Minerales y metales pesados en el agua

El problema de la contaminación de las aguas dulces es conocido de antiguo. Uno de los primeros testimonios históricos lo constituye el relato de las Sagradas Escrituras (Éxodo, 7, 14-25) acerca de una de las diez plagas de Egipto, en la que se describe la transformación en "sangre" de las aguas del río Nilo. Dicho fenómeno fue sin duda debido a la contaminación biológica producida por microorganismos (algas, bacterias sulfurosas o dinofíceos). Con el incremento de la población y el surgimiento de la actividad industrial la polución de ríos, lagos y aguas subterráneas aumenta constantemente. La Organización Mundial de la Salud define a la polución de las aguas dulces de la siguiente manera:"Debe considerarse que un agua está polucionada, cuando su composición o su estado están alterados de tal modo que ya no reúnen las condiciones a una u otra o al conjunto de utilizaciones a las que se hubiera destinado en su estado natural".

Metales pesados

Se habla mucho de los metales pesados, sin indicarse sin embargo, qué son, y específicamente, el cómo y por qué son peligrosos. Se denomina metales pesados a aquellos elementos químicos que poseen un peso atómico comprendido entre 63.55 (Cu) y 200.59 (Hg), y que presentan un peso específico superior a 4 (g cm^-3). Cabe destacar que en esta categoría entran prácticamente todos los elementos metálicos de interés económico, por tanto, de interés minero.

Lo que hace tóxicos a los metales pesados no son en general sus características esenciales, sino las concentraciones en las que pueden presentarse, y casi más importante aun, el tipo de especie que forman en un determinado medio. Cabe recordar que de hecho los seres vivos "necesitan" (en pequeñas concentraciones) a muchos de éstos elementos para funcionar adecuadamente. Ejemplos de metales requeridos por el organismo incluyen el cobalto, cobre, hierro, hierro, manganeso, molibdeno, vanadio, estroncio, y zinc. El caso del hierro es notable entre éstos, siendo vital para la formación de hemoglobina.

Todos los metales pesados se encuentran presentes en los medios acuáticos (el agua químicamente pura no existe en la naturaleza), aunque sus concentraciones (en ausencia de contaminación) son muy bajas. Los metales pesados se encuentran en estas aguas como coloides, partículas minerales (sólidos en suspensión), o fases disueltas (cationes o iones complejos). Las formas coloidales suelen dar lugar a la formación de hidróxidos, mientras que las partículas sólidas incluyen una gran variedad de minerales. Las fases disueltas pueden a su vez ser capturadas por adsorción o absorción en arcillas o hidróxidos. Adicionalmente, los compuestos orgánicos pueden constituir fases con gran capacidad de captura de cationes metálicos, que en ocasiones dan lugar a fases extremadamente tóxicas (p.ej., metilmercurio: CH₃Hg).

A su vez la química del sistema acuoso regula las tasas de adsorción-absorción en el sistema agua-sedimento. La adsorción remueve el metal de la columna de agua; la desorción lo incorpora nuevamente a ésta. Los parámetros que regulan el sistema son: la salinidad, el potencial redox (Eh), y el pH:

• Un incremento de la salinidad conlleva una competencia, entre metales pesados y metales grupos I y II, por los sitios de ligazón (p.ej., espaciado interlaminar en las arcillas), lo que se traduce en la expulsión de los metales pesados, y su devolución a la columna de agua.
• Un incremento del Eh genera la inestabilidad de los compuestos reducidos (p.ej., sulfuros), poniendo el metal en solución.
• Un decrecimiento del pH tiene dos efectos: 1) induce la disolución de compuestos metal-carbonato (p.ej., cerusita: PbCO₃); y 2) aumenta la solubilidad de los metales disueltos.

La fundición de cobre de Chuquicamata en 1984.

El arsénico en los suelos puede ser disuelto y adsorbido/absorbido por las arcillas o la materia orgánica. Muchos de estos procesos son mediados por la materia orgánica la que puede producir transformaciones del tipo:

• Cambios de redox que inducen la transformación arsenito-arsenato.
• La reducción y metilación del arsénico.
• La biosíntesis de compuestos de arsénico.

Las formas solubles del arsénico son fuertemente tóxicas. La ingestión de grandes dosis lleva a problemas gastrointestinales, cardiovasculares, disfunciones del aparato nervioso, y finalmente a la muerte. Recordemos que el arsénico ha sido uno de los venenos de largo plazo más utilizados en la historia de la humanidad, siendo Napoleón (el emperador de Francia), la víctima más famosa. Dosis bajas pero sostenidas (p.ej., causas laborales) superiores a 0.75 mg m^-3por año (p.ej., 15 años con concentraciones de 50 μg m^-3) pueden llevar al desarrollo de cánceres.

La vida acuática y terrestre muestra una amplia gama de sensibilidades a las distintas especies arsenicales. En general las formas inorgánicas son más tóxicas que las orgánicas, y el arsenito más peligroso que el arsenato. Los arsenitos pueden fijarse a las proteinas, mientras que el arsenato afecta a la fosforilización oxiditaviva (en relación con Ciclo de Krebs).

