El hombre y la contaminación ambiental (primera parte)

El hombre vive inmerso en la atmósfera, como los demás organismos para sobrevivir. La atmósfera se fue gestando con el transcurso de millones de años, los organismos y complejas reacciones químicas colaboraron con este fin.

La actividad industrial contamino la atmósfera, los principales gases son:

• Dióxido de carbono (CO₂): existe naturalmente en pequeñas concentraciones, en altas concentraciones produce el efecto invernadero
• Metano (CH₄): contribuye al efecto invernadero
• Óxidos de nitrógeno (NOₓ): contribuye al efecto invernadero y a la acidificación de las lluvias
• Compuestos clorofluorcarbonados (CFCs): provocan aumento del calor global y disminución de la capa de ozono
• Dióxido de azufre (SO₂): forman aerosoles de ácido sulfúrico que originan el smog, provoca graves disturbios respiratorios, y acidificación de las lluvias

Las mediciones porteñas se realizaron, entre abril y diciembre de 1.992, en la cuadra del 300 de la calle Maipú, y entre diciembre de 1.992 y el presente, en la del 400 de Talcahuano. Se tomó el aire a 80 cm del suelo. La primera estación estaba entonces en zona vedada, los días laborales de 10 a 19, al tránsito de vehículos particulares. No hay semáforo al final de la cuadra en que se hicieron las mediciones, factor de gran influencia, pues la marcha lenta o los vehículos detenidos favorecen la acumulación de gases de escape. La segunda ubicación corresponde a una cuadra con edificación alta, en la que la calle y la vereda son angostas, y con tránsito intenso de autos particulares, taxis y transporte público. En este caso hay un semáforo al final de la cuadra.

Las figuras 3, 4 y 5 muestran la concentración de CO en tres lapsos diferentes; en la primera, que registra un dato tomado cada medio minuto durante una hora, se advierten las rápidas oscilaciones de la concentración de CO, con alarmantes picos cercanos a las 40 ppm, que los vientos o corrientes locales hacen disminuir rápidamente; en la figura 4, que presenta la variación a lo largo de un día de los valores promedio horarios, la concentración de CO acompaña los cambios de densidad del tránsito a lo largo de las horas, y en la figura 5, que describe lo ocurrido durante una semana, se advierte que cada noche disminuye la contaminación, para retornar con el nuevo día y alcanzar o, frecuentemente, sobrepasar los niveles peligrosos en las horas pico de las jornadas laborales. Si sopla viento, no se alcanzan altos niveles de CO, y las más altas concentraciones promedio en ocho horas se producen en días húmedos y calmos.

Figura 1. Contaminación del aire por monóxido de carbono (CO). Registros tomados en talcahuano 369 el 30 octubre de 1.994, de las 13 a las 14, a razón de una lectura cada medio minuto.promedio: 20,8 partes por millón (ppm)

Figura 2. Contaminación del aire por monóxido de carbono (CO). Valores medios horarios registrados en talcahuano 369 el 30 de noviembre de 1.994

Figura 3. Contaminación del aire por monóxido de carbono (CO) valores medios horarios registrados en Talcahuano al trescientos del 4 al 10 de noviembre de 1.994

Figura 4. Contaminación del aire por monóxido de carbono (CO) valores medios horarios registrados en Maipú al 400 del 15 al 21 de mayo de 1.992

Comparando los resultados de las mediciones realizadas en los dos sitios, se constató que, si bien los picos máximos tuvieron una intensidad similar; los promedios fueron consistentemente más altos en el que tiene mayor intensidad de tránsito, donde a menudo se superaba un primer limite de alarma (9ppm como promedio de ocho horas). A menudo los picos se producían los viernes y sábados por la noche, cuando había gran afluencia de vehículos particulares, debida, seguramente, a la proximidad de cines y teatros.

Un episodio que vale la pena señalar es un incremento del CO atmosférico (que llegó a 1 8ppm como promedio de ocho horas) cuando se produjo una interrupción del tránsito en una avenida cercana y su desvío por la calle en que estaba emplazado el instrumento de registro. Ello, naturalmente, era de esperar y coincide con la experiencia de ciudades en las que se realiza un control ambiental completo.

