Minerales,
Metales, Compuestos Químicos, y Seres Vivos: Una Difícil Pero Inevitable
Convivencia
Roberto Oyarzun & Pablo Higueras
Introducción
No es nuestra intención realizar aquí sin más un recuento
y una descripción de los "horrores" que pueden derivarse de la
contaminación por metales pesados. Eso es fácil, pero no lleva a ninguna parte
por una razón simple: no existen formas alternativas de mantener lo que
llamamos "civilización" en el mundo occidental sin estos metales.
Por otra parte, resulta ineludible tratar el problema por una razón elemental:
porque éste existe.
Como la actitud natural en el ser humano es casi siempre
la de solucionar los problemas por eliminación de los mismos, proponemos aquí
el siguiente ejercicio mental: pensemos por un instante que sería de nuestra
vida cotidiana si eliminásemos la actividad minera. Entre muchos ejemplos (y
sólo señalaremos los relacionados con los denominados metales pesados), los
edificios se vendrían abajo (eliminamos el acero), no podríamos tener acceso a
la electricidad (eliminamos los cables de cobre), los coches no se podrían
fabricar (eliminamos el acero, el aluminio, el cobre), las baterías y pilas
serían inviables (eliminamos el plomo, el níquel, el cadmio, el mercurio), los
aparatos electrodomésticos no existirían (eliminamos el acero, el cobre), y lo
mismo vale para el material científico y médico.
No cabe duda que la minería constituye un riesgo
ambiental, pero no por esto, vamos a eliminarla sin más. Alternativamente, se
puede trasladar la actividad minera a otros países, normalmente a los más
pobres, pero esto, de alguna manera, implica grandes dosis de "hipocresía
ambiental".
Existen soluciones para estos problemas ? sí,
definitivamente las hay, porque hoy por hoy existe una tecnología que permite minimizar
el riesgo ambiental derivado de la actividad minera. Existen legislaciones, y
sobre todo, hoy en día, existe una genuina voluntad por parte de las grandes
compañías mineras internacionales de "hacer las cosas bien".
Intentaremos en este capítulo estudiar el grado de "peligrosidad"
de los metales liberados al medioambiente, y señalaremos algunas de las
consecuencias (ambientales, salud humana) que se derivan de las diferentes
interacciones. También insistiremos en algunos casos en el tema de especiación,
ya que éste es un concepto clave para estimar la peligrosidad real de un
determinado contaminante.
Primero analizaremos el tema bajo una perspectiva amplia,
para luego concentrar nuestros esfuerzos en cuatro elementos químicos
concretos, que por su "bien ganada mala reputación", merecen
un tratamiento específico. Nos referimos al arsénico, plomo, mercurio, y
cadmio.
Finalmente queremos señalar que el enfoque de este
capítulo estará centrado (aunque no exclusivamente) en las interacciones entre
la actividad minera (minería propiamente dicha y metalurgia) y los sistemas
acuáticos (fluviales, lacustres, estuarinos, y marinos). La razón es simple: 1)
el medio acuoso es esencial para que los cationes puedan ser solubilizados; y
2) el medio acuático actúa como un "dispersante" natural de
los contaminantes. Así, mientras en un sistema árido los contaminantes tienden
a quedar retenidos "in situ", en regiones húmedas, éstos serán
rápidamente incorporados a los suelos, para pasar por lavado total o
diferencial a las aguas subterráneas, ríos, lagos, o mares, extendiendo así el
problema.

Transferencia de la
contaminación por metales pesados a partir de actividades mineras y
metalúrgicas al medio acuático, en este caso un río y aguas subterráneas, si no
se adoptan medidas correctoras.
