¿Cuáles son las propiedades y los peligros de los contaminantes del agua?

Muchos compuestos químicos diferentes son considerados contaminantes, desde simples iones inorgánicos hasta complejas moléculas orgánicas.
Los contaminantes del agua se dividen en varias clases. Cada clase de contaminante tiene sus maneras específicas de introducirse en el medio ambiente y sus peligros específicos. Todas las clases incluyen contaminantes importantes y son conocidos por muchas personas, debido a sus diversos efectos sobre la salud.

Contaminantes orgánicos

Los compuestos orgánicos son compuestos formados por enlaces largos, generalmente de carbono. Muchos compuestos orgánicos son tejidos básicos de los organismos vivos. Las moléculas formadas por carbono y por carbono e hidrógeno son apolares y no son solubles en agua o son poco solubles en agua. Tienen de poca a ninguna carga eléctrica. 
El comportamiento de los compuestos orgánicos depende de su estructura molecular, tamaño y forma y de la presencia de grupos funcionales que son determinantes importantes de la toxicidad.
Es importante conocer la estructura de los compuestos orgánicos, con el objeto de predecir su destino en los organismos vivos y en el medio ambiente. Todos los compuestos orgánicos que son peligrosos para la salud son producidos por el hombre y sólo han existido durante el último siglo.

Existen muchos tipos diferentes de contaminantes orgánicos, algunos ejemplos son:

- Hidrocarburos. Éstos son enlaces carbono-hidrógeno. Pueden dividirse en dos grupos, estando el primero formado por alcanos de enlace simple, alquenos de enlace doble y alquinos de triple enlace (gases o líquidos) y el segundo por los hidrocarburos aromáticos, que contienen estructuras de anillo (líquidos o sólidos). Los hidrocarburos aromáticos tales como los PAH's son mucho mas reactivos que cualquiera de los del primer grupo de hidrocarburos.

- Los PCB's son fluídos estables y no reactivos que son utilizados como fluídos hidráulicos, fluídos refrigerantes o de aislamiento en transformadores y plastificadores en pinturas. Existen muchos PCB's diferentes. Ninguno de ellos son solubles en agua. En muchos países los PCB's están restringidos.

- Los insecticidas tales como el DDT son muy peligrosos porque se acumulan en los tejidos grasos de los animales inferiores y se introducen en la cadena alimentaria. Han sido restringidos desde hace décadas.

- Detergentes. Estos pueden ser tanto polares como apolares.

Fertilizantes inorgánicos

Algunos contaminantes inorgánicos no son particularmente tóxicos, pero aún así son un peligro para el medio ambiente porque son usados extensivamente. Estos incluyen fertilizantes, tales como nitratos y fosfatos. Los nitratos y fosfatos provocan auges algales globales en las aguas superficiales, lo que hace que el nivel de oxígenoen el agua disminuya. Esto provoca un stress oxigénico debido a la toma de oxígeno por parte de los microorganismos descomponedores de algas. A esto se le llama eutrofización.

Metales

La primera clase a la que nos referiremos aquí es los metales. Los metales son buenos conductores de la electricidad y generalmente participan en las reaciiones químicas como iones positicos, conocidos como cationes. Los metales son sustancias naturales que se han formado por meteorización de minerales, allí donde fueron depositados durante la actividad volcánica. Pueden ser vueltos a poner en situación de causar serios peligros medioambientales. Algunos ejemplos de metales son: plomo, zinc, manganeso, calcio y potasio. Se pueden encontrar en aguas superficiales en sus formas iónicas estables. Los metales artificiales pueden ser muy peligrosos, porque a menudo provienen de reacciones nucleares provocadas por los hombres y pueden ser fuertemente radiactivos. 
Los metales pueden reaccionar con otros iones para formar productos peligrosos. A menudo están implicados en reacciones de transferencia electrónica en las que el oxígeno está presente. Esto puede llevar a la formación de oxi-radicales tóxicos.
Los metales pueden formar metaloides y luego unirse a compuestos orgánicos para formar sustancias lipófilas que a menudo son altamente tóxicas y que pueden ser almacenadas en las reservas se grasas de los animales y humanos. Los metales también pueden unirse a macromoléculas celulares en el cuerpo humano.
Los metales pesados son los metales más peligrosos. Tienen una densidad mayor de 5 y es por eso que se les llama pesados.
Los metales no pueden ser rotos en componentes menos peligrosos, porque no son bio-degradables. La única oportunidad que tienen los organismos contra los metales es almacenarlos en tejidos corporales donde no puedan causar ningún daño.
Los roganismos necesitan metales, ya que son esenciales para su salud y a menudo son componentes esenciales de los enzimas.