Los organismos marinos contienen residuos arsenicales que van desde < 1 a 100 mg k^-1, los cuales se encuentran como arsenoazúcares (en las algas) o arsenobetaina (en invertebrados y peces). Las plantas terrestres pueden acumular arsénico por captación a través de las raíces, o por adsorción de arsénico aerotransporatado, en las hojas.

Mercurio

La forma principal de mercurio en la naturaleza es el cinabrio (HgS), el que constituye la mena principal para la obtención de este metal. Otras formas minerales incluyen la corderoita (Hg₃S₂Cl₂), la livingstonita (HgSb₄S₈), y formas supergénicas tales como el mercurio nativo (Hg⁰), el calomelano (HgCl₂), y la schuetteita (Hg₃(SO₄)O₂). El distrito minero de Almadén en España, el más importante del mundo en términos históricos y de producción, posee una mineralogía muy simple que incluye cinabrio como mena mercurial. El único mineral supergénico de mercurio reconocido en el distrito es la schuetteita, la que aparece como costras recubriendo rocas en las proximidades a escombreras de mineral (mineral dumps).

El mercurio posee una de las peores reputaciones entre los metales pesados. El incidente de la Bahía de Minamata (Japón, años 50s-60s) bastó para que este elemento infundiese alarma pública en todas las regiones del mundo donde podían haber fuentes de contaminación. Consideraciones económicas aparte, todas las investigaciones indican claramente que el mercurio puede constituir una amenaza para la salud humana y la vida silvestre. El riesgo viene determinado por los siguientes factores:

• El tipo de exposición al mercurio.
• La especie de mercurio presente (algunas son más tóxicas que otras).
• Los factores geoquímicos y ecológicos que influencian la forma de migración del mercurio en el medioambiente, y los cambios que puede sufrir durante dicha migración.

La principal fuente de contaminación con mercurio, en relación con la actividad minera, viene de los gases emitidos por las plantas de tratamiento de cinabrio. El mercurio gaseoso emitido por los hornos (especialmente en los antiguos procesos de tratamiento), es depositado en los suelos que rodean a las instalaciones metalúrgicas como Hg²⁺. Esto puede ocurrir por depositación directa de emisión de Hg²⁺ o por conversión de vapores de Hg⁰ to Hg²⁺ (p.ej., 2 Hg⁰= Hg₂²⁺ + 2e^- E⁰ = +0.80), proceso este último mediado por el ozono. Una vez depositado el Hg²⁺ éste puede formar complejos con la materia orgánica de los suelos (ácido fúlvico y/o húmico).

De todas las especies de mercurio conocidas, la más peligrosa es sin duda el metilmercurio (CH₃Hg). Aunque la forma exacta en que se produce la metilación del mercurio se desconoce, se sabe que en el proceso intervienen bacterias que participan en el ciclo SO₄^2- - S^2-. Estas bacterias, que por lo tanto contendrán metilmercurio, son consumidas por el peldaño superior de la cadena trófica, o bien lo excretarán. En este último caso el metilmercurio puede ser rápidamente adsorbido por el fitoplancton y de ahí pasar a los organismos superiores. Debido a que los animales acumulan metil mercurio más rápido de lo que pueden excretarlo, se produce un incremento sostenido de las concentraciones en la cadena trófica (biomagnificación). Así, aunque las concentraciones iniciales de metilmercurio en el agua sean bajas o muy bajas, los procesos biomagnificadores acaban por convertir el metilmercurio en una amenaza real para salud humana.

Efectos ambientales

Los organismos pueden verse severamente afectados por pequeñas concentraciones de elementos pesados (ver tablas anteriores). En el caso de los organismos acuáticos, puede que unos determinados valores no induzcan su muerte, sin embargo desarrollarán una serie de problemas fisiológicos y metabólicos (a estas dosis se les denomina subletales). Entre estos problemas podemos mencionar:

• Cambios histológicos o morfológicos en los tejidos.
• Cambios en la fisiología como supresión del crecimiento y desarrollo, torpeza para nadar, etc.
• Cambios en la bioquímica del organismo, tales como en la actividad enzimática, y química de las sangre.
• Trastornos del comportamiento.
• Cambios en la reproducción.

Algunos organismos pueden regular las concentraciones de metales presentes en su tejidos. Por ejemplo, los peces y crustáceos pueden excretar metales esenciales para su metabolismo (p.ej., Cu, Zn, Fe), siempre y cuando éstos superen las dosis requeridas. Desgraciadamente otros metales (no esenciales) tales como el mercurio o el cadmio son excretados con mayor dificultad.

Las plantas acuáticas (algas) y los bivalvos (p.ej., mejillones, ostras) no son capaces de regular con éxito las concentraciones de metales pesados, y de ahí puede derivarse una serie de problemas. Así por ejemplo, el mercurio puede hacer decrecer dramáticamente la capacidad de fotosíntesis de un alga (p.ej., Macrocystes). Los bivalvos por su parte acumulan los metales pesados, pudiendo pasar éstos directamente al ser humano por ingesta. De ahí que se deban tomar precauciones extremas para el consumo en zonas sujetas altos niveles de contaminación (zona de vertidos industriales, metalúrgicos, mineros).