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:
El decrecimiento del pH puede ligarse directamente a la
serie de fenómenos físico-químicos que se derivan de la oxidación de especies
sulfuradas (particularmente la pirita: FeS2). La consecuencia
directa es la formación del denominado drenaje ácido. El sistema se encuentra
así fuertemente regulado por: 1) las cantidades iniciales de pirita en el
yacimiento (de sulfuros o carbones piritosos) o la escombrera (mineral dump);
2) por la presencia de bacterias oxidantes (p.ej., T. ferrooxidans); y
3) los niveles de oxígeno.

Drenaje ácido de mina,
producto de la lixiviación en condiciones oxidantes de pirita. Aparte del
hierro el drenaje ácido puede transportar otros metales en solución.
Límites de toxicidad
1) Vida acuática en sistema de agua dulce (ríos lagos):
|
Metal |
Dureza del agua (mg/l) |
Límite máximo
(μg/l) |
|
As |
|
50 |
|
Be |
|
130 (+) |
|
Cd |
50 |
0.66 (*) |
|
|
150 |
1.10 (*) |
|
|
200 |
2.00 (*) |
|
Cu |
50 |
6.50 (*) |
|
|
150 |
12.00 (*) |
|
|
200 |
21.00 (*) |
|
Hg |
|
0.012 (*) |
|
Ni |
50 |
56.00 (x) |
|
|
150 |
96.00 (x) |
|
|
200 |
160.00 (x) |
|
Pb |
50 |
1.30 (*) |
|
|
150 |
3.20 (*) |
|
|
200 |
7.70 (*) |
|
Zn |
50 |
180.00 (#) |
|
|
150 |
320.00 (#) |
|
|
200 |
570.00 (#) |
+:
concentración promedio por 1 hora; x: concentración promedio
en 24 horas;
*: concentración promedio en 4 días; #: niveles que no
pueden
excederse en ningún lapso de tiempo.
2) Vida acuática estuarina o en zonas de costas:
|
Metal |
Límite máximo
(μg/l) |
|
As |
50 |
|
Cd |
8 (*) |
|
Cu |
2.9 (+) |
|
Hg |
0.025 (*) |
|
Ni |
7.10 (x) |
|
Pb |
5.8 (*) |
|
Zn |
76.6 (*) |
+:
concentración promedio por 1 hora; x: concentración promedio
en 24
horas; *: concentración promedio en 4 días.
3) Consumo por los seres humanos:
|
As |
0.05 mg/l (+) |
|
Cd |
10 μg/l (*) |
|
Cr |
0.05 mg/l (+) |
|
Cu |
1.0 μg/l (#) |
|
Hg |
144 ng/l (*) |
|
Ni |
632.0 μg/l (*) |
|
Pb |
50.0 μg/l (*)
(adultos) |
|
Zn |
5.0 μg/l (*) |
*:
criterios para el agua; +: máximo nivel de contaminación;
#:
nivel que jamás debe ser superado.
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:
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:
Casos concretos
A continuación nos centraremos en el estudio de los
problemas ambientales y de salud humana relacionados con cuatros casos
concretos: plomo, arsénico, mercurio, y cadmio. Cabe destacar que no
analizaremos todas la fuentes de contaminación, sino que solamente aquellas
relacionadas con la actividad minera.
Plomo
El plomo se encuentra presente en un gran numero de
minerales, siendo la forma más común el sulfuro de plomo (galena: PbS). También
son comunes, aunque en orden decreciente, la cersusita (PbCO3) y la
anglesita (PbSO4). El plomo es un metal difícilmente movilizable, y
bajo condiciones oxidantes la galena da origen a minerales tales como la
cersusita y anglesita:
PbS + CO2 + H2O + 2
O2 → PbCO3 + SO4-2 + 2 H+
2 PbS + 4 Fe3+ +3 O2
+ 2 H2O → 2 PbSO4 + 4 Fe2+ + 4 H+
Así, el principal riesgo relacionado con la minería del
plomo no radica en la posible puesta en solución de este metal (precipita
rápidamente como carbonato o sulfato), sino en lo que concierne a los procesos
metalúrgicos de las menas de plomo (fundiciones). Cabe destacar que el problema
con el plomo no es nuevo (ni siquiera de comienzos de la revolución
industrial). Estudios en Suecia revelan que por lo menos el 50 % de la
contaminación en suelos del país fue depositada en períodos anteriores al año
1800.
