Tema 6. Hidrocarburos policíclicos aromáticos en ambientes acuáticos.

1. UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE INGENIERÍA DOCTORADO EN INGENIERÍA AMBIENTAL TÓPICO ESPECIAL DOCTORAL: ECOTOXICOLOGÍA ACUÁTICA Tema 6. Hidrocarburos policíclicos aromáticos en ambientes acuáticos. Julio César Marín Leal (Profesor) Maracaibo, 2013

2. Hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs). La familia de los HAPs es un grupo de hidrocarburos que consisten en moléculas que contienen dos o más anillos aromáticos fusionados y como característica común presentan baja solubilidad en agua y elevada solubilidad en disolventes orgánicos.

3. Generalidades Los HAPs han estado presentes como contaminantes desde los inicios de la vida del hombre, ya que son compuestos naturales presentes en el ambiente. Sin embargo, el crecimiento industrial ha supuesto un aumento de gran número de contaminantes en el entorno natural, entre ellos los HAPs (Blázquez, 2003).

4. Generalidades Los PAHsse encuentran entre los compuestos más tóxicos para la vida y, por tanto, entre las listas de mayor interés para instituciones internacionales como el Programa de Medio Ambiente de Naciones Unidas (PNUMA) o la Organización Mundial de la Salud (OMS). Se estima que cerca de 228.000 toneladas de estos compuestos de origen antrópico son vertidos cada año a los ecosistemas acuáticos.

5. Generalidades La presencia de los HAPs en el ambiente puede deberse a diversas fuentes, tanto naturales como antropogénicas. Generalmente, los HAPs son producidos por combustión que puede ser natural (incendios forestales) o antropogénicos (combustión en automóviles). Algunos de los HAPs son de fabricación específica, como el naftaleno empleado como insecticida, pero su producción está en descenso al ser sustituido por compuestos clorados.

6. Fuentes de los HAPs Existe una gran variedad de fuentes naturales de HAPs, entre ellas principalmente los incendios forestales y la actividad volcánica. La aportación de estos focos es difícil de estimar, debido a la naturaleza esporádica de los mismos. Las principales fuentes antropogénicas de mayor contribución a la presencia de HAPs en el entorno son en orden decreciente de importancia: procesos industriales, calefacciones domésticas, fuentes móviles de emisión (transportes), incineradoras, plantas de generación eléctrica y mediante la biosíntesis directa originada por microbios y plantas..

7. Tasas y rutas de entrada de HPAs Los HAPspueden entrar a las aguas superficiales a través de las descargas de plantas industriales y de tratamiento de aguas residuales y pueden ser liberados a los suelos a partir de desechos peligrosos si estos se escapan de los contenedores de almacenamiento (Agudo, 2009). Además se incluyen la biosíntesis, el derrame y la infiltración de combustibles fósiles, la deposición de las partículas presentes en el aire y las aguas de escorrentía. la fuente principal son las actividades del hombre, las cuales han contribuido al incremento general de las concentraciones en los últimos 100 años (Fernández y col., 2000).

8. Tasas y rutas de entrada de HPAs Las cantidades de HAPs que entran anualmente en el medio acuático son significativamente menor es que las que entran a la atmósfera o suelo. Si fueran distribuidos homogéneamente por ríos, mares y océanos, sus concentraciones serían indetectables . Sin embargo, estos compuestos permanecen relativamente cerca del punto de entrada en el medio acuático, decreciendo su concentración de forma logarítmica con la distancia al punto de entrada. Consecuentemente, las mayores concentraciones de HAPs se encuentran en ríos, estuarios y costas marinas del planeta (Rand y Petrocelli, 1985).

9. Distribución y transformación de los HAPs La distribución de los HAPs en el medio es gobernada por criterios cinéticos y termodinámicos y la naturaleza de la materia orgánica. Cada fuente imprime a los HAPs una huella característica y por lo tanto es posible identificar los procesos que los han generado. Sin embargo, existen dificultades en identificar sus orígenes debido a la posible coexistencia de varias fuentes (Law y Biscaya 1994) y a las diferentes propiedades fisicoquímicas de lo s HAPs, como la reactividad química (fotooxidación, oxidación), que pueden contribuir a modificar la distribución original de los hidrocarburos en las fuentes de emisión.

10. Distribución y transformación de los HAPs Un aspecto de interés para comprender la actividad biológica de los HAP es su metabolismo, es decir, la serie de transformaciones que sufren una vez absorbidos por el organismo. Como con cualquier sustancia externa, el organismo trata de eliminarlos, proceso que se conoce como detoxificación, y que se realiza mediante unas proteínas conocidas como enzimas.

11. Distribución y transformación de los HAPs Dentro de los ambientes acuático s los HAPs sufren una serie de procesos de intemperización (físicos, químicos y biológicos), tales como evaporación, oxidación fotoquímica, degradación microbiana, dispersión y disolución en el agua, de esta forma se asocian fácilmente con la materia particuladay finalmente se depositan en el sedimento. A través del agua, de los sedimentos o del material su spendido, los organismos marinos son expuestos a los HAPs (Peña y col., 2003).

12. Degradación de los HAPs La principal vía de degradación de estos compuestos incluye procesos químicos, fotolíticos o metabólicos asociados a microorganismos. En algunos casos se dan conjuntamente más de una, dependiendo de condicionantes como la temperatura, el oxígeno y microoganismosdisponibles.

13. Degradación de los HAPs Entre los procesos químicos se incluyen los tratamientos de cloración y ozonización del agua, entre los fotolíticos la acción conjunta de oxígeno y luz solar. La actividad de los microorganismos se desarrolla normalmente a través de un co-metabolismo de los HAPs con materia orgánica nutriente.

