GUÍA DEL ESTUDIANTE MATERIA ORGÁNICA Y OXÍGENO EN LOS ECOSISTEMAS ACUÁTICOS

DATOS DE INTERÉS ......................................................................................................................................... 2 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................ 3 FUNDAMENTOS TEÓRICOS ............................................................................................................................ 4 IDEAS CLAVE .................................................................................................................................................... 5 PREGUNTAS CONDUCTORAS ........................................................................................................................ 6 ACTIVIDADES DE APLICACIÓN ....................................................................................................................... 6 MATERIALES Y REACTIVOS ............................................................................................................................ 6 PROCEDIMIENTO.............................................................................................................................................. 7 a)

Preparación de las muestras ..................................................................................................................7 i.

Rango Bajo (DQO entre 13,5 y 100 mg/L) ........................................................................................ 7

ii.

Rango Alto (DQO entre 70 y 700 mg/L) ............................................................................................ 7

b)

Digestión.................................................................................................................................................7

c)

Determinación de la DQO mediante titulación ........................................................................................8

d)

Cálculos ..................................................................................................................................................8

ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................................................................................ 8 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................................... 9

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DATOS DE INTERÉS Desde lo nacional, según la política nacional para la gestión integral del recurso hídrico, 2010. Se cálculo del índice de calidad del agua para corrientes superficiales de las cuencas Cauca y Magdalena (ICACOSU) mediante variables básicas que dan cuenta de diferentes orígenes de contaminación como son: porcentaje de saturación de oxígeno disuelto (OD), sólidos totales en suspensión, demanda química de oxígeno, conductividad eléctrica y pH, en 140 corrientes, los resultados del índice de calidad del agua indican las causas de baja calidad para cada parte de las cuencas:

Cuenca del río Magdalena

Cuenca del río Cauca

Alta

Alta

• Contaminación doméstica, industrial, agricola y sanitaria. • Fenómenos de remoción en masa • Procesos erosivos

• Contaminación por el relleno sanitario, vertimientos industriales y domésticos

Media • Contaminacíon asociada a las actividades socioeconómicas (mineria, explotación maderera, deforestación y arrastre de sedimentos por la escorrentía) • Niveles significativos de de DQO, SS, y conductiividad

Media • Fenomeno de erosión y vertimientos directos de aguas residuales domésticas

Baja Baja • Sedimentación en la depresión Momposina y arrastre de sólidos

• Actividades socioeconómicas como la ganadería, y afectación por vertimientos domésticos • Sobre explotación del recurso

En lo local según el plan de saneamiento hídrico de Pereira, la contaminación actual de los ríos Otún y Consota en el tramo urbano de la ciudad de Pereira es realmente crítica; el río Otún tiene una situación menos crítica que el Consota, por su caudal más alto y condiciones hidráulicas y ambientales mejores que hacen que tenga una mayor capacidad de autodepuración. Actualmente el tramo urbano del río Consota, comprendido entre la desembocadura de la quebrada La Dulcera y la salida de la ciudad, en el sector de El Tigre, las aguas están fuertemente contaminadas donde en épocas del año los niveles de oxígeno son menores de uno y prácticamente llegan a cero; igual situación se presenta en las principales quebradas que drenan a este río, como La Dulcera, El Oso y Bedoya. 2|Página

INTRODUCCIÓN Todos los organismos y todos los ecosistemas requieren energía para su funcionamiento, para las plantas y algas su fuente energética es solar mediante el proceso de la fotosíntesis. Para algunos animales y bacterias su fuente es la cadena alimenticia, basada directamente en plantas, algas y materia orgánica. La descomposición de materia orgánica (MO) es uno de los procesos claves en el funcionamiento de los todos los ecosistemas acuáticos, es decir, este proceso es de importancia comparable a la producción primaria, de hecho, un ecosistema necesita básicamente sólo productores y descomponedores para existir indefinidamente; de allí que la descomposición completa los ciclos biogeoquímicos iniciados por los procesos fotosintéticos o quimiosintéticos. En este sentido, en condiciones naturales los ecosistemas reciclan la materia orgánica; sin embargo cuando un ecosistema recibe cantidades anormales de materia orgánica se da un proceso de eutrofización, donde se genera una proliferación de organismos descomponedores, lo cual aumenta notablemente el consumo de oxígeno; esto es particularmente grave en sistemas lacustres (lagos), los cuales no se oxigenan fácilmente. Los descomponedores liberan también un exceso de sus desechos metabólicos, como compuestos azufrados y CO2, que cambian las condiciones físicoquímicas del agua y son tóxicos para muchos organismos. Esto resulta en una alta mortandad por anoxia o por intoxicación de peces, plantas e invertebrados acuáticos y los demás organismos que dependen de ellos. Además de la muerte de ecosistemas completos, proliferan organismos patógenos, las principales fuentes de este tipo de contaminación son los desechos domésticos, agrícolas y algunos residuos industriales, mediante desagües de alcantarillas, estiércol, acumulación de basuras orgánicas, uso excesivo de abonos en los cultivos y desechos del procesamiento de alimentos para humanos y animales. Por consiguiente para el monitoreo de la calidad del agua se deben acudir a parámetros indicadores de materia orgánica y oxígeno, tales como la demanda bioquímica de oxígeno (DBO 5) y la demanda química de oxígeno (DQO), que muestran la influencia antropogénica desde el punto de vista de la afectación del agua por la presencia de centros urbanos e industriales (que por sus características producen desechos líquidos de calidad diferenciable). Estos parámetros permiten reconocer gradientes que van desde una condición relativamente natural o sin influencia de la actividad humana, hasta agua que muestra indicios o aportaciones importantes de descargas de aguas residuales municipales y no municipales.

