Química Ambiental

La química ambiental es la rama de la química que trata sobre la producción, transporte, reacciones, efectos y destino de las especies químicas en el agua, aire, tierra y ambientes biológicos, y el efecto de las actividades humanas en estos.

Ciclos Biogeoquímicos

Los ciclos biogeoquímicos son la fuente de energía que fluye a través de todos los componentes en forma permanente en un ecosistema, bajo un sistema cerrado conservativo, donde se transfiere del aire al agua, al suelo, a los seres vivos, y de esta manera la materia se recicla, acompañada de un flujo de energía.

Ciclo del Carbono

Tiempos de residencia típicos:

• Plantas (raíces): ~10 años
• Atmósfera: ~4 años
• Suelos: ~50 años
• Océanos: ~350-1500 años
• Sedimentos: ~150 millones de años

Absorción de CO₂ por los océanos

Solubilidad de gases (Ley de Henry):

*P_CO2 = [CO₂]_ac

Donde:

S = constante de solubilidad

+Temperatura = – Solubilidad

Ciclo del CO₂

El CO₂ de la atmósfera, combinado con H₂O, forma H₂CO₃. Este reacciona lentamente con el Ca y con el Mg de la corteza terrestre, formando carbonatos. Por procesos de erosión (lluvia, viento), los carbonatos son arrastrados a los océanos, donde se acumulan en su lecho en capas o son asimilados por organismos marinos, que eventualmente, después de muertos, también se depositan en el fondo del mar. Estos sedimentos se van acumulando a lo largo de miles de años, formando rocas calizas.

El ciclo continúa cuando las rocas sedimentarias y los organismos marinos son arrastrados hacia el manto de la Tierra por un proceso de subducción (proceso por el cual una placa tectónica se desliza por debajo de otra). El CO₂ es devuelto a la atmósfera a través de las erupciones volcánicas y otro tipo de actividades volcánicas, completando así el ciclo.

Las rocas sedimentarias están sometidas a grandes presiones y temperaturas bajo la superficie de la Tierra, derritiéndose y reaccionando con otros minerales, liberando CO₂.

Ciclo Biogeoquímico del Oxígeno

El ciclo del oxígeno describe el movimiento del oxígeno en y entre las tres esferas principales: la atmósfera, la biosfera (incluyendo el agua) y la litosfera. El principal conductor del ciclo del oxígeno es la fotosíntesis, principal responsable de su contenido en la atmósfera y, por tanto, de la vida tal y como la conocemos. El oxígeno también se encuentra interrelacionado entre la biosfera y la litosfera. Por ejemplo, ciertos organismos marinos crean carbonato de calcio (conchas y esqueletos principalmente), muy rico en oxígeno. Cuando el organismo muere, la parte inorgánica se deposita en el fondo y, en un cierto plazo, se transforma en roca caliza.

Ciclo del Nitrógeno

En este ciclo intervienen fundamentalmente los vegetales y las bacterias fijadoras del nitrógeno. En este proceso, el nitrógeno es incorporado al suelo, que será absorbido por los organismos vivos antes de regresar de nuevo a la atmósfera. Los organismos vivos no pueden utilizar directamente el N₂ que se encuentra en la atmósfera en forma gaseosa, y que supone el 71% del total; para ello, debe ser transformado previamente en nitrógeno orgánico (nitratos o amoníaco). Esto se consigue:

• Fundamentalmente mediante la fijación biológica.
• También las radiaciones cósmicas y la energía que producen los rayos en la atmósfera intervienen en este proceso en menor medida, combinando nitrógeno y oxígeno que, una vez transformado, es enviado a la superficie terrestre por las precipitaciones.

