Procesos biogeoquímicos - Portal de Editorial Universitaria

Transcripción

Procesos
Biogeoquímicos
Juan Reynerio Fagundo Castillo y
Patricia González Hernández
Procesos
Biogeoquímicos
Juan Reynerio Fagundo Castillo y Patricia González
Hernández
Página legal
Fagundo Castillo, Juan Reynerio
Procesos biogeoquímicos / autores: Juan Reynerio Fagundo Castillo y Patricia
González Hernández; editores: Facultad de Química, Universidad de La Habana;
Academia de Ciencias de Cuba; Cátedra Lomonosov de Química. – La Habana :
Editorial Universitaria, 2016. – e ISBN (PDF) 978-959-16-3133-6.
© Juan Reynerio Fagundo Castillo y Patricia González Hernández, 2016.
Texto de la licencia disponible en: http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/
Editorial Universitaria, 2016.
Calle 23 No. 565 e/ F y G, Vedado, La Habana, Cuba.
http://eduniv.mes.edu.cu
Teléfono: (+537) 837 4538
Prólogo: algo tan claro como el agua
La literatura científica acerca del agua es cuantiosa. Probablemente no exista otro objeto
natural tan visitado por tantos autores en la ciencia. Sin embargo. los estudiosos del agua, tal y
como está presente en todo el entorno humano, no abundan.
El presente libro es precisamente un tratado simplificado hecho por un científico tan
admirable como Juan Reynerio Fagundo y su colectivo de trabajo. Se trata de uno de esos
pocos estudiosos de casi todo lo que tiene que ver con el agua que nos sustenta, la de nuestra
vida diaria y la de nuestra ciencia, desde las cuevas cársicas cubanas hasta los polos de la
Tierra y en el libro nos dice cómo tenemos que enterarnos de ella y de sus cualidades para que
nos sirva. Además, en este libro el agua como compuesto químico es solo una parte de la
historia. Cuando aparece para nosotros se presenta con componentes disueltos que le otorgan
algunas de las cualidades que más necesitamos. Más aún, el carbono y el silicio que tan
esenciales son para la vida, serían intrascendentes si no se presentaran con el agua.
Una de las maravillas que aparecen en el trabajo científico de modelación molecular en el que
me desenvuelvo es la forma en la que se evidencian las esencias de los procesos químicos en
lo íntimo. Se hacen tan claros que sentimos alguna vergüenza de no habernos dado cuenta
antes. Hace algunos años publicamos un trabajo donde nos planteábamos la forma en la que el
agua participa en la formación de silicatos al nivel de un modelo teórico#1#. Este estudio de
un sistema casi picométrico fue una verdadera revelación. Nuestra ignorancia acerca del agua
nos había creado bases intuitivas donde ella y los silicatos eran mutuamente ajenos, y resultó
que no, que todas las formaciones de esos compuestos relacionados de silicio, absolutamente
ubicuos en la Tierra, existían gracias a que el agua y que estas son sustancias absolutamente
complementarias en el universo.
El presente libro comienza con el ciclo hidrológico. Aunque en los textos de química suele
mencionarse que el del nitrógeno y algunos otros compuestos simples ha determinado que
exista la vida en la Tierra, el del agua es absolutamente fundamental, La química del agua y
sus análisis se resumen en algunos capítulos, cosa importante para temas que merecen cada
uno de ellos una enciclopedia. Es claro que todo el resto del material con una original e
inteligente ordenación se refiera de una forma u otra a la hidrogeoquímica, que
inevitablemente pasa por los carbonatos y los silicatos.
Estos tópicos, que se exponen aquí actualizados, nos dejan pendientes y dispuestos para poder
comprender los retos actuales. El agua existía ya mucho antes que nosotros, y parece que no
había seres conscientes que intentaran conocerla. Sin embargo, si terminamos de leer y
entender este libro, estamos en condiciones para echar una ojeada a la literatura
contemporánea que nos permite darnos cuenta de que los humanos seguiremos teniendo en el
agua uno de los principales objetos de estudio mientras sigamos existiendo, y una vez que la
humanidad cumpla su ciclo y de lugar a nadie sabe que, el agua seguirá en el universo, y
quizás permita el surgimiento en alguna parte de seres mejores que nosotros.
Por ejemplo, la biogeoquímica no es aún todo lo conocida y divulgada que debería ser,
Muchas de las formaciones geológicas existentes en la actualidad y que forman parte de la
vieja clasificación de la “naturaleza inanimada” son el producto de actividad vital en
complicidad con el agua y donde la energía se obtenía de reacciones químicas y no del sol.
También la formación de clastros de agua que atrapa el metano de origen biológico y mineral
en el océano era desconocida hasta no hace mucho. Son trozos de un hielo especial que arde y
que tienen una relación aproximada de una molécula de metano por cinco de agua.#2# Se
estabilizan y duran cientos de millones de años en los fondos de los océanos, a muy alta
presión. ¿Nos hemos preguntado lo que ocurriría con nuestra atmósfera y clima si el agua
dejara de atrapar ese metano y lo dejara pasar a la atmósfera?
Otro gran problema es el del uso del agua para que los seres humanos vivan. Las tierras
superpobladas como la de grandes y pequeños países tienen y seguirán teniendo que
aprovechar bien el agua para seguir existiendo o lograr un destino mejor para su población.
No es el caso de China, el país más poblado del mundo que nos viene a la mente, el más
crítico. Ellos tienen un gran territorio, aunque una parte importante sea desértica. Sin
embargo, China y Cuba no se diferencian mucho en densidad de población, pues los asiáticos
tienen 140 habitantes por Km2 y Cuba tiene 1023. Los casos de la India (368), Corea del Sur
(487), Taiwan (639) y sobre todo Bangladés (964) son dramáticos. Si no administran el agua y
la conocen bien, no tienen futuro, simplemente.
El otro importante reto que deseo delinear es el del agua como intermediario en las nuevas
fuentes de energía, alternativas a los combustibles fósiles. Nos referiremos a dos casos
aparecidos recientemente en la literatura.
Uno de ellos demuestra una corriente en estudio hace mucho. Una simple reflexión acerca del
aprovechamiento de la energía solar nos indica que su “cosecha” o “recolección” es solo una
primera etapa. Las plantas naturales aprovechan la energía en fotosíntesis por el día, cuando
hay sol, y cuando este se oculta terminan las reacciones y expelen el O2 y otros componentes
al ambiente. Así se seleccionaron en los miles de millones de años de existencia, de días
llenos de energía solar y noches sin ella. ¿Y qué hacemos nosotros con la energía solar que
recolectemos en una celda cuando el sol no esté brillando por cualquier razón, que son
momentos en que mucho la necesitamos para alumbrarnos? Hay infinidad de medios
propuestos para almacenar energía que permita su utilización, aunque todos nos hacen pagar
un tributo en pérdidas. Uno de los verdaderamente prometedores es el de convertir el agua,
tan barata y ubicua, en H2 y O2 durante el día, por muchos medios, y “quemar” el H2 después
y cuando haga falta.#4# Esto no está exento de dificultades pero pondría un tanto más al agua
como protagonista en nuestras vidas.
Lo otro es aún una curiosidad científica y no se sabe si tiene futuro tecnológico viable,
Resulta que en determinadas condiciones de catálisis en presencia de luz solar, se podría
convertir agua y CO2 atmosférico en hidrocarburos como el metano.#5# Si este logro, que ha
sido bien publicado, llegara a ser una realidad tecnológica comercial, no serían necesarias
transformaciones importantes en la producción de los bienes consumidores de energía del
futuro pues se continuarían quemando hidrocarburos y además se recuperaría el carbono
“quemado” igual que lo han hecho las plantas desde que existen.
El agua con su transparencia nos muestra lo que tenemos que hacer: estudiarla y seguir
aprovechándola en el futuro, evitando dañar sus equilibrios naturales. El presente libro nos
sigue abriendo esos caminos.
Prof. Titular Dr. C. Luis A. Montero-Cabrera. Teléfono: (+537) 878 1263
Laboratorio de Química Computacional y Teórica
Facultad de Química. Email: [email protected]
Universidad de La Habana.: http://karin.fq.uh.cu
La Habana 10400. Cuba: http://twitter.com/imtvi06
20 de Junio de 2016
Referencias
1. Montero-Cabrera. L. A.; Perez-Badell. Y.; Mora-Fonz. M. J.. An Approach to Hydration of
Model Silica Materials by Exploring Their Multiple Minima Hypersurfaces. The Role of
Entropy of Association. J. Phys. Chem. A 2008.112 (13). 2880-2887.
2. Hoffmann. R.. Old Gas. New Gas. American Scientist 2006.94 (1). 16-18.
3. List of sovereign states and dependent territories by population density.
http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_sovereign_states_and_dependent_territories_by_popu
lation_density (accessed 25/12/2011).
4. Walter. M. G.; Warren. E. L.; McKone. J. R.; Boettcher. S. W.; Mi. Q.; Santori. E. A.;
Lewis. N. S.. Solar Water Splitting Cells. Chem. Revs. 2010.110 (11). 6446-6473.
5. Varghese. O. K.; Paulose. M.; LaTempa. T. J.; Grimes. C. A.. High-Rate Solar
Photocatalytic Conversion of CO2 and Water Vapor to Hydrocarbon Fuels. Nano Letters
2009.9 (2). 731-737.
Introducción
La humanidad se enfrenta hoy a un gran problema, la población crece a un ritmo acelerado y
para su desarrollo requiere de recursos de aguas superficiales y subterráneas, cada vez más
escasos y de peor calidad. Si bien el ciclo hidrológico se cumple desde el punto de vista
cuantitativo a nivel planetario, el mismo no se cumple a nivel local y la distribución del agua
con óptima calidad para los diferentes usos es desigual. Al ritmo de crecimiento actual de la
población en el mundo, en muchos países los recursos hídricos no satisfacen ya la demanda y
se acepta como un hecho que las futuras guerras no serán por el petróleo, sino por el agua.
En muchos países hoy día se sobreexplotan las cuencas subterráneas para satisfacer las
necesidades abasto a la población y de la agricultura, con la consiguiente abatimiento de los
niveles freáticos y el deterioro de la calidad del agua. En Europa, México y otros países de
América, se reportan descensos de niveles del orden de 100,0 metros, lo que ha dado lugar a
que el agua extraída en los pozos contenga elementos tóxicos como el arsénico y el flúor, cada
vez en mayor cantidad, debido a la mezcla del agua somera con la procedente del flujo
regional, rico en esos componentes. Otro problema relacionado con el agua se vincula a la
contaminación ambiental por metales pesados, plaguicidas, elementos radiactivos y otros
componentes tóxicos debido a la actividad humana; así como el incremento de las
enfermedades de origen hídrico por bacteria patógenas.
Cuba no está exenta de estas dificultades, a pesar de las medidas tomadas por la Revolución
mediante la política de la Voluntad Hidráulica. Si bien una parte considerable de los recursos
hídricos del país se almacenan en numerosas presas, su volumen merma durante los períodos
secos, cada vez más prolongados en los últimos años, y el agua subterránea que en su mayor
parte se almacena en acuíferos cársicos conectados hidráulicamente con el mar, están sujetos a
la intrusión marina, lo cual incrementa su contenido salino y de dureza.
Precisamente, el poco conocimiento que existe por parte de la población, decidores e incluso
algunos profesionales y técnicos relacionados con los recursos hídricos, sobre la naturaleza
del medio geológico de Cuba y su relación con el agua que lo drena; así como la conexión
hidráulica entre el agua que se infiltra tierra adentro y descarga en el mar, unido esto en
ocasiones a la pobre cultura ambiental, determina que no se haga siempre un manejo correcto
de este recurso, que en ocasiones no se logren buenos rendimientos en la agricultura y que se
afecte incluso la plataforma marina. Entre los principales problemas relacionados con la
calidad del agua en cuba se pueden citar los siguientes:
•
Aumento del contenido de cloruro de sodio del agua debido a la intrusión marina de
los acuíferos costeros, lo que trae como consecuencia disminución de los rendimientos
agrícolas al encontrarse la planta sometida a un estrés salino, salinidad de los suelos e
incremento de enfermedades cardíacas de la población que consume esta agua. Este
efecto de tipo natural se ha incrementado por la sobreexplotación de los acuíferos
costeros, y tiende a ser mayor su impacto en el futuro como consecuencia del cambio
climático, que producirá un aumento del nivel del mar y la mayor penetración del agua
marina en el territorio.
•
Aumento de la intensidad de la denudación o corrosión química en los terrenos
cársicos (que en cuba constituyen el 65,0 % del territorio), lo cual trae como resultado
el incremento de la cavernosidad que origina desplomes de las construcciones e
instalaciones industriales. en las llanuras cársicas de la región occidental y central de
Cuba se ha producido un notable aumentos de la erosión, originándose un mayor
desarrollo de las dolinas y cavernas, y pérdidas de suelo, como consecuencia del
aumento del dióxido de carbono (CO2) por malas prácticas agrícolas. En algunas
industrias azucareras, citrícolas y de producción de ron, la disposición inadecuada de
los residuales orgánicos biodegradables ha generado un aumento de contenido de
CO2, H2S y metano en los acuíferos, dando lugar no solo al aumento de la
cavernosidad y desplomes, sino también a incendios en la propia industria.
•
Aumento de la dureza del agua, especialmente en áreas cársicas cercanas a la costa,
Debido a los cambios de presión y escape de CO 2 en las conductoras se producen
depósitos de carbonatos que obstruyen estos conductos, siendo necesario
reemplazarlos con frecuencia, lo que significa grandes inversiones financieras. Este
efecto es crítico en las zonas cársicas costeras, ya que como consecuencia del
incremento del contenido de cloruro de sodio en el agua, se produce, por efecto salino,
una mayor disolución de carbonatos y por ende, de la dureza del agua, lo cual afecta
no solo los suelos, que se hacen más compactos y menos productivos, sino también a
la salud de las personas que consumen el agua dura, debido riesgo de producción de
cálculos en los riñones,en los humedales contiguos a los terrenos cársicos litorales,
además del aumento de CaCO3 por efecto salino, se originan aportes adicionales de
CO2 como resultado de procesos biogeoquímicos (catalizados por bacterias
anaeróbicas) de reducción anaeróbica del sulfato marino que penetra en el acuífero.
•
Aumento de los contaminantes en la plataforma marina, procedentes del territorio
insular, Ello trae por consecuencia un fuerte impacto en el ecosistema, la migración de
las especies marinas y una disminución de la productividad pesquera y de mariscos.
•
Aumento de la población microbiológica patógena (bacterias y parásitos), dando lugar
a la aparición de enfermedades de origen hídrico. Esto se evita con la cloración del
agua, aunque en ocasiones difícil de de controlar.
•
Contaminación del agua por metales pesados y otros componentes tóxicos de la
industria y los basureros. Este impacto especialmente en la salud es bien conocido y se
puede atenuar, mediante el tratamiento adecuado de los residuos sólidos y líquidos
industriales y una correcta política ubicación de las instalaciones, evitando su
ubicación en las zonas de recarga de los acuíferos y la creación de las correspondientes
zonas de protección sanitarias.
•
Contaminación del agua por nitratos, plaguicidas y otros componentes debido a malas
prácticas agrícolas. El uso excesivo de fertilizantes y plaguicidas provoca un aumento
del contenido de estos componentes tóxicos en el agua subterránea, con grandes
afectaciones a la salud. Este impacto se ha reducido en los últimos años en el país
debido a la falta de recursos como consecuencia del bloqueo de los Estados Unidos y
mediante la aplicación adecuada de fertilizantes orgánicos.
•
Contaminación, a causa del impacto del turismo, la industria minera y el derrame de
hidrocarburos.
•
Eutrofización en lagos y embalses con producción de mal olor en los embalses, debido
al aumento de especies acuáticas como consecuencia de exceso de nutrientes (sulfato,
fosfato y otros) procedentes de residuos orgánicos. Ello da lugar a una gran mortalidad
de peces por asfixia y a la disminución del espejo de agua, ya que dichas plantas
acuáticas generan un intenso proceso de evapotranspiración.
•
Incremento de sólidos orgánicos suspendidos y sedimentables en corrientes
superficiales.
•
Aumento del contenido de sales disueltas provocado por aportes salinos de residuales
industriales
•
Aumento del contenido de sales disueltas como resultado de la extracción de agua a
mayor profundidad, debido a la escasez del recurso en épocas prolongadas de sequía y
las pérdidas por el mal estado de la red de conducción (en ocasiones del orden del 50,0
% o más).
•
Escaso e inadecuado sistema de monitoreo de la calidad del agua. A pesar que el país
cuanta con una red de calidad de las aguas utilizadas para el abasto de la población y
la agricultura, los métodos disponibles y la periodicidad del muestreo no son todo lo
eficiente que debían ser debido a los limitados recursos conque se cuenta.
•
Disminución de la disponibilidad de aguas minerales naturales (utilizadas como agua
natural embotellada) y aguas mineromedicinales (de uso terapéutico), debido a la
contaminación de los yacimientos y pérdidas de la concesión minera; así como a la
insuficiente inversión para rescatar las instalaciones en desuso por su deterioro.
•
Muchos de estos problemas son objeto de estudio de la Hidrogeoquímica, como rama
de la Geoquímica.
La Geoquímica es una disciplina de la ciencia que, de acuerdo a sus pioneros (Fersman, 1922;
Goldschmidt,1923; Vernadski, 1924; Clark,1924), estudia la composición química de la
Tierra, sus cambios en el espacio, a través del tiempo geológico y en el presente, así como las
leyes que determinan dichos cambios. Esta disciplina se nutre fundamentalmente de los
conocimientos de la Química del Agua y la Hidrogeología, y se relaciona con la Geografía, la
Geología, la Oceanología, la Biología, la Ecología y la Medicina. A partir de la misma han
surgido otras ciencias interdisciplinarias y denimunacuines, tales como la Geoquímica de los
Paisajes, Geoquímica de las Ciudades, Geoquímica Ambiental, Geoquímica Médica,
Hidrogeoquímica, Hidrogeología Química, Hidrogeología químico-Física, Química
Ambiental, Limnología, Biogeoquímica, Hidrología médica, entre otras.
La Hidrogeología Química constituye un sistema de ciencias interdisciplinarias que estudia
los procesos químicos, físicos y biológicos, y las reacciones que gobiernan la composición de
los componentes del ambiente natural de la hidrosfera, en estrecha relación con la biosfera, la
pedosfera, la atmósfera y la litosfera, y el ciclo de materia y energía que transportan los
compuestos químicos de la Tierra en el tiempo y el espacio. Cuando toma en cuenta la
actividad del hombre, se denomina Hidrogeoquímica Ambiental
Los conocimientos de la Hidrogeoquímica y la Hidrogeología Química han encontrado amplia
aplicación en diferentes ámbitos, entre otros, los siguientes: evaluación de la calidad del agua
y su relación con la actividad del hombre, caracterización hidrogeoquímica de cuencas
superficiales y subterráneas, caracterización hidrogeoquímica de yacimientos de aguas
minerales y peloides (fangos medicinales), modelación de procesos naturales mediante
sistemas informáticos, simulación en el laboratorio de los procesos de interacción agua-roca,
determinación cuantitativa de la intensidad de denudación química en el carso, procesos
geoquímicos que acompañan la intrusión marina, procesos geoquímicos que originan la
composición química del agua, procesos de acidificación del suelo y el agua, efectos del agua
como nutriente y como fármaco, procesos de eutrofización en aguas superficiales, procesos
biogeoquímicos, especialmente en condiciones extremófilas, medio de cultivo de microalgas,
formulación de productos a base de aguas y fangos medicinales (peloides) de acción
terapéutica, cambio climático, etc.
Tabla de Contenido
Procesos Biogeoquímicos...................................................................................................................1
Página legal.........................................................................................................................................2
Tabla de Contenido.............................................................................................................................9
1.- Simulación en el laboratorio del proceso biogeoquímico de carsificación.............................12
Resumen....................................................................................................................................12
Abstract.....................................................................................................................................12
Introducción..............................................................................................................................12
Materiales y métodos................................................................................................................13
Resultados y discusión..............................................................................................................13
Conclusiones.............................................................................................................................24
2.- Procesos de oxidación-reducción...............................................................................................25
Resumen....................................................................................................................................25
Abstract.....................................................................................................................................25
Conclusiones.............................................................................................................................32
3.- Procesos biogeoquímicos en sistemas hidrotermales, lagos salinos y salinas costeras..........34
Resumen....................................................................................................................................34
Abstract.....................................................................................................................................34
Introducción..............................................................................................................................34
Resultados y Discusión.............................................................................................................35
Conclusiones.............................................................................................................................40
4.- Procesos biogeoquímicos y su papel en el origen de la composición química del agua y los
sedimentos.....................................................................................................................................41
Resumen....................................................................................................................................41
Abstract.....................................................................................................................................41
Introducción..............................................................................................................................41
Conclusiones.............................................................................................................................55
5.- Cinética de la pérdida de concentrion de agua mineromedicinal de tipo sulfurada sódica de
Elguea............................................................................................................................................57
Resumen....................................................................................................................................57
Abstract.....................................................................................................................................57
9
Introduccion..............................................................................................................................57
Materiales y metodos................................................................................................................58
Metodolgia................................................................................................................................58
Resultados y discusion..............................................................................................................58
Conclusiones.............................................................................................................................62
Consideraciones........................................................................................................................62
6.- Ocurrencia de procesos biogeoquímicos en medio acuático en condiciones extremas:
ánalisis prospectivo de su utilización con fines económicos.....................................................63
Resumen....................................................................................................................................63
Abstract.....................................................................................................................................64
Introducción..............................................................................................................................64
Conclusiones.............................................................................................................................75
7.- Procesos antropocársicos: peligro que representan para la población cubana en el
escenerio del cambio climático....................................................................................................76
Resumen....................................................................................................................................76
Abstract.....................................................................................................................................76
Introduccion..............................................................................................................................77
Denudación química en condiciones naturales.........................................................................78
Contenido de CO2 en el suelo...................................................................................................80
8.- Composición química y calidad del agua: origen, deterioro, monitoreo................................85
Resumen....................................................................................................................................85
Abstract.....................................................................................................................................85
Introducción..............................................................................................................................85
Conclusiones...........................................................................................................................114
9.- Peloides de la laguna de Guatraché (La Pampa, Argentina) y la Salina Bidos (Matanzas,
Cuba), enriquecidos con aguas mineromedicinales, para la formulación de cosméticos
ecológicos de acción terapéutica...............................................................................................115
Resumen..................................................................................................................................115
Abstract...................................................................................................................................115
Introducción............................................................................................................................115
Materiales y métodos..............................................................................................................116
Resultados y discusión............................................................................................................116
Consideraciones finales...........................................................................................................123
Conclusiones...........................................................................................................................126
10.- Sustancias lípídicas (vitaminas y caroteno) en el peloide de San Diego de los Baños, Pinar
del Río, Cuba..............................................................................................................................127
Resumen..................................................................................................................................127
Abstract...................................................................................................................................127
Introducción............................................................................................................................128
Resultados y Discusión...........................................................................................................129
11.- Cinética de desmineralización de exosqueletos de langosta con disoluciones de CO2 y una
cationita para la obtención de quitina.....................................................................................132
Resumen..................................................................................................................................132
Abstract...................................................................................................................................132
10
Introduccion............................................................................................................................133
12.- Peloides.....................................................................................................................................138
Resumen..................................................................................................................................138
Abstract...................................................................................................................................138
Introdución..............................................................................................................................139
Materiale y métodos................................................................................................................140
Conclusiones...........................................................................................................................145
13.- Empleo de indices geoquímicos en el establecimiento del monitoreo de cultivos de
microalgas...................................................................................................................................146
Resumen..................................................................................................................................146
Abstract...................................................................................................................................146
Introduccion............................................................................................................................146
Materiales y metodos..............................................................................................................147
Resultados y discusion............................................................................................................148
Conclusiones...........................................................................................................................151
14.- Control de la producción de algas a partir de mediciones de pH, conductividad eléctrica y
otros indicadores........................................................................................................................152
Resumen..................................................................................................................................152
Abstract...................................................................................................................................152
Introducción............................................................................................................................152
Conclusiones...........................................................................................................................155
15.- Ocurrencia de aguas naturales y minerales para el cultivo de microalgas........................156
Resumen..................................................................................................................................156
Abstract...................................................................................................................................156
Introdución..............................................................................................................................157
Conclusiones...........................................................................................................................162
Bibliografía recomendada..............................................................................................................164
Bibliografía citada..........................................................................................................................218
Datos de los autores........................................................................................................................223
11
1.- Simulación en el laboratorio del proceso
biogeoquímico de carsificación
Juan Reynerio Fagundo Castillo, Patricia González Hernández, Margaret Suárez Muñoz, Centro
Nacional de Medicina Natural y Tradicional.
Resumen
Se presentan los resultados de la simulación en el laboratorio y en el campo de procesos
biogeoquímicos de interacción agua-roca, con la participación en estos últimos de bacterias
saprofíticas y microalgas. Los experimentos de disolución de carbonatos, efectuados en condicione
de sistema abierto y cerrado respecto al CO 2 simulan los procesos reales que tienen lugar en
similares condiciones en el medio acuático.
Los experimentos cinéticos muestran el papel rector del CO 2 y del contenido de cloruro en la
factibilidad de este proceso de carsificación. En los carsos litorales, los efectos salino o de fuerza
iónica y de mezcla con agua de mar también juegan un papel importante. Se demuestra que en los
terrenos costeros carbonatados en contacto hidráulico con humedales o donde se vierten residuales
orgánicos biodegradables se producen los procesos de carsificación más intensos.
Palabras claves: simulación del proceso biogeoquímico de carsificación, interacción aguaroca,experimentos cinéticos.
Abstract
The results of the simulation in the laboratory and in the field of biogeochemical processes of
interaction the water, with the participation in these last of saprophytic bacteria and microalgae is
shown. The experiments of dissolution of carbonates, made in prepare of open system closed in
relation to the CO2 the real processes simulate that conditions in the aquatic midway have place in
matches.
The kinetic experiments evidence the ruling role of the CO 2 and of the content of chloride in the
feasibility of this process of karstification. In the karstic coastal, the effects saline or of ionic and
mixture force with sea water also play an important part. It is demonstrated that in the coastal lots
carbonated in hydraulic contact with wetlands or where they translate residual organic
biodegradable the intensifier processes of karstification take place.
Keywords: Simulation of the process biogeoquímico of carsification, interaction spoils old, kinetic
experiments.
Introducción
Un proceso biogeoquímico muy común en los terrenos constituidos por carbonatados y otras rocas
solubles, es la formación de formas corrosivas que originan un karst o carso. Entre estas formas se
destacan algunas formas exocársicas, tales como lapies o diente de perro, dolinas, poljes, uvalas, y
formas endocársicas, tales como grutas, cavernas, sistemas cavernario, que en su conjunto van
evolucionando en el transcurso del tiempo geológico hacia la total disolución de los carbonatos,
dejando en el terreno sólo algunos relictos de materiales insolubles constituidos por silicatos
(Molerio, Fagundo et al, 2004).
El proceso tiene lugar por acción del dióxido de carbono producido al descomponerse la materia
12
orgánica en el suelo por acción de las bacterias aeróbicas. El agua de las precipitaciones, en su paso
por el suelo que cubre los macizos cársico, adquiere ese gas y origina espectaculares procesos de
denudación química, como los que se exhiben en el Valle de Viñales en Pinar del Río. En las
regiones cársicas costeras, especialmente aquellas que se encuentran contiguas a un humedal, se
producen procesos biogeoquímicos catalizados por bacterias anaeróbicas que generan CO 2 diferente
al al adquirido por el agua en el suelo, el cual contribuye a un desarrollo intenso del sistema cársico
(Fagundo et al, 2002).
El objetivo de este trabajo es mostrar los principios de los procesos biogeoquímicos, ilustrar su
ocurrencia en la naturaleza a través de algunos ejemplos y simular los mismos en el laboratorio
mediante experimentos de interacción agua-roca.
Materiales y métodos
Las mediciones de los diferentes parámetros físico-químicos se realizaron con un pHmetro y
medidor de temperatura y potencial redox (Eh), modelo HI-8424 (HANNA) y un conductímetro
ORISON 524 con 100 m de cable. Los macro constituyentes iones se determinaron por métodos
volumétricos, siguiendo las recomendaciones del “Standard Methods for the Examination of Waste
water” (APHA; AWWA; WPCF; 1992).
En los experimentos de simulación de los procesos de interacción agua roca se utilizó un reactor
tipo batch de teflón, con una capacidad de 3,5 litros, con un agitador eléctrico a una velocidad de
500,0 rpm, y electrodos de pH y conductividad eléctrica. El CO 2 fue suministrado de forma
continua (sistema abierto respecto al CO2) y mediante un tiempo dosificado (sistema cerrado
respecto al CO2).
Los datos hidroquímicos fueron procesados mediante el sistema informático SIMUCIN (Alvarez y
Fagundo, 1995), basado en el modelo cinético experimental. Los datos hidroquímicos de los
estudios de campo fueron procesados por sistemas informáticos elaborados por el colectivo
Resultados y discusión
Resultados de los experimentos cinéticos de la disolución de carbonatos
En las investigaciones realizadas en el laboratorio por el colectivo cubano (Fagundo et. al, 1996;
Álvarez et al, 1996; González et. al, 2001; Fagundo y González, 2005), con el objetivo de
esclarecer el modo en que las aguas naturales adquiere su composición química, se simuló el
proceso completo de disolución de la calcita y la dolomita, tanto en condiciones de sistema abierto
como cerrado con respecto al CO2:
CO2 + H2O + CaCO3= Ca2+ + 2 HCO3- (1)
Calcita
2 CO2 + 2 H2O + CaMg(CO3)2 = Ca2+ + Mg2+ + 4 H CO32- (2)
Dolomita
Este proceso puede ser expresado mediante una ecuación cinética deducida a partir de:
(3)
13
Donde:
es la velocidad de reacción; k: la constante de velocidad; las concentraciones de
2+
Ca ,
Mg2+ (calizas dolomitizadas y dolomitas), y HCO3- en el equilibrio químico; y C es
la concentración de esos iones en el tiempo t. Despejando C e integrando la expresión (3), se
obtiene la ecuación que expresa la variación de la concentración iónica en el tiempo:
C = Ceq (1 -e-kt ) (4), (Figura 1.1).
Figura 1.1: Variación en el tiempo de las concentraciones de CO 2, HCO3-, Ca2+ y Mg2+, del pH y
la conductividad eléctrica del fichero Cinet17.
En los trabajos de simulación del proceso de interacción agua-roca en el laboratorio, en las
condiciones experimentales realizadas, quedó demostrado que esta expresión (4) es en realidad de
pseudo primer orden (Fagundo, 1996; Alvarez et al, 1996):
C = Ceq (1 -e-ktn ) (4 a)
Donde n, es un coeficiente experimental que toma valores entre 0,0 y 1,0.
Con el objetivo de evaluar este efecto se modelaron procesos de interacción agua-carbonato, tanto
en condiciones de sistema abierto como cerrado respecto al CO2, cuyos resultados se muestran en la
tabla 1.1 utilizando 7,0 mg de caliza. Como puede apreciarse, las mayores concentraciones de
dureza se obtienen utilizando dosis más elevadas de CO2 (condiciones de sistema abierto respecto al
CO2).
14
Tabla 1.1. Efecto del CO2 disponible en la disolución de los carbonatos. Experimentos en condiciones de sistemas abierto y cerrado respecto al CO2 (cantidad de roca: 7 mg).
Sistema con
T (oC)
respecto al CO2
Dosis
CO2
(min)
pCO2
max
(bar)
CINET 9
Abierto
26,5
CINET 15
Abierto
25,0
CINET 18
Cerrado
29,0
Continu
o
Continu
o,
20,0
CINET 6
Cerrado
25,5
10,0
Experimento
pCO2 eq
(bar)
CO2 eq
CaCO3
(mg.L-1)
(mg.L-1)
10-0,4
CO2
max
(mg.L-1)
16683
10-1,0
3250,0
605
10-1,2
3060
10-1,5
1451,0
548
10-1,3
2221
10-2,5
141,0
382
10-1.5
1474
10-2.7
95,0
381
Tipo de roca: caliza CNIC (Fm. Jaimanita del Mioceno); cantidad de roca: 7,0 mg; temperatura
entre 25,0 y 29.0oC; velocidad de agitación: 500 rpm; flujo de CO2: 10,0 p3..h-1; volumen del
reactor: 3,5 L.
Concentraciones de carbonato de calcio en acuíferos cársicos, comparación con
los resultados de los experimentos cinéticos
En la tabla 1.2 se muestran las concentraciones en mg.L -1 de CaCO3 disuelto de algunas fuentes
cársicas (pozos y manantiales) en el país, con el objetivo de comparar sus magnitudes con las
alcanzadas en los experimentos cinéticos que aparece en la tabla 1.1.
Tabla 1.2. Dureza de algunas fuentes cársicas de Cuba.
Fuente
N1
Surgencia Ancón
38
Manantial Mil Cumbres
18
Manantial Bataldó
30
Pozo El Gato
7
Pozos Aguacate
23
Pozo Padirac
10
Pozo Rancherita
4
CaCO3 (mg.L-1)
Tipo de fuente
Ubicación
Surgenica cársica zona
de montaña
Manantial zona de
montaña
Manantial zona de
montaña
Pozo en llanura cársica
cerrada
cerrada
costera
costera
Sierra del Rosario
167
Sierra del Rosario
237
Meseta del Guaso
184
Cuenca Jaruco
321
Cuenca Aguacate
263
Cuenca Sur de La
Habana
Cuenca Sur de La
Habana
277
321
Como puede apreciase en la tabla 1.1, el contenido de CaCO 3 en estas aguas (167-321 mg.L-1), es
en ocasiones algo menor que el obtenido en los experimentos de disolución de carbonatos en
condiciones de sistema cerrado respecto al CO 2, utilizando 7,- g de roca y una agitación de 500,0
rpm (285,0-424,0 mg.L-1). Las mayores concentraciones obtenidas en el laboratorio pudieran
deberse a que se utilizó una dosis de CO 2 inicial y una velocidad de agitación algo superior a la que
1
N: número de datos.
15
se produce en los flujos naturales, cuestión esta a tomar en consideración en futuros experimentos
de simulación a nivel de laboratorio, con el objetivo de lograr resultados más semejantes a los que
se obtienen en el medio natural.
A continuación se presentan los resultados de experimentos cinéticos llevados a cabo en el
laboratorio con el objetivo de evaluar los efectos salino, de mezcla de aguas y de vertido de
residuales orgánicos en los terrenos cársicos costeros y su comparación con determinaciones
realizadas en el medio natural.
La presencia de iones comunes a los sistemas CO2-H2O-CaCO3 y CO2-H2O-MgCO3, tiende
disminuir la solubilidad de los carbonatos por efecto del ion común, mientras que la presencia de
iones ajenos a dichos sistemas tiende a aumentar la solubilidad debido al efecto salino o de fuerza
iónica (Fagundo, 1996).
El término corrosión por efecto de mezcla de agua se ha utilizado ampliamente por geomorfólogos
y carsólogos (Bögli, 1971) para explicar algunos fenómenos de disolución en las rocas por aguas
naturales, que desde el punto de vista de la teoría de los equilibrios de los carbonatos, se encuentran
saturadas. Según este principio, un agua que ha alcanzado la saturación puede hacerse de nuevo
agresiva si se mezcla con otra que se encuentra también saturada y posee un contenido de Ca 2+o
pCO2 distintos, en ese caso el agua resultante es capaz de disolver una cantidad adicional del
mineral carbonatado. Por el contrario, mediante el efecto de mezcla se demuestra también que dos
aguas agresivas al unirse pueden originar un agua sobresaturada.
Algunos especialistas estudiaron el comportamiento de mezclas en distintas proporciones de agua
dulce con agua de mar, demostrando que algunas de estas mezclas originaban aguas agresivas
(Plummer, 1975). Si bien ciertas proporciones puede originar insaturación, otras por el contrario dan
lugar a aguas sobre saturadas, especialmente cuando están presentes iones Mg2+ y SO42+. Estos
trabajos de simulación química sirven de base para explicar el intenso desarrollo de cavidades
cársicas observado por algunos investigadores en áreas cársicas costeras (Plummer, 1975; Wigley et
al, 1976).
En la zona de dispersión o de mezcla agua dulce-agua de mar se pone en contacto dos fases
químico-físicas muy diferentes en cuanto a su composición química, mineralización, densidad, pH,
temperatura y contenido de gases disueltos. En dependencia del grado de mezcla, la litología del
acuífero y otras condiciones específicas, se producirán interacciones más o menos intensas y
complejas, las cuales producen cambios en la permeabilidad de las rocas, así como en la
geomorfología de la región. En este tipo de acuífero existe un equilibrio dinámico entre el agua
dulce que drena al mar a través de los conductos cársicos y el agua marina que penetra en el
acuífero por los mismos conductos, con mayor extensión en los períodos secos, así como de mayor
explotación del acuífero para el abasto a la población o la agricultura, en los cuales la presión
hidrostática se deprime. En los períodos lluviosos y de menor explotación la presión hidrostática es
mayor y se limita la entrada del agua marina.
Como resultado de la mezcla de agua procedente del medio subterráneo y del mar, en ocasiones se
origina un agua de tipo agresiva que es capaz de disolver los carbonatos, ampliando los conductos
cársicos.
Los estudios más completos sobre este tipo de proceso de mezcla se han realizado en las regiones
cársicas costeras de Yucatán y La Florida (Back and Hanshaw, 1971). Con posterioridad, en estos
lugares se han llevado a cabo algunos estudios geoquímicos en relación con los mecanismos de
interacción de las aguas subterráneas con las calizas en condiciones de mezcla (Back et al, 1986).
En las zonas costeras europeas, especialmente en la península ibérica, se reportan también algunos
trabajos recientes sobre los procesos de mezcla agua dulce-agua de mar en el carso (Herman et al,
16
1986; Pulido Bosch, 1989), donde se analiza además el efecto que ejerce en estos procesos el
problema de la sobreexplotación (Pulido Bosch, 1989; Calvache y Pulido Bosch, 1993; Custodio,
1989).
Los estudios con muestras tomadas por batimetría en el acuífero cársico litoral de la llanura
meridional de Pinar del Río, demostraron que, por lo general, a medida que aumenta la profundidad
del pozo, las aguas se van haciendo cada vez más saturadas hasta alcanzar un máximo, a partir del
cual evolucionan hacia la insaturación o una menor saturación (Arellano y Fagundo, 1985).
Analizando series cronológicas de más de diez años, correspondientes a acuíferos cársicos litorales
de Cuba sometidos a condiciones de sobre-explotación, se ha encontrado en ocasiones, tendencia a
un incremento de la mineralización a pesar de mantenerse las aguas insaturadas con relación a la
calcita. Algunos de estos procesos se han hecho irreversibles como consecuencia de una mayor
permeabilidad en el acuífero debido a la disolución acelerada por vertimiento de residuales y efecto
de fuerza iónica (Fagundo y González, 1999).
La acción del hombre en los terrenos carbonatados costeros puede producir, por vertido de
residuales agroindustriales con altos contenidos de CO 2,un deterioro adicional de la calidad del
agua, (alto contenido de cloruros y mayor dureza) y una mayor corrosión química del terreno
(Fagundo y Arellano, 1991; Fagundo y González, 1999), ya que en ese medio, las aguas actuarán
controladas por tres efectos, además del de la interacción agua-roca en presencia de un determinado
contenido de CO2 (disolución en condiciones de sistema cerrado o mixto). Estos son el denominado
efecto salino (o de fuerza iónica), el efecto de mezcla de aguas y el efecto de la biodegradación de
la materia orgánica, (disolución en condiciones de sistema abierto respecto al CO2).
El efecto de la intrusión marina y del vertido de un residual orgánico en un acuífero cársico puede
simularse en el laboratorio mediante experimentos de interacción agua – roca, haciendo reaccionar
en un reactor, CO2 de manera continua con calizas procedentes del acuíferoy agua de mar en
determinadas proporciones (condiciones de sistema abierto y de mezcla con agua marina).
Comparando los resultados de los experimentos CINET 6, 15 y 9 (Tabla 1.2b), se demuestra que las
concentraciones de CaCO3 alanzadas en esos experimentos crecen casi el doble, desde 381 hasta
605 mg.L-1, al aumentar la presión de CO2 inicial desde 10-1.7 (CINET 6) hasta 10-1.4 atm (CINET
9). Con una p CO2 intermedia (10-1.2 atm), también se obtiene una dureza intermedia (548 mg/l).
Mediante experimentos de laboratorio en condiciones de sistema cerrado respecto al CO 2 se puede
estimar que, sólo por efecto salino o de fuerza iónica, se produce también casi el doble de la
disolución CaCO3 en el agua al variar el porcentaje de mezcla desde 0,0 a 10,0 %; esto es, de 240
mg/l a 402 mg/l (tabla 1.3).
Tabla 1.3. Simulación química en el laboratorio de los procesos de interacción agua-roca
(carbonato) en condiciones de sistema cerrado respecto al CO 2 y de mezcla con agua de
mar.
Experimento
CINET M
CINET T
CINET N
CINET S
CINET R
% Mezcla
0,0
0,5
1,0
2,0
3,0
17
CaCO3 (mg.L=1)
246
436
436
367
394
Experimento
CINET P
% Mezcla
10,0
CaCO3 (mg.L=1)
402
Sin embargo, cuando se combinan el efecto salino con el de adición de CO 2, se obtienen entonces
elevadas concentraciones de carbonato de calcio disuelto. Así, en condiciones de sistema abierto
respecto al CO2, simulando el efecto del vertido de un residual orgánico biodegradable, se puede
lograr un aumento en CaCO3 disuelto de 2 a 3 veces, en dependencia del contenido de dióxido de
carbono disponible. En la tabla 1.3 se muestra que con un 10 % de mezcla con agua de mar, este
incremento con respecto al agua sin mezclar, en condiciones de sistema cerrado respecto al CO 2 es
casi el doble (variación de 246,0 a 402,0 mg.L=1) y con respecto al experimento de la tabla 1.4,
realizado en condiciones de sistema abierto, es 5 veces mayor con respecto al experimento realizado
sin mezcla y en condiciones de sistema cerrado (variación de 246,0 a 1300,0 mg.L=1).
Tabla 1.4. Simulación química en el laboratorio de los procesos de interacción agua-roca
(carbonato) en condiciones de sistema abierto respecto al CO 2 y de mezcla con agua de
mar.
Experimento
CINET 1 Mezcla
CINET2 Mezcla
CINET 3 Mezcla
CINET 4 Mezcla
CINET 5 Mezcla
CINET 6 Mezcla
% Mezcla
0,0
2,0
6,0
10,0
15,0
20,0
CaCO3 (mg.L=1)
700
850
975
1050
1150
1300
Estos experimentos demuestran que el vertido de residuales orgánicos en un acuífero cársico costero
puede generar una gran carsificación, y por ende, un deterioro de la calidad del agua (en términos
de mayor dureza y contenido de cloruros), así como una rápida transformación del relieve. Esto
explica algunos desastres ocurridos en terrenos cársicos donde se han inyectado residuales
azucareros al acuífero a través de ponores (sumideros), tal como sucedió en la Ronera Santa Cruz y
en algunos sitios de la provincia de Matanzas. Estos resultados llaman a reflexionar sobre la
necesidad de tratar adecuadamente estos residuales ates de disponerlos en el medio cársico.
Procesos biogeoquímicos en un acuífero cársico costero afectado por la
intrusión marina
Para comparar la dureza adquirida por el agua en los experimentos cinéticos, con la dureza que esta
adquiere como resultado de los procesos biogeoquímicos que tienen lugar en un los acuíferos
cársicos litorales, se toma en consideración las magnitudes delta calcio o delta dureza (  Ca2+, 
CaCO3). Estas magnitudes representan el exceso o déficit del ion o la dureza respectivamente, como
resultado del proceso de mezcla agua dulce - agua de mar en el acuífero (Fagundo et al, 2002). En
la tabla 1.5, se muestran los resultados del cálculo de estas magnitudes para el pozo Sotolongo Díaz
a los 50 m de profundidad (perteneciente a la Red de Observación del IRH), en el sector Güira Quivicán de la Cuenca Sur de La Habana (Fagundo et al, 2002). Fue seleccionado este pozo, ya que
en él, a esa profundidad, se produce un proceso de disolución de calcita, lo que no ocurre así en
otros pozos y profundidades donde predominan procesos de precipitación de calcita o de
intercambio iónico entre el calcio y el sodio.
Como puede apreciarse (tabla 1.8), con un porcentaje de mezcla en el acuífero entre 28,0 y 70,0%
18
de agua de mar, se alcanzan incrementos de dureza (sin considerar la aportada por la mezcla a esas
proporciones), que van creciendo con la salinización desde aproximadamente 250 hasta 450 mg.L -1.
Estos incrementos se corresponden con los de los experimentos cinéticos de disolución agua-roca
en condiciones de sistema cerrado respecto al CO 2 y de mezcla con agua de mar (tabla 1.5), donde
la dureza aumentó desde alrededor de 246 a 402 mg.L-1, al variar el porcentaje de mezcla desde 0,0
hasta 10,0 %.
Tabla 1.5. Valores de CaCO3 determinados en las aguas del pozo Sotolongo Díaz (Cuenca Sur de
la Habana), muestreado a los 50,0 m de profundidad en el intervalo 1997-1998.
% de mezcla
27,5
38,6
44,9
58,7
60,5
68,6
 CaCO3 (mg.L=1)
5,16
6,24
9,16
8,77
8,47
9,08
CaCO3 (mg.L=1)
258
321
458
439
424
454
Efecto de los humedales contiguos a un acuífero cársico costero en la
composición química de las aguas y los procesos geoquímicos que la origina
La presencia de un humedal en un área contigua a un acuífero cársico costero, afectado por la
intrusión marina, crea condiciones favorables para la ocurrencia de procesos de disolución –
precipitación de carbonatos, reducción anaeróbica de sulfatos por bacterias sulfato reductoras e
intercambio iónico, tanto de carácter directo (el calcio del agua es capturado por la matriz sólida del
acuífero pasando el sodio a la solución) como inverso (el calcio presente en la matriz rocosa pasa a
la solución y el sodio del agua es retenido en el sólido). Como resultado de estos procesos se
produce cambios sensibles en la composición química de las aguas (González, 2003).
Mediante la acción de las bacterias anaeróbicas, que toman como nutriente los compuestos
orgánicos del humedal, el sulfato marino que penetra al acuífero cársico costero se reduce a
sulfhídrico, sulfhidrilo o sulfuro en dependencia del potencial redox y el pH del medio, con
producción de CO2, el cual origina gran cavernosidad en el karst, hecho que facilita aún más la
penetración marina en el acuífero. En un tiempo geológico relativamente breve el sistema cársico es
totalmente erosionado, originándose casimbas (cenotes), caletas, albuferas y lagunas costeras. Un
resultado similar a este proceso natural se origina por el vertido de residuales orgánicos
biodegradables en el medio cársico litoral.
Si bien estos procesos han sido estudiados ampliamente en acuíferos detríticos litorales (Giménez,
1994), su ocurrencia en acuíferos cársicos ha sido menos estudiada (Custodio, 1986; Morell et al,
1997). Los procesos de intercambio iónicos han sido relacionados a eventos de invasión marina
(intercambio iónico inverso) y a procesos de regresión marina (intercambio iónico directo). Así
pues, aunque dichos procesos pueden ocurrir e diferentes escalas de tiempo, el resultado neto en
determinado intervalo es la presencia de facies hidroquímicas de tipo cloruradas cálcicas y
bicarbonatadas sódicas respectivamente (Giménez, 1994).
Los estudios detalladas llevados a cabo entre 1997 y 1998 en el sector hidrogeológico Güira –
Quivicán, en la Cuenca Sur de La Habana (Fagundo et al, 2002; González, 2003), pusieron de
manifiesto que, en la zona de mezcla, dichos procesos están íntimamente relacionados entre sí,
como se muestra en la figura 1.2. En dicha figura aparecen tres pozos: Sotolongo Díaz (más cercano
a la zona de recarga), Playa Cajío (en la zona de descarga) y Álvaro Barba (en el área intermedia, en
19
el propio del humedal).
En el eje de las ordenadas de la figura 1.2 aparece los denominados delta iónicos (i) y en el eje de
las abscisas el porcentaje de agua de mar en la mezcla. Los valores de i representan las ganancias o
pérdidas de las concentraciones de los iones con respeto a la concentración correspondiente a la
mezcla conservativa, esto es, aquella mezcla en la que no se producen cambios en la composición
química del agua. Como puede apreciarse, a medida que crece el porcentaje de mezcla de agua
marina y hasta un determinado valor (aproximadamente de un 60,0 %), en el pozo Álvaro Barba
(ubicado en el humedal) decrece el contenido de sulfato por reducción anaeróbica (figura 1.2 a), se
incrementa el contenido de calcio por disolución de carbonatos e intercambio iónico inverso (figura
1.2 b), disminuye el de sodio (figura 1.2 c) por intercambio iónico inverso y el magnesio tiende a
precipitar (figura 1.2 d) por procesos de dolomitización o formación de la especie Mg-Calcita
(González, 2003). Si bien las magnitudes de los deltas ióicos son muy pequeños en los pozos
alejados del humedal, en los pozos cercanos a este (Álvaro Barba), esas magnitudes son muy
grandes, lo que indica el importante efecto que el humedal ejerce, al parecer por el aporte de
materia orgánica, lo cual favorece tanto los procesos de disolución de carbonatos, como los de