El particulado de plomo relacionado con problemas
metalúrgicos constituye el problema principal, pero existen otras fuentes que
entrañan también una peligrosidad extrema. En los años 90 se constató en la
ciudad de Antofagasta (Chile) que había niños que presentaban altos contenidos
de plomo en sangre. La fuente del problema pudo ser determinada, y eran
minerales y concentrados de plomo que se acumulaban sin protección en las
instalaciones portuarias (pertenecientes a Bolivia), para su posterior envío.
Esto nos lleva a encaminar nuestra mirada no solo a las fundiciones, sino
también a las zonas donde se acumulan minerales o concentrados de plomo.
El particulado fino de plomo (10-100 μm) puede ser
extremadamente peligroso por las siguientes razones:
El plomo es un metal carente de valor biológico, es decir,
no es requerido para el funcionamiento normal de los seres vivos. Debido a su
tamaño y carga, el plomo puede substituir al calcio (Pb2+: 0.84 Å;
Ca2+: 0.99 Å), y además de manera preferente, siendo su sitio de
acumulación, los tejidos óseos. Esta situación es particularmente alarmante en
los niños, que debido a su crecimiento incorporan altas cantidades de calcio.
Altas dosis de calcio hacen que el plomo sea "removido" de los
tejidos óseos, y que pase a incorporarse al torrente sanguíneo. Una vez ahí
puede inducir nefrotoxicidad, neurotoxicidad, e hipertensión. Niveles de plomo
en sangre de 0.48 μg/l pueden inducir en los niños:
A su vez, niveles del orden de 1.2 μg/l pueden
inducir:
En adultos que trabajan en ambientes expuestos a la
contaminación con plomo, el metal puede acumularse en los huesos, donde su vida
media es superior a los 20 años. La osteoporosis, embarazo, o enfermedades
crónicas pueden hacer que éste plomo se incorpore más rápidamente a la sangre.
Los problemas relacionados con la sobreexposición al plomo en adultos incluyen:
Arsénico
El arsénico se encuentra presente en más de 200 especies
minerales, siendo la arsenopirita (FeAsS), la enargita (Cu3AsS4),
y la tennantita (Cu12As4S13) las más comunes.
Por razones no determinadas, la arsenopirita es muy común en los yacimientos
minerales europeos (p.ej., sulfuros masivos de la faja pirítica de
España-Portugal), mientras que la enargita lo es en los yacimientos de la
cadena andina, donde constituye una mena principal de cobre (pórfidos
cupríferos y epitermales de Au-Ag). La solubilización de las formas sulfuradas
de arsénico no es fácil. Esto es claro en el caso de la arsenopirita, la que
por ser en ocasiones portadora de inclusiones de oro, ha constituido un tema de
numerosos estudios con resultados poco claros hasta la fecha. La reacción
fundamental en medio ácido es:
4 FeAsS + 13 O2 + 6 H2O
→ 4 H3AsO4 + 4 FeSO4
Si
además hay pirita en la mena, entonces el sulfato férrico producido actuará de
la siguiente manera, coayudando a la oxidación-lixiviación del arsénico:
2 FeAsS + Fe2(SO4)3
→ 2 H3AsO4 + 4 FeSO4 + H2SO4
El arsénico
puede precipitar finalmente como FeAsO4.
Sin restarle importancia al problema de la solubilización
de especies minerales arsenicales, la principal fuente de contaminación está
relacionada, al igual que en el caso de plomo, con el tratamiento metalúrgico
de los minerales de arsénico. En concreto, los procesos de fundición de
concentrados de cobre, que incluyan la presencia de minerales arsenicales
(p.ej., enargita), pueden dar lugar a intensos problemas de contaminación por
vía aérea (arsénico que escapa por las chimeneas), en la forma de As2O3.