Isótopos radiactivos

Un 87% de la dosis de radiación que recibimos proviene de fuentes naturales. El resto de la radiación proviene de las actividades humanas. Probablemente sea menos conocida la función que desempeña la radiación en la industria, la agricultura y la investigación. La inspección de soldaduras, la detección de grietas en metal forjado o fundido, el alumbrado de emergencia, la datación de antigüedades y la preservación de alimentos son algunas de sus numerosas aplicaciones.En promedio, la industria nuclear representa menos del 0,1% de la radiación total que el hombre recibe.

Sigue habiendo discusiones sobre si los beneficios de la energía nuclear exceden a los peligros de la radiactividad. Cuando un átomo de una sustancia radiactiva se descompone, puede producir cuatro tipos de partículas: alfa, beta, gamma y neutrones. Las partículas alfa solo pueden viajar una corta distancia a través del aire y los tejidos humanos, pero pueden ser muy dañinas si colisionan con células debido a su enorme masa. Están cargadas positivamente. Las partículas beta son más penetrantes, pero producen muchos menos daños que las partículas alfa. Están cargadas negativamente. 
Los rayos gamma son altamente penetrantes. El daño que producen es similar al que producen los rayos beta.
Los neutrones son liberados por radiaciones y reaccionan con otros elementos al colisionar con ellos. Son la bas de la fisión nuclear en un reactor.
La radiactividad de una sustancia se mide en becquerels, pero esto no expresa la cantidad de tejido que la radiación daña. La cantidad de radiación que hace que 1 kg de tejido absorba 1 Julio de energía se expresa en grays. Diferentes tipos de radiación causan diferentes tipos de daños, porque la energía se imparte de diferente forma en los tejidos. Esto se expresa en sieverts. Una cierta cantidad de radiación alfa puede causar veinte veces más daño que la misma cantidad de radiación beta. Cada material radiactivo debe ser almacenado durante un periodo de tiempo diferente, con el objeto de eliminar su peligro. Las vidas medias y las formas de descomposición de los isótopos radiactivos determinan su peligrosidad para los humanos. El tiempo durante el cual tiene que ser almacenado depende de la vida media de los isótopos, es decir, del tiempo que tardan en descomponerse la mitas de los átomos del isótopo radiactivo.

¿Cuáles son las formas específicas a través de las cuales los contaminantes del agua se introducen en el ambiente?

Los vertidos de aguas residuales representan una importante fuente global de contaminación. Los residuos domésticos e industriales son vertidos en las aguas superficiales a través de los sistemas de alcantarillado. En algunos casos los residuos industriales son vertidos directamente en las aguas superficiales. La calidad de las aguas residuales que se vierten al agua depende de los contaminantes que contenga y del tratamiento al que haya sido sometida el agua residual antes de ponerse en contacto con las aguas superficiales.
Las aguas residuales domésticas contienen principalmente papel, jabón, orina, heces y detergentes. Los residuos industriales son variados y dependen de los procesos específicos de las industrias que los originan.
Los metales pesados están asociados con las operaciones de minería y fundición, los clorofenoles y fungicidas con las fábricas de papel, los insecticidas con las fábricas de pesticidas, diferentes compuestos químicos orgánicos con la industria química y las sustancias radiactivas con las plantas de energía nuclear.
En el interior las emisiones de residuos industriales son atentamente controladas, pero en el mar la extracción de petróleo y manganeso conducen al vertido directo de contaminantes en el mar. Los residuos radiactivos son tirados al mar en grandes barriles de cemento para que se hundan, pero a menudo los barriles acaban teniendo pérdidas después de un tiempo. Los representantes de industrias a menudo envían sus residuos al mar para que sean vertidos ilegalmente, porque su purificación es muy cara.