intercambio iónico y de reducción de sulfatos (en este último caso las bacterias anaeróbicas usan la
materia orgánica como nutriente). Un resultado similar ha sido observado en la Ciénaga de Zapata
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 1.4. Variación de los deltas iónicos con el porcentaje agua de mar en la mezcla durante el
período de enero 1997 a julio 1998 para los iones: SO42+ (a), Ca2+ (b), Na+ (c) y Mg2+
20
Para comparar los resultados obtenidos en las zonas hidrogeoquímicas estudiadas en el sector
hidrogeológico Güira – Quivicán, se calcularon los contenidos de CaCO 3 a partir de los valores de
delta iónico de calcio (Ca) de los pozos Sotolongo Díaz, Álvaro Barba y Playa Cajío, en aquellas
profundidades donde el  Ca fuera positivo, esto es, donde existieran procesos de disolución de
calcita actual o pretérita (aporte de Ca 2+ por intercambio iónico inverso), ya que en este último caso,
se debe haber producido disolución de calizas en épocas anteriores a la invasión marina al acuífero.
No se tomó en cuenta el contenido de CaCO 3 debido al proceso de dolomitización, con el objetivo
de hacer la comparación más parecida al proceso cinético de laboratorio. En las tablas 1.6 a – 1.6 c
se muestran los resultados obtenidos mediante este procedimiento.
Tabla 1.6 a. Valores de CaCO 3 de aguas de pozos ubicados en el sector hidrogeológico Güira –
Quivicán, en la Cuenca Sur de La Habana, calculados a partir de las magnitudes de Ca.
Pozo Sotolongo Díaz (excluyendo el aporte marino).
% mezcla
0,8
0,8
0,8
0,9
0,9
0,9
1.0
1,1
1,1
1,1
1,2
1,3
1,3
1,3
1,8
2,8
Sotolongo Díaz 40,0 m
-1
Ca (meq.L-1) CaCO3 (mg.L )
0,56
28
0,47
24
0,36
18
0,35
18
0,35
18
0,64
32
0,53
0,27
0,72
36
0,50
25
0,31
16
0,50
25
0,68
34
0,58
29
0,68
34
1,00
50
1,22
61
% mezcla
25,7
27,5
32,0
34,2
38,2
38,6
40,0
40,0
44,9
46,2
52,0
57,8
58,7
60,5
68,6
68,6
Sotolongo Díaz 50,0 m
CaCO3 (mg.L-1)
Ca (meq.L-1)
7,97
399
5,16
258
6,39
320
8,61
431
8,31
416
6,24
321
10,01
501
13,01
651
9,16
458
9,93
497
15,93
797
14,93
747
8,77
439
8,47
424
9,08
454
9,08
454
Tabla 1.6 b. Valores de CaCO 3 de aguas de pozos ubicados en el sector hidrogeológico Güira –
Pozo Ávaro Barba (excluyendo el aporte marino).
% mezcla
13,9
25,9
26,6
29.7
32.0
34.6
35.5
37.8
47.1
49.4
49.8
53.4
55.8
58.3
61.9
Álvaro Barba 23,0 m
-1
57,47
2874
27,94
1397
22,82
1144
44,78
2239
41,89
2095
43,93
2199
31,78
1010
58,39
2920
56,78
2839
61,39
3070
38,31
1916
58,20
2910
47,77
23,89
52,35
2618
55,49
2775
% mezcla
91,8
91,8
92,7
94,5
95,3
96,2
96,2
96,2
96,2
97,1
97,1
98,2
98,2
100
100
21
Álvaro Barba 34,0 m
CaCO3 (mg.L-1)
Ca (meq.L-1l)
4,08
204
6,08
340
4,92
246
4,62
231
4,46
223
4,31
216
4,31
216
4,31
216
4,31
216
6,15
308
3,15
158
4,00
200
5,00
250
5,46
273
5,46
273
Tabla 1.6 c. Valores de CaCO3 de aguas de pozos ubicados en el sector hidrogeológico Güira –
Pozo Playa Cajío (excluyendo el aporte marino).
% mezcla
56,0
86,4
91,9
100,00
100,00
100,00
100,00
100,00
100,00
100,00
100,00
100,00
100,00
Playa Cajío 23,0 m
-1
3,08
154
4,00
200
3,05
153
4,54
227
1,38
69
3,38
169
238
119
7,23
362
4,98
249
2,77
139
2,86
130
2,46
123
2,15
108
Las aguas muestreadas en el sector hidrogeológico Güira – Quivicán a determinadas profundidades,
tienden a la precipitación de calcita y no a la disolución de ese mineral, por lo que los Ca
correspondientes poseen valores negativos y no se presentan en las referidas tablas (pozos
Sotolongo Díaz 10 m, Álvaro Barba 3,0 m, Palya Cajío 2,0 m y 17,0 m). El pozo Sotolongo Díaz
40,0 m (Tabla 8 a), aunque posee valores de Ca positivos, sus magnitudes son muy bajas, por lo
que el contenido de CaCO3 alcanzado en el proceso de interacción agua roca es inferior al de las
aguas de la zona de alimentación (Pozo Rancherita, tabla 1.4), lo cual indica que se produce una
precipitación parcial de la calcita previamente disuelta en esa línea de flujo.
En los restantes sitios donde Ca es positivo se observa lo siguiente:
•
En el pozo Sotolongo Díaz 50 m, el contenido de CaCO 3 adquirido en el proceso de
interacción del agua subterránea con la matriz rocosa tendieron a ser del orden alcanzado en
los experimentos cinéticos efectuados en condiciones de sistema cerrado respecto al CO2 y
de mezcla con agua de mar (tabla 1.6 a y 1.3). Los valores de CaCO 3 obtenidos en
experimentos de laboratorio con 0,5 – 3,0 % de mezcla con agua de mar variaron entre
367,0 y 436,0 mg.L=1, mientras que los resultados obtenidos a partir de los Ca en el pozo
Sotolongo Díaz a 40,0 m, variaron entre 258,0 y 797,0 mg.L -1 para porcentajes de mezcla
con agua de mar entre 0,8 y 2,8 %.
•
En el pozo Álvaro Barba a 23,0 m, els agua subterránea posee un nivel de Ca muy
elevado, debido a un proceso actual de intercambio iónico inverso, lo cual indica que en un
proceso previo (no definido en términos de tiempo) debió ocurrir una disolución de calcita y
un intercambio iónico directo. El contenido de CaCO 3 intercambiado equivalente tiende a
ser de orden del de los experimentos cinéticos de disolución de calcita en condiciones de
sistema abierto y de intercambio iónico, al menos en los casos en que se alcanzaron
rendimientos menores (tablas 1.6 b y 1.4). El contenido de CaCO 3 en los experimentos de
disolución de carbonatos en condiciones de sistema abierto y de intercambio iónico varío
entre 3125 y 8750 mg/L, mientras que las aguas de Alvaro Barba, a 23,0 m de profundidad,
dicha magnitud varió entre 1010,0 y 3070,0 mg.L-1.
•
En los pozos Álvaro Barba 34,0 m (Tabla 6 b) y Playa Cajío 2,03 m (tabla 1.6 c), aunque se
alcanzan valores de Ca positivos, sus magnitudes al igual que las de los contenidos de
CaCO3 correspondientes, son relativamente bajas, lo cual está relacionado con el elevado
22
contenido de NaCl de estas aguas, que luego de favorecer la disolución de más calcita,
provoca la precipitación parcial del contenido de este mineral disuelto en la correspondiente
línea de flujo. La concentración de CaCO3 alcanzado en el proceso de interacción de las agua
roca, en estos casos, es inferior a la de los experimentos cinéticos en condiciones de sistema
cerrado respecto al CO2 y de mezcla con agua de mar, aunque debe señalarse que en los
experimentos se utilizaron mezcla con agua de mar inferiores a las de los pozos
muestreados. En los experimentos cinéticos efectuados en condiciones de sistema cerrado
respecto al CO2, el contenido de CaCO3 alcanzado con un 10,0 % de mezcla fue de 402,0
mg,L-1 (Tabla 1.3), mientras el contenido de dureza calculado a partir de la magnitud Ca,
en Álvaro Barba a 34,0 m de profundidad (91,8 – 100,0 % de mezcla), varió entre 158-340
mg.L-1 (tabla 1.6 b) y en Playa Cajío a 23,0 m de profundidad, varió entre 69,0- 362,0 mg.L -1
(tabla 1.6 c).
A continuación se presenta una secuencia de procesos y reacciones químicas que pueden explicar la
geoquímica de este sistema tan heterogéneo (Fagundo et al, 2004).
La presencia del ion SO42-, proveniente del agua de mar, en la mezcla, junto a la materia orgánica
proporcionada por el humedal, propician la reducción anaeróbica del sulfato, a través de bacterias
sulfato reductoras. Los iones sulfatos se reducen a iones sulfuros, y estos se combinan con el hierro
ferroso precipitando en forma de sulfuros (pirita). Este proceso se hace más intenso a medida que
aumenta el porcentaje de agua de mar en la mezcla hasta cierto límite, pues la actividad de las
bacterias se inhibe en un ambiente muy salino.
El proceso total se puede representar de la siguiente forma:
SO2-4 + 2CH 2 O +2H+=2CO2 +2H2 O+ H 2 S
Fe2 + + H 2 S=2H+ + FeS
SO2-4 + 2CH 2 O +Fe2 +=2CO2 +2H2 O+ H 2 S +FeS
El CO2 y el H2O generado en la reacción anterior actúa sobre el carbonato de calcio del material
acuífero, disolviendo cierta porción del mismo y aportando a la solución iones HCO3- y Ca2+
CO + H O+CaCO =Ca
2( g)
2
3( S )
2+ ( aq)
+HCO
3−
( aq)
Calcita
La materia orgánica, constituida, entre otros componentes, por ácidos húmicos y fúlvicos reacciona
con el Ca2+ para formar iones complejos de tipo quelato.
O
II
O
II
2( R−C−OH )+ Ca2+ =( R−C−O )2 Ca +2H+
Los quelatos de calcio, así formados, intercambian con el sodio marino que invade el acuífero
produciéndose un intercambio iónico inverso. En otras palabras, el Ca 2+, retenido en la materia
orgánica procedente del humedal se intercambia por el Na+ disminuyendo así el contenido de Na+ en
el agua de mezcla e incrementándose el Ca2+.
O
II
O
II
( R−C−O)2 Ca+2Na + =2( R−C−ONa )+ Ca2+
El exceso de Ca2+, junto al la presencia de Mg2+ proveniente del agua de mar, trae consigo la
precipitación de carbonatos, ya sea calcita, aragonita, dolomita o la recristalización de Mg-calcita
altas a Mg-calcita bajas, según lo favorezcan las condiciones termodinámica del sistema.
2CaCO3 + Mg2+ =CaMg(CO3 )2 + Ca 2+
Dolomita
23
Ca2+ +2HCO −=CaCO3 +CO 2 + H 2 O
3
Calcita
Mg-Calcita ( alta )=Mg-Calcita ( baja) ó Dolomita
Estos procesos pueden generar CO2 capaz de disolver nuevamente roca carbonatada e inducir un
nuevo intercambio iónico creando así un tipo de reacción en cadena.
Si bien estas reacciones pueden explicar los diferentes procesos biogeoquímicos que tienen lugar en
el acuífero, los mimos pueden ocurrir a diferentes escalas de tiempo. Así la captura de iones calcio
por la materia orgánica presente en el material acuífero puede producirse en los períodos de grandes
avenidas y la entrega de dicho ion por el agua ocurrir durante los períodos de intrusión marina.
Conclusiones
Mediante experimentos de interacción agua - roca carbonatada en el laboratorio, se obtuvo una
composición química similar a la que se origina en los acuíferos cársicos, aunque, con un contenido
de CaCO3 menor en el acuífero. Las concentraciones más similares se obtuvieron en condiciones de
sistema abierto respecto al CO2.
Los mayores contenidos de CaCO3 disuelto en ausencia de mezcla se obtuvieron en los
experimentos de disolución de calizas en condiciones de sistema abierto con respecto al CO 2 y con
presiones iniciales de dióxido de carbono del orden de 10 -1.0 atm. Estas condiciones pueden simular
el vertido de residuales orgánicos biodegradables en el medio cársico.
Adicionalmente a la influencia de pCO2, el efecto salino produce una mayor intensificación de la
disolución química de los carbonatos en los acuíferos cársicos costeros, alcanzando las aguas
subterráneas una mayor dureza en los mismos.
Las aguas de varios manantiales y pozos tomados como referencia en acuíferos cársicos
desarrollados en zonas montañosas y llanas (Sierra del Rosario, Meseta del Guaso, Cuencas Jaruco,
Aguacate y Sur en la Llanura Habana - Matanzas), alcanzan concentraciones CaCO 3 de un orden
algo menor que las obtenidas en los experimentos cinéticos de interacción agua roca carbonatada en
condiciones de sistema cerrado respecto al CO2.
En el pozo Sotolongo Díaz a 50,0 m (Cuenca Sur de La Habana), la durezaalcanzada en el proceso
de interacción de las aguas subterráneas con la matriz rocosa, fue del orden del CaCO 3 obtenido en
los experimentos cinéticos en condiciones de sistema cerrado respecto al CO 2 y de mezcla con agua
de mar.
En el acuífero cársico costero desarrollado en el sector hidrogeológico Güira – Quivicán, en la
Cuenca Sur de La Habana, el cual se encuentra en contacto con un humedal, ocurren a determinadas
profundidades, complejos procesos geoquímicos: reducción anaeróbica de sulfato, intercambio
iónico, dolomitización y adquisición por las aguas de grandes volúmenes de CaCO 3. Tales procesos
guardan relaciones entre sí y se intensifican con el aumento de salinidad de las aguas.
24
2.- Procesos de oxidación-reducción
Juan Reynerio Fagundo Castilo
Facultad de Química. Universidad de La Habana
Resumen
Se muestran las reacciones químicas que tienen lugar en el medio acuático y en especial en el
sistema de las aguas subterráneas, implican transferencia de electrones entre constituyentes
disueltos, gases o sólidos. Como resultados de estas transferencias se producen cambios en los
estados de oxidación-reducción de los reaccionantes y los productos (Appelo and Postma, 1993).
Los elementos de valencia múltiples son susceptibles de intervenir en las reacciones de oxidaciónreducción, mediante las cuales una molécula se reduce (oxidante) al tomar los electrones que le
cede la otra (reductora), la cual se oxida. La reacción también es capaz de proceder en dirección
contraria, de modo que este proceso se puede representar mediante la ecuación de equilibrio
siguiente: Oxidante + ne = Reductor, donde ambas moléculas (oxidante-reductor) constituyen un
par redox. El proceso ocurre con la intervención de ambos tipos de moléculas, una oxidante y otra
reductora, para que se pueda producir el intercambio de electrones. La reacción es más
representativa mediante la interacción de dos sistemas redox. Los diagramas querelacionan las
características físico-químicas constituyen una herramienta útil que permiten mostrar las relaciones
de equilibrio entre fases sólidas y líquidas presentes en un determinado estado de oxidación –
reducción sobre la base de los valores del Eh o pe y el pH de la muestra analizada. El potencial de
oxidación - reducción en un determinado medio (río, lago, manantial, pozo, etc.) y momento
determinado, así como las especies más estables en esas condiciones es de interés para el
hidrogeólogo, y puede determinarse mediante mediciones “in situ” de pH y potencial redox, con la
ayuda de un diagrama de estabilidad del tipo Eh vs pH. Para los médicos que indican las curas con
aguas mineromedicinales, es importante conocer si en el agua de la fuente empleada predominan las
especies H2S o HS-.
Palabras claves: Reacciones químicas, medio acuático, sistema de las aguas subterráneas,potencial
de oxidación – reducción, diagrama de estabilidad.
Abstract
The chemical reactions that have place in the aquatic environ and specially in the system of
groundwater, they imply electron transfer between dissolved constituent members, gases or solids
was studied. As results of these transferences take place changes in the states of oxidation reduction
of the reacting persons and the products (Appelo and Postma, 1993). The multiple the elements of
valence are susceptible to intervene in the reactions of oxidation reduction, the ones that a molecule
is reduced to (oxidizer) taking itself the electrons that he gives him up by means of the other one
(reducing), which gets rusty. The reaction also is able to proceed in opposite direction, so this
process can imagine by means of the cash-balance equation following: Oxidizer + Reducing ne,
where both molecules (reducing oxidizer) constitute a pair redox. The process happens with the
intervention of both types of molecules, one oxidizing and another one reducing, in order that the
interchange of electrons can take place. The reaction is more intervening representative the
interaction of two systems redox. The diagrams querelacionan characteristics physicist chemical
constitute an useful tool that allow showing the breakeven relations between solid phases and liquid
presents in a determined state of oxidation – reduction on basis of the values of the Eh or letter p
and the pH of the analyzed sample. The potential of oxidation - reduction in a determined means (I
25
laugh, lake, spring, well, etc.) And moment determined, as well as the stablest species in those
conditions is of concern for the hydrogeologist, and situ of pH and redox potential can determine by
means of measurements in itself, with the help of the guy Eh's diagram of stability vs pH. For the
mineral medicinal water indicate the cures with waters, it is important to know if in the water of the
employed source predominate the species H2S or HS.
Keywords: Chemical reactions, aquatic environment, system of groundwater, potential of oxidation
– reduction, diagram of stability.
ORISON 524 con 100 m de cable. Los macro constituyentes iones se determinaron por métodos
volumétricos, siguiendo las recomendaciones del “Standard Methods for the Examination of
Wastewater” (APHA; AWWA; WPCF; 1992).
Los datos hidroquímicos fueron procesados mediante el sistema informático SIMUCIN (Alvarez y
Reacciones de oxidación-reducción
Muchas reacciones químicas que tienen lugar en el medio acuático y en especial en el sistema de las
aguas subterráneas, implican transferencia de electrones entre constituyentes disueltos, gases o
sólidos. Como resultados de estas transferencias se producen cambios en los estados de oxidaciónreducción de los reaccionantes y los productos (Appelo y Postma, 1993).
cede la otra (reductora), la cual se oxida. La reacción también es capaz de proceder en dirección
contraria, de modo que este proceso se puede representar mediante la ecuación de equilibrio
siguiente: Oxidante + ne = Reductor, donde ambas moléculas (oxidante-reductor) constituyen un
par redox. El proceso ocurre con la intervención de ambos tipos de moléculas, una oxidante y otra
reductora, para que se pueda producir el intercambio de electrones. La reacción es más
representativa mediante la interacción de dos sistemas redox:
La fortaleza del par redox se mide por el potencial de oxidación-reducción o potencial redox,
mediante la ecuación de Nerst:
Eh  Eh o 
RT (Oxidante)
ln
nF (Reductor)
(1)
Donde, Eh es el potencial de oxidación-reducción o potencial redox; Ehº es una constante que
depende de la naturaleza del oxidante y del reductor y se refiere a las condiciones estándares; F es la
Constante de Faraday y n es el número de electrones intercambiados. Si se expresa el logaritmo en
forma decimal, se obtiene:
E h  E h o  0,23log
(Oxidante)
(Reductor)
(2)
El potencial de oxidación-reducción se mide en voltios o milivoltios, a través de milivoltímetros de
26
campo es posible obtener este valor en las aguas naturales.
La proporción de iones presentes en solución en forma de uno u otro de los estados de oxidaciónreducción se puede deducir a partir de la fórmula (2).
Aunque las soluciones acuosas no contienen electrones libres, también es conveniente expresar el
proceso de oxidación-reducción mediante un par redox, como si estas reacciones se produjeran por
separado. Además, se suele utilizar la magnitud pe para describir la actividad relativa de los
electrones. Por definición:
pe = - log (e) (3)
El pe es una magnitud adimensional análoga a la expresión pH, utilizada para describir la actividad
del protón o ión hidrógeno. El pe de una solución mide su tendencia oxidante o reductora. Esta
magnitud está relacionada con el Eh por la expresión.
pE 
F
 Eh
2.303RT
(4)
A 25,0oC, Eh = 0,059 pe
(4)
Diagramas Eh – pH
Estos diagramas constituyen una herramienta útil que permiten mostrar las relaciones de equilibrio
entre fases sólidas y líquidas presentes en un determinado estado de oxidación – reducción sobre la
base de los valores del Eh o pe y el pH de la muestra analizada.
En el sistema Fe – O –H 2O -S a 25,0oC, a valores de pe altos (positivos) las especies del azufre se
encuentran en forma de SO42- y las del hierro en forma de Fe 2O3 (que por ser insoluble en el agua es
arrastrado por ésta en los sedimentos que arrastra), mientras que a valores más bajos de pe
(inferiores a – 0,2 V) las especies de azufre más comunes son H 2S (pH menor de 7,0) y HS- (pH
mayor de 7,0) y las del hierro se encuentran en forma de FeS2 en todo el intervalo de pH.
Para calcular las ecuaciones que definen el sistema de equilibrios Fe – O –H 2O –S a 25,0oC, es
necesario considerar, para cada ecuación de equilibrio de tipo:
aA+bB=c C+dD
(5),
involucrada en el sistema, las expresiones del potencial químico y de las energías libres de Gibbs.
La energía libre de Gibbs por mol de reacción, Gr es la diferencia entre las energías libres de
Gibbs de los productos y de los reaccionantes:
Gr =  Gr Productos - Gr Reaccionantes
6 a)
la cual, en el equilibrio es equivalente a:
o
Gr=ΔGr + RT ln
aCc adD
 (6 b)
aaA abB
A continuación se calculan los límites de los diferentes campos de estabilidad del sistema:
Antes de que se calculen los límites de los sistemas que involucran al azufre elemental (o cualquier
sulfuro), se debe asignar un valor  S. En este caso se usará  S =10-2 como ejemplo. Por encima
los límites SO42- - H2S o SO42--HS-, todo el azufre disuelto debe encontrarse en forma de sulfato, de
que se puede asumir que:
aSO
−2
≈10
Por debajo de este límite y a
pH menor de 7,0, aH2S1,0 mientras que a pH7,0, a
HS-1. Esto tiene lugar muy cerca de las fronteras entre estas fases, lo cual constituye una
simplificación de poco uso.
4 2−
27
Los límites en los diagramas Eh o pe vs pH, se calculan a partir de las siguientes ecuaciones:
Sistema: H2S - SO42SO42- + 8 e- + 10 H+ = H2S + 4 H2O (7)
aH2 S
log Keq = log ( aSO 4 ) + 8 pe + 10 pH (8.8)
Considerando una relación de actividades igual a 1 y calculando K eq a partir de los valores de
entalpía de formación correspondientes, se obtiene:
5
pe = 5.08 - 4
pH (9)
Sistema: HS- - SO42SO42- + 8 e- + 9 H+ = HS- + 4 H2O (10)
a HS
log Keq = log ( aSO 4 ) + 8 pe + 9 pH (11)
9
pe = 4.2 - 8 pH (12)
Sistema: H2S - HSH2S = H+ + HS- (13)
a HS
log Keq = log ( a H 2 S ) – pH (14)
pH = 6,99 (15)
Sistema: SO42- - S
SO42- + 6 e- + 8 H+ = S (S) + 4 H2O (16)
a 4H 2=
6 8
log Keq = log ( aSO 4 ae a H ) (17)
log Keq = 6 pe + 8 pH – log (a SO$) (18)
Considerando a SO$ = 10-2 y calculando Keq a partir de los valores de entalpía de formación
correspondientes, se obtiene:
pe = 5,62 - 4/3 pH (19)
En este límite, la actividad de las especies de azufre disuelto en equilibrio con el azufre sólido es 10 2
. Por debajo de este límite, las actividades en equilibrio de las especies de azufre son menores que
28
10-2. Así en la medida que los valores de
azufre sólido se hace más pequeño.
S decrecen, el tamaño del campo de estabilidad del
Sistema: S - H2S
S (S) + 2 e- + 2 H+ = H2S (20)
aH 2 S
2 2
Keq = ( ae a H ) (21)
LogKeq = log (a H2S) + 2 pe + 2 pH (22)
Considerando a H2S= 10-2 y calculando Keq a partir de los valores de entalpía de formación
pe = 3,44 – pH (23)
Donde los límites convergen con el límite SO42-- H2S, se requieren cálculos más precisos debido a
que ambas especies, H2S y SO42-.
El límite SO42- y S0 es probablemente el más importante límite redox en la química de las aguas
naturales. Para muchos metales de transición este representa, aproximadamente, la línea que divide
cuando son estables los óxidos, carbonatos o iones solubles de cuando son estables los sulfuros
insolubles (considerando la presencia de algún sulfuro). La reducción de sulfatos tiene también un
mayor impacto en los sistemas biológicos,
El límite superior de la pirita está dado por el límite entre FeS 2 o Fe2+ o Fe2O3. Los sulfuros de
hierro se encuentran presentes en concentraciones extremadamente pequeñas de especies de
sulfuros disueltas, de modo que podemos anticipar que el límite superior de estabilidad de piritas
puede encontrarse por encima del límite de sulfato-sulfuro, lo cual es correcto SO 42 -=  S a un
límite de pirita.
Sistema: Fe2+ - FeS2
2 SO42- + Fe2+ + 16 H+ + 14 e- = FeS2 + 8 H2O (24)
a8H 2 O
2
14 16
Keq = ( aSO 4 aFe 2+ ae a H ) (25)
log Keq = 14 pe + 16 pH - 2 log (a
SO 4
) – log (a
Fe 2+
) (26)
Considerandoa SO 4 = 10-2 y a Fe 2+ = 10-6, y calculando Keq a partir de los valores de entalpía de
formación correspondientes, se obtiene:
8
pe = 5,49 - 7 pH (27)
Sistema: Fe2O3 - FeS2
4 SO42- + Fe2O3 + 38 H+ + 30 e- = 2 FeS2 + 19 H2O (28)
19
aH 2 O
4
30 38
Keq=( aSO 4 ae a H ) (29)
log Keq = 30 pe + 38 pH – 4 log (a SO4) (30)
29
Considerando a SO4=10-2 y calculando Keq a partir de los valores de entalpía de formación
pe = 6,27 – (38/30) pH (31)
El azufre en la pirita se encuentra en un estado de oxidación formal superior que en H 2S o el
equivalente FeS. Así a bajos valores de pe, la pirita se hace inestable con respecto al Fe 2+ a bajos
pH.
+
2+
−
FeS+4 H +2 e =Fe + 2 H 2 S
(32)
e inestable con respecto a FeS a altos pH
FeS 2 + H + +2 e−=FeS + HS −
(33)
Los límites representan las reacciones anteriores, ploteadas por debajo de pH y por encima de pH 11
respectivamente, en el diagrama de estabilidad a valores de  S =10-2 (Drever, 1988). Los límites
más bajos en la curva de estabilidad, correspondiente a la formación de pirita no parecen
importantes, pero a medida que S decrece, el campo de estabilidad de la pirita se contrae y este
límite ocurre en una región de pe-pH más típica de las aguas naturales.
En la tabla 1 se resumen las expresiones calculadas, para diferentes temperaturas:
Tabla 2.1. Equilibrios y Expresiones del diagrama Eh-pH para diferentes temperaturas.
No
1
Sistemas de fases y
Ecuación de
equilibrio
Sistema: H2S SO42SO42-+8e+10H+=H2S+4H20
Expresión termodinámica
log K eq =log
2
Sistema: HS- - SO42SO42-+8e-+9H+=HS+4H20
log K eq =log
3
Sistema: H2S- HSH2S= H+ +HS-
log K eq =log
aH 2 S
aSO 4
a HSS
aSO 4
Expresión Eh-pH
PH < 7,0
Eh=0.29977-0.07375pH (25,0oC) (1)
Eh=0.29988-0.0750pH (30,0oC) (2)
Eh=0.29997-0.0775pH (40,0oC) (3)
PH > 7,0
Eh=0.2483-0.0664pH (25,0oC) (4)
Eh=0.2483-0.0675pH (30,0oC) (5),
Eh=0.2484-0.06975pH (40,0oC) (6)
+ 8 pe+10 pH
+8 pe+ 9 pH
a HS
−pH
aH 2 S
pH=7,0 (7), pH=6,9 (8)
pH=6,7 (9)
2
4
Sistema: Fe - FS2
4Fe2O3+4 SO42+38H++30e=2FS2+11H2O
log K eq =−4 log a SO 4 +30 pe+38 pH
5
Sistema: Fe2O3 FS2
2 SO42-+Fe2++16H+
+14e-=FS2+8H20
log K eq =−2 log a SO 4−log a F 2+ +14 pe +16 pH
a= SO4 10-2, a=Fe 10-6
Eh=0,3242-0,06743pH (25,0oC) (10)
Eh=0,3297-0,06857pH (30,0oC) (11)
Eh=0,3407-0,07086pH (40,0oC) (12)
a= SO4 10-1,4; a Fe =10-4,75
Eh=0,3331-0,07086 pH (40 oC) (13)
a= SO4 10-2
Eh=0,3699-0,0747pH (25,0oC) (14)
Eh=0,3676-0,076pH (30,0oC) (15)
Eh=0,3693-0,0785pH (40,0oC) (16)
a= SO4 10-1,4; a Fe=10-4,75
Eh=0,3743-0,0785pH (40,0oC) (17)
Consideraciones:
aH 2 S
a HS
a HS
s SO4 = s SO 4 = s H 2 S = 1 ;S = SO4 (a+ a
30
SHSO 4
+ SO4 a+ a
H2S
+a
HS
+a
S
)=10-6
Determinación del estado de redox y las especies más estables del sistema Fe
– O –H2O -S (a 25,0oC) a partir de mediciones de Eh y pH
El potencial de oxidación - reducción en un determinado medio (río, lago, manantial, pozo, etc.) y
momento determinado, así como las especies más estables en esas condiciones es de interés para el
ayuda de un diagrama de estabilidad del tipo Eh vs pH. Para los médicos que indican las curas con
especies H2S o HS-, pues la primera es un gas y por tanto, su mejor aplicación es por la vía
inhalataria, mientras la segunda es un electrolito y su aplicación es más efectiva por la vía tópica.
En la figura 2.1 se muestra la posición que ocupa en este tipo de diagrama un grupo de aguas
minerales sulfuradas muestreadas en diferentes sitios del país, así como las especies más estables
para esas condiciones.
A partir de la información que brinda en el diagrama, se puede inferir las siguientes
consideraciones:
1. Las aguas superficiales y subterráneas someras (arroyos y manantiales no sulfurosos de Las
Terrazas, Mil Cumbres, Rancho Lucas, Cayajabos y Cajalbana aparecen en la zona de
estabilidad de los compuestos más oxidados (SO42-), al igual que una gran parte de los
manantiales de San José de los Lagos, Ciego Montero y algunos de Elguea (Belleza y Piscina).
Estas aguas no poseen H2S.
2. En la zona de estabilidad del FeS2 se ubican parte de las muestras de San José de los Lagos con
contenidos de H2S relativamente bajos.
3. En la zona de estabilidad del HS - (pH > 7,0), se distribuyen las aguas minerales de Las Terrazas
(algunas en el límite con la zona de estabilidad del FeS 2 o dentro de la misma), Soroa, Mil
Cumbres sulfuroso y El Sitio.
4. En la zona de estabilidad del H 2S (pH < 7,0), se localizan las aguas minerales de San Diego de
los Baños, Los Bermejales y el resto de las aguas de Elguea.
31
0 .4 0
Las Terrazas (arroyos y manantiales no sulfurosos)
Eh (V)
0 .2 0
Elguea
0 .0 0
Mil Cumbres No Sulfuroso
Ciego Montero
San José del Lago
Cajalbana
Río Pedernales
(Cayajabos)
Rancho Lucas
-0 .2 0
Elguea
San José
del Lago
SDB
SDB
Las Terrazas-Cayajabos
Soroa
Ciego
Montero
Mil Cumbres
Bermejales
El Sitio
-0 .4 0
6 .0 0
7 .0 0
8 .0 0
9 .0 0
pH
Figura 2.1. Relación entre el potencial redox y el pH.
Conclusiones
Se muestran las reacciones químicas que tienen lugar en el medio acuático y en especial en el
sistema de las aguas subterráneas, implican transferencia de electrones entre constituyentes
disueltos, gases o sólidos.
Como resultados de estas transferencias se producen cambios en los estados de oxidación-reducción
de los reaccionantes y los productos (Appelo and Postma, 1993).
cede la otra (reductora), la cual se oxida.
La reacción también es capaz de proceder en dirección contraria, de modo que este proceso se
32
puede representar mediante la ecuación de equilibrio siguiente: Oxidante + ne = Reductor, donde
ambas moléculas (oxidante-reductor) constituyen un par redox.
El proceso ocurre con la intervención de ambos tipos de moléculas, una oxidante y otra reductora,
para que se pueda producir el intercambio de electrones.
La reacción es más representativa mediante la interacción de dos sistemas redox.
Los diagramas que relacionan las características físico-químicas constituyen una herramienta útil
que permiten mostrar las relaciones de equilibrio entre fases sólidas y líquidas presentes en un
determinado estado de oxidación – reducción sobre la base de los valores del Eh o pe y el pH de la
muestra analizada.
El potencial de oxidación - reducción en un determinado medio (río, lago, manantial, pozo, etc.) y
momento determinado, así como las especies más estables en esas condiciones es de interés para el
ayuda de un diagrama de estabilidad del tipo Eh vs pH .para los médicos que indican las curas con
especies H2S o HS-.
33
3.- Procesos biogeoquímicos en sistemas
hidrotermales, lagos salinos y salinas costeras
Juan Reynerio Fagundo Castillo, Paricia González Hernández2,Margaret Suárez Muñoz3, Clara
Melián Rodríguez2
Resumen
Se muestran ejemplos de procesos biogeoquímicos que ocurren en la hidrosfera en condiciones
extremas: sistemas hidrotermales lagos salinos y salinas costeras, con la participación de bacterias
saprofíticas y microalgas.
Palabras claves: Procesos biogeoquímicos, sistemas hidrotermales, lagos salinos y salinas costeras,
de bacterias saprofíticas, microalgas.
Abstract
The biogeoquímicos show examples of processes that happen in the hydrosphere in extreme
conditions: hydrothermal systems saline lakes and coastal salt mines, with the participation of
saprophytic bacteria and microalgae.
Keywords: Hydro-geochemical patterns, biogeoquímicos processes, hydrothermal systems, saline
lakes, sline coastal, saprophytic- saline bacteria, microalgae.
Introducción
Como se ha señalado en un artículo anterior, la Biogeoquímica, fundada por Vladimir Vernadsky en
1926 (Rankama and Sahama, 1962), es un sistema de ciencias interdisciplinarias que estudia los
procesos químicos, físicos y biológicos, y las reacciones que gobiernan la composición de los
componentes del ambiente natural (incluyendo la biosfera, la hidrosfera, la pedosfera, la atmósfera
y la litosfera), y el ciclo de materia y energía que transportan los compuestos químicos de la Tierra
en el tiempo y el espacio.
Algunos de los procesos biogeoquímicos tienen lugar en condiciones extremas: altas temperaturas,
agua con alto contenido de sales disueltas, presencia de gases tóxicos, etc. En esos medios los
microorganismos que sobreviven sufren un proceso de estrés y en ocasiones, excretan productos
naturales que poseen propiedades farmacológicas importantes.
El objetivo de este trabajo es mostrar algunos procesos biogeoquímicos que tienen lugar en sistemas
hidrotermales y en cuerpos de agua salinos.
ORISON 524 con 100,0 m de cable. Los macro constituyentes iones se determinaron por métodos
volumétricos, siguiendo las recomendaciones del “Standard Methods for the Examination of
Wastewater” (APHA; AWWA; WPCF; 1992).
2
3
Facultad de Química. Universidad de La Habana.
Instituto Superior de Ciencia y Tecnología.
34
Los datos hidroquímicos fueron procesados por sistemas informáticos elaborados por el colectivo
Resultados y Discusión
Procesos biogeoquímicos en sistemas hidrotermales
Las aguas minerales sulfuradas constituyen uno de los tipos de aguas minero medicinales más
importantes en las curas balnearias, por el hecho de que su acción terapéutica abarca un amplio
espectro y pueden ser administradas por todas las vías: oral, tópica e inhalatoria (San Martín y
Armijo-Castro, 1994).
Estas aguas se caracterizan por contener más de 1,0 mg.L-1 de azufre en forma de H2S, HS-,
polisulfuro, tiosulfato, etc. (Appelo and Postma, 1993), Drever,1982). El contenido relativo de
sulfuro de hidrógeno (H2S) o ión sulfhídrilo (HS-) depende del pH, predominando la primera
especie a valores inferiores a 7,0 y la segunda a valores superiores. Por encima de pH 11,0
predomina el sulfuro (S2-).
Figura
Figura 3.1. Relación entre el potencial redox y el pH. Aguas minerales sulfuradas.
En la figura 3.1 se muestra la ubicación en el diagrama de Eh vs pH de los pares de datos
correspondientes a mediciones de campo efectuadas por nuestro colectivo en algunos sitios
35
representativos (González et al, 2000; Fagundo et al, 2008). A partir de la información que brinda
en el diagrama, se puede inferir las siguientes consideraciones:
•
Las aguas superficiales y subterráneas someras (arroyos y manantiales no sulfurosos de Las
Terrazas, Mil Cumbres y Cayajabos aparecen en la zona de estabilidad de los compuestos
más oxidados (SO42-), al igual que una gran parte de los manantiales de San José del Lago,
Ciego Montero y algunos de Elguea (Belleza y Piscina). Estas aguas no poseen H2S.
•
En la zona de estabilidad del FeS2 se ubican parte de las muestras de San José de los Lagos
con contenidos de H2S relativamente bajos.
•
En la zona de estabilidad del HS - (pH > 7,0), se distribuyen las aguas minerales de Las
Terrazas (algunas en el límite con la zona de estabilidad del FeS 2 o dentro de la misma),
Soroa, Mil Cumbres sulfuroso y El Sitio.
•
En la zona de estabilidad del H2S (pH < 7,0), se localizan las aguas minerales de San Diego
de los Baños, Los Bermejales y el resto de las aguas de Elguea.
Además de las acciones terapéuticas y farmacológicas relacionadas con los compuestos sulfurados,
las aguas minero-medicinales sulfuradas suelen estar acompañadas de otros iones, tales como SO 42-,
Cl-, Ca2+, Mg2+, K+, así como componentes minoritarios: Rn, As, Fe, Cu, Co, Si, F, etc., los cuales le
confieren otras propiedades beneficiosas en las curas balnearias.
En la tabla 2.1 se muestran las principales propiedades físicas y químicas de algunas fuentes de
aguas minerales sulfuradas de Cuba.
Tabla 3.1. Principales propiedades físicas y químicas de aguas minerales sulfuradas de Cuba.
No
7
8
9
10
11
12
13
18
19
20
21
36
38
39
40
41
42
43
46
47
T (oC)
22,7
23,7
26,1
36,0
36,0
31,0
31,0
27,0
27,1
27,0
24,8
51,0
41,2
35,9
40,1
35,5
36,0
36,8
30,8
30,9
PH
7,09
7,36
7,04
7,15
7,40
6,50
7,60
7,00
7,23
6,88
7,30
6,80
6,29
6,45
6,53
6,51
9,25
8,75
7,01
7,72
Eh (mv)
-365
-317
-238
-254
-325
-317
-290
-248
-235
-260
-303
-276
-266
-248
-93
-66
-269
-206
-119
TSS (mg.L-1)
1107
1142
760
1055
1407
2662
1531
520
470
573
675
47074
52801
51500
51500
47645
2007
1007
585
590
H2S (mg.L-1)
198,9
21,6
8,1
4,0
6,4
27,5
38,5
15,00
7,8
8,6
10,0
11,2
7,3
5,0
5,3
1,0
0,9
0,9
1,0
0,9
Tipo hidroquímico
HCO3>SO4-Na>Ca>Mg
HCO3-Na
HCO3> SO4-Ca>Na
SO4>HCO3-Ca
SO4–Ca
SO4–Ca
SO4–Ca
HCO3>Cl-Ca>Mg
HCO3-Ca
HCO3-Ca
HCO3-Ca
Cl-Na
Cl-Na
Cl-Na
Cl-Na
Cl-Na
Cl-Na
Cl-Na
HCO3>SO4-Ca>Na>Mg
HCO3-Ca>Na>Mg
Fuentes (Yacimiento): 7) Pozo P-55 (El Sitio); 8) Manantial Sulfuroso (Manantial Mil Cumbres); 9)
Manantial Azufre (Cacarajícara); 10) Manantial El Templado (San Diego de los Baños), 11)
Manantial La Gallina (San Diego de los Baños), 12) Pozo P-1 (San Diego de los Baños); 13)
Manantial M-1 (Bermejales), 18) Manantial Soroa 3 (Soroa); 19) Manantial Pozo Brocal (Las
Terrazas), 20) Manantial San Juan Sulfuroso (Las Terrazas); 21) Manantial Pedernales (Cayajabos),
36) Manantial El Guapo (Elguea), 38) M. Carabaña (Elguea), 39) Manantial Hongos (Elguea), 40)
36
Manantial Garganta (Elguea), 41) Manantial Belleza (Elguea); 42) Manantial del Chorrito (Ciego
Montero), 43) Manantial Piscina Grande del Gimnasio (Ciego Montero), 46) Manantial El Chorrito
(San José del Lago), 47) Manantial Piscina Termal (San José del Lago).
En Cuba, las aguas minerales sulfuradas están muy distribuidas en todo el territorio. Su formación
está relacionada fundamentalmente con los procesos de oxidación – reducción de las piritas y en
menor proporción con la disolución de yeso o anhidrita. En todos los casos estas aguas tienen un
origen meteórico.
La fuente de SO42- en las salinas de Cuba procede del agua marina, mientras que en acuíferos no
litorales y en los yacimientos de aguas minerales puede proceder de minerales evaporíticos (yeso y
anhidrita) o de las piritas. La disolución de los minerales yeso y anhidrita generan sulfatos según las
siguientes reacciones:
SO4Ca2H2O = SO42- + Ca2++ 2 H2O (1)
Yeso
SO4Ca = SO42- + Ca2+ (2)
Anhidrita
Las piritas requieren ser oxidadas previamente a sulfato antes de ser utilizadas por las bacterias
anaeróbicas generadoras de sulfuros. El proceso de oxidación de las piritas es catalizado por las
bacterias de los géneros Beggiotoa, Thiothin, Thioplaca, Thioradaceas y otros (Bitton, 1994). Este
proceso puede ser completo (ecuación 3) o incompleto (ecuación 4), en dependencia del oxígeno
libre o combinado disponible en el medio.
FeS2 (15/4)+ O2 + 7 H2O = Fe(OH)3 + 2 SO42- + 4 H+ (3)
FeS2 +(7/2) O2 + H2O = Fe2+ + 2 SO42- + 2 H+ (4)
Cuando se produce la oxidación completa (3) se oxidan tanto el sulfuro como el hierro, mientras
que cuando esta reacción es incompleta (4) sólo se oxidan los sulfuros, originándose ion ferroso en
el medio acuático.
En el caso de las aguas minerales de Cuba, solamente las de los balnearios de Menéndez Elguea y
algunas atras, se originan por disolución de yeso. Estas aguas están asociadas a yacimientos yesífero
- salinos. El resto de las aguas minerales sulfuradas se originan por oxidación de piritas y reducción
parcial de sulfatos.
La formación de sulfuros en el medio acuático procede de la reducción de los sulfatos. Este proceso
se produce muy lentamente en ausencia de bacterias, mientras que en presencia de las mismas la
reacción ocurre con rapidez. Las expresiones termodinámicas correspondientes (Drever, 1982) son
las siguientes:
SO42- + 8 e- + 10 H+ = H2S + 4 H2O (1)
SO42- + 8 e- + 9 H+ = HS- + 4 H2O (2)
2 SO42- +Fe2+ 14 e- + 16 H+ = FeS2 + 8 H2O (3)
4 SO42- +Fe2O3 30 e- + 38 H+ = 2 FeS2 + 19 H2O (4)
En presencia de materia orgánica (CH 2O), de la cual se nutren las bacterias, las dos primeras
ecuaciones quedan como:
SO42- + 2 CH2O + 2 H+ = H2S + 2 CO2 + 2 H2O (5)
SO42- + 2 CH2O + H+ = HS- + 2 CO2 + 2 H2O (6)
37
Las bacterias que catalizan estas reacciones son de tipo anaeróbica, ya que las mismas se producen
en un medio escaso en oxígeno disuelto. Se ha reportado la presencia, tanto en los acuíferos como
en los sedimentos marinos, de bacterias de los géneros Sporovibrio desulfuricans, Desulfovibrio
desulfuricans, Thiobacillus ferroxidans, entre otras (Bitton, 1994). El oxígeno puede ser aportado
por las precipitaciones y llegar al acuífero a través de las grietas del terreno o tomado de
compuestos oxigenados, tales como los nitratos, nitritos, fosfatos, la propia materia orgánica y otras
sustancias presentes en los sedimentos (Appelo and Postma, 1993).
Formación de fangos medicinales (peloides) en sistemas hidrotemales y
cuerpos de agua salinos
Un proceso de carácter biogeoquímico muy interesante se origina en los sistemas hidrotermales,
lagos salados y salinas donde existen altas temperaturas o medios muy salinos. En estos sitios el
agua altamente mineraliza, forma sedimentos por precipitación de componentes normales disueltos
o suspendidos, en virtud de causas diversas: cambios de temperatura, pérdida de gas carbónico,
variaciones de potenciales de oxidación-reducción, la acción de la flora autótrofa, etc. Esos
sedimentos, lodos o fango, son formaciones naturales que constan de agua, sustancias minerales
inorgánicas y orgánicas y poseen propiedades terapéuticas En su forma original han sido
denominados pelose, y una vez enriquecidos o madurados con las propias aguas termales, se les
nombran peloides (San Martín, 1994).
Un peloide es un agente terapéutico o termoterápico, constituido por un componente sólido más o
menos complejo mineral u orgánico y otro líquido que puede ser agua mineromedicinal, de mar o de
lago. Estos componentes son distintos en los diversos tipos de peloides, aunque todos básicamente
tengan constituyentes semejantes y comportamientos parecidos. Los principales componentes que
forman la a fase sólida del peloide son: silicatos (micas, arcillas, feldespatos), carbonatos (calcita,
magnesita, siderita), sulfatos (yeso, anhidrita, barita, epsomita), halogenuros, (halita, fluorita, etc.),
sulfuros (pirita, calcopirita) y sulfosales. Entre los componentes orgánicos se destacan: ácidos
húmicos, fulvoácidos, etc., y formando parte de la materia organizada aparecen múltiples
representantes de algabacterias clorofíceas, cianofíceas, diatomeas, sulfobacterias, ferrobacterias,
etc. e incluso amebas, rizópodos, infusorios, paramecios rotíferos y larvas diversas La fase líquida
del peloide puede estar compuesta por agua mineromedicinal, de mar o de lagos salados (San
Martín, 1994).
Atendiendo a la composición de su fase sólida y líquida, existen diferentes tipos de peloides, que
atendiendo a las características de los componentes sólidos y líquidos han sido denominados:
fangos o lodos, limos, turbas, Biogleas, Sapropeli, Gyttja (San Martín, 1994).
En el proceso de formación de los pelopides, tanto en forma natural como en el proceso de
maduración, las microalgas y cianobacterias de los géneros Spirulina, Dunadiela y otros, se nutren
de la materia orgánica presente en los sedimentos y generan una serie de moléculas orgánicas como
pigmentos naturales (ficocianina, ficoeritrina, carotenoides liposolubles, clorofilas,  caroteno,
cantoxanthina y astaxantina); vitaminas; ácidos grasos; proteínas; aminoácidos, vitaminas,
oligoelementos, alcaloides y terpenos, entre otras (Pérez et al, 2007).
Algunas microalgas como Termodesulfobacterium se adaptan a vivir a altas temperaturas, Spirulina
requiere como nutriente un medio de cultivo de bicarbonato de sodio superior a 10,0.L -1 y
Dunadiela se adapta a medios extremadamente salinos. En esas condiciones extremas, las especies
que logran sobrevivir, se estresan y excretan compuestos de acción farmacológica que no se
originan en ambientes más benignos. En esos medios extremófilos, otras especies como Oscilatoria,
Diatomeas y otros microorganismos no pueden vivir y por tanto, no compiten en el consumo de
nutrientes, obteniéndose así altos rendimientos de los productos originados por aquellos que logran
adaptarse.
38
Propiedades físico-químicas y composición de fases mineralógicas y orgánicas de peloides de
algunos sitios muestreados
En la tabla 3.2 se presentan resultados de las mediciones de campo realizadas en lagunas salinas,
salinas costeras y sistemas hidrotermales de Argentina y Cuba (Pesce Manantial, 2008).
Tabla 3.2. Determinaciones físico-químicas en algunos sitios con peloides en Argentina y Cuba.
Muestra
002
003
006
007
009
011
021
023
031
032
Sitio
Carehúe
Carehúe
Guatraché
Guatraché
Pismanta
San Diego
Bidos
Bidos
Elguea
Elguea
Provincia
Buenos Aires
Buenos Aires
La Pmpa
La Pampa
San Juan
Pinar del Río
Matanzas
Matanzas
Villa Clara
Villa Clara
País
Argentina
Argentina
Argentina
Argentina
Argentina
Cuba
Cuba
Cuba
Cuba
Cuba
Tipo
Lago salino
Lago salino
Lago salino
Lago salino
Hidrotermal
Hidrotermal
Salina
Salina
Hidrotermal
Hidrotermal
T
7,8
11,6
14,3
13,2
16,1
28,3
28,0
27,2
30,0
28,0
pH
8,15
8,00
8,25
8,01
8,21
7,48
-
Eh
-415,0
-384,0
-306,0
-409,0
-163,0
-308,0
-416,0
-420,0
-317,0
-331,0
En la tabla 3.2 puede apreciarse que los peoides muestreados tanto en fuentes hidrotermales, como
en lagos salinos continentales o salinas costeras poseen por lo general un pH cercano a 8 y un
potencial redox inferior a – 300,0 mv. La información disponible sobre las fases minerales de los
peloides muestreados, indica que los minerales más abundantes son plagioclasas y cuarzo (tabla
3.3).
Tabla 3.3. Composición minaralógica de peloides muestreados en Argentina (Carhué).
Muestra
Fango 1
Fango 2
Fango 3
Minerales
Minoritarios
Cuarzo
Cuarzo
Principales
Plagioclasas
Plagioclasas
Cuarzo
Plagioclasas
-
Accesorios
Halita
Calcita
-
En la tabla 3.4 se presenta la composición química de la fase líquida de un peloide muestreado en
Argentina (Carhué).
Tabla 3.4. Composición de la fase líquida de una muestra de peloide (Carhué, Argentina).
Determinación
Sodio (g/l)
Potasio (g/l)
Calcio (g/l)
Magnesio (g/l)
Cloruros (g/l)
Sulfatos (g/l)
CE (mS/cm)
pH
Concentración
24,5
0,255
0,149
0,237
26,6
13,5
67510
8,3
Determinación
Arsénico (mg/g)
Cinc (mg/g)
Cobre (mg/g)
Cromo (mg/g)
Plomo (mg/g)
Níquel (mg/g)
Selenio (mg/g)
Manganeso (mg/g)
Berilio (mg/g)
Hierro total (%)
Azufre total (%)
Concentración
3,0
45,0
13,0
20,0
7,0
12
< 1,0
454,0
< 0,5
6,5
1,6
La composición orgánica de los fangos puede variar en dependencia de la composición biológica
que el mismo contenga. Por lo tanto los metabolitos secundarios estarán influenciados por los
factores medioambientales. El estudio fitoquímico del peloide de San Diego de los Baños, mostró
39
que en los extractos obtenidos (Tabla 3.5), se encontraron metabolitos secundarios como taninos,
compuestos fenólicos, flavonoides, azúcares reductores, saponinas, compuestos con grupos amino y
compuestos terpénicos y esferoidales (Pérez et al, 2007).
Conclusiones
Los procesos biogeoquímicos juegan un importante papel en el modo de adquisición de la
composición química del agua que drena diferentes terrenos. Después de un largo recorrido
subterráneo, el agua emerge con un alto contenido de gases y componentes iónicos disueltos, en
dependencia de la constitución mineralógica del terreno drenado, de la temperatura que adquiere la
misma en virtud del gradiente geotérmico local, y de las condiciones geológicas, hidrogeológicas y
ambientales. Estos procesos biogeoquímicos están controlados por las propiedades químico-físicas
del agua y por la presencia de bacterias y de los nutrientes que estas necesitan para su metabolismo.
En la zona de recarga el medio es oxidante y las bacterias que participan en dichos procesos son
fundamentalmente de tipo aeróbicas; por el contrario en la zona de descarga, el medio es reductor y
las bacterias que catalizan los procesos biogeoquímicos son principalmente de tipo anaeróbicas.
En las emergencias, producto de que los gases disueltos en el agua tienden a escaparse a la
atmósfera y como consecuencia de los cambios ácido-básicos y de potencial redox que se originan,
procesos de precipitación de minerales por recombinación de iones y la formación de facies
insolubles. En las zonas costeras, lagos salinos y otros tipos de humedales, bacterias de diferentes
géneros (sulfatoreductoras, termófilas, hipersalinas, etc), en condiciones extremas de salinidad y
temperatura crean sedimentos o peloides que poseen acción terapéutica, dado que en esas
condiciones extremófilas las bacterias y las microalgas generan productos de acción biológica.
Las aguas minerales sulfuradas de Cuba se originan por reducción de sulfatos procedentes de
minerales yesíferos (yacimientos de Elguea, Menéndez y otros) o piritas (el resto de los
yacimientos). El contenido de relativo de sulfuros en forma de sulfuro o polisulfuro (S 2-),
sulfhídrico (H2S) o sulfhidrilo (HS-) depende de los valores del potencial de oxidación reducción
(Eh) y del pH del medio.
Los peloides muestreados en lagunas salinas, salinas costeras y sistemas hidrotermales en Argentina
y Cuba presentan por lo general valores de pH cercano a 8,0 y potenciales redox inferiores a -300,0
mv. Los minerales más abundantes, presentes en algunos de estos peolides son las plagioclasas y el
cuarzo y los componentes inorgánicos cloruro, sodio y sulfato. Entre los componentes minoritarios
se distinguen manganeso, cinc y cromo.
Enlos extractos del peloide de San Diego de los Baños se encontraron compuestos fenólicos,
flavonoides, azúcares reductores, saponinas, compuestos con grupos amino y compuestos
terpénicos y esteroidales.
El entendimiento de los procesos biogeoquímicos, que requieren del conocimiento de los principios
de diferentes ciencias (Química, Biología, Microbiología, Bioquímica, Farmacia, Geología,
Hidrogeología), es fundamental para conocer los procesos naturales que originan las aguas
mineromedicinales y peloides en los sistemas termales y cuerpos de agua salinos y para la
obtención de productos de acción terapéutica útiles para la salud tales como fangos medicinales o
peloides.
40
4.- Procesos biogeoquímicos y su papel en el origen
de la composición química del agua y los
sedimentos
Juan Reynerio Fagundo Castillo4
Resumen
Se analizan los principios de la Biogeoquímica como ciencia interdisciplinaria, su desarrollo y
perspectiva, los microorganismos que participan en los procesos biogeoquímicos que originan la
composición química del agua y los sedimentos, y se exponen algunos ejemplos de estos procesos
que ocurren en la hidrosfera: generación de un paisaje cársico, así como otros procesos
biogeoquímicos que tienen lugar en la zona de descarga de los acuíferos, en los sistemas
hidrotermales, en las salinas costeras y en las lagunas salinas continentales.
Palabras claves: Biogeoquímica, microorganismos, composición química del agua, sistemas
hidrotermales, salinas costeras, lagunas salinas.
Abstract
The principles of the Bio-geochemistry like interdisciplinary science, their development and
perspective, the microorganisms that notify in the biogeochemical processes that originate the
chemical composition of water and the sediments analyze has benalized by means of some
examples of these processes that happen: The generation of the karstic landscape as well as other
biogeochemical processes that have place in the zone of unloading of the aquifers, in the
hydrothermal systems, in the coastal salines and in the saline continental lagoons.
Keywords: Bio-geochemistry, microorganisms, chemical composition of water, hydrothermal
systems, coastal salt mines, saline lagoons.
Introducción
La Biogeoquímica es un sistema de ciencias interdisciplinarias que estudia los procesos químicos,
físicos y biológicos, y las reacciones que gobiernan la composición de los componentes del
ambiente natural (incluyendo la biósfera, la hidrósfera, la pedósfera, la atmósfera y la litósfera), y el
ciclo de materia y energía que transportan los compuestos químicos de la Tierra en el tiempo y el
espacio. Esta disciplina de la ciencia se relaciona íntimamente con Ciencias de la Atmósfera,
Biología, Microbiología, Bioquímica, Farmacia, Medicina, Ecología, Química Ambiental,
Geología, Oceanografía y Ciencias del Suelo. En sentido general se considera ubicada dentro de las
Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente.
La Biogeoquímica, fundada por Vladimir Vernadsky en 1926 (Rankama y Sahama, 1962), ha
alcanzado un gran desarrollo en breve tiempo, desarrollándose numerosas y novedosas
investigaciones relacionadas con el ciclo biogeoquímico de un grupo de elementos químicos, tales
como carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre, así como de los elementos trazas, isótopos
estables y radionúclidos. Entre su ámbito de aplicación se puede citar las investigaciones
relacionadas con: modelación de sistemas naturales, procesos de acidificación del suelo y agua,
procesos de eutroficación en agua superficial, secuestro de carbono, remediación del suelo,
4
41
procesos biogeoquímicos en condiciones extremófilas y cambio climático.
Entre las instituciones y grupos de trabajo que se destacan por las investigaciones que realizan en el
campo de la biogeoquímica, se pueden citar, entre otros, los siguientes: Biogeochemistry group,
Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, UCLA; Biogeochemistry Lab, Smithsonian
Environmental Research Center; Biogeochemistry group, Chemical Engineering, Lund University;
Max-Planck-Institute for Biogeochemistry; Complex Systems Research Center, University of New
Hampshire; Wetland Biogeochemistry Laboratory; Soil and Water Science Department, University
of Florida; Oxford University Biogeochemistry group.
Hoy existen numerosas revistas especializadas que divulgan periódicamente los resultados de las
investigaciones desarrolladas en distintos países sobre esta temática. Entre las más especializadas se
pueden citar: Biogeochemistry, Biogeosciences, Environmental Geology, Aquatic Sciences,
Geochimimical and Cosmochimical Acta, Soil Biology Biochemistry, Review Mineral
Geochemistry, Journal Microbiolgy Biochemistry, Journal Marine System y otras.
Algunos de los proceso biogeoquímicos que ocurren en la Tierra, tienen lugar en condiciones
extremas, por ejemplo, en sistemas hidrotermales a altas temperaturas, en una agua muy salada, en
presencia de gases tóxicos. En esos medios los microorganismos que sobreviven sufren un proceso
de estrés y en ocasiones, excretan productos naturales que poseen propiedades farmacológicas
importantes.
El objetivo de este trabajo es mostrar los principios de los procesos biogeoquímicos, ilustrar su
ocurrencia en la naturaleza a través de algunos ejemplos y simular los mismos en el laboratorio
mediante experimentos de interacción agua-roca.
Las mediciones de los diferentes parámetros físicos – químicos se realizaron con el equipo
multiparámetro HU 9828. Los macro constituyentes iónicos se determinaron mediante métodos
volumétricos según las normas recomendadas para la determinación de aguas residuales (APHAAWWA-WPCF, 2012). Los datos hidro geoquímicos se procesaron mediante las normas elaboradas
por esta asociación.
Microorganismos que participan en los procesos biogeoquímicos que originan la composición
química del agua y los sedimentos
Los microorganismos que participan en los procesos biogeoquímico que se originan en la naturaleza
son muy variados. Los mismos catalizan las reacciones de oxidación-reducción más importantes
que tienen lugar en el medio acuático, las bacterias constituyen los microorganismos más
importantes en las aguas subterráneas. Poseen un tamaño medio entre 0,5 y 0,3 µm, no muy
pequeño en comparación con las dimensiones de los poros y oquedades de muchas rocas. Además
de las bacterias, en el medio acuático existen otros tipos de microorganismos, tales como
microalgas, diatomeas, hongos, etc.
Las bacterias que necesitan oxígeno libre para su desarrollo se denominan aeróbicas; las que por el
contrario, viven en ausencia de oxígeno disuelto se nombran anaeróbicas, y las que pueden vivir
tanto en presencia como en ausencia de este gas se les llaman facultativas. Las bacterias de tipo
aeróbica, están presentes fundamentalmente en la zona del suelo y de recarga de los acuíferos,
mientras que las de tipo anaeróbico, se encuentran con más frecuencia en la zona de descarga, en las
lagunas salinas y en las regiones costeras.
42
En los ríos y presas expuestos a la contaminación, así como en la zona del suelo, la actividad
microbiológica es importante, siendo menor, aunque no despreciable, en la zona de las aguas
subterráneas.
La capacidad catalítica de las bacterias se debe a sus enzimas, las cuales requieren de nutrientes
para la síntesis y restablecimiento de las células bacterianas. En este proceso desempeña un papel
importante, las sustancias capaces de almacenar y suministrar energía como la adenosina trifosfato
(ATP). Estas moléculas alto-energéticas liberan la energía necesaria para la síntesis de las células
bacterianas al ser hidrolizadas
El contenido de oxígeno para la supervivencia de las bacterias aeróbicas es del orden de 0,05 mg/L,
aunque algunas pueden vivir en concentraciones menores. En determinadas ocasiones las bacterias
son capaces de adaptarse a condiciones bastante adversas y variables, como por ejemplo, elevados
flujos, condiciones de pH entre 1,0 y 10, temperaturas entre 0,0 y 75,0 °C y salinidades del orden
del agua de mar. Sin embargo, en las aguas subterráneas muchas bacterias se encuentran en
cantidades despreciables, por no disponer de algunos de los elementos básicos para su desarrollo,
tales como: materia orgánica consumible y nutrientes adecuados, o sufren cambios de temperatura
que afectan los proceso bioquímicos.
En los sistemas hidrotermales abundan entre otras, bacterias las algobacterias verdes (cloroficeas),
algobacterias verde azules (cianoficeas), diatomeas, sulfobacterias, ferrobacterias, manganobacterias, bacterias termófilas, etc.
En la tabla 4.1 se expone una relación de procesos biogeoquímicos y las bacterias que lo catalizan.
Tabla 4.1. Procesos biogeoquímicos y las bacterias que lo catalizan.
Bacterias que catalizan el proceso (Bacterias
sulfoxidantes)
Proceso de oxidación de sulfuros y azufre elemental
Thiobacilus thioparus (aeróbicas y anaeróbicas)
2 S2- + 1/2 O2 + 2 H+ = So + H2O
Thiobacilus denitrificans (anaeróbicas)
Thiobacilus thiooxidans (aeróbicas)
2 So + 3 O2 + 2 H2O = SO42-
Pseudomonas (hetreotróficas)
Bacterias que catalizan el proceso
Proceso de reducción de sulfato
(Bacterias sulfatoreductoras)
Clorobium
SO42- + C = H2S + 2 CO2
Clostridia
Vellionella
Desulfovibrio desulfuricans
2 CO2 +H2O = 2 HCO3- + 2 H+
Desulfococus
HCO3- + 2 H2S = C + 2 So + H2O + 2 OH-
Desulfomonas
Desulfobacterium
43
Bacterias que catalizan el proceso (Bacterias
sulfoxidantes)
Proceso de oxidación de sulfuros y azufre elemental
Thiosulfobacterium
Termodesulfobacterium
Principales procesos biogeoquímicos que se producen en el medio acuático
Algunas de las reacciones químicas de oxidación-reducción catalizadas por las bacterias se
presentan a continuación:
1. Producción de CO2 en el suelo:
CH2O (l) + O2 (g)= CO2 (g) + H2O (l)
2. Denitrificación:
+
CH2O (l)+ (4/5) NO3 (ac) = (2/3) N2 (g) + HCO3 (ac) +(1/5) H (ac) + (2/5) H2O (l)
3. Reducción de Mn (III):
+
CH2O(l) + 2 MnO2 (s) + 3 H (ac) = 2 Mn2+ (ac) + HCO3 (ac) + 2 H2O (l)
4. Reducción de Fe (III):
+