14. Acumulación y eliminación de HAPs por organismos acuáticos El contenido de HAP presente en las plantas y los animales que viven en la tierra o en el agua puede ser a veces más alto que las concentraciones de HAP presentes en el suelo o en el agua. Aunque no parece que el nivel de HAP se incremente en la cadena trófica, por su carácter lipofílico tiene gran afinidad por los tejidos ricos en grasa, donde se acumulan es decir que sí se produce bioconcentración. La lentitud con que son degradados estos compuestos provoca su acumulación en plantas, peces e invertebrados acuáticos y terrestres, incorporándose a la cadena alimenticia (García, 2005).

15. Acumulación y eliminación de HAPs por organismos acuáticos La diferencia de persistencia de los distintos compuestos es la que va a decidir sobre la mayor o menor capacidad de bioacumulación de cada uno de ellos. Como regla general, la persistencia del compuesto aumenta al aumentar el tamaño de la molécula. Por ejemplo, la relativa baja persistencia del naftaleno y de otros compuestos de peso molecular bajo indica su escasa capacidad de bioacumulación. Por otro lado, los compuestos de mayor peso molecular (benzo(a)pireno) son altamente persistentes y por tanto bioacumulables (García, 2005).

16. Acumulación y eliminación de HAPs por organismos acuáticos Las rutas de eliminación de los PAHs de los medios acuáticos incluyen la volatilización a partir de la superficie del agua, la fotooxidación, la oxidación química, la metabolización microbiana y la metabolización por metazoos superiores (García, 2005).

17. Efectos biológicos en el ambiente acuático Los HAPspueden afectar significativamente a los ecosistemas, influenciando las comunidades planctónicas y bentónicas, así como organismos superiores como peces y mamíferos (Paney col., 2005); son reconocidos como potenciales carcinógenos, mutágenosy teratógenos para los seres vivos (Boscoloy col., 2007), lo que hace importante el desarrollo de estudios que evalúen su comportamiento en el ambiente.

18. Efectos biológicos en el ambiente acuático Los efectos tóxicos que tienen los PAHs sobre los organismos acuáticos pueden reflejarse en función de la LC50 (concentración de tóxico que resulta letal para el 50% de la población expuesta) (Tabla 1). Está comprobado que la toxicidad aumenta al aumentar el peso molecular y el carácter lipofílico del compuesto, y que los organismos acuáticos son los más afectados. Un hecho adicional comprobado es que la radiación solar eleva significativamente la toxicidad en organismos acuáticos. Se cree que es debido a la fotoactivación de las moléculas de PAHs presentes, y que no existe metabolismo o forma de degradación de los mismos.

19. Efectos biológicos en el ambiente acuático Tabla 1. Efectos tóxicos de los PAHs sobre organismos acuáticos

20. Efectos biológicos en el ambiente acuático Existe amplia información sobre los efectos crónicos de PAHs en organismos acuáticos tanto en sistemas naturales como en ensayos de laboratorio. Generalmente, exposición a niveles de PAHssubletales, produce desarrollos morfológicos y fisiológicos anormales, así como efectos en la reproducción (menor número de nacimientos y alteraciones de larvas) (García, 2005).

21. Efectos biológicos en el ambiente acuático Referente a efectos mutagénicos y carcinogénicos, se ha demostrado que el benzo(a)pirenoinduce aberraciones microsomales en los peces, así como que estos compuestos en general provocan hiperplasia y neoplasia epidermal. Algunas especies de peces han desarrollado cáncer de hígado tras exposiciones a PAHs.

22. Referencias bibliográficas • Agudo. A. Los Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (HAPs). Acercamiento a su problemática como riesgo laboral. Instituto Catalán de Oncología. 130 p. • Blázquez Rodea, G. “Fotodegradación de naftaleno en agua catalizada por óxido de titanio de tamaño nanométrico”. Proyecto Fin de Carrera, 2003. Departamento de Ingeniería Química y Combustibles. E.T.S.I. de Minas de Madrid. • Boscolo. R., Cacciatore. F. and Giovanardi. O. (2007). Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in transplanted Manila clams (Tapes philippinarum) from the Lagoon of Venice as assessed by PAHs/shell weight index: A preliminary study. Mar. Pollut. Bull. 55, 485-493. • García. M. (2005). Los hidrocarburos policíclicos aromáticos asociados a combustibles fósiles. Caracterización, análisis y remediación. Universidad politécnica de Madrid. Departamento de ingeniería química y combustibles. Escuela técnica superior de ingenieros de minas. 627 p.

23. Referencias bibliográficas • Law. R. y Biscaya. J. (1994). Polycyclicaromatichydrocarbons (PAH):Problemsand progress, in sampling, analysis and interpretation. Mar. Pollut. Bull. 29, 235–241 • Pane. L., Boccardo. S., Bonfiglioli. F., Mariottini. G.., Priano. F. and Conio.O. (2005). Polycyclicaromatichydrocarbonsin water, seston and copepods in a harbor area in the Western Mediterranean(Ligurian Sea). Mar. Ecol. 26: 89-99. • Peña, A.; Morales, J.; Labastida, C. y Capella, S. (2003). Extracción en fase sólida como una alternativa para el procedimiento de limpieza en la determinación de hidrocarburos aromáticos policíclicos por cromatografía de gases: aplicación a organismos marinos. Revista internacional de contaminación ambiental. 19(1):13-23.

24. Referencias bibliográficas • Rand. G. y Petrocelli. S. (1985). Fundamentals of aquatic toxicology. Hemisphere Publishing Corporation. United States.