El arsénico que así escapa se deposita luego en los suelos del entorno de la
fundición. Dependiendo del volumen de las emisiones y el régimen de vientos, el
problema puede extenderse por decenas de kilómetros y más. Un caso notable en
este sentido eran por ejemplo las emisiones de la fundición de Chuquicamata
(Chile; CODELCO) (parte de los minerales de cobre tratados son arsenicales),
con valores de 2340 toneladas/año en 1994. En la actualidad CODELCO (en todas
sus divisiones) tiene que recuperar al menos una parte importante del arsénico
que potencialmente sería emitido. En Chuquicamata el proceso se realiza en una
planta hidrometalúrgica que recupera el cobre, y precipita el arsénico como
arsenato férrico. A partir del 2003 las cifras de emisión no podrán exceder las
400 toneladas/año.

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:
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-3 por 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 <
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 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 SO42- -
S2-. 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 metilmercurio 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.

Procesos de
metilación-demetilación del mercurio; vida acuática y la cadena trófica (USGS).
El metilmercurio daña al organismo de las siguientes
maneras:
El cinabrio, aunque es una forma relativamente estable de
mercurio, puede también sufrir transformaciones que resultan en especiaciones
indeseables. Así, en medio ácido y oxidante tenemos:
HgS → S0 + Hg2+
+ 2e- (E0=+1.11)
Esta reacción pone en solución al mercurio, el que puede
así puede formar complejos con la materia orgánica (peligrosidad). No obstante,
en un medio alcalino oxidante el mercurio precipitará como óxido:
Hg + 2 OH- → HgO + H2O
+ 2e-
lo que
en principio parece una forma más o menos estable, mientras el sistema mantenga
la alcalinidad y condiciones oxidantes.
Cadmio
Los minerales de cadmio, no se encuentran en
concentraciones y cantidades suficientes como para justificar una actividad
minera específica por el elemento. Entre los minerales de cadmio, la
greenockita (CdS) es el más común. Este mineral se encuentra casi siempre
asociado con la esfalerita (ZnS). De esta manera, el cadmio se recupera
principalmente como un subproducto de la minería, fundición, y refinación del
zinc, y en menor grado de la del plomo y cobre. En promedio se recuperan unos
Debido a su toxicidad, el cadmio se encuentra sujeto a
una de las legislaciones más severas en términos ambientales y de salud humana.
En la vida acuática, el cadmio puede incorporarse a los peces a través de dos
rutas principales:
El cadmio así adquirido se acumula en el hígado, riñones,
y en el tracto gastrointestinal. Sus efectos son los siguientes:
En el caso de los humanos, el cadmio se puede adquirir
por dos vías: ingestión e inhalación. Sus efectos pueden ser divididos en dos
categorías:
Fuentes de
información
Libros:
Krauskopf,
K.B. & Bird, D.K. 1995. Introduction to Geochemistry.
Scheiner,
B.J., Doyle, F.M. & Kawatra, S.K. (Eds.). 1989. Biotechnology in Minerals
and Metal processing. Society of Mining Egineers Inc.,
Documentos web:
http://h2osparc.wq.ncsu.edu/info/wetlanda/wetloss.html
http://www.who.int/pcs/ehc/summaries/ehc_224.html
http://www.usgs.gov./themes/factsheet/146-00/
http://www.epa.nsw.gov.au/leadsafe/leadinf8.htm
http://www.ucm.es/info/crismine/gossan/gossanapuntes2.htm
http://www.science.macmaster.ca/Biology/4S03/HM1.HTM
http://www.cochilco.cl/content/b-sustent/nacional/emisiones.html
http://www.portofentry.com/Environment/Technology/arsenicmng.html
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/cadmium/
http://www.ambio.kva.se/
2000/Nr3_00/May00_5.shtml