diferentes estados de oxidación y en compuestos orgánicos e inorgánicos. Puede aparecer en la fase gaseosa (Hg elemental, dimetilmercurio), como líquido (Hg elemental), en la fase sólida y en solución en una variedad de formas. En la atmósfera el Hg0 es la forma primaria. En sedimentos, suelos mineralizados y sedimentos anaeróbicos el mercurio aparece como cianuro (HgS) . En agua natural compuestos y complejos de Hg prevalecen (principalmente con hidróxidos, cloruros, o materia orgánica), la forma dominante en animales es generalmente metilmercurio (CH3-Hg+. Las sustancias inorgánicas tales como cloruro hidróxidos de hierro y sulfuro afectan el mercurio acuoso en precipitados o formando complejos solubles estables. A diferencia de la mayor parte de los metales, el mercurio forma compuestos organometálicos estables bajo condiciones naturales. Esos compuestos tienen muchas características fisiológicas y químicas que son típicas de sustancias orgánicas puras como los químicos orgánicos persistentes (DDT, PCB, Dioxina). El más abundante es el metilmercurio, que es formado por microorganismos. Los microorganismos también están involucrados en la reducción y volatilización de las formas oxidadas de mercurio (fig. 51).

Figura 51. Ciclo global del mercurio. Tamaños de la reserva en unidades de 109 g Hg. Y tiempo de recambio aproximado del mercurio.

El mercurio difiere de la mayoría de los metales no sólo por su complejidad química, sino además por su alta afinidad por la materia orgánica. Las relaciones cuantitativas con la materia orgánica se encuentra en sedimentos lacustres y marinos, en lagos, en corrientes, agua subterránea y suelos. En ecosistemas de agua dulce la mayor parte del mercurio se asocia con la materia orgánica formada por los organismos vivos, partículas de detritus y sustancias húmicas disueltas. Entre los metales más abundantes en esos sistemas, el hierro, plomo, cobre, y aluminio muestran un comportamiento similar, pero el mercurio tiene la unión más fuerte con las sustancias húmicas. Concentraciones altas de mercurio se encuentran como sulfuro en combustibles fósiles secos, los cuales se originan de la combustión incompleta de la materia orgánica degradada.

Contrario a la mayor parte de todos los metales el mercurio tiene un ciclo con una fase atmosférica dominante, originada por la presión alta de vapor del elemento. El mercurio se volatiliza en cantidades significativas del continente y océanos y es liberado por la actividad volcánica, procesos químicos y físicos en la corteza terrestre y por la fotoreducción y la actividad microbial en la biosfera. A escala global, una tercera parte de la entrada del mercurio a la atmósfera se origina de las fuentes naturales (fig. 51). El Hg en la atmósfera viaja grandes distancias, se transforma lentamente por procesos de fotooxidación compleja en compuestos solubles que entran a la biosfera con la precipitación. Además hay una depositación seca de partículas y mercurio gaseoso sobre la vegetación.

En ciertas regiones del mundo las adiciones atmosféricas de mercurio se han incrementado entre 2-10 veces en el último siglo. Las principales fuentes son la combustión del carbón, la explotación minera la industria metalúrgica, la incineración de desechos y la producción de cloro alcalino. El incremento dramático de la contaminación atmosférica, terrestre y acuática durante las últimas décadas ha alcanzado amplias áreas y la contaminación de las poblaciones de peces con mercurio se ha distribuido en áreas remotas.

Debido a su carácter químico particular , el mercurio es ubicuo. Como resultado de su amplia distribución, virtualmente todos los organismos contienen cantidades medibles en sus tejidos. El mercurio se acumula en la biota y en concentraciones más altas en los ecosistemas acuáticos, especialmente en los peces. Las concentraciones naturales en peces marinos y de agua dulce son muy variables (<0.01 a >5 mg/kg de peso fresco) y depende de la calidad del agua, especie del pez, tamaño, sexo, y comportamiento. La concentración promedio en aguas naturales es de 1-5 ng/lt, y la proporción de metilmercurio es generalmente <10%.

La mayor parte del mercurio en los animales se encuentra en la forma de metilmercurio, debido a que hay una bioacumulación selectiva , y la concentración al igual que la proporción de metilmercurio se incrementa con el nivel trófico en la red alimenticia . Por lo tanto el metil mercurio es el compuesto de interés desde el punto de vista toxicológico. Tanto el Hg2+ y el metilmercurio forman complejos estables con ligandos de azufre aniónico. Además tienen alta afinidad por materia biogénica y se une fuertemente a los grupos sulfihidrilo en las proteínas y otros constituyentes tisulares de las células vivas. En comparación con el mercurio inorgánico, la absorción de metilmercurio es casi 10 veces más eficiente en alimentos y en agua. Esto se debe al comportamiento lipofílico del metilmercurio, que favorece el paso a través de las membranas celulares y que resulta en una distribución equilibrada del mercurio en los cuerpos animales, por el contrario notros metales pesados, los cuales tienen mayor afinidad por las proteínas son lipofóbicos y se acumulan en las visceras. Por lo tanto la eliminación del metilmercurio por los animales es muy lenta, en primer lugar debido a la asociación fuerte con los tejidos y en segundo lugar como resultado de la gran cantidad de tejidos que requieren ser depurados. En lagos pequeños la comunidad de peces contiene la mitad o más del metilmercurio del agua.

La interacción fuerte entre el mercurio y la materia orgánica determina ampliamente el flujo del mercurio. La carga de mercurio en un lago y la concentración en el agua atmosférica depende de la entrada de sustancias húmicas de las corrientes y del nivel de contaminación del suelo. En agua boreales adonde el agua tiene un alto contenido de sustancias húmicas, las concentraciones de mercurio son generalmente altas, tanto en el agua como en la biota. Problemas grandes concentraciones elevadas de mercurio se han originado en áreas remotas después de la construcción de represas hidroeléctricas, adonde el mercurio se libera de los suelos inundados y entra a las cadenas tróficas después de transformarse en metilmercurio.

Las concentraciones de mercurio se incrementan con la edad y el tamaño del animal. Los organismos detritívoros pueden tener 100 veces más mercurio que los predadores. La biomagnificación del metilmercurio en las cadenas alimenticias se caracteriza por un enriquecimiento entre predador y presa, dependiendo del tipo de ecosistema, nivel trófico, el tamaño del animal o la edad. Por lo tanto las concentraciones de mercurio en los animales están determinadas básicamente por su nivel trófico y biodisponibilidad de metilmercurio en la base de la cadena.

EL CICLO DEL FOSFORO

 

EL CICLO DEL AGUA.

 



Universidad Nacional de Colombia
Carrera 30 No 45-03 - Edificio 477
Bogotá D.C. - Colombia

Aviso Legal - Copyright
Gobierno en LíneaAgencia de Noticias UN