CH2O (l) + 4 Fe(OH)3 (s) + 7 H (ac) = 4 Fe2+ (ac) + HCO3 (ac) + 10 H2O (l)
5. Reducción de SO42=
+
CH2O (l) + (1/2) SO42= (ac) = (1/2) HS- (ac) + HCO3 (ac) + (1/2) H (ac)
6. Formación de CH4:
+
CH2 O(l) + (1/2) H2O (l) = (1/2) CH4 (g) +(1/2) HCO3 (ac) + (1/2) H (ac)
Procesos biogeoquímicos que desarrollan el paisaje cársico
Un proceso de tipo biogeoquímico muy interesante es el que se produce en un medio cársico. La
respiración de las raíces de la macroflora y la actividad de los microbios descomponiendo la materia
orgánica son procesos biogeoquímicos productores de CO 2. De ahí la importancia que tienen los
factores ecológicos en la formación del karst (Bárány-Kevei, 1992).
Durante el proceso de descomposición de las plantas, la actividad enzimática de las bacterias y otros
microorganismos transforma la materia orgánica producida previamente por la fotosíntesis en
sustancias húmicas: ácidos húmicos y fúlvicos, los cuales a su vez, se descomponen produciendo
CO2 y agua, este proceso se conoce como humificación, elde CO2 se produce en la biosfera en
virtud de la acción de las bacterias y otros microorganismos, lo cual se puede representar de la
forma siguiente:
n CH2O  n CO2+ n H2O
El CH2O en esta ecuación representa un simple carbohidrato, aunque las reacciones también
pueden ocurrir con la participación de sacáridos, polisacáridos, ácidos grasos, fenoles, aminoácidos
44
y otros compuestos orgánicos.
Este proceso biogeoquímico, constituye la principal fuente de suministro de CO 2por vía bacteriana
y requiere de la presencia de oxígeno disuelto en el agua, el CO 2 se combina con el agua para
formar H2CO3 que es un ácido suficientemente fuerte para disolver los carbonatos.
En el proceso de descomposición de la materia orgánica en el suelo además de CO 2 y los productos
que se presentaron en las reacciones, se forman por acción de las bacterias heterótrofas, algunos
ácidos débiles como el acético, cítrico, oxálico, etcétera, que aunque son poco estables y se
conservan poco tiempo en el seno del agua subterránea, son no obstante, capaces de atacar las
calizas con una intensidad de hasta 10 veces mayor que la ecuación anterior para el CO 2(Eraso,
1981).
La fuente esencial generadora de CO2, que el agua adquiere en su recorrido subterráneo, es sin duda
alguna el suelo (Schoeller, 1950). El CO2 de la atmósfera del suelo puede exceder teóricamente,
según Roques (1962) hasta 300 veces y según Trombe (1952), hasta 700 veces el del aire
atmosférico. Las mediciones efectuadas por Bögli (1969) arrojaron un contenido de CO 2 en el suelo
de 10,2 %, que comparado con el de la atmósfera del aire (0,035 %), representa unas 291 veces
más.
Bachelier (1971), da una información precisa y cuantitativa sobre el mecanismo de producción de
CO2 en el suelo, los factores determinantes en este proceso biogeoquímico son, entre otros, los
relacionados con el efecto del clima (temperatura, humedad); los que dependen de la naturaleza
física del suelo (aireación, granulometría) y los dependientes de la composición química (presencia
de minerales solubles, de elementos como el calcio y el hierro que facilitan la estabilidad estructural
del suelo). Relacionados con estos factores se encuentran además, la presencia de abundante
materia orgánica y de microorganismos (Bakalowicz, 1979).
En general, el contenido de CO2 del suelo es muy variable, influyendo además el tipo de suelo,
textura, horizonte, profundidad, drenaje, cobertura vegetal, flora y fauna presentes, así como la
duración de los períodos alternativos de las estaciones climáticas.
El efecto del clima sobre la producción de CO 2 en el suelo, se determinó cuantitativamente de
manera directa, a través del estudio de la variación estacional del contenido de CO 2 del suelo a lo
largo de un año y en forma indirecta, a través de la determinación del contenido de carbonatos
disueltos en las aguas. Los experimentos llevados a cabo por Bachelier (1971) ponen de manifiesto,
que la máxima cantidad de gas se produce en verano y la mínima en invierno a temperaturas
inferiores a 0,0 °C. Sin embargo, Bakalowicz, 1979 plantea que la temperatura media anual no
ofrece una estimación adecuada de la pCO2, por la amplia variación que sufre aquel parámetro
durante las distintas estaciones del año.
Otro elemento del clima que ejerce un papel importante en el proceso de generación de CO 2es la
humedad, cuyo valor óptimo según Bachelier es de 20,0 a 40,0 %, un exceso por encima de este
valor limita la actividad biológica.
Currie (1961) ha señalado, los factores pedológicos tienden a facilitar la difusión del CO 2 y el
drenaje de las aguas, lo cual favorecen la producción de este gas en el suelo.
El efecto del pH y la composición química del suelo, sobre la generación de CO 2 se ha evaluado
por Miotke (1974), quien encontró que cuando el pH del suelo se encuentra cercano a la neutralidad
o es ligeramente básico, la actividad biológica es más eficiente que cuando el pH es ácido. La
presencia de calcio en cantidades apreciables tiende también a facilitar la producción de CO 2 en el
suelo, puesto que permite la respiración homogénea de los complejos orgánicos en los distintos
45
perfiles del suelo (Vedy et al, 1979).
Schoeller (1950) encontró que la cantidad de CO 2 de las aguas subterráneas decrece con la altura y
hacia las zonas desérticas, alcanzando un máximo en las regiones mediterráneas.
Miotke (1974), comparando distintos suelos de regiones kársticas, encontró valores máximos de
-2
CO2 en los suelos tropicales de Puerto Rico y Jamaica (0,6 a 6,10 bar), y mínimos en la región
-2
fría de las montañas Rocosas del Canadá (de 0,04 a 0,5.10 bar), así como Alaska (de 0,04 a
-2
2+
2+
0,05.10 bar). En contraste con estos resultados, en las mediciones de Ca yMg efectuadas en
aguas kársticas, no encontró diferencias significativas entre clima tropical y templado. La opinión
de este investigador es que el comportamiento del CO 2 en esas aguas está relacionado con la
cobertura vegetal del suelo y las reacciones cinéticas asociadas con el tiempo de residencia del agua
en el acuífero.
Smith y Atkinson (1976) han reportado rangos medios de pCO 2 entre 0,2 y 11,0 % en regiones
tropicales, con un valor extremo de 17,5 %; mientras que en las zonas de clima templado reporta
valores entre 0,1 y 3,5 %, así como contenidos ocasionalmente extremos de 10,0 %. En las regiones
árticas se han observado valores de pCO2 entre 0,1 y 0,2 %, mientras que en la tundra alpina éstos
han alcanzado entre 0,01 y 0,5 % (Miotke, 1974).
En la tabla 4.1 se presentan se muestra el contenido de CO2 de diferentes tipos de suelo y se
compara con el del aire atmosférico
Tabla 4.1. Contenido de CO2 medido del aire y del suelo en diferentes latitudes.
Tipo de suelo y región
Aire atmosférico
Tropical (Puerto Rico y Jamaica)
Autores
Hutchinson (1957)
Smith and Atkinson (1976)
pCO2
10-3,48
10-2,7-10-0,8
log pCO2
-3,48
-2,7 - -0,8
Templado
Templado (Montañas Rocosas del
Canadá)
Tundra polar (Alaska)
Miotke (1974)
10-3,0-10-1,5
10-4,3-10-3,4
-3,0 - -1,5
-4,3 - -3,4
Miotke (1974)
10-5,3-10-3,4
-5,3 -3,4
Tundra alpina
10-4,0-10-3,3
-4,0 – 3,3
Concentraciones expresadas en atmósferas.
Albertsen (1977, en Appelo y Postma, 1993), demostraron que la cantidad de CO 2 generada en el
suelo en los terrenos arados, donde se produce abundante oxigenación, es mucho mayor que la
producida en las praderas y bosques, especialmente en los períodos más húmedos y calientes.
46
Figura 4.1. Variación del contenido de CO2 de diferentes tipos de suelo (Albertsen (1977).
Las mediciones del contenido de CO 2 en suelos de regiones kársticas situados en climas extremos
(polar y tropical), en los ejemplos de Spitsbergen y Cuba, efectuados en forma indirecta a través de
las mediciones de CO2 en el agua (Fagundo, Valdés y Pulina, 1987; 1990), demuestran que el
proceso de generación de este gas es mucho más intenso en condiciones tropicales que en
condiciones polares, tal como se puede observar en la tabla 4.2, de la misma forma el contenido
medio de CaCO3 medido en las aguas cubanas en superior al de las aguas de esa región polar.
Tabla 4.2. Contenidos de CO2 y CaCO3 en manantiales de regiones tropicales (Cuba) y polares
(Spitsbergen)
Situación
Cuenca del río Cuyaguateje
Cuenca del río San Marcos
Cuenca del río Guaso
Región de Gandpassed
Fecha
12-8-70
10-9-86
10-2-88
8-9-85
10-9-85
24-9-85
País
Cuba
Cuba
Cuba
Spitsbergen
Spitsbergen
Spitsbergen
CO2 (mg.L-1)
CaCO3 (mg.L-1)
17,4
19,8
19,8
2,6
5,9
3,7
174
230
175
32
45
40
Los relativamente altos contenidos de dureza observado en algunas aguas de Spitsbergen están
asociados al origen profundo de las mismas (en este caso las aguas de tipo termomineral), al estado
de trituración mecánica de las rocas por la acción de los glaciares (lagos en las morrenas) o al efecto
crioquímico que se produce al acercarse el invierno polar. El mayor contenido de CO 2 fue
observado en las aguas procedentes de la tundra (vegetación enana del círculo polar), lo cual
demuestra que a pesar de encontrarse congelados los suelos polares (permafrost), es significativa en
los mismos la actividad microbiológica.
Sin embargo, en ocasiones se ha reportado mayores contenidos de CaCO 3 en algunas aguas
kársticas de regiones templadas, cuyos suelos poseen una pCO 2 inferior al de las regiones
tropicales. En esos casos influyen factores tales como las condiciones de circulación de las aguas en
condiciones de sistema abierto o cerrado, así como la mayor cantidad de detritos de calcita en el
suelo (Drake, 1984), un agua que disuelve los minerales en condiciones de sistema cerrado respecto
al CO2, incrementa menos el contenido de CaCO3 disuelto que la que lo hace en condiciones de
47
sistema abierto, independientemente de la latitud en que se encuentre.
El principal proceso mediante el cual se produce la disolución de las calizas se puede expresar
mediante la ecuación:
CO2 (g) + H2O (l) + CaCO3 (s) = Ca2+ (ac) + 2 HCO3 (ac)
Calcita
En el caso en que los carbonatos estén constituidos además por dolomita, o la roca predominante
sea la dolomía, entonces la dolomita se disuelve mediante la reacción:
2 CO2 (g) + 2 H2O (l) + CaMg(CO3)2 (s) = Ca2+ (ac) + Mg2+ + 4 HCO3 (ac)
Dolomita
En la figura 4.2 se muestra un esquema de un terreno cársico donde predominan los procesos de
corrosión química por acción del CO2 extraído por las precipitaciones en su paso por el suelo.
Figura 4.2. Relieve cársico originado por procesos biogeoquímico generadores de CO 2 que
posteriormente interactúan con los carbonatos.
Por otro lado, se conoce la existencia de bacterias autótrofas que pueden fijar el nitrógeno del suelo,
originando una cadena de reacciones en que se forma ácido nítrico, pasando previamente por
amoniaco y nitrito. Este proceso se conoce como nitrificación de las aguas:
NH3 (g) + (3/2) O2 (g) = HNO2 (l) + H2 (g)
HNO2 (l) + (1/2) O2 (g) = HNO3 (l)
Los ácidos nítricos y otros compuestos nitrogenados relacionados, son capaces de disolver las rocas
carbonatadas según las ecuaciones siguientes:
2 HNO2 (l)+ CaCO3(s) = Ca(NO3)2 (s) + H2 (g)+ CO2 (g)
48
+
CH3NH2 (l) +(1/2) O2 (g) = CO2 (g) + (OH)-(ac) + NH4 (ac)
C5H4N4O3 (s)+ 2 H2O (l) + (3/2) O2 (g) = 2 CO(NH)2 (s) + 3 CO2 (g)
CO2 (g) + H2O (l) + CaCO3 (s) = Ca
2+
(ac) + 2 HCO3 (ac)
Un proceso biogeoquímico mediante el cual se puede obtener CO2 de origen no pedológico en el
medio acuático, es el de producción de un ácido fuerte como el sulfúrico por oxidación de las piritas
y otros minerales sulfurosos, proceso que es acelerado por los microorganismos. La reacción
correspondiente se puede expresar esquemáticamente por:
2+
2+
4 FeS2 (s)+ (15/2) O2 (g) + 23 H2O (l) + 28 Fe (ac) = 2 Fe(OH)3 (s) + 30 Fe (ac)+ 8 SO42(ac)+34 H+(ac)
+
Mediante este proceso se puede formar, aproximadamente, 8 ión gramos de H por cada mol de
FeS2 oxidado. Muchas aguas kársticas con elevados contenidos de ion SO 42- poseen además
elevadas concentraciones de CaCO3, disuelto, como resultado de una producción adicional de CO 2
originado por la acción de los ácidos fuertes, creados en el proceso de oxidación de las piritas sobre
los carbonatos.
En la literatura karstológica se reportan, a veces, algunos procesos espeleogenéticos que se deben a
la presencia de gases y fluidos ricos en CO 2 y H2S. Por ejemplo, Hill (1987) explica el desarrollo
de grandes y exóticas cavernas como las de Carlsbad en Nuevo México, mediante la ocurrencia de
la reacción de reducción siguiente:
CnHm (l) + SO42- (ac) = H2S (g) + CO2 (g)+ H2O (l)
Petróleo
Según este investigador, en la zona profunda de la cuenca se ponen en contacto los fluidos
petrolíferos con las rocas ricas en sulfato, generando cantidades apreciables de H2S, las cuales
ascienden a la superficie y se disuelven en las aguas meteoric, en el seno del agua, este gas se oxida
parcialmente a H2SO4, de la forma siguiente:
H2S (g)+ 2 O2 (g) = H2SO4 (l)
y en parte se disocia según:
H2S (g) = H+ (ac) + HS- (ac)
De esta forma se genera CO2, H2SO4 e ión H+ libre, capaces de disolver considerable cantidad de
calcita, la cual es parcialmente reemplazada por el yeso de la manera siguiente:
+
CaCO3(s)+ H2SO4(l) + 2 H2O (l) = CaSO4 2 H2O (s) + H (ac) + HCO3 (ac)
La presencia de una elevada densidad de cavernamiento en las montañas de Harz (Alemania), se ha
relacionado con el intemperismo de la siderita contenida en el macizo carbonatado (Kempe, 1975),
en este proceso, por cada mol de siderita oxidada se debe formar un mol de CO2, según:
4 FeCO3 (s) + O2 (g)+ n H2O (l) = 2 Fe2O3 n H2O (s) + CO2 (g)
Siderita
49
Procesos biogeoquímico en la zona de descarga de los acuíferos
La composición química de las aguas subterráneas, al cabo de un determinado tiempo, se encuentra
en equilibrio químico-físico con el contenido de gases y de fases sólidas disueltas. Estos equilibrios
dependen de la temperatura y de la presión del sistema y cualquier cambio en esas condiciones
produce una variación en la composición química, que da lugar a una mayor disolución de los
minerales o a la precipitación de éstos por recombinación iónica (Fagundo, 2008).
En la zona de descarga de los flujos que han tenido un largo recorrido subterráneo (flujos
intermedios y regionales o profundos), se originan manantiales generalmente de tipo termal como
resultado del efecto del gradiente geotérmico o el aporte de flujos hidrotermales. La composición
química del agua, determinada "in situ" se caracteriza por la presencia de un elevado contenido de
minerales disueltos; temperatura relativamente elevada, presencia de gases (CO 2, H2S); un pH que
pudiera ser neutro o básico (en dependencia del estado del proceso de interacción CO 2-H2OCaCO3), un potencial redox bajo (ambiente reductor), y tendencia del agua a la saturación o
sobresaturación respecto a determinados minerales constitutivos del acuífero. Por tanto, al brotar el
agua en el manantial, se producen desequilibrios químicos al cambiar las condiciones ambientales:
temperatura exterior menor que la del agua, estado oxidante originado por el oxígeno del aire,
escape de gases, con la consiguiente recombinación de los iones y precipitación de minerales. Las
siguientes ecuaciones químicas muestran algunos de los principales procesos geoquímicas que se
originan:
Ca2+ + 2 HCO3- = CO2Ý + H2O + CaCO3ß
Calcita
H4SiO4 = SiO2ß +H2O
Cuarzo
Mn2++ 2 CH2O + O2 = MnO2ß+ HCO3 + H2O
Pirolusita
2 Fe2+ + O2 = Fe2O3ß
Hematita
SO42- + C+ 2 H2O = H2S Ý + 2 HCO3HCO3- + 2 H2S Ý + = C+ 2 Soß + 2 H2O
Azufe coliodal
2 H2S Ý + Fe2+ = FeS2ß+ 2 H+
Pirita
H2S Ý + O2 = SO42- + 2 H+
Ca2+ + SO42- = CaSO4∙2H2O ß
Yeso
50
Es común ver en los manantiales y en los saltos de agua, travertinos de CaCO 3 como resultado de la
pérdida del exceso de CO2 del agua, el cual se escapa a la atmósfera (figura 4.3).
Figura 4.3. Depósitos de CaCO3 a lo largo del curso del arroyo Mil Cumbres, Sierra del Rosario,
Pinar del Río a la salida del manantial.
En el caso de los manantiales termales, al enfriarse el agua en las emergencias se produce también
precipitación de SiO2 por ser más insoluble la sílice a baja temperatura; el manganeso II se oxida
produciendo pirosusita insoluble; el hierro ferroso en presencia del oxígeno se oxida a férrico
originando hematina insoluble, azufre coloidal que queda suspendida en la superficie, aunque parte
del hierro se combina con el sulfhídrico originado sulfuro ferroso, y finalmente, parte del H 2S se
puede oxidar a sulfato y producir precipitados de yeso. Los procesos de oxidación-reducción son de
tipo biogeoquímico donde intervienen bacterias y otros microorganismos de de diferentes géneros y
especies. Asimismo, se produce la co-precipitación de componentes menores paragénetico y
elementos trazas.
En la figura 4.4 se muestra la de azufre coloidal en el agua de un manantial termal y el color del
agua evidencia la presencia de bacterias sulfa-oxidantes.
51
Figura 4.4. Presencia de azufre coloidal en la superficie del agua y bacterias sulfa-oxidantes
(manantial termal contiguo al Balneario de Soroa, Sierra del Rosario, Pinar del Río.
Procesos biogeoquímicos en sistemas hidrotermales y cuerpos de agua salinos
lagos salados y salinas donde existen altas temperaturas o medios muy salinos. En estos sitios el
agua altamente mineraliza, forma sedimentos por precipitación de componentes normales disueltos
o suspendidos, en virtud de causas diversas: cambios de temperatura, pérdida de gas carbónico,
variaciones de potenciales de oxidación-reducción, la acción de la flora autótrofa, etc. Esos
sedimentos, lodos o fango, son formaciones naturales que constan de agua, sustancias minerales
inorgánicas y orgánicas y poseen propiedades terapéuticas En su forma original han sido
denominados pelose, y una vez enriquecidos o madurados con las propias aguas termales, se les
nombran peloides.
forman la a fase sólida del peloide son: silicatos (micas, arcillas, feldespatos), carbonatos (calcita,
húmicos, fulvoácidos, etc., y formando parte de la materia organizada aparecen múltiples
representantes de algabacterias clorofíceas, cianofíceas, diatomeas, sulfobacterias, ferrobacterias,
52
Martín, 1994). Atendiendo a la composición de su fase sólida y líquida, reciben diferentes
denominados: fangos o lodos, Limos, Turbas, Biogleas, Sapropeli y Gyttja
En la figuras 4.5 y 4.6 se muestran pelides originados en un sistema hidrotermal y en un lago salino
continental de la República de Argentina respectivamente.
Figura 4.5. Peloide de origen hidrotermal en el Centro Termal Pismanta, Los Andes, Argentina.
Figura 4.6. Peloide originado en el lago Carhué, Buenos Aires, Argentina.
En el proceso de formación de los pelopides, tanto en forma natural como en el proceso de
de la materia orgánica presente en los sedimentos (figura 4.7).
53
Figura 4.7. Microorganismos presentes en una laguna salina continental: Lago Carhué. Buenos
Aires, Argentina.
En las condiciones extremas en que se desarrollan estos micoorganismos, generan una serie de
moléculas orgánicas como pigmentos naturales (ficocianina, ficoeritrina, carotenoides liposolubles,
clorofilas,  caroteno, cantoxanthina y astaxantina); vitaminas; ácidos grasos; proteínas:
aminoácidos, vitaminas, oligoelementos y alcaloides y terpenos, entre otras (Pérez et al, 2007).
Por ejemplo Termodesulfobacterium se adaptan a vivir a altas temperaturas, Spirulina requiere
como nutriente un medio de cultivo de bicarbonato de sodio en altas proporciones y Dunadiela se
adapta a medios extremadamente salinos. En esas condiciones extremas, las especies que logran
sobrevivir, se estresan y excretan compuestos de acción farmacológica que no se originan en
ambientes más benignos. En esos medios extremófilos, otras especies como Oscilatoria, Diatomeas
y otros microorganismos no pueden vivir y por tanto, no compiten en el consumo de nutrientes,
obteniéndose así altos rendimientos de los productos originados por aquellos que logran adaptarse.
Las microalgas del género Spirulina requieren un medio de cultivo donde prevalecen contenidos de
bicarbonato de sodio del orden de 16,0 g.L-1. Estas concentraciones existen en algunas aguas
naturales de origen volcánico en América, Africa y Asia. Las aguas naturales con elevados
contenidos de NaHCO3 que abundan en esos países, pueden formarse por la acción del CO2 de
origen biogénico sobre minerales como el natrón o la Gaylussita, tal como ocurre en la laguna del
Urao en Mérida, Venezuela (Matheus et al, 1975). En esta laguna el agua puede alcanzar una
concentración de NaHCO3 disuelto de hasta 15,0 g.L-1.
En las regiones volcánicas o en los terrenos de tipo efusivo sedimentario, las aguas de tipo
bicarbonatadas sódicas adquieren su composición mediante la disolución incongruente, a altas
temperaturas, de minerales de tipo aluminosilicatos como la albita (Facundo, 1965), tal como la que
se representa a continuación:
CO2 +11/2 H2O +Na AlSi3O8 = Na+ + HCO3- + 2 H4SiO4 + ½ Al 2Si2O5 (OH)4
Albita Caolinita
54
El agua subterránea que discurre por este tipo de roca, cuando no alcanza una elevada concentración
de Na2CO3 disuelto en su recorrido subterráneo, puede concentrarse por evaporación siempre que
no contenga cantidades apreciables de carbonato de calcio disuelto, ya que en ese caso tiende a
precipitar el CaCO3 y no se produce la concentración del bicarbonato de sodio más soluble, a menos
que previamente el agua se pase por un intercambiador iónico que retenga el calcio. En el lago
Texcoco en México, el agua captada en los pozos, después de pasar por unos evaporadores, llega a
alcanzar una alcalinidad (HCO3-, CO32-+ OH-) de 80,5 g.L-1 (Rudolph et al, 1989).
En la figura 4.5 se muestra una planta de producción de Spirulina en California.
Figura 4.5. Planta de producción de Spirulina en California.
Conclusiones
de diferentes ciencias (Química, Biología, Microbiología, Bioquímica, Farmacia, Medicina,
Geología, Hidrogeología), es fundamental para conocer los procesos naturales que originan las
aguas mineromedicinales y peloides en los sistemas termales y cuerpos de agua salinos y para la
peloides.
55
ambientales. Estos procesos están controlados por las propiedades químico-físicas del agua y por la
presencia de bacterias y de los nutrientes que estas necesitan para su metabolismo.
El proceso biogeoquímico que se produce en un medio cársico, como resultado de la acción del CO 2
sobre los carbonatos, se debe a la actividad de los microbios que descomponen la materia orgánica
del suelo. Otros microorganismos también son capaces de producir CO 2 y ácidos débiles o fuertes
en condiciones aeróbicas o anaeróbicas y contribuir al desarrollo de los sistemas cársicos.
atmósfera y como consecuencia de los cambios ácido-básicos y de potencial redox que se originan
géneros en condiciones extremas de salinidad y temperatura crean sedimentos o peloides que
poseen acción terapéutica, dado que en esas condiciones extremófilas las bacterias y las microalgas
generan productos de acción biológica.
56
5.- Cinética de la pérdida de concentrion de agua
mineromedicinal de tipo sulfurada sódica de
Elguea
Juan Reynerio Fagundo Castillo5, Julio López Rendueles (Fallecido).
Manuel Guerra6
Resumen
Se estudia la disminución de la concentración de H2S en solución acuosa. Esta es una rección
compleja, y la velocidad en que esta ocurre depende de la velocidad de la entrada de aireen la
solución acuosa. Esta también de la relación volumen-área de la interfase aire-solución y de la
velocidad y grado de agitación, si se desea obtener una solución homogenea. Si no se agita la
velocidad de disminución del H2S s mayor cerca de la superficie que en la parte baja de la solución.
Las paredes de vidrio del recipiente influye en la producción de una reacción en cadena. La
velocidad de reacción aumenta bajo el efecto de la luz solar. La cadena es corta.
Palabras claves: cinética de evaporación, agua mineromedicinal, baneología
Abstract
The degradation of H2S in aqueous solution was studied. It is a complex reaction, as shown of rates
which such reaction occurs. It velocity depend of the rate of the entry if air in water solution. It is
also depend of the reaction volume-area of the interface air-solution and of the speed and degree of
agitation in homogeneity of solution is desired. In there is not agitation of any in anykind the
velocity of disappearance of H2S is a near the surface of liquid than in the bottom of the solution of
the solution. The glass walls of the reaction. It has been demonstrate the velocity of the reaction
under the influence of the sun light. Maybe sun light precipitates in the formation of chain carriers.
The chin is very short.
Introduccion
La balneología cuenta con dos enemigos declaraados: el metafísico, que atribuye al agua
mineomedicinal propiedades milagrosas y el positivista, y el ecéptico, que considera que las cura
atribuidas un agua mineromedicinal, son obra de la sugestión, del cambio de ambiente y del
descanso. La influecia de tales causas no se pueden negar, pero actuan por añadidura. Ambos
criterios son el amverso y reverse de una misma medulla.
Las aguas de los manantiales de Elguea pertenecen a un mismo de manifiesto en 1952, cuando al
bombear en exceso un pozo nuevo, dejaron de fluir los manaccntiales San Juan Boco, Santa Lucía y
El Hierro.
En este trabajo se presentan los experimentos realizados cinética d evaporacion de un agua
mineromedicial sulfatda cálcica, captada en el balneario de Elguea, provincia de Villa Clara.
5
6
Instituto de Hidrología y Climatología Médicas (MINSP).
57
Materiales y metodos
Los datos hidroquímicos fueron determinados en los laboratorios de las correspondientes fábricas,
mediante técnicas analíticas estándares APHA–AWWA–WPCF (1995).
Metodolgia
Se lleno una botella de 4 L hasta el tope para evita el escape del CO 2, con el agua del pozo nuevo de
Elguea tomada en la boca del pozo. También se tomo otra muestra a 4 m de profundidad cuya
temperatura era de 48,0oC.
Se tomaron 3 muestras en sendos elermeyers, así como otra botella con agua del pozo tomada a 4,0
m de profundidad. Se hirvieron a ebullición y se precipitaron los sulfatos con cloruro de bario.
Luego se filtraron las muestras, se llevaron a sequedad y se pesaron hasta peso constante. Lo
análisis se realizaron a los tres días de tomadas de las muestras. Se utilizaron micro buretas de 10,0
mL con subdivisiones de 0,02 m Las valoraciones se realizaron por yodometria.
Para obtener número concordante se agrego de una vez la solución de H 2S sobre la solución de yodo
estimada de antemano para completar la reacción. Después de añadida unas gotas del indicador de
almidón, para evitar error por absorción de yodo. El punto final se obtuvo aplicando una solución de
tiosulfato de sodio.
Las soluciones acuosas de H2S fueron homogeneizadas, manteniéndose los frascos a la temperatura
de 25,0 ± 0,5 oC bajo la acción de la luz durante doce días.
La primera muestra tomada después de destapar los frascos, valorada seguidamente, dio siempre la
misma concentración de H2S que la solución madre, tanto los conservados en los frascos de vidrio
transparente como en vidrio ámbar.
Resultados y discusion
Los resultados de las investigaciones realizadas en el balneario de los Baños, arrojan diferencias en
cuanto al contenido de sulfato (Gutiérrez y Nelman, López-Rendueles, 1946), lo cual es atribuible a
las diferentes mediciones del contenido de H 2S con posterioridad a la toma de la muestra, y se
llevaron al laboratorio para estudiar la variación en el tiempo del contenido de H2S.
El ion sulfato posee propiedades desintoxicantes (López-Rendules,1950), por conjugación, utilizado
por el cuerpo humano. En estos frascos expuestos durante doce das a la luz del día, completamente
llenos, sin cámara de aire, no se noto disminución de H2S. Se repitieron tres serie de experimentos,
obteniéndose idénticos resultados. Una vez destapados los frascos, y tomadas las muestras a
intervalos de tiempo determinados, se estudio el orden de la reacción en cada frasco.
Las diferencias en las pesadas cayeron dentro del error experimental. Los resultados de los análisis
arrojaron una variación de 4,00 pp como resultado de la valoración. En la tabla 1 se muestra las
concentraciones iníciales de cada muestra.
Tabla 5.1. Concentración de H2S el primer día.
Muestra
I
II
III
Concentración de H2S (ppm)
7,89
1,23
0,33
Se dejaron destapados los frascos hasta la nueva valoración, las cuales se efectuaron a partir del
tercer día, procediéndose a efectuar los análisis del contenido de H 2S a determinados intervalos de
58
tiempo con el objetivo de realizar el estudio cinético (tabla 5.2).
Tabla 5.2. Resultados del estudio cinético (muestra 1).
Concentración de H2S
ppm
7,82
7,02
7,00
6,50
∆t
1er Orden
Kx10-3
Orden de la reacción
2do Orden
Kx10-3
3er Orden
Kx10-3
2,20
1,00
0,80
3,00
1,30
1,10
6,48
2,57
1,98
ppm
20,0
35,0
110,0
225,0
Ninguna de las tres formulas correspondientes a los tres órdenes de reacciones dan por resultados
valores aceptables para la constante K. La reacción se manifiesta como compleja.
Las muestras de los frascos I y II dieron valores para la constante K, propios de una reacción de
primer orden en lugar de segundo orden (Tabla 3).
Tabla 5.3. Resultados del estudio cinético (muestra 2).
Concentración de H2S
∆t
Orden de la reacción
1er Orden
2do Orden
Kx10-3
Kx10-3
ppm
0,21
0,23
0,19
0,15
ppm
8,40
8,50
8,10
30,0
55,0
85,0
3,70
3,80
4,40
Los resultados de las determinaciones cinéticas de las muestras I y II, expresadas en forma
logarítmica cayeron sobre una línea recta, confirmando la presencia de una reacción cinética de
primer orden.
Estudio del comportamiento cinético de una solución a base de H2S y agua
destilada
Es conocida la reacción de la reducción del sulfato a H 2S (Appelo y Postna, 1990). En el caso de las
aguas mineromedicinales del balneario de San Miguel de los Baños, Embil (1946), atribuye ese
comportamiento a un proceso defotolisis. Sin embargo, en el caso de las aguas mineromedicinales
de Eluea, el proceso es de oxidación del sulfato mediante la reacción:
2 H+ + O2 = 2 H2O + S2la cual corresponde a una ecuación de tercer orden, aunque los experimentos no se corresponden.
Durante muchas horas el azufre se mantiene disperso en estado coloidal (Embil, 1946), pero
finalmente aparece cristalizado en el fono del recipiente. La reacción se manifiesta como de primer
orden, con ciertas desviaciones lo que demuestra su complejidad.
En la tabla 5.3 se muestra el proceso de oxidación de una solución de H2S en agua destilada,
contenida en una probeta d 1000,0 ml, la cual es agitada suavemente mediante un varilla de vidrio,
antes de cada toma de muestra de 25,0 mL. La operación se realizo a temperatura ambiente (entre
28,4 y 28,7 oC).
59
Tabla 5.3. Resultados de la determinación de la constante de reacción K
a-x
log(a-x)
a
(a−x )
2,96
2,75
2,62
2,43
0,471292
0,439333
0,418301
0,385606
0,027019
0,058978
0,080010
0,112705
a
(a−x )
2,303 log=
0,062225
0,135823
0,184263
0,259555
∆t
Kx102 min-1
60,0
125,0
180,0
255,0
1,037
1,086
1,026
1,018
a = 3,15 ml, log(a) = 0,498311.
La constante de K es aceptable.
En la tabla se muestran los resultados de la determinación de la constante de reacción K de una
muestra de H2S contenida en un frasco destapado. Temperatura entre 26,9 y 29,1oC.
Tabla 5.3. Resultados de la determinación de la constante de reacción K.
Temperatura
26,9
26,9
27,2
29,1
29,1
Hora (a.m.)
8,45
10,45
11,45
1,45
2,45
mL de yodo gastado
2,86
2,56
2,42
2,15
2,02
Kx102 min-1
0,922
0,915
0,915
0,961
No se pudo calcular la energía de activación mediante la introducción de la constante K en la
formula de Arrenius a la imprecisión de la temperatura. Se observo un aumento de la velocidad
específica cuando no se agitaron las muestras, al parecer a consecuencia de la velocidad de entrada
del oxígeno del aire en el agua. El H 2S gasta el oxigeno del aire disuelto en elagua, el cual entra a
renovarse. La velocidad de descomposición del gas depende de dos coeficientes: α (coeficiente de
entrada), que se multiplica por la presión P, prácticamente constante, y β (coeficiente de salida), que
se multiplica por el factor de concentración C, del oxigeno del aire en el agua, que disminuye
constantemente por la oxidación.
dm
=(Αp- Βc) x A
dt
Donde m es la masa de oxígeno que entra en la disolución, t el tiempo que invierte en la entrada, y
A es el área de la superficie de contacto agua de las dos fases (aire y agua).
La velocidad de entrada del aire en solución, es mayor por encima de 10,0 oC y es favorecida por la
presencia de sales, que aumentan el valor y disminuye el del efecto de propiedades colectivas. Por
esta casa es conveniente repetir las experiencias con agua del pozo nuevo de Elguea, desprovista de
H2S y enriquecida de nuevo con el del laboratorio. Esto hizo suponer que la velocidad de reacción
es diferente a diferentes profundidades y también la relación de superficie a espesor o de superficie
a volumen. Con el objetivo de verificar esto, se preparo una solución de H 2S de 1000,0 mL. La
columna del líquido era de 16,5 cm de altura. Se tomaron simultáneamente pares de muestras: una a
4,0 cm de la superficie del líquido y la otra en el fondo. La temperatura se mantuvo entre 30,0 y
30,4 oC. En todos los casos la concentración de H 2S resulto siempre mayor arriba que abajo (Tabla
4).
Muestra
arriba
abajo
a-x
3,3
3,5
∆t
60,0
60,0
60
Kx103 min-1
1,170
0,836
Muestra
arriba
abajo
arriba
abajo
arriba
abajo
a-x
2,96
3,18
2,58
2,86
2,31
2,62
Kx103 min-1
1,299
1,217
1,757
1,400
1,779
1,416
∆t
120,0
120,0
180,0
180,0
240,0
240,0
Lugar donde fue tomada la muestra:
A 4 cm de la superficie: a = 5,54 mL de yodo gastado, log a = 0,540093.
En el fondo: a = 3,68 mL de yodo gastado, log a = 0,565848.
Si la solución se hace homogeneiza por suave agitación de la varilla de vidrio antes de la toma de
cada muestra, la reacción es de primer orden (tabla 5.5).
La solución alcanza una altura de 30,0 cm en una probeta donde el liquido resultante alcanza una
altura de 7,5 cm. La temperatura se mantuvo a 28,0 ± 0,6 oC.
Temperatura
0,0
55,0
90,0
135,0
300,0
1340,0
1420,0
mL de yodo gastado
1,92
1,83
1,75
1,67
1,50
0,47
0,42
Kx103 min-1
1,05
1,03
0,05
0,90
1,05
1,07
Influencia de la relación superficie-volumen
El estudio de la influencia de la superficie específica de la relación superficie a espesor o superficie
a volumen se efectuó sobre una solución contenida en en una cristalizadora de 1,0 m de diámetro,
en la que con la toma demuestras a intervalos de 1 hora, la altura del líquido bajo de 3,0 a 0,6 cm.
La temperatura se mantuvo a 29,0 ± 0,5 oC.
El valor resultante para la velocidad específica, considerando la reacción como de primer orden fue:
K = 8,8 x 103 ± 0,2 mm-1
El aumento observado con relación en el valor de K, con relación al incremento de la relación
superficie - volumen, exige la comprobación de si es o no debido a la acción de las paredes de la
vasija.
Comprobación de que la acción de las paredes de la vasija no influyen en la
velocidad de oxidación del H2S d suelto en el agua
La reacción de oxidación del gas sulfídrico suele ser citada como ejemplo de reacción en cadena.
Las ecuaciones en cadena ocurren siempre con la intervención de átomos y radicales libres, que
actúan como portadores de la cadena. La eliminación de los portadores suele ocurrir en las paredes
del recipiente. Pero también sucede a veces lo contrario, un aumento de la velocidad de reacción, en
vez de una disminución.
En dos matraces se introdujo la misma solución de H 2S. Uno de ellos contenía un tercio del
volumen ocupado por la lana de vidrio, lavada con mezcla crómica caliente con agua destilada y
después secada. Al cabo de las cuatro horas de mantenerlos tapados, a la acción del aire, el H 2S
61
disminuyo la concentración del gas de manera notableidéntica en ambos matraces.
El aumento de la velocid de reacción con el aumento de la relación superficie - volumen, se debe al
aumento del area de la superficie líquido-aire que facilita la reposición del oxígeno gastado por el
soluto en su oxidación.
Sin embargo, esto no prueba la inexistencia de la reacción en cadena. Tampoco la presencia de ions
y SH- y HS-, junto la molécula de H2S sin disociar, ni siquiera la influencia simultánea de la
velocidad de entrada del oxigeno en solucion no son elementos suficientes para explicar la
complejiad de la reacción reflejada en el orden aparente, 1,5, frecuentes en las reacciones en cadena
con rotura rápida de ellas, que la hace aproximarse a la reacción de primer orden.
Conclusiones
La continua disminución de H2S disuelto en agua destilada, sólamente ocurre cuando existe la
interfase aire-solución. Es un proceso de oxidación por reacción con eloxígeno disuelto.
El oxígeno se va reponiendo a medida que se gasta en la reacción, con la velocidad dada por la
reacción:
dm
=(Αp- Βc) x A
dt
La agitación mecánica violenta acelera notablemente la velocidad oxidación del H2S disuelto en
agua destilada,
El azufre formado en la reacción se mantiene disperso en estado coloidal durante varios días
En presencia de la interfase aire-solución, los resultados de la valoración del H 2S disuelto depende
de las condiciones en que se efectúa la determinación, por lo que tiene poco valor como dato, dada
su gran variabilidad.
La reacción de oxidación del H2S es una reacción homogénea.
A pesar de la variación de la temperatura, el estudio cinético efectuado, así como la reacción de
oxidación del H2S en estado gaseoso, se puede considerar como una reacción en cadena, otro tanto
ocurre con la compleja reacción de oxidación del H2S disuelto en agua destilada.
La cadena es corta, la desaparición de los portadores de ella es rápida, como lo indica la baja
energía de activación, del orden de 6,400 calorías, calculada en la boca del pozo.
Consideraciones
Se pretende con esta publicación, rendir homenaje Profesor Dr. Julio López Renduelez, Profesorde
la Universidad de Santiago de Cuba e Investigador del Instituto de Hidrología y Climatología
Médicas.
62
6.- Ocurrencia de procesos biogeoquímicos en medio
acuático en condiciones extremas: ánalisis
prospectivo de su utilización con fines
económicos
Juan Reynerio Fagundo Castillo17, Rolando Contreras Alarcón28, José A. Soto Cantero39, Mario
Cruz Árias10,Patricia González Hernández17, Tania Alfonso Del Cristo17, Margaret Suárez
Muñoz10, Clara Melián Rodríguez11
Resumen
Algunos de los proceso biogeoquímicos que ocurren en la Tierra, con la participación de bacterias y
otros microorganismos tienen lugar en condiciones extremas, por ejemplo: baja concentración de
nutrientes; altas temperaturas en sistemas hidrotermales, en una agua muy salada, ausencia de
oxígeno; presencia de gases tóxicos; muy bajos o muy altos valores de pH; presiones elevadas; altos
niveles de radiación, etc. En esos medios los microorganismos denominados extremófilos, que
sobreviven en ese medio sufren un proceso de estrés y en ocasiones, excretan productos naturales
que poseen propiedades farmacológicas importantes.
Un número significativo de estos microorganismos pertenecen a un nuevo dominio de vida Archaea,
siendo comúnmente considerado como sinónimo del termino extremófilos. Las bacterias termófilas
representan el 2,0 % del dominio Archaea, en su hábitat, las fuentes termales, se encuentran altos
niveles de sulfuro de hidrógeno, hierro, hidrógeno y dióxido de carbono. Se reportan temperaturas
óptimas de crecimiento de 60,0 ºC y niveles de pH de 0,7. Con mayor abundancia se encuentran las
bacterias halofitas extremas, las cuales se adaptan a vivir en un medio acuático con un contenido de
NaCl superior a 10,0 g.L-1
En este trabajo se muestran ejemplos de procesos biogeoquímicos que ocurren en sistemas
hidrotermales, lagos salinos y salinas costeras de Cuba y otros países en condiciones extremas, y se
discute la posible simulación en el laboratorio de esos procesos con fines económicos. Se utiliza
información bibliográfica y se muestran ejemplos de evidencias de campo; así como resultados de
mediciones in situ, y de experimentación en laboratorio.
Las mediciones de los diferentes parámetros físico-químicos se realizaron en el campo con
medidores de pH, conductividad eléctrica, potencial de oxidación-reducción y oxígeno disuelto. En
los experimentos de simulación se utilizaron bacterias sulfato reductoras en procesos de maduración
de peloides, y bacterias de la tierra en la simulación de procesos de denudación cársica.
También se discute en el trabajo las perspectivas de aplicación de estos procesos con fines
económicos. En la actualidad se utilizan los procesos biogeoquímicos en diferentes campos:
enriquecimiento de minerales; biodegradación de hidrocarburos, proteínas y detergentes; bioremediación de suelos; producción industrial de peloides y cosméticos terapéuticos; obtención de
masa algal de Spirulina para la producción de productos alimenticios, vitaminas y colorantes, etc.
En el caso de los microorganismos extremófilos hay una perspectiva adicional, asociada a las las
investigaciones biotecnológicas.
7
8
9
10
11
Facultad de Química de la Universidad de La Habana.
Centro Nacional de Sanidad Agropecuaria.
Facultad de ciencias Médicas "Enrique Cabrera". Universidad médica de La Habana.
Instituto Superior de ciencia y Tecnología aplicadas.
Facultad de Biología de la Universidad de La Habana.
63
Palabras claves: Procesos biogeoquímicos, microorganismos extremófilos.
Abstract
Some of the biogeochemical process which occurs in the land with the participation of bacteria and
other microorganisms are originated in extreme conditions, as for examples, slow concentration of
nutrients, in saline aquatic medium, in presence of toxic gases, at very high or slow pH, at high
level of irradiation, etc. The microorganisms adapted to this medium, named extremophiles,
developed stress processes and, in occasion, excretes natural product with important
pharmacological property.
A significant number of these mocoorganisms belong to the Archaea domain. The thermopile
bacteria are represented by the 2,0 % of the Archea. In its habitat, the thermal source, there are high
levels of hydrogen sulphide, ferrous ion, hydrogen and carbon dioxide. The optimal conditions for
the growth are temperature of 60,0 OC and pH of 0,7. More abundant are the extreme halophyte
bacteria requiring at least NaCl contents higher than 10,0 g.L-1.
Some biogeochemical processes which occur in extreme conditions at hydrothermal systems, saline
lakes and coastal saline of Cuba and other countries are shown in this paper, and the possible
simulation of these processes in laboratory for economic purpose is discussed. Bibliography
references are used, and are shown field evidences, in situ measurements an laboratory experiments.
The different physicochemical parameter was determined in field whit pH, electric conductivity,
redox potential and dissolved oxygen meters. In the simulation experiment for obtain peloids,
sulphate-reducing bacteria were used, and for karstic chemical denudation experiments, common
soil bacteria were used.
The perspective economic applications of these processes are also discussed in the paper. Actually
some biogeochemical processes are used in different ambit: enrich of mineral; biodegradation of
hydrocarbons, proteins and detergents; bioremediation of soils, industrial production of peloids and
therapeutic cosmetics, obtainment of Spirulina algal mass for production of aliments, vitamins,
colorants, etc. In the ambit of extremphyles organisms there are an additional perspective,
associated to biotechnological researches.
Key words: Biogeochemical processes, extremophyle microorganisms.
Introducción
El término microorganismo se aplica a cualquier organismo que sólo puede ser visto a través de un
microscopio. Incluye virus (aunque estos son tan pequeños que no pueden ser vistos en el
microscopio), bacterias, diatomeas, hongos y otros. Las bacterias son uno de los grupos más
importante presentes en los acuíferos, su dimensión media es de 0,5-5,0 µm (con límite inferior de
0,2 µm).
Las bacterias de los acuíferos son de dos tipos: visitantes o alóctonas, de carácter patógeno, y
residentes o autóctonas, de carácter saprofítico. Para vivir en este medio necesitan las siguientes
condiciones: agua, un nutriente o fuente de energía (carbono, fosfato, nitrato, sulfato, CO 2) y un
medio para convertir esa fuente en energía (enzima).
La vida de las bacterias supone una serie de reacciones bigeoquímicas que se llevan a cabo en una
secuencia ordenada, controladas por las enzimas. Las enzimas son proteínas que actúan como
catalizadores de las reacciones sin que ellas se consuman.
El proceso a través del cual las bacterias obtienen la energía del nutriente, es de tipo oxidación64
reducción; incluye la transferencia de un electrón de la molécula del nutriente (el donor de
electrones, como fuente de energía) hacia el aceptor de electrones. A este proceso se le denomina
respiración aeróbica, y se lleva a cabo por las bacterias aeróbicas. Otras, denominadas bacterias
anaeróbicas, pueden respirar en ausencia de oxígeno (Price, 2011).
Un proceso de tipo biogeoquímico muy interesante es el que se produce en un medio kársico. La
respiración de las raíces de la macroflora y la actividad de los microbios descomponiendo la materia
orgánica son procesos biogeoquímicos productores de CO 2. De ahí la importancia que tienen los
factores ecológicos en la formación del karst (Bárány-Kevei, 1992).
Las bacterias que usan como fuente de energía CO2 (fuente de carbono), son de tipo anaeróbica,
producen metano (CH4) y se denominan bacterias metanogénicas.
+
CH2O +(1/2) H2O = (1/2) CH4 + (1/2) HCO3 + (1/2) H
Las microalgas del género Spirulina requieren un medio de cultivo donde prevalecen altos
contenidos de bicarbonato de sodio (del orden de 16,0 g.L -1). Estas concentraciones existen en
algunas aguas naturales de origen volcánico en América, África y Asia. En Cuba las aguas
meteóricas de los tipos bicarbonatadas cálcicas o bicarbonatadas magnesianas adquieren por lo
general un contenido de HCO3- hasta de 0,45 g.L-1, mientras las del tipo bicarbonatada sódica
pueden llegar hasta 2,0 g.L-1, concentraciones muy bajas en todos los casos. Por tanto, para cultivar
estas algas en Cuba puede emplearse el recurso natural en regiones adecuadas donde las aguas
pueden ser concentradas por evaporación. De lo contrario, es necesario importar grandes cantidades
de NaHCO3 reactivo (Fagundo et al, 1995), que es lo que, en definitive, se hace en el país.
El uso de sulfato como aceptor de electrones conduce a la reducción del sulfato a sulfuro y a
sulfhídrico (H2S). Las bacterias son de tipo sulfato-reductoras y son de tipo anaeróbica.
SO42- + CH2O = S2S2- + 2 H+ = H2S
En los sistemas hidrotermales abundan entre otras, las algobacterias verdes (clorofíceas),
algobacterias verde azules (cianofíceas), diatomeas, ferrobacterias, manganobacterias, bacterias
termófilas, etc. Entre las bacterias sulfato-reductoras que catalizan los procesos de reducción en
sistemas hidrotermales se encuentran: Clorobium, Clostridia, Vellionella, Desulfovibrio
desulfuricans, Desulfococus, Desulfomonas, Desulfobacterium, Thiosulfobacterium y
Termodesulfobacterium (San Martín y Armijo-Castro, 1994; San Martín, 1994; Bitton, 1994).
Por último, se debe señalar el papel de los microorganismos que se adaptan a vivir en condiciones
extremas, denominados extremófilos. Son aquellos que se desarrollan en ambientes con condiciones
extremas, donde otros microorganismos no pueden progresar, entre estas se incluyen: altas
temperaturas, altos o bajos valores de pH, presión elevada, altas dosis de radiación, elevada
concentración de sales, altas o bajas temperaturas, baja concentración de nutrientes y disponibilidad
de agua. Algunos extremófilos pueden tolerar extremadamente altos niveles de radiación y
compuestos tóxicos. Un número significativo de estos microorganismos pertenecen a un nuevo
dominio de vida Archaea, siendo comúnmente considerado como sinónimo del termino extremófilo
(Horikoshi and Grant, 1998).
El objetivo de este trabajo es mostrar algunos ejemplos de procesos biogeoquímicos que ocurren en
sistemas hidrotermales, lagos salinos y salinas costeras de Cuba y otros países en condiciones
extremas, y se discute la posible simulación en el laboratorio de esos procesos con fines
económicos. Se utiliza información bibliográfica y se muestran ejemplos de evidencias de campo;
así como resultados de mediciones “in situ”, y de experimentación en laboratorio.
65
Las mediciones de los diferentes parámetros físico-químicos se realizaron en el campo con
medidores portátiles de temperatura, pH y potencial de oxidación-reducción (HANNA, modelo HI8424), de conductividad eléctrica (HANNA, modelo HI1933100). Los análisis químicos fueron
realizados en el laboratorio mediante métodos estándares (APHA, AWWA, WPCF, 1992). En los
experimentos de simulación realizados se utilizaron: bacterias sulfato reductoras en procesos de
maduración de peloides, y bacterias de la tierra en la simulación de procesos de denudación
kárstica.
En los experimentos de simulación de los procesos de interacción agua roca se utilizó un reactor
tipo batch de teflón, con una capacidad de 3,5 litros, con un agitador eléctrico a una velocidad de
500,0 rpm, y electrodos de pH y conductividad eléctrica. El CO 2 fue suministrado de forma
continua (sistema abierto respecto al CO2) y mediante un tiempo dosificado (sistema cerrado
respecto al CO2).
Los datos hidroquímicos fueron procesados mediante el sistema informático SIMUCIN (Álvarez y
Simulación de los procesos de karstificación en el laboratorio
CO2 y agua. ElCO2 se produce principalmente en el suelo en virtud de la acción de las bacterias y
otros microorganismos, lo cual se puede representar de la forma siguiente:
n CH2O  n CO2+ n H2O (1)
Este proceso biogeoquímico constituye la principal fuente de suministro de CO 2 por vía bacteriana
y requiere de la presencia de oxígeno disuelto en el agua. El CO 2 se combina con el agua para
formar ácido carbónico que es un ácido débil, pero capaz de disolver los carbonatos (Fagundo,
1996), mediante las ecuaciones:
CO2 (g) + H2O + CaCO3 = Ca g.L-1 + 2 HCO3 (2)
Calcita
2 CO2 + 2 H2O + CaMg(CO3)2 = Ca
2+
+ Mg
2+
2-
+ 4 H CO3
(3)
Dolomita
En las investigaciones realizadas en el laboratorio por el colectivo cubano (Fagundo et. al, 1996;
Álvarez et. al, 1996; González et. al, 2001; Fagundo y González, 2005), con el objetivo de
esclarecer el modo en que las aguas naturales adquiere su composición química, se simuló el
proceso completo de disolución de la calcita y la dolomita, tanto en condiciones de sistema abierto
como cerrado con respecto al CO2.
Este proceso puede ser representado mediante una ecuación cinética de pseudo primer orden que
66
expresa la variación de la concentración iónica en el tiempo Ct :
n
Ct =Ceq (1−e−kt )
C
eq es la concentración en el equilibrio químico, k, la constante de velocidad y n, un
Donde
coeficiente experimental que toma valores entre 0,0 y 1,0.
En la figura 6.1 se muestran los resultados de un experimento de simulación en el laboratorio de una
caliza de la Fm. Jaimaitas, donde se aprecia la variación en el tiempo del pH y las concentraciones
de CO2, HCO3-, Ca2+ y Mg2+ en condiciones de sistema cerrado respecto al CO2.
Figura 6.1: Variación en el tiempo de las concentraciones del pH y las concentraciones de CO 2,
HCO3-, Ca2+ y Mg2+ en condiciones de sistema cerrado respecto al CO2.
Con el objetivo de evaluar este efecto se modelaron procesos de interacción agua-carbonato tanto en
condiciones de sistema abierto como cerrado respecto al CO 2, cuyos resultados se muestran en la
tabla 6.1 utilizando 7,0 mg de caliza. Como puede apreciarse, las mayores concentraciones de
dureza se obtienen utilizando dosis más elevadas de CO2 (condiciones de sistema abierto respecto al
CO2).
Tabla 6.1. Efecto del CO2 disponible en la disolución de los carbonatos. Experimentos en
condiciones de sistemas abierto y cerrado respecto al CO2 (cantidad de roca: 7 mg).
Experimento
Sistema con
respecto al CO2
T
(oC)
Dosis CO2
(min)
CINET 9
CINET 15
CINET 18
CINET 6
Abierto
Abierto
Cerrado
Cerrado
26,5
25,0
29,0
25,5
Continuo
Continuo,
20,0
10,0
pCO2
max
(bar)
10-0,4
10-1,2
10-1,3
10-1,5
CO2
max
(mg.L-1)
16683
3060
2221
1474
pCO2 eq
(bar)
CO2 eq
(mg.L-1)
CaCO3
(mg.L-1)
10-1,0
10-1,5
10-2,5
10-2,7
34250
1451
141
95
605
548
382
381
Tipo de caliza de la Formación Jaimanita, del Pleistoceno; cantidad de roca: 7,0 mg; temperatura
entre 25,0 y 29,0 oC; velocidad de agitación: 500,0 rpm; flujo de CO 2: 10 p3.h-1; volumen del
reactor: 3,5 L.
Los mayores contenidos de CaCO3 disuelto en ausencia de mezcla se obtuvieron en los
experimentos de disolución de calizas en condiciones de sistema abierto con respecto al CO 2 y con
presiones iniciales de dióxido de carbono del orden de 10 -1,0 atm (tabla 6.1). Estas condiciones
67
pueden simular el vertido de residuales orgánicos biodegradables en el medio kárstico. Similares
resultados fueron obtenidos utilizando el CO2 generado por las bacterias del suelo.
Concentraciones de carbonato de calcio en acuíferos kársticos, comparación con los resultados de
los experimentos cinéticos
En la tabla 6.2 se muestran las concentraciones en mg.L-1 de CaCO3 disuelto de algunas fuentes
kársticas (pozos y manantiales) en el país, con el objetivo de comparar sus magnitudes con las
alcanzadas en los experimentos cinéticos que aparece en la tabla 6.1.
Tabla 6.2. Dureza de algunas fuentes kársticas de Cuba
Fuente
Surgencia Ancón
Manantial Mil Cumbres
Manantial Bataldó
Pozo El Gato
Pozos Aguacate
Pozo Padirac
Pozo Rancherita
N
38
18
30
7
23
10
4
Tipo de fuente
Ubicación
CaCO3
(mg.L-1)
Surgenica kárstica zona de montaña Sierra del Rosario
167
237
Manantial zona de montaña
Sierra del Rosario
Manantial zona de montaña
Meseta del Guaso
184
Pozo en llanura kárstica cerrada
Cuenca Jaruco
321
Pozo en llanura kárstica cerrada
Cuenca Aguacate
263
Pozo en llanura kárstica costera
Cuenca Sur de La Habana
277
Pozo en llanura kárstica costera
Cuenca Sur de La Habana
321
N: Número de datos.
Como puede apreciase en la tabla 6.1, el contenido de CaCO 3 en estas aguas (167,0-321,0 mg.L-1),
es en ocasiones algo menor que el obtenido en los experimentos de disolución de carbonatos en
condiciones de sistema cerrado respecto al CO 2, utilizando 7,0 g de roca y una agitación de 500,0
rpm (285,0-424,0 mg.L-1). Las mayores concentraciones obtenidas en el laboratorio pudieran
deberse a que se utilizó una dosis de CO 2 inicial y una velocidad de agitación algo superior a la que
se produce en los flujos naturales.
Formación de fangos medicinales (peloides) en sistemas hidrotemales y cuerpos de agua salinos
lagos salados y salinas costeras donde existen altas temperaturas o medios muy salinos (Fagundo et
al, 2010). En estos sitios el agua altamente mineraliza, forma sedimentos por precipitación de
componentes normales disueltos o suspendidos, en virtud de causas diversas: cambios de
temperatura, pérdida de gas carbónico, variaciones de potenciales de oxidación-reducción, la acción
de la flora autótrofa, etc. Esos sedimentos, lodos o fango, son formaciones naturales que constan de
agua, sustancias minerales inorgánicas y orgánicas y poseen propiedades terapéuticas En su forma
original han sido denominados pelose, y una vez enriquecidos o madurados con las propias aguas
termales, se les nombran peloides (San Martín, 1994).
forman la fase sólida del peloide son: silicatos (micas, arcillas, feldespatos), carbonatos (calcita,
húmicos y fúlvicos, etc., y formando parte de la materia organizada aparecen múltiples
representantes de algobacterias clorofíceas, cianofíceas, diatomeas, sulfobacterias, ferrobacterias,
Martín, 1994).
68
Atendiendo a la composición de su fase sólida y líquida, existen diferentes tipos de peloides, que
atendiendo a las características de los componentes sólidos y líquidos han sido denominados:
fangos o lodos, limos, turbas, Biogleas, Sapropeli, Gyttja (San Martín, 1994).
En la figuras 6.2 a y 6.2 b se muestran pelides originados en un sistema hidrotermal (Pismanta) y en
un lago salino continental (Carhué) de la República de Argentina respectivamente.
(a)
(b)
Figura 6.2 a. Peloide de origen hidrotermal en el Centro Termal Pismanta, Los Andes, Argentina;
6.2 b. Peloide originado en el lago Carhué, Buenos Aires, Argentina.
Procesos biogeoquímicos en sistemas hidrotermales
Las aguas minerales sulfuradas constituyen uno de los tipos de aguas minero medicinales más
importantes en las curas balnearias, por el hecho de que su acción terapéutica abarca un amplio
espectro y pueden ser administradas por todas las vías: oral, tópica e inhalatoria (San Martín y
Armijo-Castro, 1994).
Estas aguas se caracterizan por contener más de 1,0 mg.L-1 de azufre en forma de H2S, HS-,
polisulfuro, tiosulfato, etc. El contenido relativo de sulfuro de hidrógeno (H 2S) o ión sulfhídrilo
(HS-) depende del pH, predominando la primera especie a valores inferiores a 7 y la segunda a
valores superiores. Por encima de pH 11,0 predomina el sulfuro (S2-).
En la tabla 6.3 se muestran las principales propiedades físicas y químicas de algunas fuentes de
aguas minerales sulfuradas de Cuba.
Tabla 6.3. Principales propiedades físicas y químicas de aguas minerales sulfuradas de Cuba.
No
7
8
9
10
11
12
13
18
19
20
21
36
38
T (oC)
22,7
23,7
26,1
36,0
36,0
31,0
31,0
27,0
27,1
27,0
24,8
51,0
41.2
PH
7,09
7,36
7,04
7,15
7,40
6,50
7,60
7,00
7,23
6,88
7,30
6,80
6,29
Eh (mv)
-365
-317
-238
-254
-325
-317
-290
-248
-235
-260
-303
-276
TSS (mg.L-1)
1107
1142
760
1055
1407
2662
1531
520
470
573
675
47074
52801
69
H2S (mg.L-1)
198,9
21,6
8,1
4,0
6,4
27,5
38,5
15,00
7,8
8,6
10,0
11,2
7,3
Tipo hidroquímico
HCO3>SO4-Na>Ca>Mg
HCO3-Na
HCO3>SO4-Ca>Na
SO4>HCO3-Ca
SO4 –Ca
SO4 –Ca
SO4 –Ca
HCO3>Cl-Ca>Mg
HCO3-Ca
HCO3-Ca
HCO3-Ca
Cl-Na
Cl-Na
No
39
40
41
42
43
46
47
T (oC)
35.9
40.1
35.5
36.0
36.8
30.8
30.9
PH
6,45
6,53
6,51
9,25
8,75
7,01
7,72
Eh (mv)
-266
-248
-93
-66
-269
-206
-119
TSS (mg.L-1)
51500
51500
47645
2007
1007
585
590
H2S (mg.L-1)
5,0
5,3
1,0
0,9
0,9
1,0
0,9
Tipo hidroquímico
Cl-Na
Cl-Na
Cl-Na
Cl-Na
Cl-Na
HCO3>SO4-Ca>Na>Mg
HCO3-Ca>Na>Mg
