Contaminación ambiental

1.1. Ecosistema

Un ecosistema es un sistema natural o artificial formado por dos componentes en interacción:

• Componente biótico: todos los seres vivos: productores, consumidores y descomponedores.
• Componente abiótico: el medio físico-químico: agua, aire, suelo, luz, temperatura, pH, nutrientes.

Ejemplos de ecosistemas naturales son los Pantanos de Villa, el Parque Nacional del Manu o el mar de Grau. Un acuario, un parque zonal o una granja son ecosistemas artificiales.

1.2. Contaminación y contaminante

Se entiende por contaminación ambiental la introducción o acumulación de agentes extraños y nocivos en el ambiente, en niveles que alteran negativamente el ecosistema y afectan a los seres vivos.

La contaminación puede ser:

• Natural: erupciones volcánicas, erosión del suelo, incendios forestales espontáneos, huaycos, etc.
• Antropogénica: generada por actividades humanas, como la industria, el parque automotor, la minería, los relaves, las aguas residuales o la agricultura intensiva.

Un contaminante es todo agente físico, químico o biológico que, al alcanzar concentraciones elevadas o mantenerse el tiempo suficiente, causa efectos nocivos en el ecosistema. El daño depende de dos factores claves: concentración y tiempo de exposición.

1.3. Clasificación de los contaminantes

Los contaminantes se pueden clasificar según varios criterios.

A) Según su naturaleza

B) Según su origen

• Contaminantes primarios: son emitidos directamente desde la fuente. Ejemplos: $\mathrm{CO}$, $\mathrm{SO_2}$, $\mathrm{NO}$, hollín, hidrocarburos, partículas.
• Contaminantes secundarios: se forman en la atmósfera por reacciones entre contaminantes primarios o entre estos y componentes normales del aire. Ejemplos: $\mathrm{SO_3}$, $\mathrm{NO_2}$, $\mathrm{O_3}$, $\mathrm{H_2SO_4}$, $\mathrm{HNO_3}$.

La distinción es fundamental: el ozono, por ejemplo, casi no se emite directamente; en la troposfera se forma por reacciones fotoquímicas y por eso es un contaminante secundario.

C) Según su biodegradabilidad

• Biodegradables: pueden descomponerse por acción de microorganismos, hongos, lombrices o insectos en un tiempo relativamente corto. Ejemplos: restos de frutas y vegetales, papel, cartón, algodón, restos animales.
• No biodegradables: no se descomponen fácilmente o tardan muchos años. Son más peligrosos porque persisten en el ambiente. Ejemplos: vidrio, plásticos convencionales, metales, pilas, caucho, ciertos plaguicidas.

La atmósfera tiene una composición natural relativamente constante. Cuando se incorporan sustancias en concentraciones anormales, se produce contaminación atmosférica.

2.1. Principales fuentes de contaminación del aire

• Quema de combustibles fósiles en industrias, centrales termoeléctricas y vehículos.
• Procesos de tostación y refinación de minerales sulfurados.
• Erupciones volcánicas.
• Incendios forestales.
• Incineración de basura.
• Basurales, que emiten $\mathrm{CH_4}$ y olores desagradables.
• Refinación y derrames de petróleo.
• Radiaciones electromagnéticas.

En el Perú, el parque automotor de ciudades como Lima y Arequipa es una fuente continua de $\mathrm{CO}$, $\mathrm{CO_2}$, óxidos de nitrógeno e hidrocarburos.

2.2. Principales contaminantes gaseosos

Monóxido de carbono, $\mathrm{CO}$

Se produce principalmente por combustión incompleta de hidrocarburos en vehículos. Es un gas incoloro e inodoro, pero muy tóxico.

Su peligrosidad se debe a que se une a la hemoglobina de la sangre con mayor afinidad que el oxígeno, formando carboxihemoglobina. De este modo bloquea el transporte normal de $\mathrm{O_2}$ hacia los tejidos.

Dióxido de carbono, $\mathrm{CO_2}$

No es un gas tóxico a concentraciones normales, pero es el principal gas de efecto invernadero emitido por actividades humanas. Se libera en la quema de combustibles fósiles, la respiración y la deforestación. Retiene radiación infrarroja, por lo que su acumulación intensifica el calentamiento global.

Óxidos de azufre, $\mathrm{SO_x}$

El $\mathrm{SO_2}$ proviene de la combustión de carbón y derivados del petróleo con azufre, de la tostación de sulfuros metálicos y de las erupciones volcánicas. Es un contaminante primario.