Por sus efectos sobre la salud y sobre ciertos objetos o materiales, así como por su incidencia en la química atmosférica, los óxidos de nitrógeno (NOₓ) y de azufre (SO₂) se encuentran entre los contaminantes más importantes de las ciudades modernas, en muchas de las cuales se determina periódicamente su concentración en el aire; ello no sólo permite conocer el nivel de contaminación sino, también, identificar las fuentes responsables de causarla y establecer una política de prevención que indique cómo actuar cuando llegan a niveles críticos. Con la excepción señalada antes, no hay datos sobre la contaminación por estos óxidos en Buenos Aires: los estudios que relata este artículo proporcionaron los primeros índices, obtenidos por el método de tubos pasivos de muestreo o tubos de difusión, que - por su simplicidad y bajo costo permite cubrir en forma simultánea amplias áreas geográficas. Los valores a que se llegó no son alarmantes, pero tampoco bajos.

Métodos para medir la contaminación atmosférica

Figura 5 esquema del aparato para tomar mediciones continuas del CO atmosférico

(A) computadora personal para el registro. (B) aparato de medición. (C) tubos para calibración.

Las mediciones del contenido de monóxido de carbono en el aire que se comentan en esta nota se realizaron utilizando un aparato de detección infrarroja no dispersiva que toma datos en forma contínua y los transmite, para su registro, a una PC (Figura 5); el instrumento se puede comprar a un proveedor comercial y su empleo ha sido adoptado por la EPA como referencia para mediciones menores que 50 ppm. La calibración inicial del instrumento y sus recalibraciones periódicas, para ajustarlo a las normas EPA, se llevaron a cabo con patrones preparados en el INQUIMAE diluyendo CO y N₂ de alta pureza.

Los tubos de difusión utilizados para tomar muestras de óxidos de nitrógeno y de dióxido de azufre consisten, en esencia, en un cilindro que tiene un extremo abierto a la atmósfera y, en el otro, una solución capaz de absorber el contaminante cuya concentración se desea determinar (Figura 6). Los gases se difunden en el tubo y alcanzan el absorbente. Conociendo los coeficientes de difusión de los contaminantes y aplicando la primera ley de Fick, se obtiene una relación lineal entre la concentración media de aquellos en la atmósfera y la cantidad absorbida en un tiempo de exposición conocido. La técnica es simple, eficiente, de bajo costo, de rápida preparación y usa un dispositivo de fácil transporte. Tomar las muestras no requiere energía externa ni mantenimiento, y se puede instalar un gran número de tubos pasivos, con una sencilla protección del viento, de las lluvias y del sol, en una amplia área geográfica, lo que permite obtener un mapa de la distribución de NOₓ y SO₂. Las medidas que se obtienen necesariamente se refieren a períodos que se extienden entre algunas horas y varias semanas.

Figura 6 esquema de tubo de difusión

Si bien la actividad microbiológica del suelo libera pequeñas cantidades de NOₓ a la atmósfera, su presencia en las ciudades proviene de los combustibles fósiles, principalmente los utilizados en motores. Existen dos reacciones principales por las que el NO, oxidándose, se transforma en NO₂; una es con ozono, de la que resultan oxígeno y NO₂; la otra es con radicales peróxido, que se producen a partir de los hidrocarburos presentes en la atmósfera, por efecto de la luz ultravioleta. La acción de la luz da lugar al efecto inverso: disocia el NO₂, con lo que regenera el NO y el ozono (cuando se igualan la formación y destrucción del NO₂, se alcanza un estado fotoestacionario). Hay otro proceso, no reversible, de remoción del NO₂ durante el día por reacción con radicales hidroxilo, para formar ácido nítrico (HNO₃) que es luego lavado por la lluvia. El NO₂ irrita las vías respiratorias; la Organización Mundial de la Salud recomendó, en 1.987, que el promedio de este gas en una hora no excediese las 0,21 ppm, y que el de veinticuatro horas fuese menor de 0,08 ppm.

Las fuentes de SO₂ son también los combustibles fósiles, pero no los quemados en motores cerrados sino al aire, en usinas de generación eléctrica, fábricas o casas que utilizan hogares abiertos de carbón para su calefacción (situación, esta. casi inexistente en Buenos Aires). La reacción más importante del SO₂ en su fase gaseosa es su combinación con radicales hidroxilo para formar ácido sulfúrico (H₂SO₄). El dióxido de azufre es unas setenta veces más soluble en agua que el CO₂, por lo que es absorbido en el tracto respiratorio y produce broncoconstricción.

Estos contaminantes provienen, en su mayoría, de la acción humana: se dice que son antropogénicos. Sus fuentes más importantes son el tránsito vehicular y las actividades industriales, especialmente las que usan combustibles fósiles para generar energía. En ambientes naturales con reducida presencia del hombre se registran niveles muy bajos de estas substancias.