Fuentes (Yacimiento): 7) Pozo P-55 (El Sitio); 8) Manantial Sulfuroso (Manantial Mil Cumbres); 9)
Manantial Azufre (Cacarajícara); 10) Manantial El Templado (San Diego de los Baños), 11)
Manantial La Gallina (San Diego de los Baños), 12) Pozo P-1 (San Diego de los Baños); 13)
Manantial M-1 (Bermejales), 18) Manantial Soroa 3 (Soroa); 19) Manantial Pozo Brocal (Las
Terrazas), 20) Manantial San Juan Sulfuroso (Las Terrazas); 21) Manantial Pedernales (Cayajabos),
36) Manantial El Guapo (Elguea), 38) Manantial Carabaña (Elguea), 39) Manantial Hongos
(Elguea), 40) Manantial Garganta (Elguea), 41) Manantial Belleza (Elguea); 42) Manantial del
Chorrito (Ciego Montero), 43) Manantial Piscina Grande del Gimnasio (Ciego Montero), 46)
Manantial El Chorrito (San José del Lago), 47) Manantial Piscina Termal (San José del Lago).
En el proceso de formación de los peloides, tanto en forma natural como en el proceso de
de la materia orgánica presente en los sedimentos.
salinas costeras y sistemas hidrotermales de Argentina y Cuba.
Tabla 6.4. Determinaciones físico-químicas en algunos sitios con peloides en Argentina y Cuba
Muestra
002
003
007
009
011
023
031
032
Sitio
Carhúe
Carhúe
Guatraché
Pismanta
San Diego
Bidos
Elguea
Elguea
Provincia
Buenos Aires
Buenos Aires
La Pampa
San Juan
Pinar del Río
Matanzas
Villa Clara
Villa Clara
País
Argentina
Argentina
Argentina
Argentina
Cuba
Cuba
Cuba
Cuba
Tipo
Lago salino
Lago salino
Lago salino
Hidrotermal
Hidrotermal
Salina
Hidrotermal
Hidrotermal
T
7,8
11,6
13,2
16,1
28,3
27,2
30,0
28,0
pH
8,15
8,00
8,01
8,21
7,48
-
Eh
-415
-384
-409
-163
-308
-420
-317
-331
En las fuentes termales, donde prevalecen condiciones extremas del medio como cambios bruscos
de temperatura, salinidad, pH, concentración elevadas de determinadas sustancias (azufre, arsénico,
hierro, carbonatos, bicarbonatos, magnesio, calcio entre otros), las cianobacterias que habitan en
estos medios son cepas resistentes y producen sustancias termotolerantes. Así las microalgas y
cianobacterias tienen un excepcional poder de penetración a través de la piel y una rápida
asimilación en el organismo por los oligoelementos que poseen. Se nutren por ósmosis y retienen
los elementos activos del acuatorio en que se encuentran, y los transfieren al medio sin perder
ninguna de sus cualidades originales. La acción hidrotermal no tiene sólo funciones curativas, sino
que se valoran, cada vez más, sus resultados preventivos y de rehabilitación (Soto Cantero, 2012).
Los componentes encontrados en la cianobacteria Leptothrix subtilissima permitieron precisar el
valor terapéutico y cosmetológico que le aportan a estas aguas y peloides de San Diego de los
Baños, su contenido de azufre es un reparador de lesiones de la piel y al ser absorbido a través de
ella tiene una acción estimuladora de los linfocitos, de la regeneración celular y de los linfoblasto
por lo que estimula los mecanismos de defensa del organismo (Pérez et al, 2005).
70
que en los extractos obtenidos, se encontraron metabolitos secundarios como taninos, compuestos
fenólicos, flavonoides, azúcares reductores, saponinas, compuestos con grupos amino y compuestos
terpénicos y esferoidales (Pérez et al, 2005; Suárez et al, 2010.).
(b)
(a)
Figura 6.3. Parque Nacional de Yelowstone (a), donde fue aislada una arqueobacteria
hipertemófila a 100,0 oC (b).
Breve reseña sobre las Bacterias extremófilas
Entre los microorganismos extremófilos se encuentran las arqueobacterias hipertermófilas,
psiclorófilas, metanogénicas, acidófilas, alcalífilas, piezófilas y halofitas extremas.
Bacterias termófilas representan el 2,0 % del dominio Archaea, en su hábitat, las fuentes termales,
se encuentran altos niveles de sulfuro de hidrogeno, hierro, hidrogeno y dióxido de carbono. Se
reportan temperaturas óptimas de crecimiento entre 86,0 y 110,0 oC y niveles de pH de 0,7. En los
géiseres el Parque Nacional de Yelowstone fue aislada una de estas bacterias a 100,0 oC, (Figura 3).
Arqueobacterias psiclorófilas: Viven a una temperatura óptima por debajo de 15,0oC, aunque
pueden sobrevivir a -10,0 oC, y son incapaces de vivir por encima de 20,0 oC.
Arqueobacterias metanogénicas: Viven en ambientes de metano extremadamente altos (figura 6.4).
Las bacterias metanogénicas: Utilizan en su metabolismo el hidrógeno y el carbono como fuente de
energía. Son microorganismos anaerobios por excelencia. Producen gas metano que al acumularse
en el ambiente sirve como fuente natural de gas industrial.
A pesar que las Archaea son extremófilos por excelencia, también pueden encontrarse bacterias, e
inclusive algunas eucariotas en este hábitat. Ninguna bacteria común produce metano, pero existen
algunas que creen en estos ambientes. Con respecto a la tolerancia ácida, una bacteria como
Thiobacillus, puede crecer a pH 0,0, y el alga, Cyanidium, también puede desarrollarse a pH ,0. En
ambiente super cálidos (> de 100,0 ºC), los Archaea son exclusivos. Ninguna bacteria común puede
crecer en altas concentración de sales. Las metanogénicas habitan en el intestino de los animales y
en el estómago de los rumiantes.
71
Figura 6.4. Arqueobacteria metanogénica.
Las arqueobacterias acidófilas. Son bacterias cuyo óptimo de crecimiento es por debajo de pH 2,0.
Arqeobacterias alcalífilas. Son organismo cuyo óptimo crecimiento es a pH por encima de 10,0.
Las arqueobactrerias halófitas. Son aerobias y viven en ambientes acuáticos con alto contenido
salino, de al menos 9000,0 mg.L-1 de cloruro de sodio. En síntesis, dentro de los ecosistemas las
procariotas establecen relaciones con lo seres vivos, ya sea favorables como en las simbiosis o
perjudiciales como en el parasitismo. No obstante, son de suma importancia por su papel en la
descomposición de la materia orgánica en inorgánica como así también en los ciclos
biogeoquímicos, en especial en el ciclo del carbono y del nitrógeno. Viven en ambientes naturales
como el mar Muerto, el Lago Salado (Colorado USA), o en estanques de evaporación de agua
salada, donde la concentración de sal es muy alta. Se adapta al ambiente altamente salino por el
desarrollo de una "membrana púrpura", que toma esta coloración por la presencia del pigmento del
tipo de rodopsina llamado bacteriorodopsina que reacciona con la luz formando un gradiente de
protones a lo largo de la membrana que permite la síntesis de ATP. La alta concentración de NaCl en
el ambiente limita la disponibilidad de O 2 para la respiración, por lo que usando bacteriorhodopsina
aumentan su capacidad de producir ATP a partir de la energía lumínica.
Las arqueobacterias halofitas extremas viven en lagos salinos, con una concentración superior a 30
000,0 mg.L-1 (figura 6.5).
72
Figura 6.5. Arqueobacteria halofita extrema.
Arqeobacterias piezófilas (con anterioridad llamadas barófilas). Viven en condiciones óptimas a
altas presiones hidrostáticas.
Ejemplos de bacteria extremófilas:
•
Bacillus infernos. Fue identificada como el primer miembro aneróbico de la bacteria
Bacillus en 1995. Fue obtenida a una profundidad de 2700,0 m por debajo de la superficie
terrestre. Se encontró que esta bacteria extremófila era termofila (60,0 °C), halotolerante
(concentración de sal 0,6 moles) y ligeramente alcalifila, pH 7,8 (Boone et al,1995).
•
Methanococcus jannaschii. Fue aislada en 1983 en la plataforma marina de las resurgencias
termales (chimeneas blancas), en las la costa del Pacífico en Baja California. Vive
normalmente a 2400,0 m por debajo del nivel del mar, donde la presión es de
aproximadamente 230 atmósferas (Bult et al, 1996).
•
Deinococcus radiodurans. Es el organismo más resistente a las radiaciones conocido por el
hombre. Puede soportar niveles de radiación de 1,5 millones de rads (500,0 rads es el nivel
letal de los seres humanos). Se descubrió en 1956 (Cavicchioli andThomas, 2000).
En la figura 6.6 se muestra un esquema que agrupa las bacterias comunes y las arqueobacterias
extremófilas con respecto a condiciones extremas de temperatura, pH, presión y salinidad.
73
Figura 6.6. Esquema de ubicación de las bacterias comunes y las aqueobacterias extremófilas con
respecto a condiciones extremas de temperatura, pH, presión y salinidad.
Aplicaciones perspectivas
Se puede cultivar bacterias en el laboratorio creando un ambiente artificial (biorreactores) llamado
llamados también microcosmos (Price, 2011).
Cork and Cusanovich (en: Lodi et al, 1989) propusieron un método para extraer azufre a partir de
efluentes, utilizando bacterias como Desulfovibrio y Chorobium, capaces de transformar el sulfato
en azufre.
SO42-Desulfovibrio = H2S Chorobium = S0
Numerosos experimentos en escala de laboratorio han sido realizados con el objetivo de reducir el
sulfato a sulfhídrico en efluentes industriales, utilizando la capacidad de fermentación de las
bacterias. Maree (1987), Maree y Strydom (1985; 1987), Maree et al, (1986). Ellos utilizaron la
bacteria sulfato-reductora Desulfovibrio desulfuricans, mediante un proceso en el cual, primero la
sacarosa es transformada en lactato y luego ésta es convertida en acetato, y el sulfato en H2S.
C12H22O11 + H2O = 4 CH3CHOCOOH
2 CH3CHOCOO- + SO42- = 2 CH3COO- + HCO3- + H2S
Un proceso simultáneo de metanogénesis y reducción de sulfato en sedimentos fue realizado en el
laboratorio por Oremland and Taylor (1978), utilizando la bacteria Clostridia en atmósfera de
nitrógeno.
En la actualidad se utilizan los procesos biogeoquímicos en diferentes campos: enriquecimiento de
minerales; biodegradación de hidrocarburos, proteínas y detergentes; bioremediación de suelos;
producción industrial de peloides y cosméticos terapéuticos; obtención de masa algal de Spirulina
para la producción de productos alimenticios, vitaminas y colorantes, etc. En el caso de los
microorganismos extremófilos. Sin duda el mayor alcance a que conducen las investigaciones se
74
encuentra en su potencial biotecnológico asociado.
Conclusiones
Mediante experimentos de interacción agua - roca carbonatada en el laboratorio, se obtuvo una
composición química similar a la que se origina en los acuíferos kársticos, aunque, con un
contenido de CaCO3 menor en el acuífero. Las concentraciones más similares se obtuvieron en
condiciones de sistema abierto respecto al CO2.
Los mayores contenidos de CaCO 3 disuelto se obtuvieron en los experimentos de disolución de
calizas en condiciones de sistema abierto con respecto al CO 2 y con presiones iniciales de CO2 del
orden de 10-1,0 bar. Estas condiciones pueden simular el vertido de residuales orgánicos
biodegradables en el medio kártsico.
Los procesos biogeoquímicos juegan un importante papel en los sistemas acuáticos.
75
7.- Procesos antropocársicos: peligro que
representan para la población cubana en el
escenerio del cambio climático
Juan Reynerio Fagundo Castillo12, Patricia González Hernández1, Roberto Gutiérrez Dimech13
Resumen
El Archipiélago Cubano se encuentra compuesto por más de un 60,0 % por rocas carbonatadas, que
presentan una carsificación que califica a Cuba como un ejemplo del carso tropical en el mundo.
La carsificación es un proceso químico natural de corrosión química, dependiente de factores
geológicos y geográficos, que ocurre en cientos y miles de años. El antropocarso (desarrollo
acelerado de la carsificación por la acción del hombre) se origina por la intensa oxigenación del
suelo en las labores agrícolas; el vertimiento de residuales domésticos y agro industriales; la sobre
explotación de acuíferos costeros; la ubicación de basureros en zonas cársicas, etc. Se genera por la
acción desconocedora del hombre, y puede dinamizar exponencialmente la disolución cársica con la
consiguiente formación de colapsos, afectación de las construcciones, la calidad del agua para el
consumo y la agricultura, etc. Con el cambio climático se puede incrementar aún más la velocidad
de carsificación por el efecto salino, y el efecto de mezcla de aguas, entre otros.
En el trabajo se muestran, mediante experimentos de laboratorio y mediciones de campo, los
principales procesos geoquímicos que originan el antropocarso y se presentan evidencias de su
ocurrencia en distintos sitios del territorio nacional.
Palabras claves: Antropokarso, cambios climáticos, peligro que representa para la población.
Abstract
The Cuban Archipelago finds itself compound for over a 60,0 % by carbonated rocks, that they
present a karstification that he rates to Cuba like an example of the tropical karts in the world.
The karstification is a chemical natural process of chemical corrosion, contingent upon geological
and geographic factors that it happens in hundred and thousands of years. The anthropokarst
(development expedited of the karstification by the action of the man) originates for the intense
oxygenation of the ground in the agricultural works, dress domestics and agro industrial residuals.
The over-exploitation of coastal aquifers; The position of garbage cans in karstic zones, etc. It is
generated for the uninitiated action of the man, and the breakup can expedite karstic with the
resulting formation of collapses, affectation of manner of the constructions, the water quality for
consumption and the agriculture, etc exponentially. With the climatic change the velocity of
karstification for the saline effect can increase still more, and the effect of mixture of waters, among
others.
At work they show up, by means of experiments of laboratory and farm measurements, the main
geochemical processes that originate the anthropokarst and evidences of their funny remark in
different sites of the national territory show up.
Keywords: Antrhopokarst, climatic changes, danger that Figure for the population.
12 Facultad de Química, Universidad de La Habana.
13 Instituto de Geología y Paleontología. MINBAS.
76
Introduccion
La humanidad se enfrenta hoy a un gran problema, la población crece a un ritmo acelerado y para
su desarrollo requiere de recursos de aguas superficiales y subterráneas, cada vez más escasos y de
peor calidad. Si bien el ciclo hidrológico se cumple desde el punto de vista cuantitativo a nivel
planetario, el mismo no se cumple a nivel local y la distribución del agua con óptima calidad para
los diferentes usos es desigual. Al ritmo de crecimiento actual de la población en el mundo, en
muchos países los recursos hídricos no satisfacen ya la demanda y se acepta como un hecho que las
futuras guerras no serán por el petróleo, sino por el agua.
En muchos países hoy día se sobre explotan las cuencas subterráneas para satisfacer las necesidades
abasto a la población y la agricultura, con la consiguiente abatimiento de los niveles freáticos y el
deterioro de la calidad del agua. Otro problema relacionado con el agua se vincula a la
contaminación ambiental por metales pesados, plaguicidas, elementos radiactivos y otros
componentes tóxicos debido a la actividad humana; así como el incremento de las enfermedades de
origen hídrico por bacterias patógenas.
Cuba no está exenta de estas dificultades, a pesar de las medidas tomadas por la Revolución
mediante la política de la Voluntad Hidráulica. Si bien una parte considerable de los recursos
hídricos del país se almacenan en numerosas presas, su volumen merma durante los períodos secos,
cada vez más prolongados en los últimos años, y el agua subterránea que en su mayor parte se
almacena en acuíferos cársicos con conexión hidráulica con el mar, experimenta un aumento de su
salinidad y dureza debido a la intrusión marina.
El creciente calentamiento del planeta, como consecuencia del proceso natural de ablación del
período interglaciar en que nos encontramos, el cual comenzó hace más de 44000 años y del cambio
climático, está produciendo una descongelación acelerada de los hielos de los glaciares
continentales y polares. Este proceso se ha intensificado a partir de la Revolución Industrial debido
al aumento del dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero. En Cuba se espera que el
aumento del nivel del mar, como resultado del cambio climático, disminuya la superficie emergida
y se incremente la intrusión del agua marina en los acuíferos costeros. Debido a la naturaleza
cársica de la mayor parte de los acuíferos y su conexión hidráulica con el mar, se producirá una
sensible afectación en la calidad del agua usada para el abasto público, la industria y la agricultura,
como consecuencia del mayor contenido de cloruro de sodio, dureza y sales disueltas en el agua,
con efectos negativos en las producciones agrícolas y la salud.
Un aspecto colateral, poco conocido, es el impacto que debe esperarse sobre el desarrollo de la
carsificación, fenómeno este, que unido al de la actividad humana, ha sido denominado
"Antropocarso". Se caracteriza por el desarrollo de grandes cavidades, no en el tiempo geológico,
sino en el de vida del hombre. Especialmente en los períodos más secos del año, en que aumenta la
demanda de agua bombeadas en los acuíferos cársicos costeros, se eleva el contenido salino del
"agua dulce", lo cual produce un incremento notable de la disolución de los carbonatos (efecto
salino o de fuerzaiónica). Además, en la zona de dispersión o de mezcla del acuífero costero, se
hacen más activos los procesos de denudación cársica debido al denominado "Efecto de mezcla de
aguas", originándose una carsificación adicional. Otro efecto que contribuye notablemente a la
intensificación de la carsificación es el del incremento del contenido de dióxido de carbono. El
contenido del CO2en el agua que llega a la zona de descarga de los acuíferos cársicos es, por lo
general muy pequeño, encontrándose el agua en condiciones de saturación con respecto a los
minerales carbonatados. Sin embargo, por reducción anaeróbica del sulfato marino que penetra en el
acuífero, se produce una cantidad adicional de CO 2, y el agua se hace más agresiva, capaz de
disolver más cantidad de carbonatos. Este proceso es catalizado por las bacterias sulfato reductoras
que utilizan el carbono disponible en la turba de los humedales como nutriente. Similar resultado se
obtiene cuando se vierte un residual biodegradable en el acuífero cársico, acompañado también por
77
la producción de metano que es un gas inflamable. En los acuíferos cársicos costeros de Cuba,
especialmente en las provincias occidentales, se han producido fenómenos antropocársicos notables,
evidenciados por colapsos en el terreno, acompañados de explosiones e incendios en instalaciones
industriales. Por otra parte, los registros históricos muestran un creciente deterioro de la calidad del
agua.
El objetivo del trabajo es mostrar los procesos geoquímicos relacionados con el antropocarso,
evidencias de su ocurrencia en Cuenca Sur de La Habana y otros sitios del territorio nacional, y su
peligro ante el cambio climático. Los resultados que se exponen en el mismo, se basan en datos
experimentales e investigaciones realizadas por el colectivo dirigido por los autores del mismo
desde hace más de 40 años.
En este trabajo se compilan resultados de experimentos de laboratorio, mediciones de campo y de
referencias bibliográficas sobre los proceso cársicos naturales e intensificados por la acción del
hombre.
En el laboratorio se realizaron experimentos de interacción agua-roca carbonatada en diferentes
condiciones: de sistemas abierto y cerrado respecto al CO 2 (Fagundo, 1996), en presencia de
diferentes contenidos de cloruro, para determinar el efecto salino, y de intercambiadores catíonicos;
así como de mezcla con agua de mar (González et al, 1997).
Los trabajos del campo Se llevaron a cabo mediante mediciones de temperatura, pH y
conductividad eléctrica; así como análisis químico “in situ” de macro.
Denudación química en condiciones naturales
La magnitud de la intensidad de la denudación química está determinada por factores de diferentes
tipos: geológicos (litología, tectónicas, oscilaciones del nivel del mar), climáticos (precipitaciones,
temperatura), hidrogeológicas (permeabilidad de las rocas, zona hidrogeológica), hidrogeológicas
hidráulicos (escurrimiento, potencial hidráulico, geomorfológicos (relieve, tipo de suelo, pedoclima,
presencia de formas exo y endocársicas), hidrogeoquímicos (contenido de dióxido de carbono,
solubilidad de los carbonatos, procesos redox, etc.) y antrópicos (sobreexplotación de los acuíferos,
vertido de residuales, etc.). A pesar de esa complejidad, las comparaciones que suelen hacerse con
relación a la intensidad de la denudación en diferentes regiones, dan información relacionada con el
papel de estos factores en los procesos geomorfológicos que tienen lugar en los territorios
estudiado.
Desde el pasado siglo numerosos investigadores, especialmente geomorfólogos, carsólogos e
hidrogeólogos, han llevado a cabo estudios cuantitativos para determinar la intensidad de los
procesos de disolución de las rocas carbonatadas, con el objetivo de interpretar la transformación
del relieve en esos terrenos, comparar la velocidad de la erosión en diferentes medios y latitudes, así
como para entender la naturaleza de los procesos (Ford and Williams, 1989).
Según sus cálculos de Jean Corbel (1959), pionero en este tipo de estudio, la denudación química
era más intensa en las altas montañas de los países templados, atribuyéndole a la temperatura el
papel principal en estos procesos, debido a la mayor solubilidad del CO 2 y el CaCO3 a bajas
temperaturas. Estas consideraciones fueron objeto de muchas disputas por parte de otros
geomorfólogos, sobre la base de las evidencias de campo, quienes planteaban que los procesos de
intemperismo eran más rápidos en condiciones de clima húmedo y caliente.
Los trabajos de tipo cuantitativo quedaron interrumpidos a la muerte de Corbel en un accidente
automovilístico, y fueron continuados por Pulina (1992), quien encontró que existía una relación
lineal entre la denudación química y las precipitaciones, así como por otros investigadores, quienes
demostraron que la denudación química dependía del escurrimiento. Las magnitudes más intensas
78
de la denudación fueron determinadas por Maire (1981) en una región de Nueva Guinea, donde las
precipitaciones medias anuales son extraordinariamente elevadas, del orden de 5700-12000 mm.
Entre 1984 y 1989 se desarrolló un programa de investigación auspiciado por la UNESCO
denominado PIGEK (Programa de Investigación sobre la Génesis y Evolución del Karst),
seleccionándose polígonos experimentales en Polonia y Bulgaria; la isla de Spitsbergen y Cuba,
representativos de carsos desarrollados en condiciones de clima templado, polar y tropical
respectivamente, donde quedó demostrado el papel dominante de las precipitaciones y las
condiciones más favorables del clima húmedo y caliente en los procesos de denudación química
(Pulina and Fagundo, 1992; Fagundo, 1996).
Los primeros trabajos en los cuales se midió la magnitud de la denudación química en regiones
cársicas costeras con relieve de llanura, se deben a Hanshaw y Back (1980; en Fagundo, 1996),
quienes calcularon la cantidad de masa química que es eliminada por disolución en una cuenca
subterránea ubicada en la Península de Yucatán, la cual, desde el punto de vista geológico,
geomorfológico e hidrógeológico presenta muchas similitudes con la Cuenca Sur de La Habana.
A partir de los estudios mencionados se puede establecer que a similares altitudes (montaña bajas y
medianas), la menor intensidad de denudación química ocurre en la zona climática polar
(Hornsund), del orden de 32,0 m 3 km-2 año-1, seguida de la zona climática templada (Polonia y
Bulgaria), con valores de 20,0-38,0 m3 km-2 año-1, y las mayores intensidades de este proceso tienen
lugar en las montañas altas de la zona climática del Mediterráneo (51,0-139,0 m 3 km-2 año-1) y en las
montaña de altitud media en la zona tropical de Cuba (46,0-136,0 m3 km-2 año-1).
En la figura 7.1 se muestra la relación entre la intensidad de denudación química y la magnitud
Precipitación – Evapotranspiración, en diferentes zonas climáticas, donde se aprecia que la tangente
de dicha relación es mayor en la zona tropical.
Figura 7.1. Relación Denudación química vs (Precipitación – Evapotranspiración) en diferentes
zonas climáticas.
79
Contenido de CO2 en el suelo
-4 -3.48
La atmósfera del aire posee una pCO 2 del orden de 10 -10
bar, acorde a la altura y la latitud
-3,15
(Hutchison, 1957; Renault, 1979; en: Fagundo, 1996), y alrededor de 10
BAR en las zonas
urbanas (Dupessy and Lambert, 1978; Fagundo et al, 1996), pero en la atmósfera del suelo la pCO2
es mayor como consecuencia de de la liberación de este gas a partir de la materia orgánica
procedente de las raíces de las plantas.
La magnitud de la pCO2 de la atmósfera del suelo en diferentes latitudes ha sido reportada por
numerosos investigadores. Miotke (1974; Fagundo, 1996) encontró 10 -3.0 -10-1,5 y 10-4,3-10-3,4 en
suelos de llanuras y de montañas en Rocky Mountain, Canadá, respectivamente, y 10-4,0-10-3,3 en la
tundra alpina. Smith y Atkinson (1976), Fagundo, 1996), reportaron valores de pCO 2 del orden de
10-2,7-10-0,8 en la atmósfera de suelos tropicales de Puerto Rico y Jamaica, mientras que en la tundra
de Alaska los valores de pCO2 reportados fueron sólo de 10-5,3 -10-3,4 bar.
Otro factor que influye en el contenido de CO2 de suelo es el tipo de vegetación y la época del año.
Los estudios realizados por Albertsen (1977; En Appelo and Postma, 1992), ponente manifiesto los
valores de CO2 en el suelo, en una región de clima templado, es mayor en la primavera (entre los
meses de marzo y julio) en las praderas aradas, seguido del suelo de los terrenos de malezas y éste
es menor en los suelos de los terrenos boscosos (Figura 7.2). En los terrenos arados se produce una
mayor oxigenación lo cual favorece el proceso biogeoquímico de descomposición de la materia
orgánica, catalizado por las bacterias oxidantes, liberándose una mayor cantidad de CO2.
CH2O + O2 = CO2 (1)
Figura 7.2. Valores de pCO2 en diferentes épocas del año, en suelos con distinto tipo de vegetación
(Tomado de Albertsen, 1977; en Appelo and Posta, 1993).
80
Figura 7.3. Dolinas encubiertas por el suelo.
Los grandes volúmenes de CO2 producido durante las labores agrícolas intensas en los terrenos
cársicos de llanura, se pueden originar dolinas y otras formas corrosivas que queda enmascaradas
por la cobertura vegetal del suelo (figura 7.3).
En la Tabla 7.2 se presentan los resultados de las mediciones efectuadas en aguas cársicas de
diferentes latitudes y regiones climáticas (Cuba, Estados Unidos y Spitsbergen).
Tabla 7.1. Contenido medio de CO2 y dureza del agua en terrenos de diferentes latitudes y regiones
climáticas.
Tipo de suelo (región)
Tropical (Cuenca San Marcos, Cuba)
Tropical (montañas bajas)
Tropical (carso litoral)
Templado (Pennsylvania Central)
Permafrost (Spitsbergen)
CO2 (mg.L-1)
19,8
18,0
30,8
17,5*
3,7
CO2 y Dureza
CaCO3 (mg.L-1)
230
277
365
278
40
* Calculado a partir del equilibrio de los carbonatos. Referencias: Fagundo, (1996).
Los resultados del contenido en el agua de CO2 y CaCO3 que se muestran en la tabla 7.1 son
concordantes con los del cálculo de la denudación, química presentados discutidos anteriormente, y
demuestran que en las regiones tropicales y templadas, el contenido tanto de CO 2 del agua
(principal agente formador del carso), como de la Dureza (expresión de de la masa de carbonato
extraída en el proceso de denudación química), es de una magnitud mayor que la de los terrenos
árticos.
Simulación en el laboratorio de los procesos cársicos en diferentes condiciones
experimentales
Un método indirecto de estimar la intensidad de denudación química en rocas carbonatadas se
puede realizar mediante procesos de interacción agua-roca en el laboratorio, haciendo pasar una
corriente de CO2 sobre una suspensión de agua destilada y carbonatos de diferentes áreas cársicas
(Roques and Ek, 1973; Berner and Morse, 1974; Dreybrodt, 1992; Fagundo, 1996). Aplicando este
método Fagundo et. al (1996); González et al (1997), compararon el papel de las principales
variables hidroquímicas que controlan estos procesos: temperatura, velocidad de agitación, cantidad
81
y naturaleza de la roca, y la presión parcial de dióxido de carbono (pCO 2). Los experimentos
demostraron que la mayor disolución de carbonato tiene lugar en condiciones de sistema abierto
respecto al CO2, en las cuales es más elevado el contenido de este gas.
El proceso de disolución de los carbonatos puede represarse mediante las siguientes expresiones
químico-físicas:
CO2 + H2O + CaCO3 = Ca2+ + 2 HCO3- (2)
Calcita
2 CO2 + 2 H2O + CaMg(CO3)2 = Ca
2+
+ Mg
2+
+ 4 HCO3 (3)
Dolomita
La variación en el tiempo (t) de las concentraciones ( Ci ) de HCO3-, Ca2+, Mg2+ y de la
conductividad eléctrica (CE), se expresa mediante la ecuación cinética:
n
Ci=C eq ( 1−e−kt )
i
(4)
C eq
i
Donde:
representa las concentraciones iónicas y la conductividad eléctrica en el equilibrio
químico; k: la constante de velocidad, t: el tiempo de reacción y n: un factor exponencial que toma
valor 1 cuando la reacción cinética es de primer orden (figura 7.4).
(HCO3-; Ca2+; Mg2+ in meq.L-1; EC in µS.cm-1)
Figura 7.4. Variación en el tiempo de HCO3-, Ca2+, Mg2+ y CE: a) en condiciones de sistema
abierto respecto al CO2; b) en condiciones de sistema cerrado respecto al CO2.
La tabla 7.2 muestra las condiciones experimentales (sistemas abierto y cerrado respecto al CO 2) y
los resultados de la disolución de calizas y dolomías, llevadas a cabo en el laboratorio.
Tabla 7.2. Condiciones experimentales y contenido de CO2 obtenidos, en el proceso de disolución
de carbonatos de diferente naturaleza en el laboratorio.
Experi- Sistema
mento respecto al
CO2
1*
Abierto
2*
Abierto
3*
Cerrado
4*
Abierto
5*
Abierto
6*
Cerrado
7*
8**
9 ***
Cerrado
Cerrado
Cerrado
T
(oC)
23,0
26,0
24,0
26,5
25,0
29,0
25,5
28,0
25,5
Cantidad de
carbonato
(mg.L-1)
17,5
17,5
17,5
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
Dosis
deCO2
(min)
Constante
Constante
20,0
Constante
Constante
20,0
10,0
10,0
10,0
CO2
lcanzado
(mg.L-1)
87792
3250
704
16683
3060
2221
1474
3481
2221
pCO2
alcanzado
(bar)
10-0,30
10-1,13
10-1,80
10-0,42
10-1,16
10-1,30
10-1,47
10-1,11
10-1,30
CaCO3
alcanzado
(mg.L-1)
550
636
338
571
548
381
378
381
381
Tipo de roca: *: caliza (Fm. Jaimanitas, Pleistoceno), **: caliza dolomitizada (Formación Güines,
Mioceno), ***: caliza dolomitizada (Formación Guajaibón, Cretácico); Velocidad de agitación:
500,0rpm; flujo de CO2: 10,0 p3 h-1; volumen del reactor: 3,5 L.
Los resultados de la tabla 7.2 demuestran que la mayor concentración de CaCO 3 se alcanza en
condiciones de sistema abierto, cuando existe mayor contenido de CO2 inicial en el reactor.
82
Disolución de carbonatos en condiciones de sistema abierto respecto al CO 2 y
de mezcla con agua de mar, y en presencia de un intercambiador catiónico
En la figura 7.5 (a) se presentan los resultados de un experimento de disolución de carbonato
(Caliza de la Fm. Jaimanitas) en condiciones de sistema abierto con respecto a la calcita, con
diferentes proporciones de agua de mar, y en la figura 7.5 (b), los de un experimento similar en
presencia de un intercambiador catiónico.
(a)
(b)
Figura 7.5. Disolución de una caliza de la Fm. Jaimanitas: a) en condiciones de sistema abierto
con respecto a la calcita, con diferentes proporciones de agua de mar (González et al,
1997); b) en condiciones de sistema abierto respecto al CO 2, en presencia de un
intercambiador catiónico de tipo amberlita (Fagundo et al, 2001).
Las concentraciones de HCO3- y Ca2+ aumentan linealmente a medida que crece el porcentaje de
agua de mar desde cero hasta 36 % en la mezcla agua destilada-agua de mar-carbonato (figura
7.5a), lo cual se debe al efecto salino o de fuerza iónica (Facundo, 1996). De este experimento se
infiere que en los acuíferos cársicos costeros se debe esperar un aumento de la carsificación por
disolución de CaCO3 (ecuación 2) a medida que aumenta el contenido de NaCl en el agua, como
resultado de la intrusión marina, especialmente en condiciones de sobreexplotación del acuífero
(Fagundo y González, 1999).
Si la disolución de los carbonatos se efectúa en condiciones de sistema abierto, en presencia de un
intercambiador catiónico del tipo R-Na (amberlita, zeolita, arcilla, etc.), dicha disolución se hace
más intensa aún, ya que a medida que se va formando el Ca 2+, este ión es atrapado por el
intercambiador desplazándose el equilibrio hacia la derecha (ecuación 5).
CO2 + H20 + CaCO3 + 2 R-Na = 2 HCO3- + 2 Na+ + CaR2 (5)
Calcita
En la figura 7.5b se muestra un experimento de disolución de una caliza de la FormaciónJaimanitas,
en condiciones de sistema abierto respecto al CO 2, en presencia de un intercambiador catiónico de
tipo amberlita. De este experimento (Fagundo et al, 2001) se infiere que en un acuífero cársico,
donde existan intercambiadores catiónicos como las arcillas o el carbono procedente de la turba, se
debe esperar la ocurrencia de una mayor carsificación, originándose en este caso un agua con mayor
83
contenido de calcio y menor contenido de sodio. Se ha demostrado que en los acuíferos cársicos
costeros sometidos a una intensa explotación se producen procesos de intercambio iónico inverso,
mediante el cual el acuífero cede calcio al agua en lugar de tomar de este el sodio, como ocurre en
el proceso de intercambio iónico directo (Fagundo et al, 2002).
Efecto combinado del aumento del contenido de CO2 y de agua marina en la
mezcla agua dulce-agua de mar
Un experimento de laboratorio interesante, que muestra el efecto combinado del aumento de la
pCO2 y del porcentaje de agua de mar en la mezcla agua dulce-agua de mar (figura 7.6), en la
disolución de los carbonatos fue realizado por Plummer (1975; en Fagundo et al, 1996).
Figura 7.6. Efecto de mezcla da agua dulce-agua de mar sobre la solubilidad de la calcita a 25,0 oC
y una determinada pCO2 (Plummer, 1975; Fagundo, 1996).
En el mismo se demuestra que ciertas proporciones de mezcla pueden originar subsaturación con
respecto a la calcita (RSC inferior a 0,0), mientras que en otros casos se origina sobresturación
(RSC superior a 0,0.
84
8.- Composición química y calidad del agua: origen,
deterioro, monitoreo
Juan Reynerio Fagundo Castillo, Patricia González Hernández, Margaret Suárez Muñoz, Clara
Melián Rodríguez
Centro Nacional de Medicina Natural y Tradicional
Resumen
Se discute sobre el origen de la composición química del agua, los factores que controlan su
proceso de adquisición, los requisitos de calidad para diferentes usos, el deterioro de la calidad del
agua como resultado de la actividad humana, y el monitoreo de la misma en redes de control
sistemático y otros cuerpos de agua.
Palabras claves: Composición química del agua, calidad de agua, contaminación del agua,
monitoreo.
Abstract
The chemical composition origin, the controlling factors of the chemical acquisition process, the
quality requisition for different human uses, and the water quality monitoring at control net and
others water bodies are discussed.
Keywords: water chemical composition, water quality, water pollution, monitoring.
Introducción
La composición química del agua depende de factores naturales y antrópicos y se utiliza el término
calidad del agua, para referir dicha composición química a su uso. El manejo y control de la calidad
del agua es uno de los problemas asociados a la contaminación ambiental, que requiere de la
utilización de métodos y técnicas de avanzada, que sean capaces de dar una respuesta rápida y
eficaz sobre el estado de esos recursos, su posible uso, su evolución al cabo del tiempo, y que
permitan tomar medidas para preservar su calidad y evitar su deterioro.
En muchos países existen redes de control de la calidad de las aguas, tanto superficiales como
subterráneas, las cuales generan un gran volumen de datos hidroquímicos, hidrológicos y
climáticos, cuyo procesamiento estadístico puede brindar una valiosa información acerca de las
regularidades matemáticas entre las diferentes variables.
Con el objetivo de conocer la calidad de los recursos hídricos y los cambios que experimentan los
mismos Cuba cuenta con redes de estaciones de monitoreo donde, de manera continua, se registran
las condiciones hidrometeorológicas y en forma sistemática se realizan análisis químico-físicos y
bacteriológicos de las aguas. Para procesar los datos que genera esta actividad, se utilizan software
específicos basados en modelos estadísticos, hidrogeológicos e hidrogeoquímicos.
En este trabajo se discuten los aspectos básicos relacionados con la composición química del agua,
su origen, factores que de terminan dicha composición, la calidad del agua para diferentes usos, su
deterioro y contaminación, los índices e indicadores de calidad, el sistema de normas cubanas de
calidad del agua y protección del medio acuático, y los métodos de monitoreo de la calidad del
agua.
85
Conceptos y aspectos básicos
El modo en que las aguas adquieren su composición química es un proceso complejo, donde
intervienen factores de tipo químico-físico, geológico, geomorfológico, hidrogeológico, climático,
microbiológico y ambiental, siendo este último el que más influye en el deterioro de la calidad
natural del agua.
Factores químico-físicos
Los procesos químico-físicos están regidos por leyes de la termodinámicas y la cinética química,
que se cumplen para el agua pura y pueden ser aplicadas también para el agua natural En un
momento dado de su trayectoria, la composición química del agua es el resultado de interacciones
más o menos prolongadas de los flujos hídricos con el medio ambiente drenado. En esas
interacciones el agua origina diferentes fenómenos naturales mediante diferentes procesos:
evaporación y evapotranspiración; captura selectiva de los iones por la vegetación, generación de
CO2 mediante los procesos de respiración y descomposición de la materia orgánica; intemperismo y
disolución de los silicatos y minerales evaporíticos (rocas salinas, sulfatos y carbonatos); procesos
de adsorción e intercambio iónico; procesos de oxidación-reducción, y mezcla de aguas (Appelo y
Postma, 1993).
A continuación se exponen los principales procesos geoquímicos que explican la composición
química del agua natural.
Disolución de halita
Tienen lugar en terrenos de origen evaporítico, constituidos por calcita, dolomita, halita, yeso, entre
otros minerales. Estos procesos dan lugar a aguas de tipo cloruradas sódicas:
NaCl = Na+ + Cl- (1)
Halita
Disolución y precipitación de calcita
Estos procesos son muy comunes en la hidrosfera debido a la amplia distribución de las calizas. La
disolución de los carbonatos es mayor a bajas temperaturas. Origina aguas de tipo bicarbonatadas
cálcics:
2+
CO2 + H2O + CaCO3 = Ca
+ 2 HCO3- (2)
Calcita
Disolución y precipitaciónde dolomita (dolomitización)
Tienen lugar en terrenos carbonatados constituidos principalmente por dolomías, dolomitas
calcáreas y calizas dolomitizadas. Originan aguas bicarbonatadas magnésicas cálcicas:
Ocurre principalmente en acuíferos costeros donde el magnesio procedente del mar interactúa con
las calizas del medio rocoso:
2 CaCO3 + Mg2+ = CaMg(CO3) + Ca2+(3)
Dolomita
Intemperismo de plagioclasa
Es un proceso muy común dada la abundancia de los aluminosilicatos en la litosfera. Se favorece a
86
altas temperaturas, por lo que el agua profunda se enriquece más sílice disuelta (H 4SiO4) que las
aguas someras.
La plagioclasa de fórmula general, aACaBAlCSi DO8, está constituida por una mezcla de los minerales
+
albita y anortita: x NaAlSi3O8 + y CaAl2Si2O8, respectivamente. Donde: x= moles de Na ; y = moles
de Ca2+. Origina aguas bicarbonatadas sódicas, sódicas cálcias o cálcicas, en dependencia de la
proporción de albita y anortita en la palgioclasa. El proceso de intemperismo de la plagioclasa se
expresa mediante las ecuaciones:
(x+y) NaxCayAlx+2ySi3x+2yO8+ (x+2y) CO2 + ((11/2 x)+3y) H2O = x Na+ + y Ca2+ +(x+2y) HCO3- + 2x
H4SiO4 +(x/2)+y) Al2Si2O5(OH)4 (4)
Plagioclasa Caolinita
Estas reacciones comprenden la disolución incongruente de albita y anortita originando un mineral
arcilloso (caolinita, montmorillonita u otro) en forma independiente, lo que se puede representar
mediante las expresiones:
2NaAlSi3O8+ 2 CO2 + 11H2O = 2 Na+ + 2HCO3- + 4 H4SiO4 + NaAlSi2O5(OH)4 (5)
Albita
Caolinita
2+
CaAl2Si2O8+ 2 CO2 + 3H2O = Ca + 2 HCO3- + Al2Si2O5(OH)4 (6)
Anortita
Caolinita
2 CO2 + 6 H2O + 3 NaAlSi3O8 + Mg2+ = Na0,33(Mg2+Al1,33)Si4O10(OH)2 nH2O + 2 Mg2+ + + 2
HCO3- + 4 H4SiO4 (7)
Albita
Montmorillonita
Intemperismo de feldespato potásico
Al igual que el proceso anterior es muy común en la naturaleza, los feldespatos de potásicos, junto a
las plaguioclas constituye los minerales más abundantes en los terrenos de origen volcánico
constituidos por aluminosilicatos ácidos. Por encontrarse el potasio en cantidades muy pequeñas
con relación al sodio, el agua que drena los terrenos que contienen este mineral son de tipo
bicarbonatadas sódicas.
El intemperismo del feldespato de potasio (K-ferldespato o microclino) y de la ortoclasa se puede
formular mediante la expresión:
+
2KAlSi3O8 + 2CO2 +11H2O = 2 K + 2HCO3 + 4H4SiO4 + Al2Si2O5(OH)4 + H4SiO4 (8)
Microclino, ortoclasa
Caolinita
Intemperismo de biotita
Se produce en los terrenos de origen volcánico constituidos por aluminosilicatos básicos. Origina
aguas de tipo bicarbonatadas magnesianas silícicas:
+
2+
14 CO2 + 15 H2O + 2 KMg3Al2Si3O12H2 = 2 K + 6 Mg +8 HCO3 + Al2Si2O5(OH)4 + 4 H4SiO4 (9)
Intemperismo de olivino y la serpentinita
También se produce en los terrenos de origen volcánico constituidos por aluminosilicatos básicos.
Origina aguas de tipo bicarbonatadas magnesianas silícicas:
87
2+
2+
4 CO2 + 4 H2O + MgFe(SiO4) = Mg + Fe 4HCO3 + H4SiO4 (10)
Olivino
2+
12 CO2 + 10 H2O + Mg6(SiO10)(OH)8= 6 Mg + 12 HCO3 + 6 H4SiO4 (11)
Serpentinita
Especialmente el intemperismo de las serpentintas es muy común en Cuba, por la abundante
presencia de este mineral en los sedimentos ultramáficos de la Asociación Ofiolítica.
Disolución-precipitación de cuarzo
Este proceso es más intenso en el agua profunda donde el agua adquiere alta temperatura:
SiO2 + H2O = H4SiO4 (12)
Cuarzo
Oxidación de pirita
Este proceso es muy común por encontrarse la pirita muy ampliamente distribuida en todos los
sedientos. Junto al yeso, la pirita es el mineral responsable del contenido de sulfato del agua:
4FeS2 +(1/2) O2 + 11 H2O + 28 Fe2+ = 2 Fe(OH)3 + 30 Fe2+ + 8 SO42- +34 H+(13)
Pirita
Hematita
Reducción de sulfato
Este proceso es catalizado por las bacterias sulfato reductoras, que utilizan la materia orgánica como
nutriente. Le confiere al agua malos olores debido al sulfhídrico. Puede expresarse mediante la
ecuación:
2 CH2O + SO42- = H2S + 2 HCO3- (14)
Materia orgánica
Formación de azufre a partir de H2S
Se produce por acción de las bacterias que oxidan parte del sulfhídrico originado en la reacción
anterior a azufre coloidal que precipita:
H2S + O2 = 2 S+ H2O (15)
Intercambio iónico Ca-Na y Ca-K
Constituye uno de los procesos modificadores de la composición química del agua bicarbonatada
cálcica. Ocurren con frecuencia en el suelo arcilloso y en los acuíferos cársicos costeros.
Ca2+ + 2 NaR2 = 2 Na+ + CaR2(16)
Ca2+ + 2 KR2 = 2 K+ + CaR2 (17)
(R = Arcilla, zeolita, carbón u otro material itercambiable)
Hacia la derecha del equilibrio el intercambio iónico se denomina directo, y hacia la izquierda, el
intercambio iónico se denomina inverso
88
Factores geológicos e hidrogeológicos
Las aguas subterráneas juegan un papel activo como agente geológico. Son capaces de actuar con el
medio ambiente (Tóth, 2000) y producir cambios físicos (lubricación y modificación de las
presiones intersticiales); químicos (disolución, hidratación, hidrólisis, oxidación-reducción,
precipitación, intercambio iónico, etc.) y cinéticos (transporte de agua, materia acuosa y no acuosa y
calor). Como agente geológico, el movimiento del agua subterránea puede cambiar el
medioambiente geológico y causar desastres naturales (Wu, 2003).
Los factores geológicos se relacionan con la litología (composición de los minerales de las rocas), el
estado de yacencia de las secuencias estratigráficas, la tectónica, el agrietamiento, la textura y
porosidad de las rocas, etc. La litología determina, por lo general, las facies hidroquímicas
dominantes en una región determinada, es decir, el tipo de agua. Así por ejemplo, en los terrenos
cársicos carbonatados las aguas subterráneas someras suelen ser del tipo bicarbonatada cálcica,
mientras en aquellos de tipo volcánicos, donde abundan las plagioclasas sódicas, el agua es
bicarbonatada sódica. Los aspectos vinculados al agrietamiento y porosidad de las rocas influyen de
manera determinante en el estado de división de las partículas, mientras más pequeñas sean éstas,
poseerán mayor superficie y se facilitará la disolución del mineral. Las aguas que drenan a través de
rocas calcáreas, muy trituradas por los procesos tectónicos, adquieren un contenido mayor de calcita
disuelta (dureza) que aquéllas que drenan a través de calizas más compactas.
La ocurrencia de las aguas subterráneas está asociada a las formaciones geológicas más o menos
permeables conocidas como acuífero, y su movimiento depende de las propiedades físicas de las
rocas que lo componen. Este movimiento puede expresarse en términos de retención y rendimiento
de agua (Keith Todd, 1970).
Algunos materiales como la arcilla, constituyen formaciones impermeables que pueden contener
agua, pero son incapaces de trasmitir cantidades significativas de la misma. Existen otras
formaciones prácticamente impermeables que no contienen ni trasmiten agua, como por ejemplo el
granito (acuífogos).
La porosidad de un suelo o roca es una medida del contenido de espacios vacíos en relación con el
volumen total. La misma depende del tipo de roca.
En la figura 8.1 se muestran algunos ejemplos de medios rocosos (acuíferos) y su relación con los
tipos de poros.
Figura 8.1. Medios rocosos y tipos de poros: 1 (arriba, izquierda)- Acuífero poroso; 2 (arriba,
derecha)- Acuífero con poros cementados; 3 (debajo, izquierda)- Acuífero en grietas; 4
(debajo, derecha)- Acuífero cavernoso.
89
El 90 por ciento de los acuíferos aprovechables consisten en rocas no consolidadas, principalmente
grava y arena. Las areniscas y conglomerados son formas cementadas de arena y grava, y por esa
razón su permeabilidad y rendimiento han sido reducidos por el cemento. Los mejores acuíferos en
areniscas son aquéllos que se encuentran sólo parcialmente cementados. Los conglomerados poseen
una distribución limitada y no son de gran importancia como acuíferos. Las rocas cristalinas y
metamórficas son prácticamente impermeables, por lo que no presentan propiedades acuíferas
importantes. Los suelos arcillosos tampoco presentan estas propiedades, debido a su capacidad para
retener y no trasmitir el agua.
Los factores hidrogeológicos están relacionados con la permeabilidad del acuífero, el tipo de flujo,
su velocidad, así como la zona por donde se mueve el agua. Todos estos aspectos inciden en el
tiempo de contacto entre el agua y el mineral, por ejemplo, si el flujo tiene lugar en condiciones
difusas a través de las rocas, el tiempo de interacción del agua con los minerales es más lento y, por
tanto, la cantidad de minerales disueltos es mayor que si las condiciones de flujo son de tipo
turbulento a través de grietas más o menos amplias.
El pH, el potencial de oxidación-reducción (Eh), el oxígeno disuelto (O2), el contenido de CO2, la
dureza y otras propiedades químico-físicas del agua, así como lo tipos de manifestación, difieren de
acuerdo con la forma en que se mueve el agua y la zona hidrogeológica que ocupa (figura 8.2).
En la figura 8.2 se muestra como varían las propiedades químico-físicas del agua en los diferentes
tipos de flujos (local, intermedio y regional), a medida que la misma se mueve por las diferentes
zonas hidrogeológicas, así como los tipos de manifestación relacionados con las zonas de
alimentación y de descarga de los acuíferos.
Figura 8.2. Sistema de flujos de acuerdo al modelo de de Thoth (2000), donde se muestran las
propiedades químico-físicas y los tipos de manifestación relacionados con las zonas de
alimentación y descarga de los acuíferos.
90
En la zona de alimentación del acuífero (visto el movimiento en sentido horizontal) o en la zona de
aireación o vados (visto en sentido vertical), el contenido de CO 2 de las aguas es relativamente
elevado, puesto que en estos lugares tienen lugar los intensos procesos de descomposición
bacteriana de la materia orgánica. El pH en esta zona suele no ser elevado y la dureza pequeña. El
contenido de O2 disuelto es alto y prevalecen condiciones oxidantes, la temperatura del agua es
similar a la del suelo y presenta gran variabilidad al igual que la composición química, muy similar
a la del agua superficial. En dicha composición prevalece el ion HCO 3-, como consecuencia del
proceso: CO2 + H2O = H+ + HCO3-. La composición catiónica depende de la litología drenada. En
esta zona el agua de las precipitaciones se infiltran rápidamente y en el suelo hay déficit de
humedad, por lo que la vegetación tiende a ser de tipo xerófila.
En la zona de conducción del acuífero el nivel de CO2 suele ser menor, porque una parte del gas es
consumido, como consecuencia de la interacción del agua con los minerales del medio rocoso. El
agua en esta zona adquiere una mayor mineralización y un pH más elevado. Esta evolución se hace
más evidente si, por ejemplo, se hace un muestreo de un perfil de pozos desde la zona de
alimentación hasta la de emisión del acuífero. A medida que el agua se aleja de la zona de
alimentación decrece el CO2 y aumentan el pH, así como el contenido de calcita disuelta (dureza).
En la zona saturada, las aguas adquieren una mayor mineralización. Sin embargo, como resultado
de los procesos de mezcla de aguas, éstas pueden hacerse agresivas nuevamente y continuar
disolviendo minerales. El agua tiende a acumularse en cantidades más o menos apreciables en
acuíferos de tipo freático. El agua del flujo local, al igual que el agua superficial, se utiliza
fundamentalmente para el consumo público y las labores agrícolas e industriales, así como en la
acuicultura y otros usos por la población.
El agua en tanto en la zona de conducción como en la zona saturada contiene poco oxígeno disuelto
y el potencial redox es menos oxidante. El flujo es de tipo intermedio y su composición aniónica
varía de HCO3- a SO42-, como consecuencia de procesos de disolución de yeso y oxidación de pirita,
mientras que el tipo de catión depende de la litología presente en el medio por donde discurre. El
contenido de humedad es mayor que en la zona de aireación. A este tipo de flujo están asociadas las
aguas naturales usadas para la fabricación de aguas envasadas y cervezas. En la zona de descarga se
producen precipitaciones de calcita por escape de CO2 a la atmósfera y recombinación iónica:
Ca2+ + HCO3- = CaCO3 + CO2 + H2O (19)
En la zona de circulación profunda, prevalecen los flujos de tipo regional o profundo, la circulación
es más lenta y su caudal menor, el tiempo de interacción con los minerales es mayor. El agua se
caracteriza por contener poco O2 disuelto, presentar elevados contenidos de sólidos totales (TSS),
principalmente como contenidos de CaCO3, CaSO4 y NaCl disueltos. Por lo general poseen
cantidades elevadas de CO2 y H2S, y en los manantiales por donde emergen precipita el exceso de
calcita y yeso. Además poseen, por lo general, una temperatura más elevada (como efecto del
gradiente geotérmico) y estable que las de que las de los flujos locales e intermedios. A este tipo de
flujo están relacionadas las aguas mineromedicinales. Por lo general, la composición química se
este tipo de agua es fundamentalmente de tipo clorurada y el catión predominante es el sodio. El
contenido de humedad es elevado y la vegetación tiende a ser de tipo freatófila.
En un trabajo desarrollado en Australia por Chebotarev (en: Frezze y Cherry, 1980), en el cual
fueron muestreadas más de 10000 muestras de aguas de pozos, se llegó a la conclusión de que en la
naturaleza, las aguas subterráneas tienden a evolucionar hacia la composición del agua de mar. Él
observó que esta evolución química en cuanto a los aniones dominantes, sigue aproximadamente las
regularidades siguientes:
HCO3-  HCO3- SO42-  SO42-> HCO3-  SO42-> Cl-  Cl-> SO42
-
91
 Cl-
(20)
Estos cambios ocurren en la medida que el agua se mueve desde zonas de grandes caudales, a través
de zonas intermedias, hasta zonas donde los flujos son escasos y el agua es vieja desde el punto de
vista geológico.
En las regiones cársicas montañosas de Cuba, la evolución química de las aguas sigue una tendencia
similar a la observada por esos investigadores y alcanzan, por lo general, las facies ricas en SO42-.
Propiedades químicas del agua en Cuba (calidad natural) y relación con el
medio geológico drenado
La composición química del agua natural subterránea de Cuba, en ausencia de contaminación, esta
controlada por las características litológicas y estructurales del país: en superficie, una serie de fajas
rocosas de diferente origen y composición (Figura 8.3), mientras que en profundidad, estas
estructuras subyacen las rocas que afloran en superficie. En la figura 8.4 se muestra la distribución
de estas fajas (Iturralde-Vinent, 2009).
Figura 8.3. Distribución superficial de las rocas de Cuba.
Faja
Leyenda
Origen de Las rocas
Rocas y minerales más comunes.
1
Evaporítico
Dolomita, calcita, yesos, halita.
2
Vulcanismo submarino
Dioritas, granitos, andesitas, tobas.
3
Islas volcánicas
Peridotitos, gabros, diabasas, basalto, serpentinitas.
4
Metamórfico
Esquistos, pizarras, mármoles, calizas, anfíboles.
5
Sedimentario
Calizas, calizas dolomíticas, dolomías, calcarenitas, margas.
Figura 8.4. Esquema que muestra la distribución en profundidad de las rocas a través de dos
perfiles del territorio cubano.
La faja 1 está constituida por rocas sedimentarias (leyenda de la figura 8.3), intensamente
deformadas por plegamientos y fallas, que se extiendes desde Maisí hasta La Habana. Se
92
depositaron durante el Cretácico en la costa, el talud continental y parte del fondo del mar Caribe
Primitivo (Iturralde-Vinent, 2009). La composición química del agua que drena estas rocas, en
superficie (flujos locales), es de tipo sulfatada cálcica, con temperatura de 25,0 oC y TSS del orden
de 2500 mg/, evolucionando en profundidad (flujos regionales) hasta aguas de tipo cloruradas
sódicas, sulfhídricas, brohídricas, yodhídicas, ligeramente radónicas, con temperaturas que alcanzan
50,0oC y TSS del orden de y 50 000 mg/L, superior a la del agua de mar.
La faja de rocas 2, corresponden al complejo ofiolítico, que se extiende desde Cajalbana (Pinar del
Río) hasta Maisí. Son rocas ígneas que proceden de las profundidades del manto y la corteza
terrestres propias de los océanos (Iturralde-Vinent, 2009), constituidas por rocas ultrabásicas
(leyenda de la figura 8.3). La composición del agua de los flujos locales es de tipo bicarbonatada
magnésica, con temperatura cercana a los 25,0 oC y TSS del inferiores a 300,0mg.L-1, mientras que
los flujos más profundo, de carácter intermedio o más regional, son de tipo sulfatada bicarbonatada
o cloruradas sulfatadas magnesiana cálcicas, silícicas, con temperaturas de 26,0 a 29,0 oC, y TSS
cercano a 1000 mg.L-1.
La faja 3, está constituida por de rocas efusivas compuestas por aluminosilicatos ácidos (leyenda de
la figura 8.3), originadas durante el Cretácico en el antiguo Archipiélago de islas volcánicas, que
surgieron donde hoy está Centroamérica y más al oeste y fueron arrastradas por el movimiento de
placas hasta su actual emplazamiento (Iturralde-Vinent, 2009). Se extiende al norte y centro de la
Isla y la Sierra Maestra. La composición de los flujos locales que discurren por estos sedimentos es
de tipo bicarbonatada sódica, con temperatura similar a la de los flujos locales anteriores, aunque
pueden alcanzar hasta cerca de 1000,0 mg.L -1. En profundidad el agua evoluciona incrementando el
contenido de cloruro de sodio, temperatura y contenido de minerales disueltos, pasando a ser de tipo
bicarbonatada cloruradas sódica (flujos intermedios) hasta clorurada sódica, sulfhídrica (flujos
regionales).
La faja 4 está compuesta por rocas metamórficas (leyenda de la figura 8.3), que se formaron por el
aumento de la presión, debido al enterramiento profundo de la corteza terrestre, en las antiguas
zonas de convergencia entre placas (Iturralde-Vinent, 2009). Poseen edades entre el Jurásico y el
Paleógeno. Se presentan en la Isla de la Juventud, Guamuhaya, Guaniguanico, Lomas del Purial y
de Asunción, en Cuba oriental. En la Isla de la Juventud y el Escambray, debido a la poca
solubilidad de sus minerales constitutivos (esquistos, mármoles), el agua que drena estos
sedimentos es de bajo contenido de minerales disueltos (TSS media de 240-300 mg.L -1). La
composición química de los flujos más profundos que emergen en los manantiales es de de tipo
bicarbonatada cálcica, ligeramente radónica, con temperatura del orden de 32,0oC.
En Guaniguanico se distinguen numerosos tipos de agua, correspondiente a flujos locales,
intermedios y regionales con diferentes propiedades químico-físicas. En la Sierra de los Órganos y
Sierra del Rosario (Pinar del Río), el agua de los flujos locales asociada a los carbonatos es de tipo
bicarbonatada cálcica, evolucionado a bicarbonatada sulfatada cálcica (flujos intermedios) y
sulfatada cálcica, sulfhídrica, fluorhídrica, ligeramente radónca (flujos regionales). El TSS medio
varía desde 300 hasta 2000 mg.L-1y la temperatura desde menos de 25,0 oC hasta 40,0oC. El agua de
los flujos locales que discurre por esquistos y areniscas es de tipo bicarbonatada sódica, con baja
mineralización (TSS del orden de 300,0 mg.L -1) y temperatura (menos de 25,0oC), evolucionando
en profundidad (flujos intermedios y regionales) a aguas de tipo bicarbonatada clorurada sódica y
bocarbonatada mixta, sulfhídrica, con relativamente alta mineralización (mayor de 1000,0mg.L -1) y
temperatura (alrededor de 30,0oC).
93
Faja 1. Rocas evaporíticas
SO4-Ca