En la atmósfera se oxida a $\mathrm{SO_3}$, contaminante secundario, y con agua forma ácido sulfúrico:

$$2\,\mathrm{SO_2(g)} + \mathrm{O_2(g)} \rightarrow 2\,\mathrm{SO_3(g)}$$

$$\mathrm{SO_3(g)} + \mathrm{H_2O(l)} \rightarrow \mathrm{H_2SO_4(ac)}$$

Óxidos de nitrógeno, $\mathrm{NO_x}$

El $\mathrm{NO}$ se forma a altas temperaturas en motores y plantas térmicas por reacción directa entre $\mathrm{N_2}$ y $\mathrm{O_2}$:

$$\mathrm{N_2(g)} + \mathrm{O_2(g)} \rightarrow 2\,\mathrm{NO(g)}$$

Luego el $\mathrm{NO}$ se oxida a $\mathrm{NO_2}$:

$$2\,\mathrm{NO(g)} + \mathrm{O_2(g)} \rightarrow 2\,\mathrm{NO_2(g)}$$

El $\mathrm{NO_2}$ contribuye a la lluvia ácida y al smog fotoquímico.

Ozono troposférico, $\mathrm{O_3}$

En la estratosfera el ozono es beneficioso, pues filtra la radiación ultravioleta. En la troposfera, en cambio, es un contaminante secundario irritante y oxidante.

2.3. Smog industrial y smog fotoquímico

El término smog proviene de la combinación de humo (smoke) y niebla (fog). Hay dos tipos clásicos:

El smog fotoquímico puede resumirse así:

1. Los motores emiten $\mathrm{NO}$ e hidrocarburos.
2. El $\mathrm{NO}$ se oxida a $\mathrm{NO_2}$.
3. La radiación ultravioleta descompone el $\mathrm{NO_2}$:

$$\mathrm{NO_2(g)} \xrightarrow{h\nu} \mathrm{NO(g)} + \mathrm{O(g)}$$

4. El oxígeno atómico reacciona con el oxígeno molecular:

$$\mathrm{O(g)} + \mathrm{O_2(g)} \rightarrow \mathrm{O_3(g)}$$

5. Los hidrocarburos reaccionan con ozono y radicales formando aldehídos, nitratos de peroxiacilo (PAN) y otros compuestos irritantes.

2.4. Inversión térmica

Normalmente la temperatura del aire disminuye con la altitud, lo que permite que los contaminantes asciendan y se dispersen. En una inversión térmica, una capa de aire caliente queda sobre una capa de aire frío cerca del suelo, impidiendo la circulación vertical. Los contaminantes quedan atrapados y la calidad del aire empeora.

Este es uno de los temas más preguntados en San Marcos.

3.1. Mecanismo del efecto invernadero

El Sol emite radiación de longitud de onda corta, principalmente luz visible y ultravioleta. La superficie terrestre absorbe parte de esa energía y luego emite radiación infrarroja de mayor longitud de onda. Ciertos gases atmosféricos, llamados gases de efecto invernadero (GEI), absorben parte de esa radiación infrarroja y la reemiten en todas direcciones. Una parte regresa hacia la superficie, manteniendo al planeta más cálido de lo que estaría sin atmósfera.

Gracias a este mecanismo natural, la temperatura promedio de la Tierra es de aproximadamente $15\,^\circ \mathrm{C}$. Sin él, la Tierra sería un planeta helado.

El problema actual no es el efecto invernadero en sí, sino su intensificación por el aumento de GEI, lo que produce el calentamiento global y el cambio climático.

3.2. Principales gases de efecto invernadero

3.3. Causas del aumento de $\mathrm{CO_2}$

• Quema de combustibles fósiles.
• Deforestación.
• Incendios forestales.
• Actividad industrial y transporte.

Los bosques y selvas cumplen un rol regulador porque durante la fotosíntesis consumen $\mathrm{CO_2}$ y liberan $\mathrm{O_2}$:

$$6\,\mathrm{CO_2(g)} + 6\,\mathrm{H_2O(l)} \xrightarrow{\text{luz}} \mathrm{C_6H_{12}O_6(s)} + 6\,\mathrm{O_2(g)}$$

Al destruir bosques amazónicos, disminuye la captura de $\mathrm{CO_2}$ y aumenta su concentración atmosférica.

3.4. Consecuencias del calentamiento global

• Fusión de glaciares y de los hielos polares.
• Aumento del nivel del mar.
• Mayor frecuencia de lluvias torrenciales e inundaciones.
• Expansión de zonas desérticas.
• Incendios forestales.
• Pérdida de biodiversidad y migración de especies.