¿Qué es una atmósfera limpia?

Ciertas instituciones especializadas han establecido las concentraciones de varias substancias que, a su juicio, caracterizan una atmósfera limpia, contiene gases potencialmente perjudiciales para la salud pero en cantidades muy pequeñas.

Concentración de algunos gases minoritarios en el aire limpio:

ppb: partes por billón en volumen, o mm³ del gas por m³ de aire; una ppb es la milésima parte de una ppm.

Las concentraciones de contaminantes halladas en los estudios que dieron lugar a este artículo superan los valores precedentes y no dan lugar a dudas sobre el estado del aire que respiramos. De ahí que se hable con frecuencia de la necesidad de implantar controles, un concepto que significa tres cosas: en una primera etapa, determinar la concentración de substancias nocivas en el aire, para conocer la calidad de este y estar alerta cuando se alcancen niveles críticos de uno o más contaminantes; en una segunda etapa, conocer las fuentes contaminantes que pueden ocasionar esos niveles de alarma, y, como tercer paso, determinar las acciones correctivas, para lo que se necesitan modelos predictivos adecuados. Se tiene un control completo de la contaminación atmosférica en un área cuando se realizan mediciones de la calidad del aire, se pueden identificar las fuentes que causan su deterioro y se llevan a cabo acciones para corregirlo.

Interesante es el caso del ozono, que resulta de una serie de complejas reacciones químicas a partir de óxidos de nitrógeno expuestos a la radiación solar ultravioleta: en presencia de hidrocarburos volátiles, produce otros compuestos oxidantes agresivos. La bruma tóxica o smog de Los Angeles contiene nitrato de peroxiacetilo, generado en los ciclos químicos que vinculan los óxidos de nitrógeno, la luz solar y los hidrocarburos volátiles con el ozono; se trata de un compuesto con fuerte poder oxidante, efecto lacrimógeno, muy irritativo para las mucosas y dañino para los animales y las plantas.

El ozono producido en la troposfera (primera capa de la atmósfera, ubicada entre la superficie de la Tierra y los 15 km de altura) permanece o es consumido allí y no llega a la estratosfera (región de la atmósfera situada encima de la troposfera), donde tiene lugar otro fenómeno: el ozono estratosférico, producto de la acción de la luz ultravioleta sobre el oxígeno, es descompuesto por efecto de esa misma radiación, de substancias químicas naturales y de contaminantes antropogénicos, como los compuestos clorofluorcarbonados, lo cual dio origen al conocido agujero de ozono.

Es paradójico que haya carencia de ozono en la estratosfera y exceso en las capas bajas de la atmósfera: La contaminación causa ese efecto doblemente perjudicial, pues reduce su concentración donde es beneficioso y la aumenta donde no lo es.

Figura 7. Variación de la concentración de ozono con respecto a la altura

La agresividad de los contaminantes depende de su concentración en el aire, la que es función de la cantidad emitida por las fuentes y de la acumulación que permitan las condiciones climáticas locales o estacionales. A veces el efecto tiene lugar lejos de las fuentes: el del ozono superficial generalmente acontece con mayor intensidad a más de 50 km de aquellas. Por ejemplo, el perjuicio que el ozono troposférico originado en las ciudades causa a la producción agrícola, que tiene lugar alejada de ellas, equivale a la disminución de entre 5 % y 10 % del rendimiento de algunos cultivos, como la soja y el trigo.

Una importante fuente de contaminantes es el automóvil. El mal funcionamiento de los motores de combustión interna - o motores de explosión - produce NOₓ, CO y aerosoles con partículas de hollín, constituidas por compuestos carbonosos que transportan el plomo originado en la acción del agente contra el pistoneo (antiknocking) habitualmente adicionado a las naftas. Los motores Diesel son emisores particularmente prolíficos de hollines.

Con excepción del CO, las emisiones anteriores irritan las vías respiratorias y afectan ante todo a personas que sufren de enfermedades relacionadas con ellas, por ejemplo, asma; sus consecuencias agresivas son mayores si son respiradas en ocasión de realizar actividad física enérgica, del tipo de la de los atletas. Unidos). Si bien es poco lo que se sabe sobre su acción en el organismo - y se han dado explicaciones diversas -, la opinión mayoritaria lo señala como la causa más importante del incremento de la mortalidad por contaminación del aire urbano.

