Solventes Clorados Contaminantes en los Acuíferos de Arizona

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.

Una publicación del Programa de Investigación Básicade Superfund de la Universidad de Arizona

( ) = Términos técnicos

El WQARF gobierna la remediación de los lugares con agua subterránea contaminada en Arizona

SciTransferNúmero 001, Agosto del 2006

Centro Binacional Estados Unidos-México

para Ciencias Ambientales y Toxicología

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 1.48-1.62 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.

Territorio de los Indios Nativo AmericanosCondado

CiudadLista 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

213 millas

22

1

5

Volatilización

Acuitardo

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 naciona-les 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 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 inhal-ación 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 transferi-dos 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 deto-nando 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).

El 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.

Superficie del Suelo

Tanque de Almacenamientode Solventes Clorados

DNAPL (la mayor parte del fluido)

Solventes CloradosDisueltos

Acuífero Superficial

Acuífero Profundo

Biodegradación

DNAPLFase LiquidaDensa No Acuosa

Pluma de un Solvente Soluble

Dispersión & Dilución

Vista Expandida del NAPL ResidualAtrapadoen los Poros que se Forman entre las Partículas

de Suelo y los Sedimentos.

AireSólido Agua

Contaminantesadsorbidos

NivelFreático

Esquema de la contaminación de los solventes clorados como líquidos de fase densa no acuosa descen-diendo 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).

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.

¿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.

La presencia de la DNAPL de TCE 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, investi-gador 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. 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.

Pared de la Columna

Arena

Fase Liquida Densa No Acuosa

Agua

Con

cent

raci

ón (

µg/L

or

ppb)

Tiempo (años)

Estándar para el agua potable para el TCE = 5 ppb

Los 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.

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 anaeróbi-cas.

Reacciones Anaeróbicas

Cuando el oxígeno no se encuentra presente en el agua, diversos grupos de bacterias que crecen anaeróbicamente pueden degradar los compues-tos químicos clorados. Cuando se trata de com-puestos 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 elec-trones (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 com-puestos químicos específicos restantes después de la halorespiración son importantes por que algunos de estos compuestos como el VC, son también considerados como tóxicos. El come-tabolismo 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 comple-tamente a dióxido de carbono, cloruro y nueva masa celular bacteriana en presencia de acep-tores 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.

CV

Referencias