En el Perú, el retroceso de los glaciares andinos es una evidencia directa: afecta la disponibilidad de agua para la agricultura y el consumo humano en la costa y sierra.

4.1. ¿Dónde está y para qué sirve?

La capa de ozono se encuentra principalmente en la estratosfera. Funciona como un filtro natural de la radiación ultravioleta del Sol, especialmente la más dañina para los seres vivos.

El ozono es un gas inestable de color azul claro. Se forma y destruye continuamente mediante procesos fotoquímicos.

4.2. Formación y destrucción natural

La radiación ultravioleta descompone el oxígeno molecular:

$$\mathrm{O_2(g)} \xrightarrow{h\nu} 2\,\mathrm{O(g)}$$

$$\mathrm{O(g)} + \mathrm{O_2(g)} \rightarrow \mathrm{O_3(g)}$$

Ese ozono puede absorber radiación UV y descomponerse, estableciéndose un equilibrio dinámico.

4.3. Acción de los clorofluorocarbonos

Los clorofluorocarbonos (CFC), también llamados freones, fueron usados como refrigerantes, propelentes de aerosoles y agentes espumantes. Son compuestos como:

• $\mathrm{CCl_2F_2}$ (freón-12)
• $\mathrm{CCl_3F}$ (freón-11)
• $\mathrm{CClF_3}$

Cuando los CFC suben a la estratosfera, la radiación ultravioleta rompe sus enlaces y libera radicales cloro:

$$\mathrm{CCl_2F_2(g)} \xrightarrow{h\nu} \mathrm{CClF_2(g)} + \mathrm{Cl(g)}$$

El radical cloro ataca catalíticamente al ozono:

$$\mathrm{Cl(g)} + \mathrm{O_3(g)} \rightarrow \mathrm{ClO(g)} + \mathrm{O_2(g)}$$

$$\mathrm{ClO(g)} + \mathrm{O(g)} \rightarrow \mathrm{Cl(g)} + \mathrm{O_2(g)}$$

Reacción neta:

$$\mathrm{O_3(g)} + \mathrm{O(g)} \rightarrow 2\,\mathrm{O_2(g)}$$

Como el cloro se regenera, un solo átomo de cloro puede destruir miles de moléculas de ozono.

4.4. Efectos de la disminución de la capa de ozono

Al pasar más radiación UV a la superficie terrestre:

• Aumenta el riesgo de cáncer de piel.
• Produce cataratas oculares.
• Puede causar mutaciones.
• Daña el fitoplancton marino, base de las cadenas alimentarias.
• Afecta cultivos y ecosistemas.

4.5. Reemplazo por hidrofluorocarbonos

Para proteger la capa de ozono, los CFC fueron reemplazados gradualmente por hidrofluorocarbonos (HFC), que no contienen cloro y, por tanto, no destruyen ozono. Sin embargo, muchos HFC tienen un potencial de calentamiento global cientos o miles de veces mayor que el $\mathrm{CO_2}$. Por eso se los considera “supercontaminantes” climáticos y actualmente se busca reducirlos también.

La lluvia natural es ligeramente ácida por la presencia de $\mathrm{CO_2}$, con un pH alrededor de 5,5 a 5,6. Se habla de lluvia ácida cuando el pH es menor que 5,5.

Se forma principalmente a partir de dos contaminantes primarios:

• $\mathrm{SO_2}$, que origina ácido sulfúrico.
• $\mathrm{NO_x}$, que origina ácido nítrico.

El ácido nítrico se forma, por ejemplo:

$$4\,\mathrm{NO_2(g)} + \mathrm{O_2(g)} + 2\,\mathrm{H_2O(l)} \rightarrow 4\,\mathrm{HNO_3(ac)}$$

Por su parte:

$$2\,\mathrm{SO_2(g)} + \mathrm{O_2(g)} + 2\,\mathrm{H_2O(l)} \rightarrow 2\,\mathrm{H_2SO_4(ac)}$$

5.1. Fuentes principales

• Centrales termoeléctricas que queman carbón o petróleo.
• Refinerías metalúrgicas que tuestan sulfuros.
• Automóviles.
• Erupciones volcánicas.

En el Perú, la actividad minero-metalúrgica de La Oroya y del valle del Mantaro ha sido señalada como fuente histórica de lluvia ácida.

5.2. Efectos

• Acidifica lagos y suelos.
• Afecta cultivos y bosques.
• Corroe metales y materiales calcáreos de construcciones.
• Moviliza metales tóxicos en el suelo.

Un error frecuente es creer que la lluvia ácida aumenta el pH de un lago. En realidad lo disminuye, porque incrementa la concentración de iones $\mathrm{H^+}$ o hidronio $\mathrm{H_3O^+}$.