Se advirtió que los aerosoles con partículas mayores, más obvias por su tamaño, y las más pequeñas, que no se notan a simple vista, constituyen un peligro para la salud. Se han realizado, en distintas ciudades, estudios que demuestran una correlación entre la cantidad de partículas en suspensión menores de 10 mm, y la mortalidad por causas respiratorias. La Environmental Protection Agency (EPA) de los Estados Unidos fijó el límite de tolerancia para esas partículas en 150 mg/m³.

En la actualidad, los países que controlan la calidad del aire realizan mediciones sistemáticas - que, en muchos casos. son continuas - de los contaminantes más importantes. Los controles se hacen en un conjunto de Sitios, de suerte que se pueda apreciar el estado de la atmósfera, en cierta área, a lo largo del tiempo y de ser necesario, tomar medidas sin demora.

En Buenos Aires no se realizan esos controles sistemáticos de la calidad del aire; hacerlo requeriría considerables recursos, si se apuntara a tener un panorama completo de la situación atmosférica, y seguramente, no habría suficiente personal con las capacidades técnica y científica necesarias para llevar a cabo la tarea. En 1.992, el Instituto de Química Física de Materiales, Medio Ambiente y Energía (INQUIMAE), con el apoyo de la fundación Argentina Siglo Veintiuno, decidió que era importante realizar un primer estudio sistemático para apreciar el estado de contaminación del aire urbano. Por varias razones, sólo pudo encarar una iniciativa de tipo promocional, que ayudara a los porteños a tomar conciencia del flagelo. Así, inició una determinación contínua de CO en una única estación ubicada en el microcentro. Desde entonces, el INQUIMAE ha complementado ese trabajo con otros, pero aún se está lejos de realizar un control riguroso de la calidad del aire de la ciudad. Los estudios adicionales consistieron en analizar; con métodos sencillos y de bajo costo, el aire en distintos sitios del conurbano para determinar sus contenidos de SO₂ y NOₓ, con el asesoramiento de las universidad de Estocolmo y la chilena de Concepción, que realizan rutinariamente ése tipo de análisis, y de las cuales se pudo adquirir rápidamente la capacidad de llevarlos a cabo independientemente.

La atmósfera limpia contiene una muy pequeña proporción de CO, del orden de una parte en diez millones (o 0,1 ppm, que equivale a 0,1 cm³ por m³). Si tiene más, el aire debe considerarse contaminado con esa sustancia, la que a veces alcanza concentraciones de varias decenas de partes por millón; es decir; cientos de veces más que en una atmósfera limpia. La producción antropogénica de CO supera a la de todos los otros contaminantes, sin contar el dióxido de carbono (CO₂), que, en rigor; no es tal, aunque el crecimiento de su concentración en la atmósfera lleve a incrementar el llamado efecto invernadero. En áreas urbanas, el principal origen del CO son los motores de vehículos; a igualdad de otros factores, el nivel de este contaminante en la atmósfera constituye un buen índice del caudal de transito.

El CO que entra en los pulmones y, con la hemoglobina de los glóbulos rojos, forma carboxihemoglobina; bloquea así el transporte de oxígeno a los tejidos. Los efectos del CO sobre la salud provienen de la disminución de la capacidad de oxigenación de la sangre; según sea la cantidad de CO en el aire y el tiempo de exposición, puede producir dolor de cabeza, reducción temporaria de la capacidad mental, vómitos, coma y muerte. Puesto que la formación de carboxihemoglobina se estabiliza luego de unas ocho horas de exposición a cierta concentración de CO, es importante el nivel promedio de contaminación en ocho horas.

Trastornos biológicos producidos por la contaminación

Los efectos del aire contaminado de las ciudades sobre la salud resultan de la acción combinada de las distintas substancias nocivas que aquel pudiese contener. Se dispone de datos epidemiológicos que vinculan aumentos súbitos de la contaminación atmosférica con incrementos en la mortalidad y morbilidad de la población afectada. Los más dañados suelen ser los ancianos y quienes padecen de trastornos respiratorios o cardiovasculares. En lo que sigue se resumen los efectos tóxicos más importantes de los principales contaminantes químicos de la atmósfera.