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FUNDAMENTOS TEÓRICOS La materia orgánica existente en el agua, tanto la que se encuentra disuelta como en forma de partículas, se valora mediante el parámetro carbono orgánico total (TOC, total organic carbon). Los compuestos orgánicos existentes en el medio acuático se pueden clasificar en dos grandes grupos atendiendo a su biodegradabilidad, es decir, a la posibilidad de ser utilizados por microorganismos como fuente de alimentación y para su medida se utilizan los parámetros denominados DQO (Demanda Química de Oxígeno) y DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno), que se exponen a continuación: La demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) es una prueba usada para la determinación de los requerimientos de oxígeno para la degradación bioquímica de la materia orgánica en el agua; su aplicación permite calcular los efectos de las descargas de los efluentes sobre la calidad de las aguas de los cuerpos receptores. Por otro lado la demanda química de oxígeno (DQO) expresa la cantidad de oxígeno equivalente necesario para oxidar las sustancias presentes en las aguas residuales, mediante un agente químico fuertemente oxidante, como el permanganato potásico (KMnO 4), utilizado en aguas limpias y el dicromato potásico (K2Cr2O7), utilizado en aguas residuales, ya que el uso de permanganato potásico en aguas residuales produce unos errores por defecto muy importantes. Por lo tanto, la DQO, medirá tanto la materia orgánica biodegradable por los microorganismos, como la materia orgánica no biodegradable y la materia inorgánica, oxidable por ese agente químico. La DQO tiene la ventaja de ser más rápida que la DBO y no está sujeta a tantas variables como las que pueden presentarse en el ensayo biológico; todos los compuestos orgánicos, con pocas excepciones, pueden ser oxidados a CO2 y agua mediante la acción de agentes oxidantes fuertes, en condiciones ácidas. Por su parte, el oxígeno disuelto (OD) se constituye como un importante agente oxidante del agua, y como determinante de condiciones anaerobias y aerobias del medio, sin embargo sus concentraciones no son muy altas y dependen de la concentración y estabilidad del material orgánico presente y es, por ello, un factor en la auto purificación de los ríos, de ahí que la concentración media de O2 disuelto en aguas naturales superficiales no contaminadas ronde las 10 ppm en climas moderados, sabiendo que los peces, para poder vivir, necesitan agua que contenga, al menos, 5 ppm de O2 disuelto. La determinación del oxígeno disuelto en el agua tiene gran significancia debido a que brinda información sobre las reacciones bioquímicas que tienen lugar en el ecosistema, su determinación sirve como base para cuantificar la DBO aeróbica de los procesos de tratamiento, tasas de aireación en los procesos de tratamiento aeróbico el grado de polución en los ríos. Además es un indicador de la carga orgánica del sistema, siendo utilizado en las determinaciones de producción primaria. Su concentración depende de parámetros físicos (presión, temperatura y 4|Página