o
-1
T=26,0 C, TSS=2547 mg.L

SO4>Cl-Ca
o
-1
Cl-Na
o
T=51.0 C, TSS=49291 mg.L-1
T=28 C, TSS=3807 mg.L
Faja 2. Rocas ultramáficas de la Asociaciónofilítica (aluminodilicatos ultrabasicos)
HCO3-Mg

o
-1
T=26,0 C, TSS=965 mg.L

HCO3-Mg
o
T=25,0 C, TSS=269 mg.L
-1
HCO3>SO4-Mg>Ca
T=26,0oC, TSS=974 mg.L-1
Faja 3. Rocas originadas volcánico (aluminosilcatos ácidos)
HCO3>Cl-Na>Ca

T=25,0oC, TSS=1037 mg.L-1
HCO3>Cl-Na
Cl-Na

T=26,0 oC, TSS=1532 mg.L-1
T=35 oC, TSS=2828 mg.L-1
Faja 4a. Esquistos y areniscas (Guajaibón)
HCO3- Na

o
-1

HCO3- Na
o
T= 25,0 C, TSS = 345 mg.L
-1
HCO3>Cl- Na
T = 29 oC, TSS = 1668
T = 24,0 C, TSS =1025mg.L
Faja 4b. Carbonatos que yacen sobre esquistos y areniscas (Guajaibón)
HCO3-Ca
o

-1
T= 25,0 C, TSS=371 mg.L

HCO3-Ca
o
-1
SO4-Ca
o
T=29 C, TSS=1668 mg.L-1
T= 26,0 C, TSS= 569 mg.L
Faja 5. Carbonattos del Neógeno
HCO3-Ca
o
T=25,0 C, TSS=300 mg.L