Los buques petroleros y los naufragios vierten fuel en el mar, y se echan pesticidas al agua para controlar las plagas acuáticas. Las pinturas de los barcos de descomponen durante los viajes largos y finalmente acaban en al agua.
Durante el periodo de crecimiento de los cultivos las plantas absorben nitrógeno y fosfatos, pero cuando las plantas mueren, la materia muerta vegetal los devuelve al suelo y a menudo acaban en las aguas superficiales.
A parte de la contaminacióm deliberada de las aguas superficiales, los contaminantes también pueden incorporarse al medioambiente accidentalmente, por ejemplo a través de la deposición atmosférica. De esta forma los pesticidas pueden incorporarse a las aguas superficiales fácilmente, porque son aplicados en forma de gotas o vapor. Los contaminantes presentes en el suelo pueden incorporarse a las aguas superficiales por medio de fuertes lluvias o bien infiltrarse en el suelo y entrar en las aguas superficiales a través de las aguas subterráneas.
Los efectos de los contaminantes se notan sobre todo en pequeños mares interiores y en lagos. Esto es así porque los océanos tienen un sistema natural de dilución de los contaminantes, mientras que los lagos no tienen una manera efectiva de deshacerse de ellos. Debido a esto, todo depende de la tasa de degradación y precipitación que eliminará del agua los contaminantes.

¿Cómo se transportan los contaminantes en el agua?

Los contaminantes pueden encontrarse en el agua en diferentes estados. Pueden estar disueltos o en suspensión, lo que significa que se encuentran en forma de gotas o de partículas. Los contaminantes también pueden estar disueltos en gotas o absorbidos por partículas. Todos los estados de los contaminantes pueden desplazarse grandes distancias en el agua de muchas maneras diferentes.
La materia particulada puede caer al fondo de los cauces y lagos o ascender a la superficie, dependiendo de su densidad. Esto significa que mayormente permanece en la misma posición cuando el agua no fluye deprisa. En los ríos, los contaminantes normalmente viajan grandes distancias. La distancia que viajan depende de la estabilidad y el estado físico del contaminante y de la velocidad del flujo del río. Los contaminantes viajan mayores distancias cuando están disueltos en un río de flujo rápido. Las concentraciones en un lugar son entonces generalmente bajas, pero el contaminante puede ser detectado en muchos más sitios que si no hubiera sido transportado tan fácilmente.
En lagos y océanos los contaminantes son transportados por las corrientes. Existen muchas corrientes en los océanos, que son producidas por los vientos. Esto permite a los contaminantes viajar de un continente a otro.
Normalmente confiamos en la habilidad de los océanos para reducir la concentración de los contaminantes, la así llamada “capacidad autolimpiadora” de los océanos. Pero esto no siempre funciona, porque el movimiento de las corrientes en los océanos no es uniforme. Esto hace que las aguas interiores tengan a menudo niveles de contaminación sustancialmente superiores a los del mar abierto.
Cuando los contaminantes persistentes se acumulan en peces o en pájaros no solo pueden convertirse en un peligro tóxico para las cadenas alimentarias acuáticas, sino que también pueden desplazarse grandes distancias dentro de estos animales y acabar en las cadenas alimentarias de áreas no contaminadas.

¿Qué factores determinan el movimiento y la distribución de contaminantes en el agua?

Los procesos físicos determinan al movimiento de los compuestos químicos en el agua; el movimiento depende de las propiedades de los mismos compuestos químicos y de las propiedades del agua. Estos procesos serán resumidos a continuación.