Etapas químico-biológicas del ciclo del Nitrógeno

1. Nitrógeno atmosférico
2. Entrada en la cadena alimentaria: En la fijación biológica intervienen bacterias simbióticas que viven en las raíces de las plantas (sobre todo leguminosas, como el trébol o la alfalfa, pero también determinadas algas, líquenes, etc.). El N₂ que ha quedado fijado en las raíces de las plantas puede ser absorbido por estas e incorporarlo a los tejidos en forma de proteínas vegetales. Desde aquí, el nitrógeno ya entra en la cadena alimentaria mediante los animales herbívoros y carnívoros. Las bacterias se alimentan de estas plantas, pero a cambio le entregan abundantes compuestos nitrogenados.
3. Descomposición de las materias animales (amonificación): Cuando las plantas y animales mueren, mediante su descomposición, se produce una transformación química de los compuestos nitrogenados en nitrógeno amoniacal (proceso denominado amonificación), última etapa de la mineralización del nitrógeno que está contenido en la materia orgánica del suelo.
4. Devolución a la atmósfera por desnitrificación: Este amoníaco vuelve a ser en parte recuperado por las plantas, pero el resto alcanza el medio acuático o simplemente permanece en el suelo, donde será convertido en nitrógeno nítrico por los microorganismos, en un proceso que se denomina nitrificación y que es aprovechado de nuevo por las plantas.
5. Ingreso en el medio acuático por lixiviación: Los nitratos pueden volver a la atmósfera mediante la desnitrificación, o ser eliminado del suelo por lixiviación (disolución en el agua) y posterior arrastre a los ríos y lagos.
6. Humus
7. Nitrificación
8. Fijación del nitrógeno en las raíces por las bacterias simbióticas
9. Absorción del nitrógeno producido por la actividad eléctrica de la atmósfera
10. Descomposición de las materias vegetales (amonificación)

Ciclo del Azufre

El ciclo del azufre presenta un ciclo que se establece principalmente entre el aire y el suelo, siendo el suelo y la corteza un gran depósito del mismo y, en mucha menor medida, la atmósfera. Es un elemento relativamente abundante en la corteza terrestre, principalmente en forma de sulfatos solubles. Gran parte de los reservorios de azufre inerte está en rocas sulfurosas, depósitos de elementos sulfurosos y combustibles fósiles. El azufre también es incorporado a la atmósfera en su forma reducida (H₂S), como resultado de la actividad volcánica y del metabolismo microbiano. Por tanto, el azufre puede encontrarse en diversos estados de oxidación, tanto en compuestos orgánicos como inorgánicos. Determinados microorganismos catalizan la oxidación y reducción de las diferentes formas de azufre, estableciendo de este modo un ciclo.

Secuencia del ciclo del azufre

1. Como el azufre en su forma elemental no puede ser utilizado por organismos superiores, para que su asimilación se torne posible, determinados microorganismos oxidan el azufre elemental a sulfatos. En este proceso pueden participar bacterias fotopigmentadas de los géneros Chlorobium y Pelodictyon. Sin embargo, las más activas en este proceso son las del género Thiobacillus, que pueden generar ácido sulfúrico durante el proceso.
2. El sulfato generado puede ser asimilado directamente por vegetales, algas y diversos organismos heterotróficos, siendo incorporado en forma de aminoácidos azufrados.
3. El mismo sulfato también puede ser desasimilado, formando H₂S. La etapa en la cual participan las bacterias del género Desulfovibrio se llama reducción desasimilativa del sulfato. En este proceso, el ion sulfato actúa como un agente oxidante para la desasimilación de materia orgánica (así como el oxígeno en la respiración convencional). Las bacterias reductoras de sulfato utilizan este ion para llevarlo a su forma reducida de sulfuro de hidrógeno (H₂S). Su papel en el ciclo del azufre puede ser comparado al papel de las bacterias reductoras de nitrato en el ciclo del nitrógeno. Además de las bacterias Desulfovibrio, otras bacterias anaeróbicas participan del proceso: Desulfomaculum y Desulfobulbus, las más conocidas.
4. El gas sulfhídrico resultante de la reducción de los sulfatos y de la descomposición de aminoácidos puede ser posteriormente reoxidado a azufre elemental. Esta reacción es típica de ciertas bacterias oxidantes no fotopigmentadas, como Beggiatoa, Thiothrix, Thioploca y Thiobacillus.