-1

Cl>HCO3-Na>Ca
o
T = 25,0 C, TSS =1145 mg.L
-1
Cl-Na
o
T=27,0 C, TSS=11009 mg.L-1
Figura 8.5. Evolución de la composición química del agua subterránea de Cuba
94
La faja 5 esta constituida por rocas sedimentarias jóvenes (leyenda de la figura 3), originadas hace
menos de 40 millones de años. Se formaron por deposición en el mismo lugar donde hoy se
localizan (Iturralde-Vinent, 2009). Se encuentran distribuidas al norte, centro y sur de la Isla.
Originan aguas cársicas (flujos locales) de tipo bicarbonatada cálcica o cálcicas magnesianas (en
dependencia del contenido relativo de alcita y dolomita en el terreno) en las cuencas interiores, y
de tipo bicarbonatadas cloruradas, cloruradas bicarbonatadas cálcica sódicas o sódicas cálciacas,
llegando a cloruradas cálcicas por efecto de la intrusión marina. El flujo regional en este caso
descarga, por lo general en el mar.
En la figura 8.5 se muestran los patrones hidrogeoquímicos de los diferentes tipos de flujos
(locales, intermedios, regionales) que drenan rocosas de Cuba de distintos tipos (las 5 fajas
rocosas).
Las aguas con elevados contenidos de cloruro (Cl -) se suelen encontrar en regiones llanas que
presentan gran agrietamiento o fallas, donde los horizontes acuíferos someros se ponen en contacto
con otros más profundos. También en algunos pozos artesianos, que se han perforado a grandes
profundidades durante los trabajos de prospección geológica o de búsqueda petrolífera; así como
en las zonas litorales donde las aguas del acuífero cársico se mezclan con las de mar y como
resultado de este proceso se incrementa la solubilidad de los minerales carbonatados (efecto de
mezcla de agua y efecto salino o de fuerza iónica).
En los acuíferos carbonatados litorales, existe un equilibrio dinámico entre el agua dulce que drena
al mar a través de los conductos cársicos y el agua marina que penetra en el acuífero por los
mismos conductos, con mayor extensión en los períodos secos, así como de mayor explotación del
acuífero para el abasto a la población o la agricultura, en los cuales la presión hidrostática se
deprime. En los períodos lluviosos y de menor explotación la presión hidrostática es mayor y se
limita la entrada del agua marina. La composición química del agua varía desde bicarbonatada
cálcica o cálcica magnesiana hasta clorurada sódica según el grado de intrusión marina.
En la zona de mezcla agua dulce-agua de mar se ponen en contacto dos fases químico-físicas muy
diferentes en cuanto a su composición química, mineralización, densidad, pH, temperatura y
contenido de gases disueltos. En dependencia del grado de mezcla, la litología del acuífero y otras
condiciones específicas, se producirán interacciones más o menos intensas y complejas, las cuales
producen cambios en la permeabilidad de las rocas, así como en la geomorfología de la región.
Como resultado de la mezcla de agua procedente del medio subterráneo y del mar, en ocasiones se
origina un agua de tipo agresiva que es capaz de disolver los carbonatos, ampliando los conductos
cársicos. En general, en un acuífero kástico costero se pueden distinguir tres zonas geoquímicas
(figura 8.6) con las características siguientes:
En la figura 8.6 se muestra el esquema de un acuífero cársico costero afectado por la intrusión
marina.
95
Figura 8.6. Esquema de un acuífero cársico costero.
El este tipo de acuífero el agua dulce flota sobre el agua marina por ser menos densa que la última.
Se pueden establecer tres zonas hidrogeoquímicas en el mismo:
•
Zona en que prevalecen las aguas del tipo HCO3- Ca en equilibrio con la calcita.
•
Zona en que prevalecen las aguas del tipo Cl-Na, las cuales se encuentran sobresaturadas en
relación con la calcita.
•
Zona de mezcla o dispersión, donde las aguas son de los tipos HCO 3>Cl-Ca>Na, Cl>
HCO3-Na>Ca o de facies intermedias, y las cuales se suelen encontrar insaturadas respecto a
la calcita.
Cuando el hombre explota el acuífero para el consumo público o la actividad agrícola, el lente de
agua dulce se reduce y disminuye y disminuye la zona de mezcla, induciéndose así la penetración
del agua de mar en el acuífero. Como resultado de la intrusión marina natural y en especial, la
actividad del hombre, la calidad del agua se deteriora, de bicarbonatada clorurada cálcica sódica,
puede pasar a clorurada bicarbonatadas sódica cálcica o a clorurada sódica.
Factores geomorfológicos
Los factores de tipo geomorfológico también influyen en la composición química del agua, en
especial, el escarpe de los macizos, el tipo de vegetación, el grado de erosión de los terrenos y la
naturaleza de las propias formas del relieve. A pesar de que las formas de adsorción (dolinas,
sumideros, etc.), se pueden considerar el resultado de los procesos de erosión en terrenos cársicos,
una vez creadas esas formas, éstas facilitan o limitan la ulterior acción de corrosión química sobre
el medio, lo cual se refleja en la composición química de las aguas. En la figura 8.7 se ilustra el
relieve de un macizo cársico.
96
Figura 8.7. El valle cárstico de Viñales
El carso es uno de los medios más vulnerables a la contaminación. A través de las dolinas y
sumideros el agua superficial penetra al acuífero, donde las bacterias se pueden desarrollar en
condiciones aeróbicas debido a la gran cavernosidad, y la autodepuración del agua es mucho más
pobre que el medio poroso, debido al poco contacto con las paredes de las rocas.
Otros factores que también influyen sobre la composición química de las aguas son los de tipo
pedológicos, los cuales están asociados al tipo de suelo que yace sobre las secuencias estratigráficas
El suelo puede ser el resultado del intemperismo de la roca o tratarse de una cobertura de origen
fluvial, pluvial o glaciar; su espesor puede variar desde un grosor apreciable hasta llegar a ser muy
escaso o ausente. De sus características y condiciones pedoclimáticas depende la actividad
microbiológica asociada, así como de la producción de gases y ácidos disponibles, que luego son
arrastrados por las lluvias o las nieves al fundirse, haciendo posible la disolución de los minerales
que forman parte del paquete de rocas subyacentes. En el caso de un macizo desnudo, el agua de las
precipitaciones puede adquirir el CO2 directamente de la atmósfera, pero en una proporción menor
que la que se produce en el suelo.
Factores microbiológicos
Los microorganismos que participan en los procesos biogeoquímico que se originan en la naturaleza
son muy variados. Los mismos catalizan las reacciones de oxidación-reducción más importantes
que tienen lugar en el medio acuático. Las bacterias constituyen los microorganismos más
importantes en las aguas subterráneas. Poseen un tamaño medio entre 0,5 y 0,3 µm, no muy
pequeño en comparación con las dimensiones de los poros y oquedades de muchas rocas. Además
de las bacterias, en el medio acuático existen otros tipos de microorganismos, tales como
microalgas, diatomeas, hongos, etc.
Las bacterias que necesitan oxígeno libre para su desarrollo se denominan aeróbicas; las que por el
contrario, viven en ausencia de oxígeno disuelto se nombran anaeróbicas, y las que pueden vivir
tanto en presencia como en ausencia de este gas se les llaman facultativas. Las bacterias de tipo
aeróbica, están presentes fundamentalmente en la zona del suelo y de recarga de los acuíferos,
mientras que las de tipo anaeróbico, se encuentran con más frecuencia en la zona de descarga, en las
lagunas salinas y en las regiones costeras.
97
En los ríos y presas expuestos a la contaminación, así como en la zona del suelo, la actividad
microbiológica es importante, siendo menor, aunque no despreciable, en la zona de las aguas
subterráneas.
La capacidad catalítica de las bacterias se debe a sus enzimas, las cuales requieren de nutrientes
para la síntesis y restablecimiento de las células bacterianas. En este proceso desempeña un papel
importante, las sustancias capaces de almacenar y suministrar energía como la adenosina trifosfato
(ATP). Estas moléculas alto-energéticas liberan la energía necesaria para la síntesis de las células
bacterianas al ser hidrolizadas
El contenido de oxígeno para la supervivencia de las bacterias aeróbicas es del orden de 0,05 mg.L 1
, aunque algunas pueden vivir en concentraciones menores. En determinadas ocasiones las
bacterias son capaces de adaptarse a condiciones bastante adversas y variables, como por ejemplo,
elevados flujos, condiciones de pH entre 1,0 y 10,0, temperaturas entre 0,0 y 75,0 °C y salinidades
del orden del agua de mar. Sin embargo, en las aguas subterráneas muchas bacterias se encuentran
en cantidades despreciables, por no disponer de algunos de los elementos básicos para su desarrollo,
tales como: materia orgánica consumible y nutrientes adecuados, o sufren cambios de temperatura
que afectan los proceso bioquímicos.
En los sistemas hidrotermales abundan entre otras, bacterias las algobacterias verdes (cloroficeas),
algobacterias verde azules (cianoficeas), diatomeas, sulfobacterias, ferrobacterias, manganobacterias, bacterias termófilas, etc.
La microflora del suelo está compuesta de poblaciones de algas, actinomicetos, bacterias
nitrificantes, desnitrificantes, desintegrantes de la celulosa, sulfobacterias y productoras de
pigmentos, hongos y protozoos. Los microorganismos también están muy difundidos en las aguas
minerales, incluso en condiciones de elevadas temperaturas como ocurre en algunas fuentes
termales. El control de estos organismos, tanto en el suelo como en el agua, es de gran importancia
para determinar el estado de estas últimas y para su explotación en el termalismo de salud. En la
figura 8.8 se observa como varía el contenido de CO2 en el suelo, en diferentes épocas del año.
CO2 y agua. Este proceso se conoce como humificación. Elde CO2 se produce en la biosfera en
virtud de la acción de las bacterias y otros microorganismos, lo cual se puede representar de la
forma siguiente:
n CH2O  n CO2+ n H2O (21)
El CH2O en esta ecuación representa un simple carbohidrato, aunque las reacciones también
pueden ocurrir con la participación de sacáridos, polisacáridos, ácidos grasos, fenoles, aminoácidos
y otros compuestos orgánicos.
Este proceso biogeoquímico constituye la principal fuente de suministro de CO 2por vía bacteriana y
requiere de la presencia de oxígeno disuelto en el agua. El CO 2 se combina con el agua para formar
H2CO3 que es un ácido suficientemente fuerte para disolver los carbonatos.
98
Figura 8.8. Variación del contenido de CO2 de diferentes tipos de suelo (Albertsen (1977, en Appelo
y Postma, 1993).
Albertsen (1977, en Appelo y Postma, 1993), demostraron que la cantidad de CO 2 generada en el
suelo en los terrenos arados, donde se produce abundante oxigenación, es mucho mayor que la
producida en las praderas y bosques, especialmente en los períodos más húmedos y calientes.
El efecto del pH y la composición química del suelo sobre la generación de CO 2 se ha evaluado por
Miotke (1974), quien encontró que cuando el pH del suelo se encuentra cercano a la neutralidad o
es ligeramente básico, la actividad biológica es más eficiente que cuando el pH es ácido. La
presencia de calcio en cantidades apreciables tiende también a facilitar la producción de CO 2 en el
suelo, puesto que permite la respiración homogénea de los complejos orgánicos en los distintos
perfiles del suelo (Vedy et al, 1979).
El contenido de CO2 del suelo es mayor en los países de clima tropical húmedo que en países de
otras latitudes, tal como se aprecia en la tabla 2.
Tabla 8.1. Valores de contenido de CO2 en suelos de diferente latitud.
Tipo de suelo y región
Aire atmosférico
Autores
Hutchinson (1957)
Tropical (Puerto Rico y Jamaica)
Templado
Templado (Montañas Rocosas del Canadá) Miotke (1974)
Tundra polar (Alaska)
Tundra alpina
Miotke (1974)
pCO2
10-3,48
log pCO2
-3,48
10-2,7-10-0,8
-3,0
-2,7 – -0,8
-1,5
10 -10
-3,0 – -1,5
10-4,3-10-3,4
-4,3 – -3,4
-5,3
-3,4
10 -10
-5,3 -3,4
-4,0
-3,3
-4,0 - 3,3
10 -10
Factores climáticos
Los factores climáticos intervienen de forma activa en la dinámica de la meteorización mecánica y
química de los macizos, al permitir en el primer caso la fragmentación, traslado y acarreo de los
minerales lejos del lugar de origen, así como facilitar en el segundo caso, la disolución de los
minerales de las rocas. Mientras más intensa sea la acción mecánica, más se facilita al agua su
acción corrosiva. Según Bakalowicz (1992) el clima, aunque es uno de los factores que influyen de
manera activa en el proceso de carsificación, no es el factor más importante.
Los elementos del clima más determinantes en el modo en que las aguas subsuperficiales adquieren
99
su composición química son: la temperatura, humedad relativa, intensidad y duración de las
precipitaciones, intensidad y duración de las radiaciones, velocidad del aire, entre otros. En el caso
de las aguas minerales, tal como se ha señalado, el gradiente geotérmico influye tanto en la
temperatura como en la composición química del agua.
El régimen de precipitación en una cuenca juega un papel importante en la variación temporal de la
composición química del agua. En los periodos de lluvia la mineralización es más pequeña debido a
la dilución y el menor tiempo de contacto agua-roca, mientras que en los períodos secos, el agua
adquiere mayor contenido de minerales disueltos. En la figura 8.9 se muestra la variación del caudal
y la composición química del agua, en términos de conductividad eléctrica y patrones
hidiogeoquímicos (Fagundo, 1996; 1998), durante un año hidrológico.
Figura 8.9. Efecto de las precipitaciones sobre el caudal, la mineralización (en términos de
conductividad eléctrica) y la composición química (patrones hidrogeoquímicos
representados mediante diagramas de Staff) del agua muestreada en la resurgencia Canilla,
sierra del rosario, Pinar del Río, durante un año hidrológico (1985).
Otro elemento del clima que ejerce un papel importante en el proceso de generación de CO 2 es la
humedad, cuyo valor óptimo según Bachelier (1971) es de 20 a 40 %. Un exceso por encima de este
valor limita la actividad biológica.
Factores antrópicos
Por último, se debe destacar el papel que desempeña el factor antrópico en la composición química
del agua. La actividad del hombre causa un deterioro progresivo de la calidad de las aguas
superficiales y subterráneas. A pesar de que estas últimas son menos susceptibles a la
contaminación, una vez contaminadas, se hace muy difícil restablecer su calidad original (Gonzales
y Jimenez 1988).
Con vistas a preservar la calidad de los recursos hídricos, de forma tal que se puedan utilizar
racionalmente en beneficio de la economía, se han establecido zonas de protección sanitaria, como
tal se denomina el área alrededor de la toma de agua, donde se establecen diferentes tipos de
regulaciones con el objetivo de evitar la contaminación y hacer mínimo el riesgo de su degradación.
100
El desarrollo de de la población humana y las grandes extensiones de terreno ocupadas por
ciudades, pueblos industrias, zonas agropecuarias y población rural, origina un sustancial deterioro
de la calidad del agua. El ciclo hidrológico natural, que explica el balance entre los procesos de
precipitación, evapotranspiración, y de escurrimiento superficial y subterráneo, aún cuando se
cumple a nivel planetario en términos de cantidad, se ve afectado en lo que respecta a la calidad del
agua. El verdadero ciclo del agua ha de entenderse como una interacción entre la sociedad y la
naturaleza (Fagundo e Iturralde-Vinent, 2009). Este concepto muestra con claridad como la
sociedad extrae vastos recursos del medio, interrumpiendo el movimiento natural de las aguas y, en
otro orden de cosas, vierte los residuos contaminantes a la naturaleza, donde se incorporan al ciclo
del agua. De esta manera, el auténtico ciclo del agua pasa a través de la sociedad. Por ello se debe
enfatizar que, en la actualidad, el agua no representa un ciclo independiente de la sociedad, pues las
comunidades humanas han pasado a ser parte integrante y fundamental de ese ciclo. En la figura
8.10 se ilustra un modelo del ciclo del agua donde en el mimo, la actividad humana deteriora su
calidad natural.
Figura 8.10. Modelo de ciclo del agua con la participación del hombre donde se aprecia la
posibilidad de su agotamiento o contaminación con los desechos de los procesos agrícolas
e industriales
La acción de la actividad humana sobre la calidad del agua, es muy crítica en los acuíferos cársicos
costeros, tal como se señalo anteriormente. Especialmente en los acuíferos semi- confinados
cársicos como el de la Cuenca Sur de Pinar del Río, en que la zona de recarga se encuentra
relativamente lejana, la explotación en exceso del acuífero puede inducir la entrada del agua marina
y producir efectos irreversibles sobre el mismo, pues debido al efecto salino o de fuerza iónica, se
puede incrementar la disolución del las calizas, incrementándose su porosidad secundaria (Fagundo
y González, 1999) y por ende, el deterioro progresivo de la calidad del agua. En la figura 8.11 se
muestra como el agua de un pozo utilizado en labores agrícolas en esa cuenca, ha experimentado un
aumento de su conductividad eléctrica (proporcional al contenido de minerales disueltos) a través
del tiempo. Asimismo, su calidad ha ido deteriorándose en ese mismo intervalo, lo que se aprecia en
la variación de sus patrones hidrogeoquímicos (diagramas de Stiff), con un contenido creciente de
cloruro de sodio.
101
Figura 8.11. Variación temporal de la conductividad eléctrica y patrón hidrogeoquímico
correspondiente, en las aguas de un pozo utilizado para el regadío en la provincia de Pinar
del Río.
Carácter corrosivo e incrustante del agua
Otro aspecto de interés relacionado con el efecto de la actividad del hombre sobre las propiedades
del agua, se refiere a la modificación del carácter agresivo o incrustante del agua, como
consecuencia del de su explotación con fines de abasto público, agrícola o industrial.
La corrosión o incrustación por agua está asociada a la concentración de CO 2 libre, la cual influye
en el contenido del calcita disuelta (CaCO 3). Si el contenido CO2 libre es mayor que el CO2de
equilibrio, existe exceso de CO2, y el agua es agresiva, capaz de disolver carbonatos. Si el CO2 libre
es igual al de equilibrio, no son favorables en este caso los procesos de disolución ni precipitación
de carbonatos. Sin embargo, cuando el CO2 libre es menor que el de equilibrio, el agua es
incrustante, tendiendo a la precipitación de carbonato. En general estos procesos se originan por el
desplazamiento a la izquierda o a la derecha del equilibrio químico (19).
En la figura 8.12 se muestra el efecto incrustante del agua en la tubería.
102
Figura 8.12. Incrustación de CaCO3 en un tubo que conduce de agua en una red de distribución.
Entre los efectos que conducen a la precipitación de calcita se pueden citar los siguientes: escape de
CO2 a la atmósfera, elevación de la temperatura, efecto de ion común, mezcla de aguas,
disminución de presión en la tubería durante el bombeo, disminución de la velocidad del flujo,
intercambio iónico inverso. Para eliminar las incrustaciones se pueden hacer las siguientes acciones:
añadir CO2 o ácido fuerte, disminuir la temperatura, suavizar e agua mediante una resina de
intercambio iónico, mediante magnetización del agua.
De la discusión anterior, se infiere, que para explicar el modo en que el agua natural alcanza una
composición dada en su movimiento a través del medio rocoso, y se deteriora como consecuencia
de la actividad del hombre, se precisa del conocimiento de principios y leyes de Ciencias Exactas
como la Química y la Física; la Matemática, de Ciencias Naturales como la Geografía y la Geología
y de Ciencias Técnicas como la Hidrología, entre otras.
Efecto del vertido de residuales orgánicos en acuíferos cársicos costeros
Como resultado de la mezcla natural de agua procedente del medio subterráneo y del mar, en
ocasiones se origina un agua de tipo agresiva que es capaz de disolver los carbonatos. Sin embargo,
este efecto se hace mucho más significativo como resultado de la actividad negativa del hombre, al
verter en los acuíferos cársicos costeros residuales orgánicos biodegradables. En este caso, se
originan contenidos de CO2 (pCO2) muy elevado, que junto al efecto salino (o de fuerza iónica) y de
mezcla de aguas, se origina un estado de gran instauración en el agua, tal como fue demostrado por
Plummer (1975) en el experimento de laboratorio (figura 8.13).
103
Figura 8.13. Efecto de la mezcla agua dulce-agua de mar sobre la solubilidad de la calcita a 25,0
°C y una pCO2 determinada (Plummer, 1975 a).
Este tipo de corrosión debida a la actividad humana, origina un desarrollo cársico intenso en
relativamente poco tiempo. Al carso originado en estas condiciones se ha denominado antropocarso.
Además de CO2, en el proceso de descomposición de la materia orgánica se forma metano, gas
combustible. En Cuba, debido a la amplia distribución del medio cásico litoral, donde se asientan
numerosas fábricas y centrales azucareros cuyos residuos en ocasiones se infiltran al medio cársico
debido a un mal manejo o deficiencias del sistema de tratamiento, es preciso tomar en cuenta los
efectos negativos de este efecto. De hecho se han producido colapsos en algunos centrales por la
ampliación de las cavidades subyacentes, así como incendios por inflamación de metano (Ronera
Santa Cruz), producción de metano en algunas casimbas, que por constituir un sistema abierto, ha
aprovechado por los campesinos para cocinar sus alimentos.
La contaminación del agua
Algunos aspectos relacionados con el efecto negativo de la actividad del hombre en el agua natural
han sido abordados con anterioridad, al ser analizado el papel de la actividad microbiológica en la
generación de CO2, así como la corrosión mediante procesos microbiológicos y bioquímicos, por su
104
importancia. En este apartado se profundizará en este tema de capital importancia.
El agua constituye un recurso valioso que el hombre utiliza. En cierta medida el agua natural sufre
un constante proceso de contaminación, en el cual parte es compensado por los procesos de
autodepuración.
La contaminación es un proceso natural o artificial, mediante el cual se agrega al agua normal o
beneficiosa elementos, sustancias o materia viva, que la convierte en perjudicial para todos o
algunos de los diferentes usos (Ferro, 1982). Por lo general, las aguas superficiales se suelen afectar
con más facilidad que las subterráneas.
La contaminación de los recursos hídricos en el carso es objeto de interés particular, a causa de la
vulnerabilidad de este medio (Santo, 1991). A pesar de que en este medio el movimiento del agua es
preferentemente subterráneo, este escurrimiento se realiza con preferencia a través de grietas,
fisuras, conductos, así como cavidades más o menos amplias y aireadas, donde prevalecen
condiciones de flujo de tipo turbulento, muy similares a las superficiales y en las mismas son
factibles los procesos microbiológicos aeróbicos.
Relacionadas con la calidad del agua, se encuentran las medidas a tomar en la colección de la
muestra. García y Beato (1979) han propuesto un grupo de recomendaciones para el muestreo de
aguas y el control de su contaminación.
Además de la calidad químico-física de las aguas es necesario controlar la calidad bacteriológica.
La contaminación del agua por organismos patógenos se debe principalmente al vertimiento o
percolación de residuales urbanos, o agroindustriales, puesto que este tipo de microorganismo no se
origina en las condiciones naturales.
En la literatura especializada aparecen muchas citas bibliográficas, donde se presentan los
principales problemas relacionados con el efecto del impacto humano sobre regiones
potencialmente vulnerables como son los acuíferos cársicos (James, 1991; Pacheco et al, 2000;
Marín et al, 2000; Parise y Pascali, 2003). Aunque la mayoría de los carsólogos coinciden en
señalar que el carso es poco propicio para la disposición de este tipo de residual; sin embargo,
algunos trabajos ponen de manifiesto la buena capacidad autodepuradora del medio cársico para
aquellos residuales industriales ácidos procedentes de la industria del petróleo (Lin Hua, 1991); así
como para corrientes subterráneas contaminadas por la actividad del hombre (Hemmel, 1990).
En el caso de corrientes superficiales, algunos investigadores han evaluado el grado de
autodepuración del carso y otros medios no cársicos en función de la remoción bacteriana
(Quesada, 1986), como vía complementaria de tratamiento de los residuales antes de su vertimiento
(Gutiérrez, 1982; Gutiérrez et al, 1982). La disposición o infiltración de residuales urbanos y, en
general, la urbanización, así como el turismo en regiones cársicas, dan lugar a un incremento de los
componentes del ciclo del nitrógeno en las aguas, fundamentalmente NO 3- y NO2- (Krawcyk, 1990;
Kranje and Kogovsek, 1990; Waterhouse, 1984; Gutiérrez et al, 1982).
El contenido de NO3- en las aguas potables, según establecen las normas, no debe exceder los 60,0
mg.L-1. Sin embargo, en algunas aguas cársicas se han encontrado concentraciones del orden de
600,0 mg.L-1(Smith, 1988). Mediante la actividad de fertilización agrícola, también se incorpora al
carso una buena cantidad de sustancias nitrogenadas, así como fertilizantes, pesticidas y otras
sustancias químicas (Pekny et al, 1987; Muler and Eingold, 1987).
En Cuba, Gutiérrez et al (1982) han estudiado la vulnerabilidad de los acuíferos a los procesos de
nitrificación. Según estos investigadores, los volúmenes de nitrógeno que aportan las diferentes
fuentes en las áreas agrícolas son los que se exponen en la tabla 7.2.
105
Tabla 8.2. Fuentes de nitrificación en los acuíferos.
Concentración (kg.ha-1)
20,0-30,0
3,0-6,0
3,0-40,0
10,0-30,0
60,0-120,0
Fuente
Fijación atmosférica
Aporte por precipitación
Aporte por riego
Aporte por residuales animales
Fertilizantes nitrogenados
El riego con las propias aguas subterráneas de la cuenca, la cual es objeto de contaminación,
constituye un elemento importante en el balance de nitrógeno. El efecto de la irrigación con
efluentes sobre la calidad de las aguas cársicas subterráneas, también se ha evaluado con vistas a
eliminar los efectos negativos potenciales de la contaminación bacteriológica (Kaplen, 1987). En
Cuba muchas áreas agrícolas se irrigan con residuales azucareros y hasta el presente los resultados
son satisfactorios.
El vertimiento de residuales inorgánicos se refleja en las aguas mediante un incremento en el
contenido de compuestos metálicos (Rorsh and Llard, 1984), de éstos los más tóxicos son: plomo,
mercurio, zinc y cadmio. Esto es común, por ejemplo, en muchas aguas procedentes de minas, las
cuales se caracterizan por poseer valores de pH muy bajos, capaces de disolver en esas condiciones
muchos microcomponentes (Reed and Singh, 1987).
La deforestación también produce efectos indeseables en el carso (Griolet, 1987). En las áreas
montañosas la tala de bosques favorece el arrastre de sólidos disueltos y en suspensión, así como de
la materia orgánica durante las lluvias o la fusión de las nieves, provocando cambios en la calidad
del agua y sedimentación en lagos, ríos y cuevas.
La sobreexplotación de los acuíferos cársicos litorales con vistas al abasto o el regadío, trae como
consecuencia que disminuya la presión hidrostática y se produzca una mayor penetración del agua
de mar. Los problemas relacionados con la explotación de los acuíferos cársicos costeros son objeto
de estudios en muchas áreas cársicas de Europa (Pulido-Bosch, 1989, 1991; Mijatovic, 1984),
Estados Unidos (Strengfield and Rapp, 1984), México (Back et al, 1986) y Cuba (Fagundo y
Arellano, 1991; Fagundo et al, 1993; Barros, 1982; Laphin and Luege, 1969; Shayakubov and
Morales, 1980; González y Feitó, 1988).
Relacionado con la excesiva extracción de aguas en las regiones cársicas, se encuentran los
fenómenos de creación de dolinas y producción de derrumbes, al quedar evacuado un horizonte
acuífero, que facilita el desprendimiento de la cobertura.
Entre los efectos negativos de la actividad del hombre, que dan lugar a la contaminación o deterioro
del agua natural se pueden considerar los siguientes:
•
Vertimiento de residuales orgánicos agroindustriales y urbanos.
•
Vertimiento de residuales inorgánicos.
•
Incremento de nitratos (nitrificación), pesticidas y otras sustancias, a causa del tratamiento
químico en la agricultura.
•
Contaminación, a causa de la actividad minera.
•
Derrame de hidrocarburos.
•
Salinización de los acuíferos costeros por sobreexplotación.
•
Contaminación, a causa del impacto del turismo.
•
Deforestación del paisaje cársico.
106
•
Contaminación del agua por metales pesados.
Entre los efectos producidos por el vertimiento o percolación en el acuífero de los residuales
orgánicos y urbanos se pueden considerar los siguientes:
•
La disminución de los niveles naturales de oxígeno disuelto y aumento del contenido de
materia orgánica biodegradable en las aguas superficiales y subterráneas.
•
Eutroficación en lagos y embalses con producción de mal olor.
•
Aumento de la población microbiológica patógena, dando lugar a la aparición de
enfermedades de origen hídrico.
•
Incremento de sólidos orgánicos suspendidos y sedimentables en corrientes superficiales.
•
Aumento del contenido de sales disueltas provocado por aportes salinos de residuales
industriales.
•
Aumento del contenido de metales pesados y componentes radiactivos en el agua.
La calidad del agua
La composición química de un agua natural, en función del uso que a la misma se le de, se
denomina calidad del agua, y existen una serie de normas que regulan las concentraciones
permisibles que debe poseer cada elemento o indicador de calidad según los diferentes usos. Por
ejemplo, las normas establecidas para que un agua se pueda utilizar para el consumo de la
población, exigen un contenido despreciable de los componentes de los ciclos del nitrógeno y el
fósforo. Sin embargo, para el riego las aguas deben poseer un alto contenido de los mismos.
Las aguas superficiales y subterráneas, si se atiende al carácter de su utilización, se pueden
clasificar en diez grupos (Ferro, 1982):
•
Suministro rural y urbano.
•
Regadío para la producción agraria.
•
Abastecimiento para los procesos industriales.
•
Producción de energía mecánica y eléctrica.
•
Agua para fines terapéuticos.
•
Consumo mediante embotellamiento.
•
Carga, descarga y transportación.
•
Conservación de la flora y fauna silvestre.
•
Reproducción y consumo de plantas y animales acuáticos.
•
Agua para fines recreativos y culturales.
Existe una clasificación que además de las diez consideraciones anteriores, relaciona los principales
parámetros químico-físicos y bacteriológicos utilizados en el control de la calidad de las aguas
(Gutiérrez, 1982). Para la mayoría de los usos que se le da al agua, existen normas establecidas por
el Instituto Nacional de los Recursos Hidráulicos (INRH), y el Ministerio de Salud Pública
(MINSAP), organismos encargados en Cuba de velar por la preservación de la calidad del agua.
Índices de calidad
Antiguamente la calidad bacteriológica en ríos, lagos y aguas subterráneas, no se controlaba
mediante la determinación de microorganismos patógenos, sino a través de la identificación de
bacterias fecales, es decir, bacterias que subsisten normalmente en el tracto digestivo humano. En
107
general, se utilizaba como índice las bacterias pertenecientes al grupo Coliforme. Existe una
relación aproximada entre la cantidad de estas bacterias y las de tipo patógenas, tales como:
Salmonelas, Aeromonas, Seudomonas, Clostridium, Estafilococo y Shigella.
Otro método de determinar la calidad de las aguas, consiste en evaluar un determinado índice de
calidad (García, 1988), que representa la suma de diferentes indicadores del deterioro de la misma,
a los cuales se les da un peso diferente en dependencia de los objetivos del control. La expresión de
este tipo de índice para las aguas superficiales se muestra mediante la expresión 22:
n
ICA=∑ (Qi W i )
i=1
(22)
Donde: Q es el parámetro indicador de calidad y W es el peso relativo del mismo en el índice
general (tabla 8.3).
Tabla 8.3. Peso relativo de cada parámetro indicador de calidad en la expresión (22).
i
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Parámetro
Oxígeno Disuelto
Coliformes Totales
Demanda Química de Oxígeno
Conductividad Eléctrica
Cloruros
Amoniaco
Fósforo
Turbiedad
pH
Peso relativo (W)
0,17
0,14
0,13
0,13
0,10
0,10
0,10
0,08
0,05
Evaluación de la calidad del agua y los sedimentos mediante bio indicadores
Un método de determinar la calidad del agua y los sedimentos, que ha tenido una amplia aplicación
en años recientes, es el del uso de bio indicadores, esto es, plantas y animales acuáticos que
acumulan metales pesados y otros productos contaminantes.
Con este objetivo, se ha reportado el empleo en el río Almendares de la planta acuática Eichhornia
crassipes y las especies Terapia granífera y Gambusia punctata, y en el río Sagua la Grande, los
peces Clarias gariepinus, Anguila rostrata y heichthus tetracantha (Pérez et al al, 2001). Para la
evaluación de la toxicidad de aguas residuales de Cuba, De La Rosa et al (2001), han peces de la
especie Brachidanio rerio (Cebra). Asimismo, se ha reportado el proceso de biosorción del cadmio
por Pseudomonas sp, Proteus mirabilis, tres cepas del género Bacillus y dos cepas de
Saccharomyces cerevisiae (Martínez et al, 2004).
Sistema de normas cubanas de calidad del agua y protección del medio
acuático
Entre las normas cubanas elaboradas por la Oficina Nacional de Normalización, que establecen los
requisitos que debe poseer el agua para diferentes usos se encuentran las siguientes:
NC 93-01:1985. Aguas Minerales. Requisitos para la clasificación, evaluación, explotación y
utilización, 1985.
NC 93-02:1985. Agua Potable. Requisitos sanitarios y muestreo, 1985.
NC 93-09:85. Higiene Comunal. Balnearios Medicinales. Requisitos higiénico-sanitarios, 1986.
NC 93-07: 1986. Lugares de baños en costas y masas de aguas interiores. Requisitos sanitarios,
108
1986.
NC 93-11:1986. Fuentes de abastecimiento de agua. Calidad y protección sanitaria, 1986.
NC 93-01-103: 1987. Clasificación de la utilización de las aguas interiores, 1985.
NC 93-01-105: 1987. Especificaciones y procedimientos para la evaluación de los objetos hídricos
de uso pesquero, 1987.
NC 93-01-209:90. Sistema de Normas de Protección del Medio Ambiente. Hidrosfera.
Procedimiento de cálculo para la protección sanitaria, 1990.
NC 84-24: 91. Bebidas no alcohólicas. Agua de bebida envasada. Especificaciones, 1991.
NC 93–01–218: 1995. Agua Mineral, 1995.
NC 2: 1996. Bebida envasada. Especificaciones, 1996.
NC 6: 1998. Peloides especificaciones, 1998.
NC-27: 1999. Vertimiento de aguas residuales en aguas terrestres y al alcantarillado.
Especificaciones, 1999.
NC 296:205. Aguas potables envasadas. Requisitos generales, 2005.
NC 297:205. Aguas minerales naturales. Especificaciones, 2005.
NC 441: 2006. Salud Ambiental. Piscinas. Requisitos higiénico sanitarios y de seguridad, 2006.
NC 442: 2006. Agua potable. Requisitos sanitarios, 2006.
NC 443: 2006. Sistema de abastecimiento público de agua. Requisitos y muestreo, 2006.
Norma Ramal 2008. Demanda de agua potable de la población, 2008.
Zonas de protección y control sistemático de la calidad del agua
La actividad del hombre causa un deterioro progresivo de la calidad de las aguas superficiales y
subterráneas. A pesar de que estas últimas son menos susceptibles a la contaminación, una vez
contaminadas, se hace muy difícil restablecer su calidad original (González y Jiménez, 1988).
Con vistas a preservar la calidad de las aguas Cársicas, de forma tal que se pueda utilizar
racionalmente en beneficio de la economía, se han establecido zonas de protección sanitaria, como
tal se denomina el área alrededor de la toma de agua, donde se establecen diferentes tipos de
regulaciones con el objetivo de evitar la contaminación y hacer mínimo el riesgo de su degradación
(González y Jiménez, 1988).
En los últimos años, se han llevado a cabo muchas investigaciones aplicadas en el campo de la
hidrogeología, con el objetivo de establecer las zonas de protección sanitarias alrededor de las
fuentes de captación de interés económico social (Daoxian, 1987; Fritz and Pavicic, 1987; Kullman,
1987; Tulipano and Fidelibus, 1991).
La falta de cultura en relación con lo que debe ser la zona de protección de una fuente cársica, hace
que con frecuencia, se construyan letrinas en la misma área en que se encuentra el pozo que se
utiliza para el consumo de las personas, lo cual da lugar a que por percolación pasen a la fuente
gérmenes patógenos y se requiera instalar un sistema costoso de tratamiento del agua. Esta forma de
contaminación era muy frecuente en muchos pueblos de Cuba hace algunos años e incidía de
manera significativa en un alto índice de parasitismo en la población infantil.
Con vistas al control de la calidad de las aguas cársicas, también se han elaborado políticas y
sistemas de vigilancia, mediante el registro sistemático de algunos indicadores de tipo químicofísico y bacteriológico.
109
Monitoreo de la calidad del agua en redes de control y sitios de interés
Con el objetivo de conocer la calidad del agua y los cambios que experimentan la misma como
resultado de la actividad del hombre, muchos países, entre ellos el nuestro, cuentan con redes de
monitoreo donde, de manera continua o periódica, se registran las condiciones hidrometeorológicas
y el nivel del agua subterránea, y se realizan análisis químico-físicos y bacteriológicos de las aguas.
Esta actividad genera un volumen de información cuyo procesamiento y uso adecuado es de valiosa
importancia para lograr un manejo y explotación más eficiente de los recursos hidráulicos. Para ello
se requiere del empleo de sistemas informáticos basados en modelos estadísticos, hidrológicos e
hidrogeoquímicos, que permitan el procesamiento de los datos, analizar el comportamiento espacial
y temporal de la calidad y cantidad del agua, evaluar tendencias, correlacionar variables, etc.
Entre los indicadores de calidad más comúnmente utilizados en el monitoreo de la calidad
hidroquímica del agua se encuentra la conductividad eléctrica (CE), el pH, oxígeno disuelto (O 2),
potencial redox (Eh), Demanda Química de Oxígeno (DQO), los cuales pueden ser determinados en
el sitio de muestreo a través de equipos electrónicos portátiles provistos de los correspondientes
sensores. Los análisis químicos se pueden efectuar también in situ mediante métodos analíticos de
valoración y fotómetros disponibles en maletas portátiles (Figura 14).
Figura 8.14. Instrumentos de medición en el campo de indicadores de calidad de agua.
La CE es uno de los parámetros más frecuentemente empleados para el control de la calidad del
agua. (Miller et al, 1988) La misma correlaciona con la Sumatoria de la Concentración ónica, y a
menudo, con la concentración de algún simple ion (Hem, 1970) También han sido encontradas
relaciones empíricas entre la conductividad eléctrica y una serie de parámetros químico-físicos
característicos de las aguas naturales: mineralización en términos de residuo seco (Bakalowicz,
1974) Total de Sólidos Solubles (Keith Todd, 1957), Suma de Aniones y Cationes, (Miles and Yost,
1982), Salinidad (Gutiérrez et al, 1974; Accerboni et al, 1967), Fuerza Iónica (Shuster and White,
1965; Hem, 1970), Dureza, (Bray, 1977),etc. Sin embargo, debido a las variaciones de composición,
no existe una relación única entre la CE y el Residuo Seco o contenido iónico (Hem, 1970). Con
respecto a la concentración iónica, sólo se ha encontrado correlaciones altamente significativas con
los iones más abundantes (Drake and Ford, 1974), lo que ha limitado aparentemente el uso de
ecuaciones de regresión en el control de la calidad de las aguas en forma extensiva.
110
Tal como indica Miller et al (1988), la conductividad eléctrica teórica (CE t) puede ser expresada en
función de la concentración iónica (Ci) y la conductividad específica equivalente a dilución infinita
(Si) mediante la expresión:
n
CEt.=
 ( i C i S i ) f
i 1
(23)
Donde i es la fracción de iones libres presentes, cuyo valor tiende a 1 cuando la mineralización
del agua es pequeña y f es un factor exponencial que depende de la concentración y del tipo de
agua.
Si la conductividad y concentración del agua varían en un intervalo discreto, los valores de Ci y CEt
tienden a ajustar significativamente, al menos para la concentración de los iones mayoritarios,
mediante el modelo de la línea recta con intercepto cero, en forma similar a lo que ocurre en un
proceso de simulación agua-roca en el laboratorio (Fagundo, 1985, Fagundo et al, 1990b). esto se
cumple en el medio natural, cuando el proceso de adquisición de la composición química del agua
es controlada por un solo factor, no así cuando más de un factor participa en forma predominante en
más de un factor es determinante en el mecanismo de ganancia iónica del agua, por ejemplo, cuando
influyen los fenómenos de mezcla, como ocurre en las regiones cársicas litorales, donde las aguas
adquieren su composición a partir de los aportes procedentes del acuífero y del mar. En este caso, el
modelo de mejor ajuste puede ser un polinomio de segundo grado (Fagundo et al, 2006) o una línea
recta con intercepto diferente de cero. (Gutiérrez et al, 1974). Si los datos son previamente
separados mediante un método de reconocimiento de patrones, entonces se obtienen mejores
resultados mediante modelos lineales para cada patrón hidrogeoquímico. Fagundo et al, 1990a han
estudiado la relación entre la litología (así como otros factores) y la naturaleza de las ecuaciones de
dependencia matemática entre la concentración iónica y la conductividad eléctrica, demostrando
que en una región determinada, donde muchos de los factores que determinan el modo de
adquisición de la composición química de las aguas se hacen constantes, es posible controlar la
composición química mediante mediciones de conductividad eléctrica, lo cual ha permitido la
creación de algoritmos y sistemas de computación con estos objetivos.
En las figuras 8.15 a y 8.15 b se muestran los resultados del procesamiento de dos muestras de
agua, mediante el sistema informático SAMA (Álvarez et al, 1990) de datos hidroquímicos,
ajustados mediante el modelo de la línea recta que pasa por el origen de coordenadas (y=a 1x), y el
modelo polinómico de segundo grado (y= a1x + a2x2) con intercepto cero.
Donde: a1 y a2 son coeficiente de las ecuaciones y x es la CE.
111
(a)
(b)
Figura 8.15. Resultado del ajuste de los datos hidroquímicos de dos muestras de agua mediante a):
el modelo de la línea recta que pasa por el origen de coordenadas, b): el modelo
polinómico de segundo grado.
En la figura 8.16 se presenta el resultado del procesamiento de los datos de una muestra de agua,
donde se aprecia la concentración estimada de cada ion y el índice de similitud entre los datos reales
y los obtenidos por modelación matemática. En este caso el índice de similitud medo es de 90,0 %.
112
Figura 8.16. Pantalla del programa de computación SAMA, donde se muestra los resultados de la
estimación de la composición química mediante mediciones de CE y ecuaciones de
correlación matemáticas.
En la figura 8.17 se muestra el resultado del procesamiento de los datos hidroquímicos de una
muestra de agua que presenta con una gran variación en su composición química debido a la
intrusión marina. En este caso fue aplicando el sistema informático BATOMET (Vinardell et all,
1995). Este programa separa los datos mediante un sistema de reconocimiento de patrones basado
en la relación entre el cloruro y el bicarbonato y con posterioridad, determina las ecuaciones que
correlacionan la concentración iónica con la CE mediante el modelo de la línea recta que pasa por el
origen de coordinas.
Figura 8.17. Resultados de la estimación de la composición química del agua (expresada mediante
diagramas de Stiff) mediante el sistema de reconocimiento de patrones BATOMET. A la
izquierda los datos reales y a la derecha los estimados por modelación matemática.
113
Conclusiones
El agua adquiere su composición química mediante un complejo proceso donde intervienen
múltiples factores. Su calidad, definida como la composición para uso determinado, es deteriorada
por la actividad del hombre. Mediante el establecimiento de determinadas normas, la determinación
de índices e indicadores abióticos y bióticos de calidad, y adecuados sistemas de monitoreo y de
procesamiento de datos, es posible lograr un eficiente manejo y protección de este recurso.
114
9.- Peloides de la laguna de Guatraché (La Pampa,
Argentina) y la Salina Bidos (Matanzas, Cuba),
enriquecidos con aguas mineromedicinales, para
la formulación de cosméticos ecológicos de acción
terapéutica
Juan Reynerio Fagundo Castillo1, Ileana Fernández Núñez2, Natalia Vega Sánchez3, Rebeca Segarte Nario4,
Raúl Ernesto Reichert5, Abel Héctor Pesce6, Indira Villanueva Fernández7.
1
Balneario La Paila, Facultad de Ciencias Medicas Mayabeque, (Cuba)
2
Facultad de Química, Universidad de la Habana (Cuba)
3
Empresa Central José Isaac del Corral "LACEMI" (Cuba)
4
Instituto de Investigaciones Agro-Forestales, MINAGRI (Cuba)
5
Centro de Servicios Agropecuarios y apoyo Turístico "Guatraché" (La Pampa, Argentina)
6
Servicio Geológico Minero de Argentina "SEGEMAR" (Buenos Aires, Argentina)
7
Facultad de Ciencias Médicas "Dr. Salvador Allende" (Cuba)
Resumen
Se hace una caracterización químico-física del pleoide y de la Salina Bidos y de agua
mineromedicinal de Madruga (Cuba), y del peloide y del agua mineromedicinal de la laguna
Guatraché (La Pampa, Argentina); así como la formulación de productos de carácter ecológico y
terapéutico con esos recursos naturales.
Palabras claves: Peloide, cosméticos ecológico, cosmético terapéutico, agua mineromedicinal
Abstract
Therapeutic mud and mineral-medicinal water from Bidos saline, and Madruga spa (Cuba), as well
as therapeutic mud and mineral-medicinal water from Guatraché lagoon (La Pampa, Argentina)
were characterized, and also thermal ecologic products with therapeutic properties were
formulating.
Keywords: Mud, ecologic cosmetic, therapeutic cosmetic, mineral-medicinal water.
Introducción
En el marco del proyecto Internacional CYTED-IBEROEKA IBK 07-534 "Productos de acción
cosmética a partir de las aguas mineromedicinales de los yacimientos de Madruga y Guatraché",
ejecutado en el intervalo 2009-2012, se realizaron investigaciones básicas en los yacimientos de
aguas mineromedicinales de Madruga (Provincia de Mayabeque, Cuba); de peloides de la Salina
Bidos (Provincia de Matanzas, Cuba), y de las aguas mineromedicinales y peloides de la Laguna
Guatraché (Provincia de La Pampa, Argentina), con el objetivo de caracterizar los correspondientes
productos naturales y formular cosméticos ecológicos de acción terapéutica; así como de contribuir
al desarrollo termal cubano-argentino.
Mediante estos estudios de carácter aplicado, se garantizó la implementación e introducción en
Cuba y otros países iberoamericanos de una metodología para la caracterización de recursos de
aguas minerales, mineromedicinales y peloides, así como la elaboración de diversos productos de
acción nutritiva y cosmética, resultados estos que contribuyen al desarrollo de las comunidades que
115
posean estos recursos.
En el Proyecto se estudió en detalle las propiedades de los recursos naturales existentes en los
yacimientos de Madruga, Bidos y Guatraché y se elaboraron productos derivados de los mismos
(Vega et al, 2013): aguas mineromedicinales de acción terapéutica y formulaciones de tipo
cosmecéutica (cosmético ecológico de acción terapéutica).
Las investigaciones aplicadas que se realizaron en el marco del proyecto brindaron beneficios de
carácter local y nacional y favoreció la adquisición de conocimientos científicos, fundamentales, lo
que permitió la elaboración de productos de acción terapéutica y cosmética a partir de los recursos
naturales aguas y peloides minero medicinales en beneficio de comunidades asentadas en las
proximidades de los balnearios para el desarrollo del Termalismo de Salud.
En el campo, se midió pH y temperatura (pHmetro modelo HI-8424-HANNA), conductividad
eléctrica (conductímetro modelo ORISON 524) y potencial redox (modelo HI-8424, marca
HANNA. Los análisis físicos y químicos de los marcro y micro componentes se realizaron según
las técnicas descritas en el Standard Methods. 17 thEd. (APHA-AWWA-WPCF, 2012), dentro de las
72 horas a partir de tomadas las muestras. Los minerales presentes fueron determinados por Rayos
X. Los datos hidroquímicos fueron procesados mediante sistemas informáticos basados en modelos
hidrogeoquímicos (Fagundo et al, 2005; Fagundo Sierra et al, 2001).
Caracterización de los productos naturales
Las acciones del Proyecto se realizaron en tres etapas:
•
En la primera etapa se realizaron las siguientes tareas: a) Caracterización de las aguas
mineromedicinales del balneario Madruga; b) Caracterización del yacimiento del peloide de
la Salina Bidos; c) Caracterización peloides de la Laguna Guatraché; d) Evaluación de los
bloques de extracción de los peloides de Bidos y Guatraché; e) Cálculo de la reserva de
dichos sitios para explotación; f) Control y certificación de la calidad de los productos
naturales de dichos yacimientos.
•
En la segunda etapa se desarrollaron las siguientes acciones: a) Estudio de las
formulaciones; b) Definiciones y formulaciones de los cosméticos ecológicos de acción
terapéutica.
•
En la tercera etapa se realizaron: a) Intercambios de experiencias entre los especialistas
cubanos y argentinos; b) Difusión de los resultados mediante Talleres y publicaciones de
libros y artículos científicos.
Los componentes sulfurados de las aguas minero-medicinales y peloides de las salinas, lagunas y
fuentes termales se originan por acción de bacterias sulfato-reductoras que reducen, en condiciones
anaeróbicas, el sulfato presente en el agua salina a compuestos sulfurados de acción terapéutica,
principalmente sulfhídrico y sulfhidrilo (Fagundo et al, 2002; 2012).
116
Caracterización de los peloides de la Salina Bidos
La Salina Bidos se localiza en las inmediaciones del poblado La Teja, a 11,0 km. de Hoyo Colorado
y 25,0 km. de Martí, Matanzas por el Circuito Norte (Oficina Cubana de la Propiedad Industrial,
1998).
En las figuras 9.1 a y 9.1 b se ilustran los trabajos de toma de muestras y de caracterización
químico-física de los peloides en la salina de Bidos durante los trabajos realizados en el marco del
Proyecto.
(a)
(b)
Figura 9.1. Muestreo (a) y mediciones in situ de temperatura, pH, conductividad eléctrica y
potencial de oxidación reducción realizadas en la salina Bidos durante los trabajos de
toma de muestra y caracterización in situ de las mismas (b).
En la tabla 9.1, se muestran los resultados de las mediciones de campo de los peloides de la salina
Bidos.
Tabla 9.1. Determinaciones de campo en la salina Bidos (Pesce y Fagundo, 2007).
T (oC)
pH (UPH)
Eh (mv)
Bidos (1)
28,0
8,00
-416,0
Bidos (2)
27,2
-
-420,0
Sitio
Caracterización de las aguas mineromedicinales del yacimiento Madruga y del
peloide de Bidos
A lo largo del territorio de la provincia de La Habana, donde se encuentra el yacimiento Madruga,
afloran serpentinitas, gabros y otras rocas de la Asociación Ofiolítica, de edad mesozoica
(Fernández y Fagundo, 2010). En las proximidades del poblado de Madruga, a una cota de 145,0 m,
brotan una serie de manantiales de aguas minerales y mineromedicinales con temperaturas cercana
a 26,0 oC, una mineralización entre 0,5 y 0,7 g.L-1, de tipo bicarbonatadas cloruradas magnesianas o
mixtas, sulfuradas y silícicas. También existen una serie de pozos que fueron perforados durante los
trabajos de prospección geológica realizados en el territorio, llevados a cabo en la década de 90 del
pasado siglo. Estas aguas se explotan desde hace muchos años con fines terapéuticos y actualmente
se hacen esfuerzos por parte del gobierno municipal para mejorar las instalaciones del balneario La
Paila, que presta servicios de Salud (curas balnearias y peloterapia) a la comunidad (Pérez et al,
1990), también en esa región se envasan aguas minerales para el abasto público.
117
Además del Balneario La Paila, existen en el territorio otros lugares, donde se captan aguas
minerales de acción terapéutica que hoy día no se explotan: manantial “El Tigre”, con aguas de tipo
ferruginosa y manantial “El Copey”, donde existen aguas minerales naturales y medicinales
(Fernández, 2009; Fernández, y Fagundo, 2010).
En la tabla 9.2 se exponen resultados de la caracterización químico-física de las aguas minerales
naturales y mineromedicinales del yacimiento Madruga, efectuados en diferentes etapas.
Tabla 9.2. Composición químico-física de las aguas minerales naturales y mineromedicinales del
yacimiento Madruga.
Determinaciones de campo
No
1
Q (L.s-1)
4,7
T (˚C)
26,0
pH (UPH)
7,47
Eh (mV)
O2 (mg.L-1)
CE (µS.L-1)
Macro componentes
HCO3- (mg.L-1)
CO32- (mg.L-1)
Cl- (mg.L-1)
SO42- (mg.L-1)
Ca2+ (mg.L-1)
Mg2+ (mg.L-1)
Na+ (mg.L-1)
K+ (mg.L-1)
TSS (mg.L-1)
CaCO3 (mg.L-1)
475,3
2,3
79,0
102,2
56,6
83,1
56,2
4,8
860
488
2
26,0
7,47
475,3
2,3
79,0
102,2
56,6
83,1
56,2
4,8
860
488
3
2,0
26,0
7,77
347,2
3,0
37,1
38,1
43,3
59,0
7,6
1,2
536
354
4
26,0
7,94
459,8
6,0
113,0
155,8
70,3
87,2
74,7
70,3
967
539
Componentes especiales
No
1
2
CO2 (mg,L-1) 7,6
7,6
H2S(mg,L-1) 4,8
4,8
-1
Rn (nc,L )
SiO2 (mg,L-1) 46,8
46,8
As (mg,L-1)
B (mg,L-1)
F- (mg.L-1)
Br- (mg,L-1)
I- (mg,L-1)
Li+(mg.L-1)
0,050 0,050
Sr2+( mg,L-1)
Ba2+( mg,L-1)
Fe(mg.L-1)
0,124 0,124
3
6,9
7,2
4
9,6
63,9
Trazas y contaminantes
Composición hipotética
Ca(HCO3)2 (mg.L-1)
32,4
Mg(HCO3)2 (mg.L-1) 365,0
CaSO4 (mg.L-1)
180,0
CaCl (mg.L-1)
Na2SO4 (mg.L-1)
1,4
NaCl (mg.L-1)
70,0
H2S + SH-(mg.L-1)
4,8
Total (mg.L-1)
648,8
Total/t (mg.L-1)
4042
Referencias: 1-Trelles (1948); 2- Inventario 3910 ONRM (1990)- Fagundo et al (2009).
Fuentes: 1- P-12 La Paila; 2- P-27 El Sulfuroso; 3-Manantial Copey; 4-Manantial Barquito.
En la figura 9.2 se ilustra la composición química del agua del yacimiento Madruga, mediante
patrones hidrogeoquímicos (Fagundo, 1998), y representada mediante diagramas de Stiff (1991), la
composición química de las aguas mineromedicinales del yacimiento Madruga.
118
(a)
(b)
(c)
(d)
Aguas mineromedicinales (gris) y aguas minerales naturales (rojo)
Figura 9.2. Composición química de las aguas mineromedicinales del yacimiento Madruga,
expresada mediante diagramas de Stiff: a) Balneario Madruga (HCO 3>SO4>ClMg>Na>Ca), b) El Sulfuroso (HCO3>Cl-Mg>Na>Ca), c) Copey (HCO3-Mg>Ca), d)
Barquito (HCO3>SO4>Cl-Mg>Na>Ca).
En la tabla 9.3 se muestra la composición química de la fase líquida del peloide de Bidos.
Tabla 9.3. Composición química de la fase líquida del peloide de Bidos (Romero et al, 1990).
Macro (fase líquida)
+
Muestra 001
-1
Na (g.L )
61,0
K+ (g.L-1)
1,9
2+
-1
Ca (g.L )
0,9
Mg2+ (g.L-1)
6,1
Cl-( g.L-1)
200,0
2-
-1
SO4 (g.L l)
10,0
HCO3- (g.L-1)
0,18
H2S (mg.L-1)
0,88
SST (g.L-1)
158,2
Caracterización de las aguas mineromedicinales y peloides de la Laguna
Guatraché
En la provincia de La Pampa de la República Argentina se cuenta con dos emprendimientos que
utilizan los fluidos termales en actividades vinculadas a la hidrología médica y al turismo salud.
Uno se ubica en la localidad Bernardo Larroudé, en el sector noreste de la provincia y el otro en a
12,0 km. de la localidad de Guatraché en la parte centro oeste del territorio provincial (figura 9.3).
Ambos emprendimientos rescatan el fluido termal alojado en el subsuelo mediante perforaciones y
119
obtienen aguas termales con temperaturas que oscilan entre los 31 oC y 32 oC (Pesce, 2003).
Figura 9.3. Mapa satelital que muestra la laguna de Guatraché.
En Guatraché las aguas termales se encuentran alojado en intercalaciones arenosas dentro de un
conjunto sedimentario más potente, compuesto por arcillitas verdes asignado al Mioceno. El nivel
explotado en la localidad se encuentra entre los 320,0 y 350,0 metros bbp y su agua, que es
altamente salina, es clorurada sódica. Los peloides se originan en la salina de Cristo Guatraché por
acción de bacterias sulfato-reductoras que reducen, en condiciones anaeróbicas, el sulfato originado
por el intemperismo a compuestos sulfurados de acción terapéutica (principalmente sulfhídrico y
sulfhídrico).
(a)
(b)
Figura 9.4. Muestreo (a) y mediciones in situ de temperatura, pH, conductividad eléctrica y
potencial de oxidación reducción realizadas en la laguna de Guatraché durante los
trabajos de toma de muestra y caracterización in situ de las mismas (b).
En el subsuelo de la provincia se desarrollan varias cuencas sedimentarias con rellenos que abarcan
edades triásicas a miocenas, los cuales se disponen sobre un basamento precámbrico-paleozoico. La
principal se encuentra dentro del ámbito de la provincia geológica denominada Chaco-bonaerense,
su rasgo más conspicuo es el extenso desarrollo en todo su ámbito de una extensa trasgresión
marina ocurrida durante el Mioceno medio (13,0 a 15,0 Ma), que cubrió casi todo el ámbito de la
planicie. En el sector oriental se desarrollan dos subcuencas que resultan de importancia para la
extracción de los fluidos termales; la cuenca de Laboulaye y la de Macachín, en la primera el
relleno sedimentario alcanzaría los 1525,0 metros de potencia. La misma registra dos transgresiones
120
marinas, de mares someros. La más antigua de edad mastrichtiana-paleocena, y la superior miocena.
La segunda de 18000,0 km2 contiene un volumen sedimentario de alrededor de 24000 g.L-1 km3.
Los datos de espesores máximos indican una pila sedimentaria mayor a los 2400,0 g.L -1 m de
sedimentos. El relleno sedimentario esta formado por depositadas en ambiente continental bajo
condiciones oxidantes
En las figuras 9.4 a y 9.4 b se ilustran los trabajos de toma de muestras y de caracterización
químico-física de los peloides en la laguna de Guatraché durante los trabajos realizados en el marco
del Proyecto.
En la figuras 9.5 a y 9.5 b se presenta la composición química de las aguas mineromedicinales de la
fuente termal y de la laguna de Guatraché, respectivamente, expresadas mediante patrones
hidrogeoquímicos (Fagundo, 1998) y representada mediante diagramas de Stiff (1991).
(a)
(b)
Figura 9.5. Composición química (represada mediante diagramas de Stiff) de las aguas
mineromedicinales de: a) la fuente termal (SO4>Cl-Na), y b) la laguna (Cl-Na) de
Guatraché (b), respectivamente.
En la tabla 9.4 se muestran los resultados de las mediciones de campo de los peloides de la laguna
de Guatraché (Pesce y Miranda, 2003; Informe Técnico, de la Dirección de Minería, 2006).
Tabla 9.4. Determinaciones de campo en la laguna de Guatraché (Pesce y Fagundo, 2006).
T (° C)
7,8
pH
8,90
Eh (mV)
-415,0
-1
CE (μS.cm )
67510
En la tabla 9.5 se presenta la composición química de la fase sólida del peloide de la laguna de
Guatraché.
Tabla 9.5. Composición química de la fase sólida del peloide de la laguna de Guatraché.
Micro (fase sólida)
Muestra 001 C
Arsénico (mg.g-1)
3,0
Cinc (mg.g-1)
45,0
-1
Cobre (mg.g )
13,0
Cromo (mg.g-1)
20,0
Plomo (mg.g-1)
7,0
-1
Níquel (mg.g )
12,0
Selenio (mg.g-1g)
< 1,0
-1
Mercurio (mg.g )
> 0,1
121
Micro (fase sólida)
Muestra 001 C
Manganeso (mg.g-1)
454,0
-1
Berilio (mg.g )
< 0,5
Hierro total (%)
6,5
Azufre total (%)
1,6
En la tabla 9.6 se presentan los resultados de los análisis por Rayos X de los minerales presentes en
la laguna de Guatraché.
Tabla 9.6. Resultados de los análisis por Rayos X de los minerales presentes en la laguna de
Guatraché.
Muestra: 001C
Principales
Minoritarios
Sedimento muy compactado
Plagioclasas
Cuarzo
Sedimento pastoso
Plagioclasas
Plagioclasas
Accesorios
Halita, Calcita
En la tabla 9.7 se muestra la composición química de las aguas de la fuente termal de la laguna, y en
la tabla 9.8, la de la laguna de Guatraché, respectivamente.
Tabla 9.7. Composición química de las aguas de la fuente termal de Guatraché (Análisis de
laboratorio).
Parámetro
Residuo seco a 105,0 ºC
Conductividad eléctrica
pH
CISO42HCO3Alcalinidad total
Cantidad
8280,0 mg.L-1
8355,0 µS.cm-1
7,10
1300,1 mg.L-1
3948,0 mg.L-1
232,0 mg.L-1
232,0 mg.L-1
Parámetro
Dureza total
Ca2+
Mg2+
Na+
K+
F
As
Cantidad
120,0mg.L-1
224,0 mg.L-1
155,0 mg.L-1
225,0 mg.L-1
70,0 mg.L-1
1,0 mg.L-1
0,30 mg.L-1
Tabla 9.8. Composición química de las aguas de la laguna de Guatraché (Análisis de laboratorio)
Parámetro
Residuo seco
Conductividad eléctrica
Color
Olor
Turbiedad
Dureza total
Alcalinidad total
pH
Cantidad
370 g.L-1
67510 µS.cm-1
37,0 mg.L-1
317,3 mg.L-1
14600,0 mg.L-1
272000,0 mg.L-1
7,5
Parámetro
CISO42NO3NO2F
As
NH3
Si
Cantidad
170.000,00 mg.L-1
35.000,00 mg.L-1
1,00 mg.L-1
0,01 mg.L-1
1,0 mg.L-1
0,14 mg.L-1
0,015 mg.L-1
70,0 mg.L-1
En la tabla 9.9 se exponen las propiedades químico-físicas de los peloides de la laguna de
Guateraché (Análisis de laboratorio),
Parámetro
pH
Si
CISO42-
Cantidad
7,5
29,8 g %
17,5 g %
8,6 g %
Parámetro
CO32Ca2+
Mg2+
Na+
Cantidad
0,02 g %
0,2 g %
0,29 g %
11,6 g %
En el marco del proyecto se realizó un estudio más detallado con el objetivo de darle un uso óptimo
a estos recursos y preparar formulaciones con los mismos, y con peloides del yacimiento Bidos,
situado en la provincia de Matanzas, próxima a la provincia habanera.
122
Consideraciones finales
Se considero proponer como producto final peloide ecológico termal para los peloides de Guatraché
y aguas mineromedicinales de Madruga enriquecidas con peloides de Bidos para la región de
Madruga, en lo adelante peloide fortificado
A partir del resultado obtenido en el estudio de aplicación terapéutica de los recursos naturales
(Aguas Mineromedicinales y Peloide) en el Balneario La Paila, Madruga, Cuba propone extender
esta experiencia insito de los recursos naturales previsto en la parte de Argentina y al mismo tiempo
se continuara con la evaluación terapéutica de los recursos naturales en Cuba.
El producto obtenido en Cuba: Peloide fortificado obtuvo resultados significativos en la aplicación
del mismo con gran porciento de resolutividad en el tratamiento de enfermedades osteomioarticulares (Cervicalgía, traumatismos, procesos inflamatorios crónicos y rehabilitación de fractura
entre otras). Enfermedades dermatológicas del tipo acné, dermatitis y psoriasis, rehabilitación de
enfermedades neurológicas y en el tratamiento del estrés por ser un producto biológicamente activo
demostrado determinaciones especifica que se realizaron en el marco del proyecto.
Las modalidades Terapéuticas llevadas a cabo con el grupo de pacientes tratados con el producto
consistieron en mascarillas faciales, aplicaciones locales, regionales y totales, mediante los métodos
egipcio y convencional.
La aplicación del producto "Aguas Mineromedicinales de Madruga" enriquecida con Peloides de
Bidos (peloide fortificado) favoreció a 26641 pacientes tratados en las diversas modalidades con un
86,0 % de resolutividad.
Para los Peloides de Guatraché se obtuvo como producto final peloide ecológico termal. Se estimo
que el volumen del yacimiento Guatraché con optima maduración, es de 30000,0 m (cúbicos) y el
del sedimento disponible para su maduración y convección en peloide maduro para su aplicación
terapéutica y cosmecéutica es de 165 000,0 m3. Como se trata de un recurso renovable, las reservas
de peloide del yacimiento en el tiempo son del mismo orden. Se constato que el yacimiento de
peloide de Guatraché es enriquecido de forma Natural ya que existen in situ, manantiales que
aportan el agua mineromedicinal y las microalgas no siendo necesario su posterior enriquecimiento.
Atendiendo a las características físico–químicas y farmacológicas del peloide de Guatraché así
como las evidencias de aplicación ,local en el Parque Termal se establecieron las indicaciones
terapéuticas y teniendo en cuenta la experiencia cubana se propuso realizar : Registros primarios
estadísticos, por grupos etáreos, sexo y patologías tratadas con el peloide mineromedicinal , las
cuales corresponden afecciones del sistema osteomioarticular (Degenerativas, inflamatorias,
traumáticas), afecciones dermatológicas del tipo acné, dermatitis, eczemas, y otras como la soriasis.
Tomando en consideración la infraestructura local para la producción del producto "peloide
ecológico termal" se realizó en el marco del proyecto un estudio de Diploma Universitario
defendido en la Universidad de la Pampa Titulado "Estudio Económico para la oferta de un nuevo
mercado a partir de los Peloide mineromedicinales de Guatraché". Se propuso la elaboración de
cremas, mascarillas y cultivos de microalgas en este estudio.
Se indicaron los métodos de monitoreo y control de la calidad del peloide, tanto en la etapa de
evaluación de sus propiedades (mediciones de pH, conductividad eléctrica, potencial de oxidaciónreducción y análisis físico-químico de las fases líquida y sólida), como de seguimiento sistemático
que exigen los organismos regulatorios del país (análisis físico-químico y microbiológicos).
La muestra peloide de Cuba es una muestra con múltiples especies, por lo que resultó imposible
asociar exactamente las especies presentes, aunque se puede indicar a título que habría yeso, cloruro
de sodio, carbonato de calcio, carbonato de magnesio y sulfato de estroncio. El valor de 7,9 g.100 -1
de pérdida entre 45,0 ºC y 215,0 ºC corresponde al sulfato de calcio dihidratado. El valor de 17,5
123
g.100-1 entre 215,0 ºC y 800,0 ºC correspondería a los carbonatos presentes.
El intercambio entre especialistas cubanos y argentinos permitió proponer la experiencia cubana en
las aplicaciones terapéuticas y cosmecéutica del producto obtenido a profesores de la Universidad
de la Pampa (Facultad de Ciencias exactas y naturales) en relación al proceso de certificación del
producto. La parte cubana continúa los trabajos de certificación y registro de producto sobre la base
del titulo de La Concesión Minera al yacimiento de aguas mineromedicinales por un término de 25
años de explotación que posee.
Se desarrollo por la parte cubana en el Balneario La Paila un Taller Científico sobre la promoción
de los Recursos Naturales vinculados a escolares de la comunidad con exposiciones y muestras del
producto .La parte Argentina desarrolló en Guatraché: Un Taller primer encuentro de Recursos
Naturales Termales con el apoyo de organismos municipales y de la comunidad relacionada e
interesada en el tema (Farmacéuticos, cosmetólogos e ingenieros en materia ambiental.
De impacto resultan el desarrollo y puesta en práctica de proyectos comunitarios dirigidos
mayoritariamente a grupos de individuos a través de programas específicos como Atención Integral
a Adultos Mayores, Como Combatir el Estrés, Una Forma de Mantener Nuestra Belleza, entre otros.
A partir del producto peloide fortificado dirigidos a la población cubana, de Municipios aledaños y
otras Provincias cercanas, donde grupos de individuos asisten colectivamente a recibir los
beneficios de los Recursos Naturales Termales ubicados en las comunidades, lo que demuestra la
diversificación y extensión de nuestro producto con el fin de mejorar la calidad de vida de la
población a quien va dirigido.
Como resultado se obtuvo a partir del producto nuevos Proyectos Científicos, de Investigación y