El agua es uno de los medios más afectados por las actividades humanas. En el Perú, los ríos de la costa, los lagos altoandinos y el mar sufren presiones por descargas domésticas, industriales, mineras y agrícolas.

6.1. Fuentes de contaminación del agua

El derrame de petróleo de Repsol en Ventanilla, en enero del 2022, afectó el litoral y la fauna marina, mostrando cómo un hidrocarburo líquido puede contaminar agua y suelo al mismo tiempo.

6.2. Parámetros básicos de calidad del agua

• Turbidez: se refiere a partículas suspendidas.
• pH: debe estar en rangos adecuados para la vida acuática.
• Oxígeno disuelto: indispensable para los organismos aerobios.
• Coliformes fecales: indican contaminación por heces.
• Nutrientes: nitratos y fosfatos, que en exceso causan eutrofización.

6.3. Potabilización del agua

Para que el agua sea apta para consumo humano, debe pasar por un proceso de tratamiento. Las etapas típicas son:

1. Captación: se toma agua de una fuente.
2. Cribado o desarenado: se retiran sólidos grandes, ramas, piedras y arena.
3. Coagulación-floculación: se agrega sulfato de aluminio, $\mathrm{Al_2(SO_4)_3 \cdot 14\,H_2O}$, y cal. Se forman flóculos de hidróxido de aluminio que atrapan impurezas coloidales.
4. Sedimentación: los flóculos pesados se depositan en el fondo.
5. Filtración: el agua atraviesa capas de grava, arena y carbón, que retienen partículas finas.
6. Desinfección: se agrega cloro o hipoclorito para eliminar bacterias, virus y microorganismos patógenos.

La desinfección con cloro se basa en la formación de ácido hipocloroso:

$$\mathrm{Cl_2(g)} + \mathrm{H_2O(l)} \rightleftharpoons \mathrm{HClO(ac)} + \mathrm{HCl(ac)}$$

El $\mathrm{HClO}$ es un agente oxidante que destruye microorganismos. Por eso la cloración es la etapa que asegura la eliminación de bacterias y virus.

6.4. Eutrofización

La eutrofización es un enriquecimiento excesivo de nutrientes en cuerpos de agua, principalmente nitratos ($\mathrm{NO_3^-}$) y fosfatos ($\mathrm{PO_4^{3-}}$). Es una consecuencia típica de la contaminación del agua.

Fuentes de estos nutrientes:

• Fertilizantes agrícolas arrastrados por escorrentía.
• Detergentes que contienen tripolifosfato de sodio, $\mathrm{Na_5P_3O_{10}}$.
• Aguas residuales domésticas e industriales.
• Restos de materia orgánica.

El tripolifosfato se hidroliza y origina fosfato, que actúa como nutriente para las algas:

$$\mathrm{P_3O_{10}^{5-}(ac)} + 2\,\mathrm{H_2O(l)} \rightarrow 3\,\mathrm{PO_4^{3-}(ac)} + 4\,\mathrm{H^+(ac)}$$

(La ecuación anterior es simplificada; lo importante es que el tripolifosfato libera fosfato.)

Etapas del proceso

1. Aporte excesivo de nutrientes: llegan nitratos y fosfatos al lago o río.
2. Proliferación de algas y plantas acuáticas: se forma una capa verde, el llamado bloom algal.
3. Muerte y sedimentación de algas: el crecimiento no es indefinido; las algas mueren y se acumulan materia orgánica.
4. Descomposición aerobia: bacterias descomponedoras consumen oxígeno disuelto para degradar la materia orgánica.
5. Disminución del oxígeno disuelto: peces y organismos aerobios mueren.
6. Descomposición anaerobia: aparecen malos olores por gases como $\mathrm{CH_4}$, $\mathrm{H_2S}$ y amoníaco.

El daño final es la pérdida de biodiversidad acuática y la degradación del ecosistema.

6.5. Plaguicidas y bioacumulación

Los plaguicidas se usan en la agricultura para controlar plagas. Muchos son peligrosos porque persisten en el ambiente y se bioacumulan, es decir, se acumulan en los tejidos de los organismos.

La bioacumulación ocurre cuando el contaminante es poco biodegradable y liposoluble: se disuelve en las grasas y no se elimina fácilmente con el agua. Por el contrario, una sustancia muy hidrosoluble suele excretarse con mayor facilidad.

Además puede producirse biomagnificación: la concentración del tóxico aumenta a lo largo de la cadena alimentaria. Por eso los depredadores finales suelen tener mayor concentración de metales pesados o plaguicidas organoclorados.