concentración salina) y de factores biológicos (producción primaria y consumo oxidativo). Las aguas superficiales no contaminadas contienen entre 7 y 14 mg/l de oxígeno disuelto, aunque en situaciones de elevada productividad primaria o turbulencia pueden registrarse valores de sobresaturación y altas cargas de materia orgánica resultan en valores bajos de oxígeno o en anoxia (Conde y Gorja, 1999). Cuando se requieren determinaciones precisas de OD en lagos y ríos, es especialmente útil su cuantificación mediante electrodos de medida de OD, los cuales por su versatilidad permiten, realizar en forma rápida y sencilla la determinación de este parámetro a diferentes profundidades y localizaciones. Durante el uso de estos electrodos, es conveniente recordar la importancia de calibrar apropiadamente el aparato, verificar el buen estado de la membrana y compensar las lecturas según la temperatura de la muestra. Cuando no se cuenta con un electrodo para medir el OD, el método más usado es el de la modificación del nitruro al método Winkler, el cual se basa en el hecho de que el oxígeno oxida el ion Mn++ a un estado superior de valencia en condiciones alcalinas, y en que manganeso en estados superiores de valencia es capaz de oxidar el ión I- a yodo libre I2° en condiciones ácidas. La cantidad de yodo liberado es medida mediante titulación con una solución estándar de tiosulfato de sodio y es equivalente a la cantidad de oxígeno disuelto originalmente presente en la muestra (Rueda, 2002). EL proceso de depuración de los contaminantes en una fuente hídrica, presenta una dinámica y naturaleza compleja propia de los ecosistemas, por tal si se quiere conocer dicha dinámica, se pueden realizar mediciones de la DQO, junto con la medición del oxígeno en la depuración, ya que esto permite establecer su relación, es decir se espera que en la descomposición de materia orgánica se genere una pérdida de oxígeno. Unos de los primeros sistemas compactos de fitodepuracion son las tecnologías conocidas bajo el nombre de living machine, desarrolladas por el ingeniero y biólogo John Todd. Una living machine funciona simulando y acelerando los procesos naturales de ecosistemas acuáticos; el agua residual avanza a través de diferentes tanques, que están enlazados mediante tubos conectores; cada tanque forma un pequeño ecosistema; después de la filtración, los desechos de aguas residuales se descomponen en nutrientes para microorganismos, algas y plantas acuáticas.

IDEAS CLAVE La demanda bioquímica de oxígeno a cinco días (DBO 5) y la demanda química de oxígeno (DQO), muestran la influencia antropogénica desde el punto de vista de la afectación del agua por la presencia de centros urbanos e industriales (que por sus características producen desechos líquidos de calidad diferenciable).

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Estos parámetros permiten reconocer gradientes que van desde una condición relativamente natural o sin influencia de la actividad humana, hasta agua que muestra indicios o aportaciones importantes de descargas de aguas residuales municipales y no municipales:

CRITERIO DQO < 10 10 < DQO < 20 20 < DQO 200

DESCRIPCIÓN EXCELENTE: No contaminada BUENA CALIDAD: Aguas superficiales con bajo contenido de materia orgánica biodegradable y no biodegradable ACEPTABLE: Con indicio de contaminación. Aguas superficiales con capacidad de autodepuración o con descargas de aguas residuales tratadas biológicamente CONTAMINADA: Aguas superficiales con descargas de aguas residuales crudas, principalmente de origen municipal FUERTEMENTE CONTAMINADA: Aguas superficiales con fuerte impacto de descargas de aguas residuales crudas municipales y no municipales

PREGUNTAS CONDUCTORAS 1) ¿Cómo es el proceso de depuración de contaminantes por un ecosistema, qué factores influyen? 2) ¿Cómo es la dinámica de depuración de los contaminantes en la living machine? 3) ¿Cómo se puede justificar el uso de parámetros como la DQO y el OD en el conocimiento de la calidad de agua, la depuración de contaminantes en la living machine?

ACTIVIDADES DE APLICACIÓN 1. En la primera parte se pretende realizar una introducción a la herramienta práctica “living machine”; además los estudiantes realizaran una línea base del ecosistema mediante la realización de las siguientes actividades: a. Describa el ecosistema “Living Machine” tomando en cuenta lo siguiente: i. Identifique los elementos abióticos y bióticos y sus interrelaciones. ii. Determine la red trófica del ecosistema b. Identifique las poblaciones y comunidades que se encuentran dentro del ecosistema. 2. En la segunda sesión se pretende analizar tres (3) muestras en el laboratorio. 3. La tercera parte corresponde al análisis de resultados.

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MATERIALES Y REACTIVOS            

Tubos con tapa para digestión Digestor Bureta Pipetas volumétricas de 2, 3 y 5 ml Soporte universal Pinza para soporte universal Erlenmeyer Solución digestora Solución catalizadora Agua destilada FAS Ferroin

PROCEDIMIENTO a) Preparación de las muestras i.