Comunitarios: Proyecto Integral de Salud para la atención de adultos mayores en el Balneario La
Paila, Proyecto para el Desarrollo Turístico Cultural y Social de Madruga.
Se realizaron tareas de divulgación a través de diferentes medios de difusión (Televisión, radio,
prensa), sobre la importancia de desarrollar la actividad termal en Guatraché, lo cual dio lugar a una
amplia repercusión y presencia en Internet en relación al producto "peloide ecológico termal" y al
desarrollo del proyecto Cuba Argentina.
Se elaboró una Carta de Intención de colaboración entre el Balneario La Paila de Cuba y el centro
integral de servicio agropecuario y apoyo turístico de Guatraché Argentina con objetivos de lograr
beneficios sociales comunes en ambas localidades como intercambio entre especialistas propuestas
de nuevos proyectos y obtención de nuevos productos.
Como resultado del intercambio entre especialistas en la República de Argentina se propuso un
nuevo proyecto de Colaboración Internacional a solicitud de la Secretaria de Turismo de la Plata en
la provincia de Buenos Aires, para el desarrollo del termalismo y la búsqueda de nuevos productos a
partir de los Recursos Naturales.
Los recursos Naturales previstos en el proyecto,presentan las Certificaciones correspondientes para
la utilización terapéutica y cosmecéutica como producto final por los organismos correspondientes a
los Ministerios de Salud Publica, Ministerio de la Industria Básica (Recurso Minero), Ministerio de
Ciencia Tecnología y Medio ambiente como los en encargados de otorgar las licencias, y avales
para la utilización de estos recursos.
Las Aguas Mineromedicinales de la región de Madruga cumplen los requisitos para la protección
sanitaria del yacimiento según informe de la Oficina Nacional de recursos Naturales.
El "peloide ecológico termal" de la región de Guatraché según los resultados del Informe Técnico
sobre la caracterización de las aguas y peloides realizada por la dirección de Minería de provincia
La Pampa se estimo que el volumen del yacimiento se encuentra en óptima maduración para su
aplicación terapéutica y cosmecéutica. Como se trata de un Recurso renovable están aseguradas las
124
reservas del peloide encontrándose de forma Natural in situ en zona rural libre de contaminación
ambiental.
La parte cubana asesoro varias tesis de investigación científica relacionada con los recursos
naturales argentinos y cubanos para la culminación de estudios Universitarios en las carreras de
Ingeniería Industrial (Argentina, Ingeniería Química Cuba) y Licenciatura en Farmacia Cuba).
Este nuevo proyecto se presenta como una nueva oportunidad de mercado a apartir de un recurso
renovable (peloide y agua termal) de bajo impacto ambiental.
Difusión de los resultados del Proyecto
Los resultados del Proyecto fueron difundidos a través de Tesis de Diploma Universitario, Talleres
Científicos y publicaciones de libros y artículos científicos.
Se tutelaron y defendieron dos Tesis de Grado (Diploma Universitario): la primera, de una
estudiante de Ingeniería Química en el Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría. Con
el Titulo: "Mejoras tecnológicas en la obtención de Jabón Ecológico Termal", lo que permitirá la
producción de un Jabón de Fango con los fangos salinos cubanos que permita ser exportable, ya que
alarga su tiempo de duración. La segunda, de una estudiante de Licenciatura en Farmacia en la
Facultad de Ciencias Médicas del Este de la Habana (Diploma Universitario). Con el Título
"Formulaciones Farmacológicas y Cosmecéuticas a partir de las Aguas Medicinales de Madruga".
El 29 de octubre de 2010 se efectuó el Taller "Primer Encuentro sobre recursos Naturales Termales
de Cuba y Argentina en Guatraché", por especialistas de ambos países, en Guatraché (La Pampa,
Patagonia Argentina) con el apoyo de organismos municipales y la participación de la comunidad,
relacionada e interesada en el tema de los recursos naturales termales, (farmacéuticos,
cosmetólogos, médicos, ingenieros en materia ambiental, etc.
Se desarrolló, en el Balneario La Paila, por la parte cubana un Taller Científico sobre la promoción
de los Recursos Naturales vinculados a escolares de la comunidad, con exposiciones y muestras del
de aguas mineromedicinales de Madruga enriquecida con peloides de Bidos.
Entre los libros publicados en el marco del Proyecto figuran: un libro en formato digital, editado por
Servicios Geográficos GEOTECH, titulado: "Las Aguas Mineromedicinales de Madruga".
Además, se realizó una publicación conjunta cubano argentina, en formato digital, de una obra
literaria titulada: "Desarrollo Integral de los Recursos Naturales Termales de Guatraché y
Madruga"; así como otra obra con el título: "Por un Mejor Empleo de los Recursos Naturales de
Guatraché", editadas en ambos casos por Servicios Geográficos GEOTECH.
Se elaboraron varios artículos científicos que fueron publicados en revisas y capítulos de libros en
Cuba: Fagundo et al, 2009; 2010 a; 2010 b; Fernández yFacundo, 2010.
Finalmente se propusieron nuevos proyectos de colaboración Internacional para dar continuidad a la
colaboración cubano-argentina:
A solicitud de la Secretaria de Turismo de La Plata se elaboró un perfil de proyecto para el
desarrollo del termalismo en apoyo a la actividad turística de la provincia de Buenos Aires:
"Recursos Naturales Termales de la Provincia de Buenos Aires. Acciones Científico Técnica,
Sociales y de Salud para mejorar la calidad de vida"; así como dos proyectos de carácter
nacional par Cuba: Proyecto Integral de Salud para la atención de adultos mayores en el
balneario La Paila, y Proyecto para el Desarrollo Turístico Cultural y Social de Madruga
(Proyecto Científico, de Investigación Comunitario).
125
Conclusiones
La obtención de productos finales de origen natural ecológico termal a partir de los peloides de la
salina de Bidos y la laguna de Guatraché, fortificados con las aguas mineromedicinales del
yacimiento Madruga y de la propia laguna de Guatraché, respectivamente, constituyó una novedad
y aplicada, científica de impacto terapéutico, económico y social para ambos regiones por constituir
el producto una combinación natural de aguas mineromedicinales y sedimentos orgánicos e
inorgánicos dotados física y químicamente de propiedades terapéuticas donde ocurren procesos de
maduración natural a través de reacciones biológicas favorecidas por el sol , el aire y la tierra como
medio natural, libres de contaminación.
Las aplicaciones terapéuticas y cosmecéuticas, contribuyen al mejoramiento de la calidad de vida de
la población en las comunidades donde estos están asentados.
126
10.- Sustancias lípídicas (vitaminas y caroteno) en el
peloide de San Diego de los Baños, Pinar del Río,
Cuba
Margaret Suárez Muñoz1, Michel Valdés Callado2, Patricia González Hernández1, Clara Melián
Rodríguez1, Maritza Pérez Loyola3, Roberto Domínguez2, Irminia Herrera4, Dagoberto
Blanco5, Rebeca Hernández6, Juan Reynerio Fagundo Castillo1, Jorge Luís Santana2
1
Centro Nacional de Medicina Natural y Tradicional
2
Instituto Superior de Tecnología y Ciencias Aplicadas
3
Facultad de Medicina Calixto García
4
Laboratorio Central de Criminalística
5
Balneario San Diego de los Baños
6
Universidad de Pinar del Río
Resumen
Los peloides, también nombrados fangos o mud (en inglés), son sedimentos que se utilizan con
fines terapéuticos y cosméticos. La presencia de compuestos lipídicos como el β-caroteno, vitamina
A, D y E en peloides pudiera estar relacionada, conjuntamente con otros compuestos, con la
actividad epitelio reparadora y queratoplastica sobre el cutis, además de la protección de la células
de la piel contra la oxidación fotosensibilizante. El objetivo de este trabajo es la caracterización de
algunos compuestos lipídicos de la matriz orgánica del peloide que se usa con fines terapéuticos en
el Balneario San Diego de los Baños, Pinar del Río, Cuba, en particular se estudia la presencia de βcaroteno, vitamina A, D y E por cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) y análisis
espectrofotométrico . Los resultados obtenidos permiten la cuantificación de β-caroteno en las
muestras y determinar la presencia de vitaminas liposolubles en la matriz orgánica del peloide.
Palabras claves: Sustancias lipídicas, peloides,sedimentos terapéuticos, cosméticos, vitaminas
liposolubles.
Abstract
The peloide, also named mud or mud (in English), are sediments that are used with therapeutic and
cosmetic intentions. The presence of lipid compounds like him - carotene, vitamin A, D and in
peloide may be related, together with other compounds, with activity epithelium remedial and
queratoplastic on the complexion, in addition to the protection of her cells of the skin against
oxidation fotosensibilizant. The objective of this work is the characterization of some lipid
compounds of the organic womb of the peloide that is used with therapeutic intentions in the Beach
Resort San Diego of the Bathrooms, Pinar del Río, Cuba; in particular the presence is studied of carotene, vitamin A, D and for high-resolution liquid chromatography (HPLC) and
spectrophotometric analysis. The obtained results enable the quantification of β-carotene in the
samples and determining the presence of fat soluble vitamins in the organic mud of the peloide.
Keywords: Lipid substances, peloide, therapeutic, cosmetic sediments, fat soluble vitamins.
127
Introducción
Los peloides son “productos naturales (básicamente sedimentos) que se depositan en el fondo de los
lagos, pantanos, salinas, bahías y deltas y que consisten en la mezcla de un agua mineral,
comprendida el agua de mar y la de los lagos salados, con materia orgánica y/o inorgánica,
resultantes de procesos geológicos o biológicos y que se utilizan en la terapéutica en forma de
aplicaciones locales o baños” (NC 6: 1998; San Martín, 1994). En el sistema heterogéneo que forma
un peloide están presente fases sólidas de origen orgánico e inorgánico y una fase líquida cuyo
disolvente y principal componente de la fase es el agua considerada como especie química. La
materia orgánica presente en los peloides tiene su origen en los restos animales y vegetales que son
transformados por etapas y por el aporte de diversos microorganismos, que excretan sustancias
orgánicas al medio como productos de sus procesos metabólicos (San Martín, 1994).
Los compuestos orgánicos, con actividad biológica, procedentes de organismos terrestres y marinos
tienen uso extenso en el tratamiento de muchas enfermedades y son de gran interés, tanto en su
forma natural como en la producción compuestos sintéticos, estos compuestos le confieren al
peloide una actividad terapéutica que permite su aplicación en el tratamiento de patologías
diferentes; y más recientemente con propósitos de relajación, bienestar, calidad de vida y
cosmetología. La presencia de compuestos lipídicos como el β-caroteno, vitamina A, D y E en
peloides pudiera estar relacionada, conjuntamente con otros compuestos, con la actividad epitelio
reparadora y queratoplástica sobre el cutis, además de la protección de la células de la piel contra la
oxidación fotosensibilizante (Mazzulla et al, 2004). Por todo esto, el objetivo de este trabajo es la
caracterización de algunos compuestos lipídicos de la matriz orgánica del peloide que se usa con
fines terapéuticos en el Balneario San Diego de los Baños, Pinar del Río, Cuba. En particular la
determinación de β-caroteno, vitamina A, D y E por cromatografía líquida de alta resolución
(HPLC) y análisis espectrofotométrico.
Preparación de muestra
El peloide utilizado es recolectado en las piscinas de maduración del Balneario San Diego de los
Baños, Pinar del Río, Cuba.
El polvo seco del peloide es obtenido mediante centrifugaciones sucesivas a 5000,0 rpm en 9
ocasiones durante 5 minutos (45 minutos) para separar la fase acuosa de la fase sólida. Esta última
fase se seca a temperatura ambiente en una desecadora, para ser posteriormente homogeneizada en
un mortero y tamizada para obtener un tamaño de partícula menor de 125,0  m.
Determinación del contenido de caroteno
Extracción: El polvo seco (6 gramos) es extraído por maceración con 120,0 mL de metanol (p.a.
Merck), con agitación, en zaranda a una frecuencia de 200,0 min-1.
Cuantificación del contenido de caroteno
La cuantificación del contenido de caroteno se efectúa por espectrofotometría, según el método
establecido por Mazzulla et al (2002), comparando la absorbancia específica de la solución de la
muestra a 436,0 nm, con una curva de calibración preparada a partir de un patrón de β-caroteno
Tipo III, reagente “SIGMA” al 90%. Para las mediciones se utilizó un espectrofotómetro “Spekol
11”. Los patrones y las muestras fueron manipulados en condiciones de oscuridad y temperatura
controlada, debido a su fácil degradación.
128
Determinación de vitaminas liposolubles
Extracción: Se realizaron dos métodos de extracción, separación y concentración de las muestras,
en el primero, las vitaminas liposolubles, procedentes del peloide (polvo seco), son extraídas en nheptano (relación 1/10), separadas y concentradas por extracción en fase sólida (SPE) utilizando
cartuchos de RP-18 y eluídas con 1,0 mL metanol. En el segundo método la muestra sólida y seca
del peloide es saponificada utilizando 2,0 mL de KOH y 50,0 mL de metanol, posteriormente son
extraídas sucesivamente (tres veces) con 50,0 mL de n-hexano (Díaz 2006).
Se realizan determinaciones cualitativas de las vitaminas presentes en la matriz orgánica del peloide
a partir de los extractos obtenidos por extracción en fase sólida y saponificación utilizando la
cromatografía plana (capa fina (TLC)). Se utilizaron placas Merck de Sílica Gel 60 Fluorescente de
20x20 cm de 0,25 mm. Se probaron diferentes condiciones cromatográficas obteniéndose mejores
resultados para la fase móvil ciclohexano-dietil éter (1:1), utilizando como revelador ácido sulfúrico
concentrado (y calor 100,0 oC por 15,0 min).
También se realizan determinaciones utilizando un cromatógrafo líquido de alta resolución "Jenco",
con detección espectrofotométrica. Se utilizaron patrones de Acetato de Retinol, DL-alfa Tocoferol
y Colecalciferol "Merck" puros para HPLC. Las condiciones cromatográficas fueron columna
analítica RP-18 5µm, 100,0 Å, 25,0 cm por 4,6 mm I.D., flujo 2,0 ml/min en condiciones isocráticas
a la presión de 18 Mpa, con fase móvil metanol-agua grado HPLC 99,1 (v/v) y lectura de 254,0 nm,
290,0 nm y 325,0 nm para monitorear Colecalciferol, DL-alfa Tocoferol y el Acetato de Retinol
respectivamente. Los patrones y las muestras fueron manipulados en condiciones de oscuridad y
temperatura controlada, debido a su fácil degradación.
Resultados y Discusión
Determinación del contenido de caroteno
La determinación del contenido de carotenos se realiza espectrofotométricamente. La curva de
calibración obtenida con los patrones de caroteno, contra el blanco de metanol, se muestra en la
figura 10.1. La representación gráfica de la dependencia absorvancia / concentración permite
afirmar que la concentración de caroteno de la matriz orgánica del fango termal es de 0,0107 g/L
que representa un 0,02 % (0,22 g de caroteno por kg) del total de la masa analizada. Estos
resultados son comparables con los obtenidos por Mazzulla et al (2002), que utilizando ésta técnica
en peloides italianos sulfurosos, obtuvo contenidos de carotenos del mismo orden (0,035 % de la
masa total del peloide).
0,18
0,16
f(x) = 18,1x - 0,02
R² = 0,98
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
0
0
0
0
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
Figura 10.1. Curva de calibración del contenido de carotenos por espectrofotometría visible a
436,0 nm (concentración en g.L-1)
129
Los resultados de la cromatografía plana permiten, de manera somera evaluar los Rf de la muestra
contra los patrones utilizados de las Vitaminas A, D y E (sometidas al mismo proceso de extracción
que la muestra). En la figura 10.2 se muestra una placa con los patrones y las muestras sometidas a
la extracción por el método de saponificación. En las mismas se observa que el Rf y la forma de la
mancha obtenidos en el patrón de la de la vitamina E, son semejantes las manchas obtenidas en las
muestras. Para el resto de las vitaminas, no se observan Rf coincidentes en las condiciones
analizadas.
Figura 10.2. Placa de TLC con blanco de reactivos, blanco de procedimiento, patrones de
vitaminas (A, E, D) y muestra de peloide de San Diego de los Baños.
Las condiciones de cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) para la Vitamina A, no
permiten determinar la presencia de Vitamina A en el peloide aunque bajo estas mismas condiciones
los patrones muestran picos bien diferenciados y definidos (figura 10.3). La adición de patrón de
vitamina A demuestra que las picos observados en el cromatograma de la muestra de peloide no
pertenecen a la vitamina A. Estos resultados no coinciden con los reportados por Mazzulla et al
(2002), que utilizando estas condiciones para la determinación de vitamina A en peloides italianos
sulfurosos, obtuvo tiempos de retenciones similares y contenidos de Vitamina A de 0,1623 µg.µL-1.
130
(a)
(b)
(c)
Figura 10.3. Cromatogramas de Vitamina A de patrón (A), muestra (B) y muestra con adición de
estándar (C).
131
11.- Cinética de desmineralización de exosqueletos de
langosta con disoluciones de CO2 y una cationita
para la obtención de quitina
Miguel Ángel Ramírez1, Luis Alfonso*, Carlos Peniche2 Patricia González Hernández3, Juan
Reynerio Fagundo Castillo3, Margaret Suarez4, Clara Melian4, Tania Rodríguez1
1
UCTB Los Palacios, Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas. Los Palacios Pinar del Río.
*Fallecido el 25 de Julio de 2012. Trabajo dedicado a su memoria
2
Centro de Biomateriales (BIOMAT), Universidad de la Habana
3
Facultad de Química de la Universidad de La Habana
4
Facultad de Radioquímica, ISCTN
Resumen
Se estudió la cinética de desmineralización del exoesqueleto de langosta desproteinizado con
disoluciones de dióxido de carbono para la obtención de quitina en condiciones suaves de reacción.
Se estudió los efectos del empleo de una cationita, en un sistema abierto respecto al CO 2, la cual
modifica los equilibrios y permite una mayor disolución de la calcita presente en los exoesqueletos.
Además, mediante el empleo del software SIMUCIN se obtuvieron las relaciones matemáticas entre
la conductividad y las concentraciones en disolución de los iones mayoritarios, así como las
constantes de la velocidad y el orden de reacción en ausencia y presencia de la cationita. Se
demostró que la reacción sigue una cinética de pseudoprimer orden, la presencia de cationita
disminuye la concentración de iones Ca2+ y aumenta los iones Na+, con lo cual se desplaza el
equilibrio y se logra una disolución efectiva de la calcita de los exoesqueleto y puede obtenerse
quitina de forma suave, así como los resultados experimentales obtenidos se ajustan
satisfactoriamente al modelo matemático propuesto.
Palabras claves: Cinética de desmineralización de exosqueletos de langosta, disoluciones de CO 2 y
una cationita para la obtención de quitina,modelo matemático.
Abstract
Desproteinized of dissolutionof exoesquelet with carbon dioxide for the obtaining of chitin in soft
conditions of reaction studied the kinetics of demineralization of the lobster exoskeleton itself. The
effects of the job of a cationita were studied, in an open system in relation to the CO 2, which
modifies equilibriums and enables a bigger breakup of the present little wedge in the exoskeletons.
Furthermore, by means of the job of the software SIMUCIN obtained the mathematical relations
between conductivity and the concentrations in breakup of the majority ions itself, as well as the
constants of velocity and the order of reaction in absentia and it witnesses of the cationita. Order
proved that the reaction obeys a kinetics of pseudoprimer, the presence of cationita decreases the
concentration of ions Ca2+ and increases ions Sodium +, with which moves around equilibrium and
manages to to him an effective dissolution of the calcite of them exoskeleton and chitin of soft way
can be obtained, just like the experimental obtained results fit satisfactorily to the proposed
mathematical model.
Keywords: Kinetics of demineralization of exoskeletons of lobster, dissolution of CO 2 and a
cationite for the obtaining of chitin, mathematical model.
132
Introduccion
La quitina es un polisacárido natural que presenta numerosas aplicaciones en la agricultura,
medicina y la industria[1-3]. () La quitina se encuentra ampliamente distribuida en la naturaleza,
tanto en el reino animal como en el vegetal. De hecho es el segundo polímero natural más
abundante, sólo superado por la celulosa, por lo que constituye un importante recurso renovable.
Este polímero está compuesto por aminoazúcares unidos entre sí por enlaces glicosídicos β(1→4)
formando una cadena lineal de unidades de N-acetil-2-amino-2-desoxi-D-glucosa algunas de las
cuales se encuentran desacetiladas (figura 11.1).
Figura 11.1. Unidades repetidas de monosacáridos β(1→4) enlazadas de (A) N-acetil-2-amino-2desoxi-D-glucosa en la quitina totalmente acetilada y (D) 2-amino-2-desoxi-D-glucosa en
la quitina totalmente N-desacetilada.
La quitina comercial se extrae a partir de desechos de crustáceos (cangrejo, jaiba, langosta y
camarón, entre otros) de la industria pesquera, siendo las principales fuentes lo s caparazones de
cangrejo, camarón, langostino y langosta. Las técnicas de extracción reportadas son muy variadas,
pues dependen en gran medida de las características de la fuente, ya que la composición del
material de partida varía notablemente de una especie a otra. La mayor parte de las técnicas
desarrolladas descansan en procesos químicos de hidrólisis de la proteína y la remoción de la
materia inorgánica. Algunos incluyen un paso de decoloración de la quitina extraída, mediante una
extracción con solvente o la oxidación de los pigmentos remanentes. Estos métodos utilizan
generalmente grandes cantidades de agua y energía, y con frecuencia dan lugar a desechos
corrosives. En la actualidad se investigan tratamientos enzimáticos como una alternativa
promisoria. A tal efecto se han reportado procesos que utilizan extractos enzimáticos o enzimas
aisladas y fermentaciones microbiológicas, pero aún sin la eficiencia de los métodos químicos,
fundamentalmente en lo que respecta a la eliminación del material inorgánico () [7].
La industria pesquera cubana genera grandes cantidades de desechos de langosta espinosa
(Panulirus argus) en sus plantas procesadoras, lo que constituye un contaminante rico en proteína y
quitina, que puede ser valorizado si se diseña y aplica un método de extracción de estos
componentes de los caparazones para su posterior utilización en diversas esferas de actividad.
El exoesqueleto de langosta espinosa (tiene una composición en base húmeda de 14,0 % de
proteínas, 16,0 % de quitina y un 50,0 % sales minerales principalmente carbonato de calcio
(calcita) y magnesio, y en mucha menor proporción fosfatos e iones metálicos. El carbonato de
calcio está fundamentalmente en forma de calcita, aunque se ha planteado que una parte se
encuentra en estado amorfo [4-5]
El exoesqueleto de la langosta espinosa tiene una estructura tridimensional compleja donde las
cadenas de quitina se encuentran convenientemente protegidas de ataques químicos y agentes
físicos, lo cual garantiza su función biológica y lo diferencia de otros materiales carbonatados [6]
El aislamiento de la quitina a partir de desechos de crustáceos consiste en la separación de las
133
proteínas que se encuentran asociadas (etapa de desproteinización y la separación de los minerales
presentes, (etapa de desmineralización) y separación opcional de pigmentos y lípidos. Esta
secuencia se puede invertir en función de las composición química de la materia prima de partida y
el interés en recuperar algunos subproductos de forma colateral[7] obtener quitina se ha empleado
fundamentalmente el tratamiento con ácidos tanto inorgánicos como orgánicos. El tratamiento con
disoluciones diluidas de ácido clorhídrico es el más comúnmente utilizado, aunque puede provocar
modificaciones en las cadenas de quitina, por lo que se han estudiado otros métodos de obtención
menos agresivos [8][9]
Recientemente se ha registrado un considerable incremento en el uso del dióxido de carbono en las
reacciones químicas debido a sus propiedades como antisolvente, bajo costo y reducida toxicidad ()
[3, 10]Recientemente se pudo mostrar la factibilidad del empleo de CO2, en combinación con una
resina de intercambio catiónico (cationita) en la desmineralización del exoesqueleto de crustáceos y
obtener quitina en condiciones suaves de reacción )[11].No obstante, la cinética de este proceso no
ha sido estudiada anteriormente.
El CO2 ha sido empleado para la disolución de la calcita presente en rocas minerales, y los estudios
desarrollados han permitido predecir el mecanismo de disolución de la calcita en estos [12]. En
estos estudios [13] ha podido demostrar que el comportamiento de la concentración de los iones
mayoritarios en disolución se puede describir según la ecuación exponencial
n
C = Ceq (1- e -k t )
(1)
Donde C es la concentración de iones Ca2+, Mg2+ o HCO3- en el tiempo t., k es la constante de
velocidad, Ceq es el valor de la concentración de cada uno de esos iones en el equilibrio químico y n
es un coeficiente experimental que generalmente toma valores entre 0 y 1. Como indica la ecuación
(1) en el proceso de disolución de la calcita, a medida que aumentan las concentraciones de las
distintas iónicas de la disolución se llega a alcanzar un equilibrio químico que prácticamente no
permite la disolución de más calcita. Una vía de solventar esta situación podría ser el empleo de un
intercambiador catiónico para extraer los iones Ca2+ de la disolución, con lo cual se desplazaría el
equilibrio y podría lograrse una más completa desmineralización del material.
El objetivo del presente trabajo es estudiar la cinética de desmineralización con CO 2 del
exoesqueleto de langosta espinosa en ausencia y presencia de una cationita, a partir del supuesto de
que el comportamiento de la concentración de los iones en la disolución resultantes del tratamiento
de esta matriz orgánica debe ser similar al reportado para las rocas inorgánicas.
Materiales utilizados
Se emplearon como materia prima, exoesqueletos de langosta espinosa común (Panulirus argus)
colectados en el combinado pesquero La Coloma, Pinar del Río, Cuba. La resina catiónica
(cationita) empleada fue Dowex 50X8 Na+ (BDH, Inglaterra). NaOH (Merck, Alemania) Todos los
reactivos utilizados fueron puros para análisis
Desproteinización del exoesqueleto
Los exoesqueletos se lavaron con abundante agua, se eliminaron exhaustivamente los restos de
masa y grasa y se secaron al aire por 24 horas. Después se trituraron hasta un tamaño de partícula
entre 200,0 y 400,0 μm Posteriormente, los exoesqueletos se desproteinizaron mediante tres
tratamientos consecutivos con NaOH 0,5N durante 1 hora a 80,0 ºC. Posteriormente se lavaron con
134
agua corriente y agua destilada hasta pH neutro, se secaron al aire y se conservaron a 4,0º C hasta su
uso.
Metodología experimental para los estudios cinéticos
Los experimentos se realizaron en un reactor de teflón tipo batch con capacidad de 3,5 L, equipado
convenientemente con medidor de pH, temperatura, agitación mecánica de hasta 100 rpm.min -1, un
sistema de toma de muestra líquida, así como un cilindro con CO 2 99,0 % de pureza y 10 MPa de
presión. El CO2 se suministró de forma continua (condición de sistema abierto respecto al CO 2) con
un flujo de 5 L/min. Se añadieron al reactor de 2,0 L de agua destilada con una conductividad
específica de 10,0 μS.cm-1, la cual se saturó previamente burbujeando CO2 durante 10 minutos antes
de añadir la muestra. En todos los casos se utilizaron 20,0 g de muestra, previamente triturada y
tamizada, con un tamaño de partícula entre 200,0 y 400,0 μm. El proceso de desmineralización con
CO2 se siguió en ausencia y presencia de la resina intercambiadora de cationes Dowex 50X8 Na+
(40,0 g).
La cinética de la reacción se siguió según una metodología previamente establecida [14] la cual
consiste en esencia, en ejecutar dos tipos de experimentos, uno primero, denominado REL donde se
realizó la reacción y se tomaron muestras a diferentes tiempos, a las cuales se les determinaron la
concentración de los iones mayoritarios (Ca2+, Mg2+, HCO3-,Na+) y la conductividad eléctrica de la
disolución, y un segundo experimento, en similares condiciones, denominado CINET donde se
siguió la reacción en el tiempo midiendo solamente la variación de la conductividad eléctrica y el
pH. A partir del experimento REL, se obtuvieron las correlaciones de los diferentes iones con la
conductividad eléctrica, las cuales se sustituyeron en los datos del experimento CINET para obtener
los valores en el tiempo de estos iones y la conductividad, mientras que por cálculo matemático se
determinaron las constantes de velocidad k, primeramente se asume que la reacción es de primer
orden (n=1) y a partir de esto se calcula la constante de velocidad k para los diferentes tiempos y
con los valores de k se calcula el parámetro experimental de orden de reacciónn. En cada
experimento se midió siempre al inicio de los mismos, la temperatura, el pH y la conductividad
eléctrica, se mantuvo constante la temperatura a 25ºC y la agitación por tres horas.
Medición de los parámetros fisicoquímicos
Las mediciones de los diferentes parámetros físico-químicos se realizaron a través de un pHmetro
digital Inolab y un conductimetro CBL 6006 calibrado con patrones de conductividad certificados
mientras que los iones HCO3-, Ca2+ y Mg2+ se determinaron por análisis químico con métodos
volumétricos, siguiendo las recomendaciones establecidas previamente para las determinaciones en
agua [15]. () Por su parte, el ión Na+ se determinó por fotometría de llama en un equipo Jenway
sensibilidad 0,2 ppm (Bibby Scientific Ltd., Reino Unido)
Para el procesamiento de los datos se utilizó el software SIMUCIN () [16] y la hoja de cálculo y
graficador Microcal Origin7.0.
El proceso de disolución de la calcita y del carbonato de magnesio del cefalotórax de langosta
mediante el empleo de CO2 se puede representar por las siguientes ecuaciones:
CO2(g) + H2 O + CaC O3(s) ↔ Ca
(I)
2+
-
+ 2HCO3
CO 2(g) + H 2 O + MgC O3(s) ↔ M g2+ + 2HC O3(II)
135
En las condiciones empleadas en el presente trabajo la concentración de CO 2 se mantiene constante.
Así, es de esperar que la reacción de disolución de los carbonatos del exoesqueleto siga una cinética
de reacción heterogénea de primer orden, en la cual las concentraciones de los iones Ca 2+, Mg2+ y
HCO3- , así como la conductividad eléctrica, por ser la resultante de la contribución de estos iones
viene expresada por la siguiente ecuación [17](2)
donde, CE: es la conductividad eléctrica; Ci: es la concentración de los i iones disueltos; Si: es la
conductividad específica equivalente de cada ion y n: es el exponente empírico que depende de la
concentración y tipo de agua. Por tanto, el valor de CE dependerá en cada momento de la
concentración de los iones Ca2+, Mg2+ y HCO3- disueltos en el proceso cinético; así como en menor
medida, de los iones adquiridos de la atmósfera.
Ya se ha señalado anteriormente[18] que el hecho de que la variación en el tiempo de la CE y de los
iones presentes en el sistema de equilibrio de los carbonatos, esté regida por las ecuaciones de tipo
exponencial (ecuación 1), donde k y n toman valores semejantes para cada especie iónica y para la
conductividad eléctrica, hace que las relaciones entre la concentración de cada ion y la
conductividad de la disolución se ajusten a ecuaciones lineales que pasan por el origen de
coordenadas.
En la tabla 11.1 se muestran los valores de la conductividad de la disolución tomados a distintos
tiempos de reacción del CO2 con el exoesqueleto de langosta y las correspondientes concentraciones
de los iones Ca2+, HCO3-, Mg2+ y Na+ determinados analíticamente para cada valor de
conductividad. Se puede apreciar que a medida que, como era de esperar, el aumento de la
concentración de los iones Ca2+, HCO3- y Mg2+ va aparejado a un incremento de la conductividad de
la disolución. En el caso del ion Na+, los valores de concentración encontrados fueron muy
pequeños y estuvieron dentro del error experimental de la determinación. Esto concuerda con
resultados obtenidos previamente [5], que muestran que el ion Na+ no es un elemento mayoritario
del exoesqueleto de langosta. Por tanto, en el caso del Na+ los valores reportados posteriormente en
el experimento CINET-1 corresponden a determinaciones directas de su concentración.
Tabla 11.1. Valores experimentales de conductividad eléctrica y concentración de los iones Ca2+,
Mg2+, HCO3-, Na+ de los experimentos RE-1.
CE (µScm-1)
160
220
300
370
420
430
540
640
730
740
840
900
960
1000
1100
Ca2+ (mgL-1)
1,4
1,75
2,4
3,1
--3,6
4,7
5,7
6,5
----7,9
--8,8
9,6
Mg2+ (mgL-1)
0,1
0,15
0,2
0,3
--0,3
0,4
0,6
0,7
----1,0
--1,2
1,4
Na+ (mgL-1)
0,001
0,001
0,001
0,001
--0,001
0,001
0,001
0,001
----0,001
--0,001
0,001
HCO3- (mgL-1)
1,5
--3,0
--5,0
--6,0
7,0
--8,0
9,0
--11,0
--12,0
En la figura 11.2 se muestra el ajuste de la relación funcional entre la concentración de las distintas
especies y la conductividad de la disolución a una línea recta en la forma:
136
C i = m CE
(3)
En la ecuación (3) representa CE la conductividad de la disolución C i es la concentración de la
especie iónica bajo consideración. Los resultados del ajuste se muestran en la tabla 11.2, donde se
aprecia la bondad del ajuste, que resulta excelente sobre todo para los iones mayoritarios Ca 2+ y
HCO3-.
Figura 11.2. Concentración de las especies iónicas mayoritarias (Ca2+, HCO3- y Mg2+)
representada en función de la conductividad de la disolución.
Tabla 11.2. Valor de la pendiente (m) y del coeficiente de correlación resultantes del ajuste de los
datos de la tabla 11.1 a la ecuación (3)
Especie iónica
Ca2+
Mg2+
HCO3-
m x 103 (mgL-1/ µScm-1)
8,74 ± 0,06
1,08 ± 0,06
11,0 ± 0,1
R2
0,9995
0,9850
0.9972
Comportamiento cinético de la reacción
Con estos resultados se procedió a realizar el experimento CINET, en el cual se determinó
solamente la conductividad y el pH de la disolución en el tiempo, mientras que a partir de los
resultados del experimento REL-1 (tabla 11.2) se pudo conocer la evolución temporal de la
concentración de los iones Ca2+, HCO3- y Mg2+. Este experimento realizado en ausencia de resina
intercambiadora será denominado CINET-1, y sus resultados se muestran en la figura 11.2.
137
12.- Peloides
Juan Reynerio Fagundo Castillo1, Patricia González Hernández1, Margaret Suárez Muñoz2, Clara
Melián Rodríguez2, Luis Sánchez Rodríguez3
1
Facultad de Química. Universidad de La Habana Ministerio de Educación Superior
2
Instituto Superior de Ciencias y Tecnologías Aplicadas. Universidad de La Habana
3
CENAMENT. Ministerio de Salud Pública.
Resumen
El empleo de sedimentos con fines terapéuticos se remonta a la más lejana antigüedad. Las
propiedades curativas de estos productos naturales no debieron pasar inadvertidos al hombre
primitivo que en continua relación con la naturaleza, tomaba de ella todo lo que contribuía a
mejorar sus condiciones de vida. Ya en tiempos recogidos por la historia se describe, en papiros de
la duodécima dinastía egipcia, la utilización de los barros de las márgenes del Río Nilo; como
remedio curativo en aplicaciones sobre el cuerpo y exponiéndolo al sol. Los peloides se originan en
medio acuoso: océanos, las salinas, lagos salinos, bahías, deltas y esteros de los ríos, pantanos, y en
regiones hidrotermales y de volcanismo activo, donde se forman los fangos hidrotermales. En
algunos casos están asociados a la zona de descarga del flujo regional de las cuencas
hidrogeológicas. Para la explotación de los peloides con fines terapéuticos es necesario que los
mismos cumplan con determinados requisitos físicos y físico químicos. La Fangoterapia o
Peloterapia ha tenido amplia aplicación en el tratamiento de numerosas dolencias, entre otras se han
aplicado con éxito en las siguientes: Enfermedades del Soma y tejido correctivo, artritis
reumatoidea, epicondilitis, bursitis del hombro, acné juvenil, pitiriasis, dermatitis, micosis, displasia
mamaria, sinovitis de rodilla, condromalacia patelofemoral, entre otras dolencias.Los peloides
muestreados en lagunas salinas, salinas costeras y sistemas hidrotermales en Argentina y Cuba
presentan por lo general valores de pH cercano a 8 y potenciales redox inferiores a -300,0 mv. Los
minerales más abundantes, presentes en algunos de estos peolides son las plagioclasas y el cuarzo y
los componentes inorgánicos cloruro, sodio y sulfato.
Palabras claves: Peolide, sedimentos terapéuticos, Fangoterapia o peloterapia, lagunas salinas,
costeras minas de sal, sistema hidrotermal.
Abstract
The use of sediments with therapeutic actions goes back to the farthest seniority. The curative
properties of these natural products should not have been inadvertent to the primitive man than in
continuous relation with the nature, he took from of her what he contributed to improve its living
conditions. Already in times collected by history describes him, in papyruses of the twelfth
Egyptian dynasty, the utilization of the acne of them banks of the river Nile; Like curative remedy
in applications on the body and its to the sun they originate in watery means: oceans, salt mines,
saline lakes, bays, deltas and estuaries of the rivers, swamps, and in hydrothermal regions and of
active volcanism, where the hydrothermal muds take shape. In some cases they are associated to the
zone of unloading of the regional flow of the watersheds. For the exploitation of the peloide with
therapeutic intentions it is necessary than the same fulfill determined physical requirements and
physicist chemical. The fangoterapy or pelotherapy has had ample application in the treatment of
numerous illnesses, between other ones they have been applicable with success in the following:
Diseases of the Soma and corrective fabric, rheumatoid arthritis, epicondylitis, bursitis of the
138
shoulder, juvenile acne, pityriasis, dermatitis, mycosis, mammary dysplasia, tennis elbow of knee,
chondromalacia patelofemoral, between other illnesses. The peloide sampled in saline lagoons,
coastal salt mines and hydrothermal systems in Argentina and Cuba present in general values of pH
near 8,0 and inferior redox potentials to - 300,0 mv. The most abundant minerals, presents in some
of these peolide are the plagio clase and quartz and the inorganic components chloride, sodium and
sulfate.
Keywords: Peolide, therapeutic sediments, Fangoterapy or pelotherapy, saline lagoons, coastal salt
mines, hydrothermal system
Introdución
Concepto
mejorar sus condiciones de vida. Ya en tiempos recogidos por la historia se describe, en papiros de
la duodécima dinastía egipcia, la utilización de los barros de las márgenes del Río Nilo; como
remedio curativo en aplicaciones sobre el cuerpo y exponiéndolo al sol (San Martín, 1994).
En épocas más recientes, Plinio el Viejo utilizaba sedimentos marinos y de ríos calentándolos para
su uso. Galeno recomendaba las fricciones con arcilla tibia para el tratamiento de inflamaciones.
Juan de Dondis, en 1370 sugería la aplicación de barro sobre los miembros que presentaran
afecciones subcutáneas. Miguel de Savonarola preconizaba fricciones con barro para mejorar los
problemas articulares y Margarita de Valois describía en su libro Heptameron, los baños de barro
aplicados en el balneario de Canterest a principios del siglo XVI.
En diferentes países, estos sedimentos han recibido varias denominaciones, por ejemplo, en Rusia,
se llaman fangos; en Grecia, peloides, en Italia, fangos; en Suiza, Gyttia; en Alemania, Schlamme,
Moore; en Inglaterra, mud, peat y en Francia, boues.
Sin embargo, el concepto de peloide es relativamente moderno, ya que fue en 1933 que el Comité
Internacional de Medidas aceptó este término general para los sedimentos naturales de uso
terapéutico, y la Sociedad Internacional de Hidrología Médica en 1949 lo definió como: los
productos naturales consistentes en la mezcla de un agua mineral, comprendida el agua de mar y la
de los lagos salado, con materia orgánica o inorgánica, resultantes de procesos geológicos o
biológicos, o a la vez geológicos y biológicos, utilizados en terapéutica en forma de aplicaciones
locales o baños.
Propiedades físico-químicas
Desde el punto de vista físico-químico se puede considerar un peloide como un sistema,
entendiéndose por tal, la porción específica de materia que contiene cantidades definidas de una o
más sustancias dadas, ordenadas en una o más fases.
Este sistema resulta heterogéneo por estar compuesto por fases sólidas y líquidas, aclarando que se
utiliza aquí el concepto de fase como el de cualquier parte homogénea y físicamente distinta de un
sistema, separada de las otras partes del mismo por superficies límites definidas.
En el sistema heterogéneo que forma un peloide están presentes fases sólidas de origen orgánico e
inorgánico y una fase líquida formada por una solución de solutos orgánicos e inorgánicos cuyo
disolvente y principal componente del sistema es el agua considerada como especie química y de la
cual ya se ha hecho referencia. En este caso, dadas sus peculiares características que se reflejan en
139
sus propiedades físico-químicas, le proporciona a los peloides sus cualidades más notables,
actuando las sustancias sólidas como modificadoras o coadyuvantes para conseguir una aplicación
determinada
La fase sólida orgánica tiene su origen en los restos animales y vegetales transformados etapas,
biodegradando la lignina, la celulosa y las proteínas. Mediante este mecanismo por la mesofauna y
los microorganismos del suelo, que llevan la descomposición a las últimas se liberan en condiciones
normales de aireación CO2, H2O, NH4+ y sales minerales. Este proceso se le denomina
mineralización.
Además, existe una pequeña proporción de materia orgánica que permanece estable frente a los
microorganismos y que se engloban bajo la denominación genérica de sustancias húmicas o humus.
La mayor parte de la materia orgánica en los peloides se encuentra asociada en un complejo
arcilloso-húmico, donde se plantea que la unión se realiza por mecanismos físicos de adsorción
sobre óxidos hidratados, o mediante enlaces de tipo químico.
En la fase sólida inorgánica se destaca como componente normalmente mayoritario a la arcilla, la
cual presenta como sus principales propiedades físico-químicas la capacidad de retención de agua,
la plasticidad y la capacidad de intercambio iónico, todo lo cual le confiere al peloide, algunas de
sus propiedades en su aplicación terapéutica, pues la combinación en este caso de agua
mineromedicinal con una fase sólida de peculiares características lo hace un material en alto grado
especial, ya que a este producto natural se le atribuyen efectos mecánicos, térmicos y químicos que
están dados precisamente por la combinación de estas fases en un producto único.
El análisis químico completo de un peloide es un desafío para cualquier analista teniendo en cuenta
que están presentes fases sólidas y líquidas complejas, y que no sólo es necesario conocer la
composición de las mismas, sino que en este caso además se hace importante, dada las aplicaciones
terapéuticas, determinar otras propiedades físico-mecánicas de interés práctico para precisar la
calidad y poder comparar las fuentes o yacimientos de este recurso natural
Materiale y métodos
Para el desarrollo de este trabajo, se consultaron libros y artículos científicos relacionados con
lospeloides: Drever (1988); Peláez et al (1991); Appelo and Postna (1993); San Martín (1994);
Bitton (1994); Fagundo et al (1996; 2005; 2011; 2012); Pesce et al 2012); Llerenaet al (2007);
Suárez Muñoz et al (2008); Domínguez-Rodríguezet al (2009); Díaz Rizoet al (22010 a, b).
Origen de los peloides
Los peloides se originan en medio acuoso: océanos, las salinas, lagos salinos, bahías, deltas y
esteros de los ríos, pantanos, y en regiones hidrotermales y de volcanismo activo, donde se forman
los fangos hidrotermales. En algunos casos están asociados a la zona de descarga del flujo regional
de las cuencas hidrogeológicas.
La composición químico-física del agua subterránea procedente de los acuíferos profundos, que
emerge a través de los manantiales (flujos intermedios y regionales), al llegar a la superficie sufre
un cambio profundo como resultado del desajuste de los equilibrios termodinámicos: el pH, por lo
general ácido, pasa a básico; en contacto con el oxígeno de del aire, de un potencial reductor pasa a
un potencial oxidante, originando precipitaciones de azufre coloidal, así como de sulfuros y óxidos
metálicos; se precipitada la calcita debido al escape de CO 2; precipita sílice como resultado del
cambio de una temperatura caliente a una más fría (por ser menos soluble este mineral a bajas
temperaturas), y se originan precipitados de minerales disueltos. Todos estos precipitados pasan a
integrar la fase sólida de los peloides originados en el los sistemas hidrotermalales.
140
Estos sedimentos están compuestos por una fase sólida y una líquida, cuya composición química
depende del origen del peloide.
Tipos de peloides
A continuación se presentan las principales características de los diferentes tipos de peloides (tabla
12.1), según aparecen resumidas en San Martín (1994).
Tabla 12.1. Características físicas de los peloides
Denominación
Fangos o lodos
Sólido
mineral
limos
mineral
turbas
Orgánico
Biogleas (tipo baregina) o
Muffe
Otras biogleas
Orgánico
Componentes
Líquido
Sulfuradas
Sulfuradas
Cloruradas
Agua de mar o lago
salado
Alcalinas
Sufuradas
Agua de mar
Sulfuradas
Orgánico
No sulfuradas
Sapropeli
Mixto
Alcalinas
Sulfuradas
Temperatura
Hipertermal
Mesotermal
Hipotermal
Hipotermal
Maduración
In situ
En tanques
Hipertermal
Mesotermal
Hipotermal
Hipertermal
Aire libre Recinto
cerrado
Hipertermal
Mesotermal
Hipotermal
Hipotermal
In situ
In situ
In situ
In situ
Requisitos de calidad
Para la explotación de los peloides con fines terapéuticos es necesario que los mismos cumplan con
determinados requisitos físicos y físico químicos.
En la Norma Cubana de Peloides (NC 06-1998) se establecen los requerimientos físicos de calidad
(tabla 12.2).
Tabla 12.2. Requerimientos físicos de calidad de los peloides según la NC 06-1998: Peloides.
Especificaciones. (obligatoria)
Aspecto
Color
Olor
Sabor
Plasticidad y
adhesividad
Masa compacta más o menos homogénea según sea su complejo coloidal hidrófilo
que favorece la mezcla de los componentes sólidos y líquidos
Variable, dependiente de la composición y, en gran parte, del contenido en sulfuro de
hierro.
Variable por la mayor o menor riqueza en sulfuro de hidrógeno, ya que a falta de este
componente pueden existir o no otros olores.
Salado, amargo, alcalino, metálico o estíptico y otros, dependiendo esencialmente
del componente líquido del peloide.
Capacidad de adaptación a las partes del cuerpo humano a aplicar, por el carácter
coloidal e inverso al contenido acuoso.
En la Norma Cubana de Peloides (N.C. 93–02 1985; NC 07-1998) se establecen los requerimientos
físico - químicos de calidad que se especifican en la tabla 12.3.
141
Tabla.12.3. Requerimientos físico - químicos de calidad que establece la NC 06- 1998.
a) Para fangos y limos
Componente sólidos
pH
6,0-8,0-
Potencial Redox (mv)
Humedad (%)
Masa relativa (g/kg)
Impurezas mecánicas (%)
(fracción de 0,25mm)
Contenido de H2S (g.kg-1)
Componente líquido
Mineralización (g.L-1)
Sulfato (g.L-1)
Cloruro (g.L-1)
Calcio (g.L-1)
Magnesio (g.L-1)
Sodio (g.L-1)
< - 100,040,0--70,01,2-1,6
< 10,0> 0,5
> 12,0> 1,0> 6,0> 0,1
> 0,5
10,0
Tabla 12.3. Requerimientos físico - químicos de calidad que establece la NC 06- 1998
(Continuación).
Potasio (g.L-1)
0,1
b) Para turba
Componente sólidos
pH
Humedad (%)
Componente orgánico (%)
Impurezas mecánicas (fracción de 0,25mm)
Contenido de ácido húmico
< 6,0
> 65,0
> 20,0
> 10,0
Contaminantes
La presencia de los siguientes contaminantes no deberá ser discernible en los peloides, para su
aplicación en Peloterapia: mercurio, níquel, cromo, cobre, manganeso, zinc, plomo, arsénico,
selenio, vanadio, berilio y nitritos.
Requisitos microbiológicos
En la tabla 12.4 se muestran los requisitos higiénico-sanitarios que establece la Norma Cubana para
peloides y las aguas asociados a estos para su aplicación terapéutica
Tabla 12.4. Principios y directrices para la aplicacion de la evaluacion de los riesgos
microbiológicos NC 650- 2015.
Para las muestras de los peloides
Coliformes fecales
< 0,2 NMP.gps-1
Estreptococos fecales
< 0,2 NMP.gps-1
Clostridium perfringens
< 0,2 NMP.gps-1
Pseudomonas aeruginosa
ausencia
Staphylococcus aureus
ausencia
Salmonella
ausencia
Conteo de mohos y levaduras
< 10 UFC.g-1
Para las muestras de agua
142
Para las muestras de los peloides
Coliformes fecales
<1,0NMP.gps-1. ml
Estreptococos fecales
< 2,0 NMP.gps-1. ml
Clostridium perfringens
< 1,0 NMP.gps-1. ml
Pseudomonas aeuroginosa
< 2,0 NMP.gps-1. ml
Indicaciones terapéuticas de los peloides
La Fangoterapia o Peloterapia ha tenido amplia aplicación en el tratamiento de numerosas
dolencias, entre otras se han aplicado con éxito en las siguientes: enfermedades del soma y tejido
correctivo, artritis reumatoidea, epicondilitis, bursitis del hombro, acné juvenil, pitiriasis, dermatitis,
micosis, displasia mamaria, sinovitis de rodilla, condromalacia patelofemoral, entre otras dolencias.
salinas y sistemas hidrotermales de Argentina y Cuba (Pesce et al, 2012).
Tabla 12.5. Determinaciones físico-químicas en algunos sitios con peloides en Argentina y Cuba.
Muestra
002
003
006
007
009
011
021
023
031
032
Sitio
Carehúe
Carehúe
Guatraché
Guatraché
Pismanta
San Diego
Bidos
Bidos
Elguea
Elguea
Provincia
Buenos Aires
Buenos Aires
La Pampa
La Pampa
San Juan
Pinar del Río
Matanzas
Matanzas
Villa Clara
Villa Clara
País
Argentina
Argentina
Argentina
Argentina
Argentina
Cuba
Cuba
Cuba
Cuba
Cuba
Tipo
Lago salino
Lago salino
Lago salino
Lago salino
Hidrotermal
Hidrotermal
Salina
Salina
Hidrotermal
Hidrotermal
T
7,8
11,6
14,3
13,2
16,1
28,3
28,0
27,2
30,0
28,0
pH
8,15
8,00
8,25
8,01
8,21
7,48
-
Eh
-415,0
-384
-306,0
-409,0
-163,0
-308,0
-416,0
-420,0
-317,0
-331,0
En la tabla 12.5 puede apreciarse que los peoides muestreados tanto en fuentes hidrotermales, como
en lagos salinos continentales o salinas costeras poseen por lo general un pH cercano a 8,0 y un
potencial redox inferior a – 300,0 mv. La información disponible sobre las fases minerales de los
peloides muestreados, indica que los minerales más abundantes son plagioclasas y cuarzo (tabla
12.6).
Tabla 12.6. Composición mineralógica de peloides muestreados en Argentina (Carhué).
Muestra
Fango 1
Fango 2
Fango 3
Principales
Plagioclasas
Plagioclasas
Cuarzo / Plagioclasas
Minerales
Minoritarios
Cuarzo
Cuarzo
-
Accesorios
Halita / Calcita
-
En la tabla 12.7 se presenta la composición química de la fase líquida de un peloide muestreado en
Argentina (Carhué).
Tabla 12.7. Composición de la fase líquida de una muestra de peloide (Carhué, Argentina).
Determinación
Sodio (g.L-1)
Potasio (g.L-1)
Calcio (g.L-1)
Magnesio (g.L-1)
Cloruros (g.L-1)
Concentración
24,5
0,255
0,149
0,237
26,6
Determinación
Arsénico (mg.g-1)
Cinc (mg.g-1)
Cobre (mg.g-1)
Cromo (mg.g-1)
Plomo (mg.g-1)
143
Concentración
3,0
45,0
13,0
20,0
7,0
Determinación
Sulfatos (g.L-1)
CE (mS.cm-1)
pH
Concentración
13,5
67510
8,3
Determinación
Níquel (mg.g-1)
Selenio (mg.g-1)
Manganeso (mg.g-1)
Berilio (mg.g-1)
Hierro total (%)
Azufre total (%)
Concentración
12,0
< 1,0
454,0
< 0,5
6,5
1,6
que en los extractos obtenidos (tabla.12.8), se encontraron metabolitos secundarios como taninos,
compuestos fenólicos, flavonoides, azúcares reductores, saponinas, compuestos con grupos amino y
compuestos terpénicos y esferoidales (Pérez et al, 2007).
Tabla 12.8. Componentes orgánicos del peloide de San Diego de los Baños, extraídos con
diferentes solventes.
Ensayos
Alcaloides
Terpenos y/o esteroides
Quinonas
Taninos
Fenoles
Flavonoides
Proantocianidinas
Azúcares reductores
Saponinas
Aminas
Extracto N-hexano
+++
-
Extracto acetato de etilo
++
+
++
++
++
+
++
+
Extracto etanólico
++
++
+++
+++
++
+
++
++
Leyenda: Ensayo positivo (+), (contenido: + Poco; ++ Medio; +++ Abundante). Ensayo negativo (-)
Como resumen de los resultados obtenidos en estudios realizados por Fagundo y sus colaboradores
sobre los proceso biogeoquímicos que se producen en los sistemas cársicos e hidrotermales de
diferentes regiones de Cuba, se puede expresar lo siguiente>
ambientales. Estos procesos biogeoquímicos están controlados por las propiedades químico-físicas
del agua y por la presencia de bacterias y de los nutrientes que estas necesitan para su metabolismo.
atmósfera y como consecuencia de los cambios ácido-básicos y de potencial redox que se originan
géneros (sulfatoreductoras, termófilas, hipersalinas, etc), en condiciones extremas de salinidad y
temperatura crean sedimentos o peloides que poseen acción terapéutica, dado que en esas
condiciones extremófilas las bacterias y las microalgas generan productos de acción biológica.
Las aguas minerales sulfuradas de Cuba se originan por reducción de sulfatos procedentes de
144
minerales yesíferos (yacimientos de Elguea, Menéndez y otros) o piritas (el resto de los
yacimientos). El contenido de relativo de sulfuros en forma de sulfuro o polisulfuro (S 2-),
sulfhídrico (H2S) o sulfhidrilo (HS-) depende de los valores del potencial de oxidación reducción
(Eh) y del pH del medio.
y Cuba presentan por lo general valores de pH cercano a 8 y potenciales redox inferiores a -300,0
cuarzo y los componentes inorgánicos cloruro, sodio y sulfato. Entre los componentes minoritarios
se distinguen manganeso, cinc y cromo.
Enlos extractos del peloide de San Diego de los Baños se encontraron compuestos fenólicos,
flavonoides, azúcares reductores, saponinas, compuestos con grupos amino y compuestos
terpénicos y esteroidales.
de diferentes ciencias (Química, Biología, Microbiología, Bioquímica, Farmacia, Geología,
Hidrogeología), es fundamental para conocer los procesos naturales que originan las aguas
mineromedicinales y peloides en los sistemas termales y cuerpos de agua salinos y para la
peloides.
Conclusiones
mejorar sus condiciones de vida.
Desde tiempos recogidos por la historia se describe, en papiros de la duodécima dinastía egipcia, la
utilización de los barros de las márgenes del Río Nilo; como remedio curativo en aplicaciones sobre
el cuerpo y exponiéndolo al sol.
Los peloides se originan en medio acuoso: océanos, las salinas, lagos salinos, bahías, deltas y
esteros de los ríos, pantanos, y en regiones hidrotermales y de volcanismo activo, donde se forman
los fangos hidrotermales.
En algunos casos están asociados a la zona de descarga del flujo regional de las cuencas
hidrogeológicas.
Para la explotación de los peloides con fines terapéuticos es necesario que los mismos cumplan con
determinados requisitos físicos y físico químicos.
La Fangoterapia o Peloterapia ha tenido amplia aplicación en el tratamiento de numerosas
dolencias, entre otras se han aplicado con éxito en las siguientes: Enfermedades del Soma y tejido
correctivo, artritis reumatoidea, epicondilitis, bursitis del hombro, acné juvenil, pitiriasis, dermatitis,
micosis, displasia mamaria, sinovitis de rodilla, condromalacia patelofemoral, entre otras dolencias.
y Cuba presentan por lo general valores de pH cercano a 8,0 y potenciales redox inferiores a -300,0
cuarzo y los componentes inorgánicos cloruro, sodio y sulfato.
145
13.- Empleo de indices geoquímicos en el
establecimiento del monitoreo de cultivos de
microalgas
Maria del Carmen Espinosa1, Patricia González Hernández1, Juan Reynerio Fagundo Castillo1,
Margaret Suárez Muños3, Griselda Benítez Pacheco1, Jorge Ramírez1, Rogelio Mayarí1
Facultad de Química. Univeridad de La Habana
1
Centro Nacional de Investigaciones Científicas
3
Instituto Superior de Ciencia y Tecnologías Aplicadas
Resumen
Numerosas investigaciones relacionadas con el control automatizado de cultivos algales se
llevan a cabo por diferentes laboratorios y grupos de investigación, tratando de contar con sistemas
que permitan un monitoreo continuo, en línea, de todas las variables del proceso, abarcando la
dinámica del mismo en toda su complejidad, así como las interrelaciones entre el sistema biológico
y su ambiente físico y químico. A la vez, se trata de que los sistemas implementados no sean
costosos, de manera que no encarezcan los procesos.
El medio de cultivo de algunas microalgas como la Arthrospira sp, se puede considerar como un
agua altamente mineralizada, debido al alto contenido de sales disueltas que posee. En el
presente trabajo se muestran los resultados obtenidos al aplicar algunos índices geoquímicos, como
la Conductividad Eléctrica, los cuales permiten sentar las bases para implementar un sistema de
monitoreo de los cultivos de estas microalgas.
Palabras claves: Indices geoquímicos, monitoreo y cultivos de microalgas, Arthrospira sp, agua
altamente mineralizada.
Abstract
Numerous investigations related with the control automated of cultivations algales walk away with
to stub for different laboratories and fact-finding groups, trying to count on systems that enable a
continuous, on-line, all- variables monitoring of the process, monopolizing the dynamics of the
same in all its complexity, as well as the interrelations between the biological system and its
physical and chemical environment. At the same time, he talks to each other that the implemented
systems are not expensive, so they do not raise the price of processes.
The midway of cultivation of some microalgae like the Arthrospira sp, it can be considered like a
water highly mineralized, due to the upper floor contained of dissolved salts that he has. In the
present the results obtained when applying some geochemical indexes, as the Electrical
Conductivity, which allow laying the foundations to implement a system of monitoring of the
cultivations of these microalgae give the appearance of being work.
Keywords: Geochemical indexes, monitoring and cultivations of microalgae, Arthrospira sp, water
highly mineralized.
Introduccion
Hoy en día, dentro del desarrollo de la biotecnología de las microalgas, existe una tendencia
146
creciente a lograr un monitoreo y control automatizado de los cultivos, ya que para utilizar
favorablemente las propiedades de estos microorganismos se requiere un control adecuado y
confiable de las principales variables del proceso para obtener una biomasa con las características
deseadas (Richmond, 1992).
Diferentes laboratorios y grupos de investigación realizan trabajos encaminados a lograr el control
automatizado de los cultivos de microalgas como Spirulina (Rodríguez Lope, 1997), Dunaliella. y
otras, (Hilaly and Guyre, 1994), lo que permite describir el estado del bioproceso, en detalle, en
cualquier etapa de su desarrollo, y realizar un registro más exacto del mismo, facilitando su
modelación, optimización y control.
Algunas de las referencias que aparecen en la literatura, utilizan para la automatización de estos
procesos, sensores altamente sofisticados y costosos como los aplicados en sistemas de inyección a
flujo utilizando el efecto de campos enzimáticos, para el monitoreo simultáneo de componentes del
medio de cultivo (Kullick and Schuger, 1994). Sin embargo, también aparecen referencias del
empleo de sensores físico- químicos tradicionales, para la medición y control del ambiente físicoquímico que prevalece en el medio, como es, acidez (pH), oxígeno disuelto (pCO2), dióxido de
carbono disuelto (pCO2), potencial redox y en este mismo sentido, el empleo de la medición de la
conductividad eléctrica (CE) como indicador en el monitoreo de las principales variables de control
de cultivos de la microalga Arthrospira, ya que se ha comprobado (Espinosa, 1996). que aquella
resulta un excelente indicador para la estimación de otros parámetros de este medio de cultivo. Esto
permitiría utilizar una celda de conductividad apropiada como sensor.
La CE es uno de los parámetros más frecuentemente medido y utilizado en el control de la
calidad de las aguas ( Miller et al (1980). Este parámetro correlaciona con la suma de las
concentraciones de los iones mayoritarios disueltos y, a menudo, con la de un ion disuelto
específico, por lo que suple la determinación analítica de los iones principales.
El empleo de las mediciones de CE como índice geoquímico para el control de la calidad de las
aguas naturales se fundamenta en el hecho de que la litología es el factor que controla la
composición química de las mismas. Sin embargo, en el caso de los medios de cultivo de las
microalgas, hay que sustentar esta utilización, tomando como litología la biomasa como tal. Se
debe tener en cuenta que el medio de cultivo de esta microalga posee altas concentraciones de
hidrógeno carbonato de sodio (del orden de 16,0 g.L-1), así como otras sales (nitrato de sodio
2,5 g.L-1, etc.) lo que hace que posea una elevado contenido de Sólidos Disueltos Totales así
como una alta alcalinidad, pudiendo considerarse como un agua de elevada mineralización. Y es en
el caso de las aguas con elevada mineralización donde cabe destacar, que para el uso de las
mediciones de CE en la obtención de ecuaciones de correlación matemática con las concentraciones
de los iones mayoritarios y de las CE teóricas para el chequeo de la calidad de los datos
analíticos antes de su procesamiento estadístico, se debe tener en cuenta la influencia de los iones
complejos los cuales traen consigo la disminución de las concentraciones molales de los iones libres
y por tanto su contribución a la CE total. Para esto en este trabajo se aplican modelos matemáticos
y programas de computación adecuados, teniendo en cuenta los valores de fuerza iónica y
contenidos de Sólidos Disueltos Totales propios de este medio.
En este trabajo se presentan los resultados obtenidos en busca de las bases que permitan sentar un
método de monitoreo y control automatizado de cultivos de microalgas como Arthrospira sp,
teniendo en cuenta la alta mineralización del medio de cultivo correspondiente.
Materiales y metodos
La microalga utilizada fue la cianobacteria Arthrospira sp. La cepa provino de la Colección de
147
microalgas del Centro Nacional de Investigaciones Científicas, Ciudad de La Habana.
Experiencias de Laboratorio
Los cultivos se realizaron en cubetas plásticas de 30,0 L de volumen y 15,0 cm de profundidad. La
agitación se realizó mediante paletas acopladas a un motor, a 15,0 rpm, iluminándose con 4
lámparas de neón de 40,0 W cada una, situadas a 40,0 cm por encima de la superficie del líquido.
La temperatura de los cultivos se equilibró con la temperatura ambiente, la cual fue de 35,0 a
37,0oC.
Se utilizó el medio de cultivo Zarrou, (Borowitzk, 1988) cuya composición se muestra en la tabla
13.1.
Monitoreo de los Cultivos
Diariamente se registraron la Conductividad Eléctrica (CE) (equipo ECCA-2 CNIC), pH (pHmetro
MPH-4B CNIC) y temperatura. Los análisis de los iones hidrógeno carbonato (HCO3 ), carbonato
(CO32-), cloruro (Cl ), calcio (Ca2+), magnesio (Mg2+) (empleando métodos volumétricos), y sodio
(Na+) (mediante fotometría de llama) así como los de Clorofila a y Absorbancia a 750,0 nm
(A750) (fotocolorímetro digital Spekol modelo 210) se realizaron por duplicado, según
aparecen en los Métodos Normalizados para el Análisis de Aguas Potables y Residuales.
( APHA, AWWA, WPCF) A partir del sexto día se mantuvo el pH en un rango adecuado (9,3 9,7), (Stat Sof Inc. CSS, 1996) con un suministro de CO2.
Procesamiento matemático
Los datos experimentales fueron procesados mediante el programa EXCEL, (Hydrowin Version
3.0) el paquete de programas estadístico Statistica, y los programas para cálculos hidrogeoquímicos
HYDROWIN (versión 3.0) y PHREEQM. (Appelo and Postma, 1993; Parkhurst et al (1980).
Para el cálculo de la Conductividad Eléctrica teórica (CEt ) se aplicó el modelo de Miller et al
(1980):
Donde
 i = Fracción molar del ion libre i; Ci = Concentración del ion i; Si = Conductividad
Eléctrica Específica del ion i.
La fuerza iónica (m) según la ecuación de Lewis and Randall (Glasstone, 1968):
Donde mi = Conc. molal del ion y Zi = Carga del ión
Resultados y discusion
En la Tabla 13.2 se muestra la matriz de correlación obtenida al procesar los datos experimentales
del monitoreo de los cultivos de Arthrospira, con el fin de definir cuál de las variables cuyas
mediciones se realizan por métodos instrumentales pudiera servir como indicador mediante el
cual estimar las demás y sentar las bases para un método de monitoreo y control automatizado de
dichos cultivos.
Como puede observarse, las mejores correlaciones se obtuvieron entre la CE y las otras variables,
148
con coeficientes de correlación altamente significativos. Sin embargo, resaltó la ausencia de
correlación entre el ion hidrógenocarbonato (HCO3 ) y los restantes parámetros. Siendo este ion
uno de lo más importantes a medir y controlar, ya que es la fuente de Carbono de este tipo de
microalgas, es importante profundizar en los fenómenos que pueden dar lugar a este
comportamiento.
A continuación, se comprobó si los datos de CE provenían de una población normal, premisa
indispensable para poder aplicar los diferentes test estadísticos, con posterioridad. Para ello, se
construyeron los histogramas de frecuencias y se aplicaron los test de Kolmogorov-Smirnov y de
Shapiro-Wilks, a los datos de las diferentes corridas. experimentales. En la figura 13.1 se muestra
uno de los histogramas de frecuencia obtenidos.
Tabla 13.2. Matriz de Correlación entre los diferentes parámetros medidos
Parámetro
pH
C.E.
HCO
2- 3
CO
Cl- 3
Ca2
Clorofila a
A750
pH
1
0,82**
-0,37
0,80**
0,63
-0,65
0,75
0,76
C.E.
0,82**
1
0,04
0,93**
0,86**
-0,75*
0,91**
0,92**
HCO
-0,373
0,04
1
0,01
0,35
-0,05
0,28
0,23
Coeficientes de Correlación (r)
22+
CO3
Cl
Ca
0,80**
0,63
-0,65
0,93**
0,86**
-0,75*
0,01
0,35
-0,05
1
0,86**
-0,78*
0,86**
1
-0,86**
-0,78*
-0,86**
1
0,95**
0,91**
-0,73
0,98**
0,97**
-0,86*
Clorofila a
0,75
0,91**
0,28
0,95**
0,91**
-0,73
1
0,96**
A750
0,76
0,92**
0,23
0,98**
0,97**
-0,86*
0,96**
1
Leyenda: Coeficientes significativos al 95,0 % de confianza (p<0,05), con un asterisco (*) los
significativos para el 99,0 % de confianza (p<0,01) y con 2 asteriscos (**) los significativos
para el 99,9% de confianza (p<0,001) con 3 (***).
Como se observa del histograma de frecuencias de las mediciones de CE, éstas se ajustan a una
población normal, lo cual se confirmó al aplicar los test de normalidad de Kolmogorov-Smirnov
and Shapiro-Wilks, comprobándose que efectivamente, se ajustaban a la normalidad. Ambos
estadígrafos resultaron estadísticamente no significativos (en el primer caso D=0,08509; p>0,20 y,
en el segundo caso W=0,96960, p<0,5998)
Los valores de fuerza iónica (µ ) oscilaron entre 0,2 y 0,3 por lo que para el cálculo de los
coeficientes de actividad ( ) de los iones, fue necesario aplicar la ecuación de Davis, la cual se
recomienda cuando µ es mayor de 0,1 y menor de 0,5. Esta ecuación viene expresada por:
log -A = -A Z i
.