Las vías de incorporación de los metales pesados a los organismos acuáticos son las siguientes:

• Cationes metálicos libres que son absorbidos a través de los órganos respiratorios externos (agallas), los cuales pasan directamente a la sangre.
• Cationes metálicos libres que son adsorbidos por el cuerpo y luego pasivamente difundidos al torrente sanguíneo.
• Metales que son adquiridos durante la ingesta de organismos (otros peces, bivalvos, o algas) contaminados.
• En el caso de las algas, el proceso ocurre por absorción a través de las paredes celulares y difusión posterior.

Charles Scott Sherrington

Charles Scott Sherrington (1857-1952) desarrolló la teoría de los reflejos nerviosos, de gran influencia en la neurología.Estudió medicina en la Universidad de Cambridge, licenciándose en 1885. Posteriormente amplió sus estudios en Berlín con Robert Koch y Rudolf Virchow y en Estrasburgo con F. Goltz. En 1887 Sherrington se unió a la escuela de medicina del St. Thomas Hospital, donde enseñó medicina. Posteriormente llevó a cabo trabajos experimentales en la Brown Institution, departamento veterinario de la Universidad de Londres. En 1895, llegó a ser profesor de la Universidad de Liverpool. Obutvo el puesto de profesor de fisiología de la Universidad de Oxford en 1913. Fue presidente de la Royal Society de 1920 a 1925. Sherrington recibió la Gran Cruz del Imperio Británico en 1922 y la Orden del Mérito en 1924. Se retiró de la vida académica en 1935, pero continuó dando conferencias y escribiendo. Fue galardonado en 1932 con el premio Nobel de Medicina por sus trabajos en el campo de la neurofisiología: localización de las funciones del córtex cerebral, investigaciones reflexológicas, etc.

Sus obras más relevantes son:

La acción integradora del sistema nervioso, 1906

La actividad refleja de la médula espinal, 1932.

El cerebro y sus mecanismos, 1933.

El hombre y su naturaleza, 1937-1938

Louis Pasteur

Louis Pasteur(1822-1895) descubrió el papel de los microorganismos en las enfermedades infecciosas. A él se debe la técnica conocida como pasteurización.Sus contribuciones en la química orgánica fueron el descubrimiento del dimorfismo del ácido tartárico, al observar al microscopio que el ácido racémico presentaba dos tipos de cristal, con simetría especular. Fue por tanto el descubridor de las formas dextrógiras y levógiras que desviaban el plano de polarización de la luz con el mismo ángulo pero en sentido contrario.Realizó grandes estudios sobre la microbiologia y ayudó a refutar definitivamente la teoría de la generación espontánea.Algunos de sus contemporáneos, incluido el eminente químico alemán Justus von Liebig, insistían en que la fermentación era un proceso químico y que no requería la intervención de ningún organismo. Con la ayuda de un microscopio, Pasteur descubrió que, en realidad, intervenían dos organismos -dos variedades de levaduras- que eran la clave del proceso. Uno producía alcohol y el otro, ácido láctico, que agriaba el vino. Utilizó un nuevo método para eliminar los microorganismos que pueden degradar al vino, la cerveza o la leche, después de encerrar el líquido en cubas bien selladas y elevando su temperatura hasta los 44 grados centígrados durante un tiempo corto. A pesar del rechazo inicial de la industria ante la idea de calentar vino, un experimento controlado con lotes de vino calentado y sin calentar demostró la efectividad del procedimiento. Había nacido la "pasteurización", el proceso que actualmente garantiza la seguridad de numerosos productos alimenticios del mundo.En 1880, Pasteur se encontraba realizando experimentos con pollos para determinar los mecanismos de transmisión de la bacteria responsable del Cólera aviar que acababa con muchos de ellos. Junto con su ayudante, Charles Chamberland, inoculaban la bacteria (Pasteurella multocida) a pollos y evaluaban el proceso de la enfermedad. La historia cuenta que Pasteur iba a tomarse unas vacaciones, y encargó a Chamberland que inoculase a un grupo de pollos con un cultivo de la bacteria, antes de irse el propio ayudante de vacaciones. Pero Chamberland olvidó hacerlo, y se fue de vacaciones. Cuando ambos volvieron al cabo de un mes, los pollos estaban sin infectar y el cultivo de bacterias continuaba donde lo dejaron, pero muy debilitado. Chamberland inoculó a los pollos de todos modos y los animales no murieron. Desarrollaron algunos síntomas, y una versión leve de la enfermedad, pero sobrevivieron. El ayudante, abochornado, iba a matar a los animales y empezar de nuevo, cuando Pasteur lo detuvo: la idea de la vacunación era conocida desde 1796 y Pasteur la conocía. Expuso a los pollos una vez más al cólera y nuevamente sobrevivieron pues habían desarrollado respuesta inmune. Pasteur no desarrolló por lo tanto la primera vacuna, pero sí la primera vacuna de bacterias artificialmente debilitadas — a partir de ese momento no hacía falta encontrar bacterias adecuadas para las vacunas, las propias bacterias debilitadas de la enfermedad a derrotar servían.