Rango Bajo (DQO entre 13,5 y 100 mg/L)

Empleando pipetas volumétricas ponga en cada tubo del digestor exactamente las siguientes medidas: Para las muestras: 5 ml de muestra más 2 ml de solución digestora más 3 ml de solución catalizadora. Para los Blancos: 5 ml de agua destilada más 2 ml de solución digestora más 3 ml de solución Para el FAS: 5 ml de agua destilada más 2 ml de solución digestora más 3 ml de solución ii.

Rango Alto (DQO entre 70 y 700 mg/L)

Empleando pipetas volumétricas ponga en cada tubo del digestor exactamente las siguientes medidas: Para las muestras: 2 ml de muestra más 2 ml de solución digestora más 3 ml de solución catalizadora. Para los Blancos: 2 ml de agua destilada más 2 ml de solución digestora más 3 ml de solución Para el FAS: 2 ml de agua destilada más 2 ml de solución digestora más 3 ml de solución Nota: Se deben montar mínimo dos repeticiones por tubo

b) Digestión Tape herméticamente y homogenice los tubos de reacción y póngalos dentro del reactor previamente pre-calentado a 150°C, contabilice dos horas. 7|Página

c) Determinación de la DQO mediante titulación Transcurridas las dos horas en el digestor transfiera la mezcla de reacción contenido en un Erlenmeyer, y enjuague el frasco 3 veces con agua, a continuación se adicionan 3 gotas de ferroin a la muestra, la cual se tornará de color amarillo, se empieza la titulación con FAS lentamente, la muestra se ornara de un color verde “esmeralda” y el punto final es un color rojizo, cuando la muestra se torne de este color se da por finalizada la titulación NOTA: Los residuos de la titulación deben ser recolectados en un recipiente para su posterior disposición.

d) Cálculos Cuando el agua de dilución ha sido inoculada aplique la siguiente fórmula:

Para determinar la concentración normal del FAS utilice la siguiente fórmula:

ANÁLISIS DE RESULTADOS 1. ¿Qué información proporcionan los datos de DQO? 2. Utilice la información de DQO en todo el ensayo para cada tanque, grafique y realice conclusiones 3. Con base en los resultados correlacione la DQO y el oxígeno en cada tanque de la living machine 4. ¿Cuáles son las limitaciones del ensayo? 5. ¿Qué recomendaciones puede sugerir?

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BIBLIOGRAFIA Aguas y Aguas de Pereira, Plan de saneamiento hídrico de Pereira 2003 – 2018. , disponible en línea en: http://www.aguasyaguas.com.co/sitio/index.php?option=com_content&view=article&id=107&presets= preset7&Itemid=75 Álvarez S. 2005. La descomposición de materia orgánica en humedales: la importancia del componente microbiano. . Ecosistemas. 2005. Disponible en línea en: http://www.revistaecosistemas.net/articulo.asp?Id=118&Id_Categoria=2&tipo=portada APHA, AWWA, APLF. Métodos normalizados para análisis de aguas y aguas residuales. 17 edition. American Public Health Association Enc. New York 1992. Barba, L. E. 2002. Conceptos básicos de la contaminación del agua y parámetros de medición. Universidad del Valle. 51 p. Carvajal, E. V. & Esparragoza, R. A. 2008. Análisis de la normatividad ambiental colombiana para el vertimiento de aguas residuales al sistema de alcantarillado público. Universidad pontificia Bolivariana. 63 p. FAO. SFD. Capítulo 1 - contaminación agrícola de los recursos hídricos: introducción. 20 P Metcalf & Eddy. 1996 “Ingeniería de Aguas Residuales. Tratamiento Vertido y Utilización. Vol. 1 Ed. Mc Graw Hill. México 250 p. Minerva Juárez J., M. Olivia Franco H., Velia P. Ascencio R. 2009. Manual de prácticas de laboratorio de química ambiental i. Instituto politécnico nacional. 65 p Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial. 2010. Política Nacional para la Gestión Integral del Recurso Hídrico. 124 p. Ministerio de Desarrollo Económico - Dirección de Agua Potable y Saneamiento Básico. 2000. Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico RAS – 2000. Sección EE título E: tratamiento de aguas residuales. 145 p. NMX-AA-012-SCFI-2001. “Análisis de agua.- Determinación de la Demanda Bioquímica de Oxígeno en aguas naturales, residuales y residuales tratadas.- Método de Prueba Romero, JA. 1996. Acuiquímica. Escuela Colombiana de Ingeniería. Santafé de Bogotá. Páginas 226.

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