El agua es un líquido polar. Esto significa que el átomo de oxígeno en una molécula de agua atrae a los electrones de los átomos de hidrógeno, de forma que estos desarrollan cargas parciales positivas. El átomo de oxígeno crea una carga parcial negativa, gracias a la cual puede atraer átomos de otras moléculas de agua y formar puentes de hidrógeno. En los compuestos apolares, tales como hidrocarburos, casi no hay separación de carga y por lo tanto no se disuelven en agua.
El agua tiende a formar agregados en los cuales cuatro moléculas rodean a cada molécula de agua. Los cationes y aniones tienen afinidad por las partes del agua que poseen carga opuesta, de forma que los agregados del agua son alterados y los iones se disuelven. Muchas sales orgánicas y compuestos orgánicos polares son solubles en agua, pero los líquidos apolares no lo son.
A partir de esto podemos concluir que las moléculas que pueden llevar a cabo separación de cargas se pueden disolver fácilmente en agua, mientras que las moléculas que no tienen cargas no son solubles en agua.
Una consecuencia de la polaridad es el efecto hidrófobo. En el proceso de formación de los agregados con moléculas cargadas el agua excluye activamente a las sustancias apolares. Esto conduce a la formación de bicapas fosfolipídicas, que contribuyen al movimiento de los contaminantes hidrófobos a través de las membranas. El nivel de hidrofobicidad está determinado por el coeficiente de relación agua/octanol. La concentración de un compuesto en octanol se divide por la concentración en agua. Cuanto mayor sea el número que resulta de esta operación, más hidrófobo será el compuesto en cuestión.

La permanencia de un compuesto en el agua viene también determinada por su presión de vapor. Presión de vapor es la tendencia de un líquido o sólido a volatilizarse. La presión de vapor aumenta cuando se eleva la temperatura, ya que se incrementa la energía cinética de las moléculas de la superficie. Entonces más moléculas de la solución acuosa tienen tendencia a evaporarse, lo que significa que ya no están en disolución.

La división de los compuestos químicos en diferentes compartimentos ambientales (aire, agua y suelo) es otro factor importante. La tendencia al escape o “fugacidad” de una sustancia determina su movimiento de un compartimento a otro.

La estabilidad molecular es un factor que determina el tiempo que un compuesto químico permanece en el ambiente y las distancias que puede recorrer. En el medio ambiente, los procesos físicos y químicos tales como hidrólisis y oxidación, rompen los compuestos químicos. La ruptura no está solamente determinada por la estabilidad del compuesto químico, sino también por factores ambientales como temperatura, nivel de radiación solar, pH y naturaleza de la sustancia absorbente. Por ejemplo, el pH del agua determina la solubilidad en ésta de los metales. A veces no es posible la biotransformación de un compuesto por medio de su ruptura, porque puede dar lugar a un incremento de la toxicidad del compuesto.

¿Cómo responden los organismos a los contaminantes del agua?

Cuando la contaminación entra en el cuerpo de un organismo provoca una serie de cambios. Estos cambios pueden o no servir para proteger al organismo contra efectos dañinos. La primera respuesta de un organismo contra los contaminantes es la puesta en ección de un mecanismo protector. En la mayoría de los casos estos mecanismos mantienen la destoxificación de los contaminantes, pero en algunos casos producen sustancias activas que pueden causar más daño a la célula que es contaminante original.

Otra respuesta es la de reducir la disponibilidad de los contaminantes enlazándolos a otra molécula, para excretarlos o almacenarlos.

Junto con los mecanismos protectores un organismo también puede poner en acción un mecanismo que repare el daño causado por los contaminantes.

Las respuestas a la toxicidad y la absorción de los contaminantes no sólo dependen del contaminante que entre en el cuerpo de los organismos, sino también del tipo de organismo en cuestión.

¿Qué efectos generales pueden tener los contaminantes del agua en los organismos?