((1


- ,.3))
Donde: A = Factor dependiente de la T y Z= Carga del ión.
149
Figura 13.1. Histograma de frecuencias de las mediciones de CE
Una vez realizadas estas consideraciones, se procedió a aplicar el modelo de Miller, obteniéndose el
factor exponencial f, de acuerdo con los rangos de CE, (Tabla 13.3), comprobándose que aún a
estos valores de CE (altas salinidades), se cumple lo expuesto por Miller, (Miller et al, 1980) que
los valores de este factor de corrección se encuentran en un rango estrecho, con una desviación
estándard pequeña.
Tabla 13.3. Factor exponencial f calculado.
CE(S.cm-1)
20000 - 25000
25000 - 29000
29000 - 35000
35000 - 39000
39000 - 45000
Rango f
Min
Max
0,9812
1,0147
1,0089
1,0390
1,0129
1,0266
1,0004
1,0273
1,0167
1,0673
Media
D.S.
0,9973
1,0196
1,0193
1,0169
1,0364
0,0182
0,0125
0,0046
0,0089
0,0271
A continuación se determinó la CE teórica, comparándose con la CE experimental, como forma de
realizar un control de calidad analítico, tal y como se recomienda en la literatura, (Miller et al,
1980; APHA, AWWA, WPCF, Fagundo et al, 1996) para el caso de las aguas naturales. En primer
lugar, se pudo observar, que en este caso, el modelo de Miller predice la CE con una aproximación
de 19%, a diferencia de un 8,0 % en aguas naturales (0,0-600,0  S.cm-1). Por otra parte, el valor
promedio de la relación entre CE teórica y CE real (medida) fue de 0,84, diferente a lo
recomendado en la literatura para aguas naturales (0,9-1,1), pero bastante cercano al límite inferior
de este rango, y que pudiera ser un valor adecuado para casos como el de este trabajo.
Al calcular las concentraciones de los iones libres, se pudo observar que la relación de las
concentraciones de iones libres de los iones HCO3- y CO32- con respecto a la de los iones totales,
resultaron las menores de los analizados (como promedio 15,0 y 21,0 %, respectivamente) si se
comparan, por ejemplo, con las de los iones cloruro y sodio (100,0 y 93,0 %, respectivamente),
además, la gran variabilidad de dichas concentraciones, encontrándose que en el caso del ion HCO 3el coeficiente de variabilidad fue de 79,0 % y 116,0 % para el ion HCO 3-, mientras que fue de 3,0 y
0,0 %, en el caso de los iones Na+ y Cl-, respectivamente.
Todo este análisis demuestra que son aquellos iones cuya concentración guarda una estrecha
relación con el pH del medio de cultivo, es decir, los iones HCO3 y CO32-, (cuyas concentraciones,
150
además, van a estar interrelacionadas a través del equilibrio de los carbonatos) los que precisamente
presentan mayor variabilidad en las concentraciones de iones libres. O sea, que hay que tener en
cuenta, no sólo la CE, sino también el pH y la temperatura (T) (por su influencia, además, en
las constantes de equilibrio correspondientes).
Por otra parte, el cálculo de la CE teórica permitió conocer cuáles de los iones presentes eran los
que más contribuían a la CE, pudiendo determinarse que el ion HCO3 aporta un 3,0 % de la
CE como promedio, el ion Ca2+ 0,1 % solamente, mientras que el ion Na+ contribuye en un 58,0 %
a la CE. Esto hace evidente que es imprescindible la determinación de este último ion, con métodos
precisos y confiables.
Teniendo en cuenta todas estas consideraciones, se desarrolló un modelo matemático para el caso
específico de la estimación del ion HCO3 . Este modelo involucra los valores de pH, CE, T
(determinados instrumentalmente) y los valores de concentración del ion CO32-, estimado, a su vez,
a través de su ecuación de correlación con la CE, según se muestra a continuación:
Donde: a y n son factores empíricos cuyos valores se hallan, mediante sucesivas iteraciones, a
partir de los datos experimentales.
En la tabla 13.4 se encuentran resumidos los resultados de la aplicación del test de Student a los
datos de las experiencias de laboratorio y piloto, en la que se denota que, no se encontró diferencia
significativa entre los valores de concentración del ion hidrógeno carbonato ofrecidos por el
modelo y los hallados analíticamente, demostrándose la factibilidad de la aplicación de este
modelo para la estimación de las concentraciones de HCO3 , en cultivos de Arthrospira sp a partir
de las mediciones de pH, CE y temperatura
Tabla 13.4. Resultados del test de Student del ajuste del modelo.
Datos
n
Laboratorio
14
X
mod
136
s mod
21
X
anal
134
s anal
t crít.
t tabla.
p
9
0,364
2,160
0,3608
Leyenda: test de 1 cola,  = 0,05
De esta forma, se puede implantar un sistema de monitoreo de los principales parámetros de control
de los cultivos de Arthrospira sp, mediante mediciones de pH, CE y temperatura (usando equipos
comúnmente asequibles, sin el uso de sensores costosos), una vez estudiadas las regularidades de
los diferentes parámetros, sus interrelaciones y el modo en que influyen sobre los parámetros que
se medirán en el sistema implementado.
Conclusiones
Los resultados obtenidos permiten recomendar la aplicación de las mediciones de CE, pH y
temperatura como los indicadores fundamentales para la implementación de un sistema
automatizado de monitoreo y control de cultivos de microalgas como Arthrospira sp, usando
equipos comúnmente asequibles, sin el uso de sensores costosos, pero teniendo en cuenta la alta
mineralización del medio de cultivo correspondiente.
151
14.- Control de la producción de algas a partir de
mediciones de pH, conductividad eléctrica y otros
indicadores
Juan Reynerio Fagundo Castillo1, Griselda Benítez Pacheco2, María. del Carmen Espinosa2,
Vivian Ferrera, Estrella Álvarez2, José Vega Feliu2, José Luis Conde2
1
Facultad de Química .Universidad de La Habana
2
Centro Nacional de Investigaciones Científicas
Resumen
Se desrallo un metodo para el monitoreo y control de la de producción de algas del tipo
Spirulina, se diseñó un experimento consistente en exponer un cultivo de estas algas durante
1 8 días a la acción de la luz, monitoreando los cambios del medio mediante mediciones de
CE.
Palabras claves: Monitoreo y control de la de producción de algas, Spirulina, producción de
algas, cultivo de algas, mediciones de CE.
Abstract
A method for monitoring and control of the one of the type of Spirulina production of algae, the
designed an experiment consisting of exposing a cultivation of these algae during 18 days to the
action of light, monitoring the changes of the intervening midway measurements of EC, was
developed..
Keywords: Monitoring and control of the one of production of algae, Spirulina, production of
algae, algae culture, measurements of EC.
Introducción
Con el objetivo de controlar el proceso de producción de algas del tipo Spirulina, se diseñó un
experimento consistente en exponer un cultivo de estas algas durante 1 8 días a la acción de la
luz, monitoreando los cambios del medio mediante mediciones sistemáticas de pH,
conductividad eléctrica y análisis de HCO3-, CO32-, Cl-, Ca2+, Mg2+ por volumetría; así como
de clorofila y densidad óptica por espectrofotometría. Ocasionalmente se suministró un flujo
de CO2 a fin de mantener el pH en un intervalo adecuado (Sosa Texcoco, 1977).
Se utilizó una cubeta plástica de 50,0 X 50,0 cm2 provista de un sistema de paletas acopladas a
un motor eléctrico con el fin de mantener una agitación lenta y contínua del medio de cultivo. El
mismo fue expuesto en las horas diurnas durante 18 días a la acción de la luz suministrada
por cuatro lámparas de neón de 40,0 W cada una, situadas a una altura de 40,0 cm de la
superficie del líquido.
Como medio de cultivo se utilizó el denominado Zarrouk, para 250,0 g del mismo, se emplearon
152
los componentes que se muestran en la tabla 15.1.
Tabla 15.1 Medio de cultivo se utilizó el denominado Zarrouk
1
EDTA sódico
NaCl
25,0 g
EDTA sódico
2,0 g
2
K2SO4
NaNO3
62,5 g
K2SO4
25,0 g
3
MgSO4
CaCl2
4,0 g
MgSO4
5,0 g
4
K2HPO4
FeO4
0,25 g
K2HPO4
12,5 g
5
NaHCO3
NaHCO3
12,5 g
Se tomaron diariamente alícuotas de 50,0 ml, a las que se les hicieron análisis de macro
componentes por volumetría y se midió cada día HCO3-, pH y la conductividad eléctrica.
Además se determinó clorofila y densidad óptica por métodos espectrofotométrcos.
Los resultados de las mediciones químico-físicas aparecen en la tabla 1. Los cambios
producidos durante el experimento se observan mejor en las figuras 1 y 2. Como puede
apreciarse figura 1, la variación en el tiempo de la concentración de se comporta como una
imagen especular en relación con ent la con la concentración de HCO3- y del valor del pH, es La
concentración de CO32- y del valor del pH, es decir, cuando 7487,0 mg.L-1, mientras que la
concentración del ión CO32- se incrementó de 1875 a 2700 mg.L-1 y el pH aumentó de
8,5 a 9,5 unidades (tabla 15.1). La concentración de carbonato total sufrió una disminución de
10 339 a 10 187 mg.L-1. Sin embargo, a pesar de esta disminución de concentración, la
conductividad eléctrica incrementó su valor de 19 600 a 22 300 uS.cm-1 omo consecuencia de la
mayor conductividad específica del ion CO32- en relación al ion HCO3- 60,0 y 37,0 uS.cm-1 a
18,0 oC respectivamente (Defrancesco, 1991).
En ese mismo período, el ion Cl- acusa un incremento explicable, mientras que los
contenidos de Ca2+ y Mg2+ experimentaron ligeras disminuciones aunque estas concentraciones
se encuentran en el orden del error analítico.
En la figura 14.1 se muestra mediante flechas los suministros de CO2, 8 veces entre los días 6 y
17.
Mediante el control del pH se logró mantener una proporción bastante estable de los iones
HCO3- y CO32-, lo cual está regido por los siguientes equilibrios químicos.
Logró mantener una proporción bastante estable de iones H C O 3 - y C O 3 2 - lo cual está
regido por los siguientes equilibrios químicos:
:: CO2 + H2O = H2CO3
H2CO3 = H++CO2
HCO3- = H++CO32-
153
Figura 14.1. Suministros de CO2, 8 veces entre los días 6 y 17.
En la figura 14.2, se muestra la variación temporal de la clorofila y la densidad óptica durante el
proceso de cultivo de Spirulina.
Figura 14.2 Variación temporal de la clorofila y la densidad óptica durante el proceso de cultivo
de Spirulina.
En general, la concentración total de HCO3- +CO32- aumentó de 10339,0 a 1350,0 mg.L1 (fabla
14.1), mientras que Ca2+ y Mg2+ disminuyeron ligeramente (de 24,0 a 12,0 mg.L1). En el
intervalo que duró el proceso produjo un creciente aumento de la producción de alga, tal como se
aprecia en la figura 2 a través de los valores de clorofila y densidad óptica las cuales presentaron
un ascenso progresivo.
En la tabla 14.1, se muestran los resultados de las determinaciones químico-físicas realizadas
durante un experimento de cultivo de Spirulina.
Tabla 14.1 . Resultados de las determinaciones químico-físicas realizadas durante un
experimento de cultivo de Spirulina.
T
o
C
8,79
HCO3g
8,79
CO2
g
27,0
CE
 S.cm-1
19600
CO32g
8,79
154
Clg
8464
Ca2+
g
1875
HCO3g
671
CO2
g
10339
T
o
C
8,72
9,11
9,14
9,29
9,8S
1 6 82
2 6 92
3 6 92
HCO3g
8,72
9,11
9,14
9,29
9,88
9,38
9,56
9,47
CO2
g
27,0
8,72
9,11
9,14
9,29
24.0
24.0
24.0
CE
S.cm-1
18700
20800
21100
21600
23300
22000
22400
21400
CO32g
8,72
9,11
9,14
9,29
9,8S
9,56
9,47
9,60
Clg
8692
8769
8006
7487
8006
7168
785
795
Ca2+
g
1725
1725
1726
2700
2325
3075
2700
2750
HCO3g
710
710
710
710
710
715
799
800
CO2
g
10417
10494
1026S
10181
10187
1 6 82
2 6 92
10331
En la tabla 14.2, se muestran los resultados de las determinaciones de clorofila y densidad óptica
durante el experimento de cultivo de Spirulina.
Tabla 14.2. Resultados de las determinaciones de clorofila y densidad óptica durante el
experimento de cultivo de Spirulina.
Fecha
27
28
29
1
3
4
8
9
11
17
22
Clorofila
6,92
6,92
6,92
6,92
6,92
6,92
6,92
6,92
6,92
6,92
6,92
Desidad
A
1,722
0,967
2,982
6,S93
4,710
8,937
8,213
8,114
10,080
10,430
20,400
E
0,500
0,340
0,486
0,497
0,939
0,164
2,832
3,S12
3,479
1,7S7
1,399
Dendidad Óptica
B
A
0,128
1,8SO
0,260
0,017
0,2S2
3,234
0,272
7,362
1,081
6,331
0,946
9,636
2,276
13,320
2,002
13,630
3,067
16,630
1,939
14,120
1,812
23,610
E
0,0723
0,062S
0,0498
0,2666
0,3314
0,3849
0,4211
0,6324
0,663
0,7640
0,9763
Conclusiones
Como resultado de este estudio de caracter preliminar se puso de manifiesto la conveniencia de
controlar la producción del metabolismo de las algas del tipo Spirulina mediante el suministro
adecuado de CO2 a partir de mediciones de pH, conductividad eléctrica, determinación de
los macro constituyentes por valoración; así como análisis de clorofila y densidad ótica por
métodos espectrofotométricos.
Mediante correlaciones matemáticas entre los diferentes indicadores de calidad se podría
racionalizar su número y controlar el proceso a partir del pH y la conductividad eléctrica.
Eléctrica, determinación de los macroconstituyentes por valoración; así como análisis de
clorofila y densidad ótica por métodos espectrofotométricos.
Mediante correlaciones matemáticas entre los diferentes indicadores de calidad se podría
racionalizar su número y controlar el proceso a partir del pH y la conductividad eléctrica, así
como los correspondientes modelos de correlación. Esto será objeto de estudio en el futuro,
contemplándose además la implementación de un programa de computción específico para
estos objetivos.
155
15.- Ocurrencia de aguas naturales y minerales para
el cultivo de microalgas
Juan Reynerio Fagundo Castillo1, Patricia González Hernádez1, Vivian Ferrera Leon2, Griselda
Benítez. Pacheco2
1
Facultad de Química. Univeridad de La Habana
2
Centro Nacional de Investigaciones Científicas. MES
Resumen
Los medios de cultivo de las microalgas Spirulina y Artthospira, son similares, están constituidos
pricipalmente por NaHCO3 en concentraciones del oden de 16,0 gL -1.coposición ésta prsente en
aguas naturales minerales de origen volcánico en África (lago Chad), América (Laguna de Texcoco
en México, y Laguna del Urao en Venezuela) y otros países. En Cuba, aunque existe aguas naturales
minerales de tipo bicarbonatada sódica, sus contenidos, no sobrepasan los 2,0 gL -1, por lo que para
ser usadas como medio de cultivo natural de dichas microalgas, es necesario reconcentrarlas por
evaporación, previo tratamiento con resinas de intercambio catónico para impedir la prrcipitación
del Ca2+ presente como CaCO3, y con ello evitar correspondiente decremento del ión HCO 3- en la
solución.
Mediante modelos de balance de masa, se determinó que la comosición química, y los procesos
geoquímicos de dichas aguas se debe a la disolución incongruente de la plagioclasa albita, así como
de otros procesos geoquímicosen menor proporción, tales como congruente de halita, oxidación de
pirita eintemperismo de piroxeno.
Palabras claves: Ocurrencia de aguas naturales y minerals, cultivo de microalgas, modelos de
balance de masa, procesos geoquímicos.
Abstract
The media of cultivation of Spirulina and Artthospira, they are similar, are constituted principal for
NaHCO3 in concentration the order of t16.0 gL-1. composition this present in mineral natural water
of volcanic origin in Africa (Lake Chad), America (Laguna of Tex-coco in Mexico, and Laguna of
the Urao in Venezuela) and bi-carbonat and other countries. In Cuba, although there is mineral bicarbonate natural water of the type sodium, that content, do not surpass the 2,0 gL -1, which is why
to be used like natural culture medium of the aforementioned microalgae, it is necessary to
concentrate them for evaporation, previous treatment with resins of cationic exchange to impede the
Ca2+ precipitation present as like as CaCO 3, and with it avoiding corresponding decrement of the ion
HCO3- in the solution.
By means of models of balance of mass, it was determined that the chemical composition, and the
geochemical processes of these water, is due to the incongruet dissolution of the plagioclase albite,
as well as of other processes in smaller proportion, such like congruent dissolution of halite,
oxidation of pyrite and weathering of pyroxene.
Keywords: Uccurence of natural and mineral water, cultivation of microalgae, Spirulina and
Artthospira, models of balance of mass, geochemical processes.
156
Introdución
Las microalgas, de los géneros Spirulina y Artthospira, son similares, están constituidos
principalmente, por NaHCO3 en concentraciones del oden de 16,0 gL-1.composición ésta presente
en aguas naturales minerales de origen volcánico en África (lago Chad), América (Laguna de
Texcoco en México, y Laguna del Urao en Venezuela) y otros países. En Cuba, aunque existe aguas
naturales minerales de tipo bicarbonatada sódica, sus contenidos, no sobrepasan los 2,0 gL -1,
concentraciones muy bajas, por tanto, para cultivar estas algas en Cuba, puede emplearse el recurso
natural en lugares adecuados, donde puedan ser concentradas por evaporación. De lo contrario, es
necesario importar grandes cantidades de NHCO3 reactivo. Las aguas natrurales de elevada
mineralización, presentes en algunas salinas costeras y balnerios de aguas minero medicinales del
país, idóneas para el cultivo de microalgas del género Dunadielanas, mientras que las aguas de
menor concentración, de tipo clorurada sódica, mas representativas en Cuba, son adecuadas para el
cultivo de las microalgas del tipo Clorela, En general, las aguas de tipo sulfatada cálcica existente
en algunos balnearios de aguas mineromedicinales crean medios ecológicos favorables parala
creación de peloides con propiedades medicinales, donde las microalgas y bacterias presentes
juegan un importante papel.
La preparación de de los medios de cultivo a partir de fuentes naturals, permite un gran ahorro de
importación de reactivos abaratando los costos de producción.
Las aguas más apropiadas para el cultivo de microalgas del tipo Spirulina, son aquellas que poseen
un alto contenido de HCO3-.
En la figura 15.1, se ilustra la distribuidos en el país de los yacimientos de aguas minerales y
mineromedicinales que drenan rocas félsicas.
Figura 15.1. Distribución en el país de los yacimientos de aguas minerales y mineromedicinales
que drenan rocas félsicas.
157
Los datos hiroquímicos fueron muestreados por especialistas del INRH (1991) y por Fagundo et al,
1991; 1992).
Las medidas de campo, de muestras de agua (temperatura, el pH, potencial redox y oxígeno
disuelto) fueron realizadas usando un medidor de pH y temperatura marca HI-8424 HANNA;
modelo pH HI-914, de la marca HANNA. El contenido del CO 2 fue determinado in situ. Los macro
componentes fueron determinados usando técnicas analíticas estándares (Asociación Americana de
Salud Pública - AWWA - WPCF (1995), modificados por Krawczyk, (1992). Los datos fueron
obtenidos en el área en el intervalo 1984-2012 (Rodiguez et al (1989); Pulina and Fagundo;
Fagundo et al (2007); 2008), y se procesaron aplicando el sistema de informático
HIDROGEOQUIM (Fagundo et al, 2015)
Las aguas naturals con elevados contenidos de NaHCO 3 que abundan en otros países, pueden
formarse por adición de CO2 de origen biogénico sobre minerals como, Natrón o Gaylusita, tal
como ocurre en la laguna del Urao, en Venezuela (Matheous, 1925; Urbani, 1993). Las aguas en
esta laguna pueden alcanzar una concentración de adición de CO 2 de origen biogénico disuelto de
hasta 15,0 g.L-1, mediante la reacción química (1).
CO2 + H2O + Na2CO3 = 2 Na+ + 2 CO32-(1)
Natrón
CO2 + H2O + N2Ca(CO3)22 H2O =2 Na+ + 4 HCO3- + 2 H2O (2)
Gylusita
En las regiones volcánicas o en los terrenos de tipo efusivo sedimentario, como es el caso de la
región objeto de estudio, las aguas de bicarbonatada sódica adquien su composición química
mediante reacciones químicas con minerales de tipo aluminosilicatos, originadas por proceos
geoquimicos, tales como: disolución incongruente de la plagioclase albita, representada mediante la
reacción química:
En las rocas del Neógeno, como las que afloran en esta zona, son de tipo bicarbonatada sódica o
bicarbonatada cálcica, según se originen en calizas dolomitizadas o dolomías, según la de reacción
(3):
CO2 (g) + H2O + CaCO3 (s) = Ca(HCO3)2 (aq) (3)
Calcita
CO2 (g) + H2O + CaMg(CO3)2 (s) = Ca 2+ (ac) + Mg2+ (ac) + 4 HCO3- (ac) (4)
Dolomita
Na2Si3O8+ 5 H2O = 2Al2SiO5(OH)4 (s) (5)
Albita Caolinita
Las aguas que se mueven en este tipo de terreno, llegan a alcanzar una concentración de HCO 3- del
orden de 0,35-0,44 g.L-1, por intercambio iónico del sodio por el calcio en solución:
Ca(HCO3)2 (aq) + 2 R-Na + H2O = 2 HCO3- + 2 Na+ + R2Ca (6)
De forma general:
CO2 (g) + H2O + CaCO3 (s) + 2 RNa = 2 HCO3- + 2 Na+ + R2Ca (7)
158
R = Ca2+, Mg2+.
Enelcaso de las regiones que presentan rocas serpentiníticas, las aguas son de tipo bicarbonatada
magnesiana, con um contenido de ión HCO 3-,que pude variar entre 0,35 y 0,85 g.L -1. (Tabla 15.1).
Las reacciones químicas em este caso se producen por La presencia del ión Mg 2+, según la de
reacción (8):
CO2 + H2O + N2Ca(CO3)22 H2O =2 Na+ H2O + 2 H4SiO4 + Al2S1O5 (8)
Albita Caolinita
Este procesos de disolución incongruente, sefoman minerales ricos em hierro como la
ferronantronita, los cuales ulteriormente se degradan a óxidos de hierro, imprimiéndoles el tipo de
matiz rojizo a los suelos originados, tal como sucede en las lateritas
Las rocas del Cretácico, que afloran en las províncias de Artemisa y La Habana, donde se presentan,
fundamentalmente, rocas de tipo bicarbonatada sódica, están representadas por tufitas, andesitas,
basaltos, areniscas, conglomerados, argilitas y otras rocas, de las formaciones Vía Blanca,
Bacunayagua y Peñalver.
Las rocas carbonatadas están representadas por calizas, calizas dolomitizadas, calizas arcillosasar y
calcaenitas de las formaciones Husillo, Jaruco, Güines, Cojimar y Caobas del Neógeno. La aguas
que discurren por este tipo de terreno son, por lo general, de tipo bicarbonatada cálcica (tabla 15.1),
solo un pozo presenta aguas del tipo bicarbonatada magnesiana.
En la tabla 15.1, se muestran las propiedades químico-físicas de las aguas muestreadas em la región
de Cabañas y el Mariel (Fagundo et al, 1991; 1992).
Tabla 15.1. Propiedades químico-físicas de las aguas de Cabañas y el Mariel,
No,
T
pH
CE
CO2
HCO3
Cl
SO4
Ca
Mg
NaK
CaCO3
TSS
mg.L-1
mg.L-1
mg.L-1
mg.L-1
mg.L-1
mg.L-1
mg.L-1
mg.L-1
mg.L-1
1*
26,0
8,05
1296
4,80
11,67
0,96
0,33
3,70
2,25
7,01
298
1024
2*
26,5
7,60
1723
7,10
15,36
1,52
0,35
2,20
2,25
12,78
222
1373
3**
26,5
8,05
2150
7,20
20,30
0,62
0,58
2,90
1,25
17,35
208
1760
4**
26,0
8,15
2712
7,20
24,33
1,58
1,21
2,65
1,92
22,55
228
2193
5**
26,0
8,30
2062
6,90
17,87
0,87
1,88
2,60
1,67
16,35
213
1659
6**
26,0
7,90
2039
7,80
13,16
0,90
6,33
3,70
1,33
15,36
252
1582
7**
26,5
8,30
1535
5,30
10,23
2,20
2,92
1,15
1,75
12,45
145
1173
8**
26,0
8,40
2271
9,30
12,54
6,59
3,58
1,55
1,83
19,33
169
1668
9**
25,5
7,90
1096
13,50
9,41
1,13
0,42
2,70
5,75
2,51
422
815
10**
26,0
8,10
1353
3,90
10,03
2,90
0,60
3,15
1,67
8,71
241
1027
11**
25,0
8,10
2206
12,00
11,79
5,92
4,35
4,60
2,17
15,29
338
1608
12**
26,0
8,10
1568
7,00
11,13
1,63
2,92
3,25
2,00
10,43
262
1206
13**
26,5
8,10
1841
9,00
11,84
3,32
3,25
3,35
2,00
13,06
268
1387
14**
26,0
8,20
1307
8,10
9,80
1,44
1,83
3,05
2,08
7,94
256
1005
15**
27,0
8,05
1702
10,00
10,34
2,37
4,31
3,25
2,07
11,70
266
1281
16**
25,5
7,95
2940
9,30
15,61
3,32
10,47
1,00
1,50
26,90
125
2229
17**
27,0
8,30
1485
6,20
10,23
2,20
2,42
1,15
1,75
11,95
145
1137
19**
26,0
8,00
1187
12,00
9,87
0,96
1,04
2,85
2,00
7,02
242
928
20**
27,0
8,20
1643
4,00
11,05
3,92
1,46
3,85
1,50
11,08
268
1233
*Pozo criollo, ** Pozo Abasto.
En las provincias de Pinar del Río y Artemisa, las aguas de tipo bicarbonatada sódica originadas por
La acción de lãs águas meteóricas sobre los sedimentos de origen volcánico y tienen La
composición química adecuada para el cultivo de la microalga Spirulina, se localiza entre La Bahía
Honda y Mariel Esta región corresponde a la zona estructuro-facial Bahía Honda y Mariel, la cual
159
limita al norte com el Golfo de México, y aL sur com La unidad tectônica Guaniguanico, donde se
enciuentra la Sierra del Rosario.
En las provincias de Pinar del Río y Artemisa, se encuentran ampliamente desarrollados los
depósitos cretácicos, constituidos por conglomerados, areniscas calcáreas, margas, arcillas y calizas
esquistosas de las formaciones Vía Blanca (K 2 cp-m), Bacunayagua (K2 cp-m), Chirino (K1-2 al-cm), y
Martín Mesa (K1-2). En la región existe un buen desarrollo tectónico, que favorece el ascenso de los
flujos procedentes de acuíferos confinados más profundos (Academia de Ciencias de Cuba, 1975;
Pszolkowski et al, 1990; Martíez et al, 1991).
En el yacimiento de aguas minerales naturales y mineromedicinales de Santa María del Rosario, la
Formación Vía Blanca se encuentra representada por sedimentos vulcanógenos, constituidos por
aleurolitas, argilitas, areniscas, margas, conglomerados y horizontes de olistostromas; la Formación
Bacunagua, por conglomerados, areniscas con pequeñas intercalaciones de calizas; la Formación
Chirino, por tufitas, andesitas, basaltos, radiodaritas, pedernales y calizas; y la Formación Martín
Mesa, por calizas masivas y estratificadas (biomicritas), y por calcarenitas (Mapa Geológico de
Cuba, 1985). También afloran en el yacimiento, rocas del Neógeno y el Cuatenario, constituidas por
calizas arrecifales y calcarenitas.
La hidrogeología del área de estudio se encuentra representada por diferentes complejos acuíferos:
Zona acuífera del Arco Volcánico, Zona acuífera del complejo ofiolítico y Zona acuífera Filoniana
(Zona acuífera Filoniana).
En la Zona acuífera del Arco Volcánico, se presentan rocas del arco volcánico del Cretácico. Esta
formación tiene una representación pobre en el territorio y sólo aparece en forma de bloque
tectónico elevada en la parte suroeste del área donde precisamente se originan el alumbramiento de
las aguas minerales sulfurosas, silíceas que dan origen al yacimiento.
En la Zona acuífera del complejo ofiolítico, la difusión de las aguas del complejo ofiolítico es
insignificante, las rocas presentes están compuestas por serpentínitas y diferentes variedades de
ultramafitas serpentinizadas por su composición química las aguas son bicarbonatadas magnesianas,
con contenido de sulfato, cloruro y sodio.
En la Zona acuífera Filoniana, existe un buen desarrollo del tectonísmo, las rocas encajantes son
tobas duras y compactas agrietadas con presencias de hidrocarburos más o menos oxidadas en la
superficie de las grietas y una piritización relativamente intensa.
Las aguas minerales naturales y mineromedicinales de este yacimiento, están asociadas
fundamentalmente al complejo acuífero filoneano y rocas vulcanógenas.
En la tabla 15.2, se muestra la clasificación de las aguas naturales minerales y mineromedicinales
félsicas del Balneario Santa María del Rosario, acorde a su uso, el tipo hidroquímica, tipo
balneológico, acorde a la temperatura y acorde a la mineralización.
En la tabla 15.2, sestra La clasificación de las aguas naturales minerales y mineromedicinales
félsicas del Balneario Santa María del Rosario, acorde a su uso, el tipo hidroquímica, tipo
160
Tabla 15.2. Clasificación de las aguas naturales minerales y mineromedicinales félsicas del
Balneario Santa María del Rosario, acorde a su uso, el tipo hidroquímica, tipo
N
Uso
Clasificación
hidroquímica
Tipo balneológico
Acorde a la
Temperatura
1
MM
MM
Hipotermal
Media
3
MM
Hipotermal
Alta
4
MM
Hipotermal
Media
5
MM
Hipotermal
Alta
6
MM
Hipotermal
Alta
7
MM
Bicarbonatadaclorurada, Sódica,
Sulfurada sódica, Silícica
Oligominral, Sulfurada mixta
(Sódica cálcica), Silícica
Clorurada bicarbonatada,
Sódica
Sulfurada mixta (Sódica
cálcica), Silícica
Sulfatada mixta (Cálcica sódica
magnésica)
Clorurada bicarbonatada.
Sódica
Clorurada bicarbonatada,
Sódica, Sulfurada sódica,
Silícica
Hipotermal
2
Bicarbonatada clorurada
sódica
Bicarbonatada sódica
cálcica
Clorurada bicarbonatada
sódica
Bicarbonatada sódica
cálcica
Sulfatada cálcica sódica
magnésica
sódica
sódica
Acorde a la
mineralizaci
ón
Alta
Hipotermal
Alta
En la figura 15.2, se presenta la composición química del agua del Balneario Santa María del
Rosario, representada mediante diagramas de Stiff (1951).
PH: 172-451, TSS: 1298
PH: 352-424, TSS:642
PH: 118-451, TSS: 1553
PH: 451-541, TSS: 1550
PH: 352-224, TSS: 1550
PH: 721-325, TSS:1540
161
PH: 532-325, TSS: 1559
Figura 15.2 Composición química del agua del Balneario Santa María del Rosario, representada
mediante diagramas de Stiff (1951).
De acuerdo los patrones hidrogeoquímicos de estas aguas, de composición química cloruradasódica
y bicarbonatada cloruradasódica, con un recorrido subterráneo largo y alta mineralización, son
típicas del flujo profundo (Tóth, 1951).
Conclusiones
Los medios de cultivo de las microalgas Spirulina y Artthospira, son similares, están constituidos
pricipalmente por NaHCO3 en concentraciones del oden de 16,0 gL -1.coposición ésta prsente en
aguas naturales minerales de origen volcánico en África (lago Chad), América (Laguna de Texcoco
en México, y Laguna del Urao en Venezuela) y otros países.
En Cuba, aunque existe aguas naturales minerales de tipo bicarbonatada sódica, sus contenidos, no
sobrepasan los 2,0 gL-1, por lo que para ser usadas como medio de cultivo natural de dichas
microalgas, es necesario reconcentrarlas por evaporación, previo tratamiento con resinas de
intercambio catónico para impedir la prrcipitación del Ca 2+ presente como CaCO3, y con ello evitar
correspondiente decremento del ión HCO3- en la solución.
Mediante modelos de balance de masa, se determinó que la comosición química, y los procesos
geoquímicos de dichas aguas se debe a la disolución incongruente de la plagioclasa albita, así como
de otros procesos geoquímicosen menor proporción, tales como congruente de halita, oxidación de
pirita eintemperismo de piroxeno.
Las aguas naturals con elevados contenidos de NaHCO 3 que abundan en otros países, pueden
formarse por adición de CO2 de origen biogénico sobre minerals como, Natrón o Gaylusita, tal
como ocurre en la laguna del Urao, en Venezuela.
Las aguas en esta laguna pueden alcanzar una concentración de adición de CO2 de origen biogénico
disuelto de hasta 15,0 g.L-1.
En las regiones volcánicas o en los terrenos de tipo efusivo sedimentario, como es el caso de la
región objeto de estudio, las aguas de bicarbonatada sódica adquien su composición química
mediante reacciones químicas con minerales de tipo aluminosilicatos, originadas por proceos
geoquimicos, tales como: disolución incongruente de la plagioclase albita, representada mediante la
reacción química:
En las rocas del Neógeno, como las que afloran en esta zona, son de tipo bicarbonatada sódica o
bicarbonatada cálcica, según se originen en calizas dolomitizadas o dolomías.
La hidrogeología del área de estudio se encuentra representada por diferentes complejos acuíferos:
Zona acuífera del Arco Volcánico, Zona acuífera del complejo ofiolítico y Zona acuífera Filoniana
(Zona acuífera Filoniana).
En la Zona acuífera del Arco Volcánico, se presentan rocas del arco volcánico del Cretácico. Esta
formación tiene una representación pobre en el territorio y sólo aparece en forma de bloque
162
tectónico elevada en la parte suroeste del área donde precisamente se originan el alumbramiento de
las aguas minerales sulfurosas, silíceas que dan origen al yacimiento.
En la Zona acuífera del complejo ofiolítico, la difusión de las aguas del complejo ofiolítico es
insignificante, las rocas presentes están compuestas por serpentínitas y diferentes variedades de
ultramafitas serpentinizadas por su composición química las aguas son bicarbonatadas magnesianas,
con contenido de sulfato, cloruro y sodio.
En la Zona acuífera Filoniana, existe un buen desarrollo del tectonísmo, las rocas encajantes son
tobas duras y compactas agrietadas con presencias de hidrocarburos más o menos oxidadas en la
superficie de las grietas y una piritización relativamente intensa.
Las aguas minerales naturales y mineromedicinales de este yacimiento, están asociadas
fundamentalmente al complejo acuífero filoneano y rocas vulcanógenas.
De acuerdo los patrones hidrogeoquímicos de estas aguas, de composición química cloruradasódica
y bicarbonatada cloruradasódica, con un recorrido subterráneo largo y alta mineralización, son
típicas del flujo profundo.
163
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Datos de los autores
Juan Reynerio Fagundo Castillo es graduado de Dr. en Ciencias
Químicas y Dr. en Ciencias. Posee las Categorías de Investigador
Titular, Investigador de mérito y de Profesor Titular y miembro de
la Academia de Ciencias de Cuba. Trabaja como investigador y
profesor de la Facultad de Química de la Universidad de La
Habana. Ha desarrollado una amplia labor científico-técnica sobre
Hidrogeoquímica y Calidad del Agua, y los resultados de de esa
labor han sido difundidos a través de Conferencias Magistrales en
Cuba y el extranjero, y a través de más de 25 libros y 280 artículos
científicos en revistas especializadas. Ha tutelado una gran cantidad
de Diplomas Universitarios y Tesis de Maestría y Doctorado
La Dra. CT Patricia González Hernández, es graduada en Radioquímica en la Universidad de La Habana. Posee las Categorías de Investigadora Titular y Profesora
Titular. Trabaja como investigadora y profesora de la Facultad de Química de la Universidad de La
Habana. Ha desarrollado una amplia labor científico-técnica sobre Hidrogeoquímica y Calidad del
Agua, y los resultados de de esa labor han sido difundidos a través de Conferencias Magistrales en
Cuba y el extranjero, y a través numerosos libros y artículos científicos en revistas especializadas,
las cuales comparte ha realizado conjuntamente con el DrCs. Fagundo. Ha tutelado una gran
cantidad de Diplomas Universitarios y Tesis de Maestría y Doctorado
223

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