Monóxido de carbono

La hemoglobina es la proteína de los glóbulos rojos que transporta el oxígeno (O₂) desde los pulmones a los tejidos. Cada molécula de hemoglobina posee cuatro grupos químicos denominados hemo, que son capaces de combinarse con sendas moléculas de O₂. El monóxido de carbono (CO) también se combina con el hemo, y lo hace en el mismo sitio de su estructura química en el que se ubica el O₂, lo cual impide que ambos gases se unan simultáneamente al mismo hemo. Como resultado, cuando la concentración de CO en el aire aumenta, también lo hace el porcentaje de hemoglobina que, por tener sus hemos ocupados por CO, es incapaz de transportar O₂. La afinidad de la hemoglobina por el CO es unas 220 veces mayor que por el O₂, lo que convierte a ese gas en peligroso, aun en concentraciones muy bajas. Así, la presencia de 0,1 % (1.000 partes por millón) de CO en el aire resultaría en que aproximadamente la mitad de la hemoglobina se combinaría con CO, con la consiguiente reducción a la mitad de su capacidad de transportar oxígeno. Por el mismo motivo, 1 % de CO en el aire produce efectos mortales en las personas en unos diez a veinte minutos. Tales valores tienen considerable importancia práctica, pues la concentración de CO en los gases de escape de un automóvil es del 7 %, lo que explica el peligro de mantener el motor de un coche encendido en un ambiente pequeño y poco ventilado, como el típico garaje individual. El CO es inodoro e incoloro, es decir, de imposible detección antes de que se adviertan sus efectos.

La combinación del CO con el hemo no sólo impide la unión del O₂ con este; reduce, también, la capacidad de los grupos hemo todavía disponibles de liberar el O₂ unido a ellos; así disminuye adicionalmente la disponibilidad tisular de O₂. Por tal razón, una persona anémica, con su hemoglobina reducida a la mitad, estará en mejores condiciones que otra cuyos niveles de hemoglobina sean normales pero con la mitad de ella bloqueada por CO, a pesar de que ambas tienen afectada del mismo modo su capacidad de transportar O₂.

El CO también se vincula con la mioglobina y los citocormos, componentes celulares que participan en la respiración y que sufren un efecto tóxico del CO análogo, por sus mecanismos, al que actúa en la hemoglobina.

Los síntomas y signos de la intoxicación por CO son los típicos de la anoxia (o privación de oxígeno en las células). Según sea la intensidad de la anoxia, sus consecuencias pueden ser ligeras o muy graves, incluso producir la muerte. La magnitud de la intoxicación con CO depende de la concentración del gas en el aire y la duración de la exposición; es más seria en individuos anémicos y cuando los requerimientos de O₂ son mayores (por ejemplo, al realizar esfuerzos físicos intensos: no hay que ponerse a correr en calles con mucho tráfico). En todos los casos, el tratamiento consiste en el suministro de suficiente oxígeno para desplazar al CO de su combinación con la hemoglobina, la mioglobina y los citocromos; en casos muy graves, el O₂ se debe proporcionar a presión superior a la atmosférica, en recintos especiales llamados cámaras hiperbáricas.

Poco se sabe sobre los efectos tóxicos de la exposición prolongada a concentraciones bajas de CO, que serían frecuentes en circunstancias como las que trata este artículo. Se ha advertido que afecta el nivel de alerta del individuo, y que en embarazadas esa clase de intoxicación crónica puede ser peligrosa para el feto. En general, el ser humano dispone de mecanismos para compensar anoxias moderadas, los cuales, sin embargo, pierden su eficacia en ancianos y en personas con enfermedades cardiovasculares o pulmonares, quienes, por lo tanto, son más susceptibles a la intoxicación.

Dióxido de azufre

La consecuencia principal de su inhalación es la constricción de los bronquios, con las consiguientes dificultades para la respiración. Los asmáticos son más sensibles a este efecto, pues en ellos la broncoconstricción puede ocurrir con concentraciones mucho menores del gas. La información epidemiológica disponible indica que se produce un aumento de la morbilidad y mortalidad por enfermedades pulmonares cuando tienen lugar incrementos transitorios de la concentración atmosférica de dióxido de azufre y de partículas.

Ozono

El principal efecto del ozono es una irritación pulmonar que conduce a dificultades respiratorias. La exposición crónica a concentraciones de este gas superiores a las admisibles produce bronquitis, enfisema y fibrosis pulmonar.

Dióxido de nitrógeno

Produce alteraciones pulmonares similares a las que genera el ozono.

Bibliografía:

Revista de Divulgación Científica y Tecnológica de la Asociación Ciencia Hoy "Ciencia Hoy"

Según Alfred Goodman Gilman, 1.990, The Pharmacological Basis of Therapeutics, Pergamon

Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet).

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