Los contaminantes del agua pueden tener muchos efectos diferentes en los organismos, dependiendo siempre del contaminante y del organismo en cuestión. A continuación discutiremos los efectos generales que puede tener un contaminante.

Genotoxicidad

Se sabe de muchos compuestos que causan daños en el ADN cuando entran en el cuerpo de un organismo. Estos compuestos se llaman genotoxinas, debido a su efecto genotóxico.
Normalmente, cuando los contaminantes dañan el ADN, un sistema natural de reparación en el organismo lo devolverá a su estado natural, pero cuando este sistema falla por alguna razón, las células con ADN dañado pueden dividirse. Se producen entonces células mutantes y el defecto se puede extender, haciendo que la descendencia del organismo tenga serios defectos que son a menudo muy perjudiciales para la salud.
Algunos ejemplos de genotoxinas son PAH’s, aflatoxinas y cloruro de vinilo.
En todas estas genotoxinas no es el componente original el que reacciona con el ADN, ya que éste es relativamente estable. Las reacciones son normalmente provocadas por compuestos de vida corta altamente reactivos que se producen a partir del compuesto original.

Carcinogenicidad

Existen varios contaminates carcinógenos, lo que quiere decir que inducen cáncer en el cuerpo de humanos y animales. Los contaminates carcinógenos son contaminantes que intervienen en una o más de las fases de desarrollo de cáncer en un organismo.
Los contaminantes pueden ser inductores; esto significa que introducen propiedades cancerígenas en las células de un organismo. También pueden ser promotores, lo que significa que promueven el crecimiento de células que tienen propiedades cancerígenas. Por último, pueden ser progresores, lo que significa que estimulan la división incontrolada y la propagación de las células de cancerígenas. Cuando una de estas sustancias está ausente el cáncer no puede inducirse.
Cuando las células cancerígenas son malignas, pueden propagarse por el cuerpo humano rápidamente, provocando defectos en células sanas y en mecanismos inmunitarios. Destruirán las células normales del cuerpo y causarán cáncer en órganos y sistemas.

Neurotoxicidad

El sistema nervioso de los organismos es muy sensible a los ofectos tóxicos de los compuestos químicos tanto naturales como artificiales. Los compuestos químicos que causan efectos neurológicos se llaman neurotoxinas. Algunos ejemplos de neurotoxinas peligrosas son los insecticidas.
Todas las neurotoxinas alteran la transmisión normal de impulsos nerviosos a lo largo de los nervios o a través de las sinapsis.
Las consecuencias de la neurotoxicidad son variadas. Éstas pueden ser temblores musculares no coordinados y convulsiones, disfunción de los nervios y transmisiones, mareos y depresión, o incluso total disfunción de algunas partes del cuerpo. La neurotoxicidad puede ser tan seria, que las sinspsis se bloqueen. El bloqueo de las sinapsis provoca la muerte como resultado de la parálisis de los músculos del diafragma y fallo respiratorio.

Alteración de la transferencia de energía

La transformación de la energía en los organismos se hace a través de los sistemas mitocondriales en las células. En la mitocondria s eproducen moléculas de ATP, que transfieren energía a través del cuerpo del organismo. Cuando la producción de ATP es alterada, la transferencia de energía cesará. Estó hará al organismo sentirse cansado y carente de vida e incapaz de funcionar con normalidad.

Fallo reproductor

Los contaminantes que producen fallos en la reproducción debidos al daño en los órganos reproductores se llaman alteradores endocrinos. Hay diversos maneras en las que un contaminante puede actuar como alterador endocrino. La primera es un compuesto químico estrógeno. Esto es un compuesto químico que imita a un estrógeno uniéndose al receptor del estrógeno. Esto tienen como consecuencia la inducción de procesos estrogénicos, haciendo que el organismo experimente un fallo reproductivo debido a una alteración del sistema reproductor. Un compuesto químico estrogénico también puede bloquear los efectos de los estrógenos endógenos al unirse al receptor estrogénico. Esto provoca la masculinización de los organismos hembra. También es posible encontrar compuestos químicos reproductivos femeninos en organismos macho. Esto crea organismos hermafroditas. El imposex (superposición de caracteres sexuales masculinos sobre las hembras) ha sido ampliamente constatado en organismos marinos, por ejemplo en el caracolillo multicolor o caracol púrpura (Nucella lapillus) con el tributil.
Otra serie de problemas se tienen cuando los compuestos químicos bloquean los receptores. En este caso, la acción normal de la hormona es inhibida, ya que no puede reaccionar con el receptor. Esto puede causar infertilidad cuando ocurre durante un largo periodo de tiempo.