El suelo se contamina cuando se acumulan sustancias que alteran su fertilidad, su composición química o su actividad biológica.

7.1. Fuentes principales

• Residuos sólidos domésticos: plásticos, vidrio, pilas, restos orgánicos.
• Actividad industrial: solventes, aceites, lodos tóxicos.
• Minería: relaves con metales pesados como mercurio, plomo, arsénico y cadmio.
• Agricultura: plaguicidas, fertilizantes y desinfectantes.
• Derrames de hidrocarburos: petróleo, gasolina, diésel.

En Madre de Dios, la minería ilegal aurífera usa mercurio, el cual contamina suelos, ríos y peces. En zonas mineras altoandinas, los relaves liberan metales pesados y ácidos que dañan suelos y aguas.

7.2. Residuos sólidos y degradabilidad

Los residuos sólidos se clasifican en:

• Orgánicos biodegradables: restos de alimentos, residuos vegetales, papeles. Son degradados por microorganismos.
• Inorgánicos no biodegradables: vidrio, metales, plásticos convencionales, pilas, caucho. Permanecen largo tiempo en el ambiente.

La acumulación de residuos plásticos es especialmente problemática. Aunque existen plásticos biodegradables, los plásticos convencionales pueden tardar decenas o cientos de años en fragmentarse, y generan microplásticos.

7.3. Efectos

• Pérdida de fertilidad.
• Muerte de microorganismos del suelo.
• Acumulación de tóxicos en cultivos.
• Contaminación de aguas subterráneas por lixiviados.
• Ingreso de metales pesados a la cadena alimentaria.

El petróleo aparece en este tema por dos razones: es una fuente de energía y, a la vez, una fuente importante de contaminantes del aire, agua y suelo.

8.1. Origen del petróleo

El petróleo es un recurso no renovable de origen fósil. Se formó por la transformación gradual de restos de organismos marinos microscópicos, como plancton vegetal y animal, depositados en el fondo de mares y lagos. En ausencia de oxígeno, estos restos fueron descompuestos por bacterias anaeróbicas y, sometidos a altas presiones y temperaturas durante millones de años, se convirtieron en hidrocarburos.

8.2. Refinación y combustibles

El petróleo crudo es una mezcla compleja de hidrocarburos. En las refinerías se separa por destilación fraccionada en fracciones como gas, gasolina, queroseno, diésel y residuos pesados.

La gasolina se obtiene de fracciones de hidrocarburos líquidos. Su calidad se mide por el índice de octano u octanaje.

• El isooctano (2,2,4-trimetilpentano) tiene octanaje 100.
• El n-heptano tiene octanaje 0.
• Una gasolina de 96 octanos se comporta como una mezcla de 96 % de isooctano y 4 % de n-heptano en cuanto a su resistencia a la detonación.

Un mayor octanaje significa mejor resistencia al knocking o pistoneo, no necesariamente mayor energía.

8.3. Cracking o craqueo

Para obtener más gasolina a partir de fracciones pesadas, se rompen moléculas grandes de hidrocarburos en moléculas más pequeñas. Este proceso se llama cracking.

• Craqueo térmico: usa altas temperaturas y presiones. Es menos selectivo.
• Craqueo catalítico: usa catalizadores, como zeolitas, lo que permite disminuir la temperatura del proceso y mejorar el rendimiento.

8.4. Combustión y contaminación

Al quemarse, los combustibles derivados del petróleo producen:

• $\mathrm{CO_2}$: gas de efecto invernadero.
• $\mathrm{CO}$: por combustión incompleta.
• $\mathrm{SO_2}$: si contienen azufre.
• $\mathrm{NO_x}$: por altas temperaturas en motores.
• Hidrocarburos volátiles, que participan en el smog fotoquímico.

Por ello, el petróleo concentra varios problemas ambientales: contaminación atmosférica, derrames en ecosistemas acuáticos y contribución al calentamiento global.

Frente a la contaminación, la química propone soluciones:

• Química verde: diseñar procesos y productos que reduzcan o eliminen el uso y generación de sustancias peligrosas.
• Sustituir sustancias dañinas por otras menos agresivas, como el reemplazo de CFC por alternativas de menor impacto.
• Usar convertidores catalíticos en los automóviles para reducir $\mathrm{CO}$, $\mathrm{NO_x}$ e hidrocarburos.
• Tratar las aguas residuales antes de verterlas.
• Reforestar y conservar los bosques como sumideros de $\mathrm{CO_2}$.
• Reducir, reutilizar y reciclar residuos sólidos.
• Aplicar tecnologías de remediación de suelos contaminados.