Efectos comportamentales

Todos los comportamientos son vulnerables a ser alterados por contaminantes. Los niveles de forraje pueden disminuir, resultando en una reducción de la producción. La vulnerabilidad a los predadores puede aumentar, debido a una disminución de la vigilancia. De esta manera, los efectos de los contaminantes en el comportamiento resultan en una disminución de la producción y mayores tasas de mortalidad.
Un resultado frecuente de la contaminación es la pérdida de apetito y por lo tanto una menor ingesta de alimentos. La localización de las presas también se puede ver afectada, debido a los efectos de los contaminantes en las estrategias de aprendizaje, búsqueda y sistemas sensoriales.
Estos efectos comportamentales se traducen en menores probabilidades de supervivencia de los organismos, principalmente animales.

Una propiedad de los contaminantes que siempre debe tenerse en cuenta es su posibilidad de interactuar unos con otros. Las reacciones químicas que hacen que los compuestos químicos se combinen pueden reducir su efecto químico conjunto, pero también lo pueden aumentar, haciendo a un contaminante incluso mas peligroso para los organismos.

¿Cómo se comprueba la toxicidad de los contaminantes del agua por medio de los animales acuáticos?

La toxicidad de los compuestos químicos en el agua puede ser determinada utilizando animales como indicadores.
Los test de toxicidad con animales acuáticos se refieren principalmente a la toma directa desde el agua. Los compuestos químicos pueden estar en solución, en suspensión o ambos. Para determinar los valores de concentraciones mortales los organismos son expuestos a diferentes concentraciones. Cuando se produce algún efecto se anota el efecto y la concentración del compuesto químico. Cuando el animal de prueba muere se anota la concentración letal. Esta es la manera por la cual se determina en un laboratorio la toxicidad de un compuesto químico. Cuando a bajas concentraciones de un compuesto químico muchos de los animales de prueba mueren significa que el compuesto en cuestión es muy tóxico. Cuando sabemos cómo de tóxico es un compuesto, también sabemos los efectos de este compuesto cuando una cierta concentración se presenta en una zona.
La toxicidad de un compuesto químico para un determinado organismo acuático depende de la concentración del compuesto y del tiempo de exposición a éste. El tiempo de exposición a un compuesto durante un test de toxicidad depende de los animales de prueba que estén siendo usados. Las pulgas de agua (Daphnia sp.) son a menudo usadas para determinados test de toxicidad. Estos test normalmente duran solamente de 24 a 48 horas. Como contraste, los test de toxicidad en peces duran más, normalmente de cuatro días a una semana.
Los datos de estos test de toxicidad de compuestos químicos no solo muestran cuán tóxico es un compuesto, sino que también dan una indicación de la toxicidad de un compuesto con respecto a otros. No todos los test de toxicidad se ponen en marcha hasta llegar al punto de la muerte del animal; a veces un cambio en el comportamiento de un animal acuático es el indicador de la toxicidad de cierto compuesto. Los test de toxicidad están influenciados por las propiedades del compuesto y por las del organismo de prueba. La disponibilidad del compuesto químico para el organismo del prueba siempre es un factor importante, porque la toxicidad de un compuesto disminuye cuando no es fácilmente adquirible por el organismo de prueba.
Hoy en día los laboratorios también pueden llevar a cabo tests de toxicidad para compuestos presentes en sedimentos del agua.