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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA DE SISTEMAS
TESIS:
“MODELO SISTÉMICO PARA EVALUAR LA
RECUPERACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR PLOMO EN EL DISTRITO DE CONCEPCIÓN”
PRESENTADA POR :
JOSÉ LUIS YARASCA BEJARANO
PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE MAGISTER EN INGENIERÍA DE SISTEMAS
CON MENCIÓN EN
CIENCIAS DE LA COMPUTACIÓN E INFORMÁTICA
HUANCAYO – PERÚ
2015
2 ASESOR:
Mg. ANIEVAL PEÑA ROJAS
3 AGRADECIMIENTOS
A los Ingenieros de la Facultad de Ingeniería de Sistemas de la Universidad Nacional del Centro del Perú, dedicados al campo Sistémico, especialmente al Ingeniero Mg. Anieval Peña Rojas, Asesor de la tesis, por su apoyo y guía durante la realización del presente trabajo
4 DEDICATORIA
Dedico este trabajo a mi Esposa Cecilia, a mis hijos Luis, Yadira y Maricielo, que son el eje de mis objetivos y también quienes me brindaron su incesante apoyo y su cariño, durante la realización de este trabajo, a mis Padres, mis amigos, colegas y maestros ingenieros de la Facultad de Ingeniería de Sistemas por dedicar su incansable lucha en aplicar su enfoque sistémico en este mundo cada vez más complejo.
José Luis Yarasca Bejarano
5 INDICE
AGRADECIMIENTOS DEDICATORIA
INTRODUCCIÓN RESUMEN ABSTRAC
CAPITULO I GENERALIDADES
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 11
1.1.1. DETERMINACIÓN DEL PROBLEMA 11
1.2. FORMULACION DEL PROBLEMA 15
1.2.1. PROBLEMA GENERAL 15
1.2.2. PROBLEMAS ESPECÍFICOS 16
1.3. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION 16
1.3.1. OBJETIVO GENERAL 16
1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 16
1.4. IMPORTANCIA Y ALCANCES DE LA INVESTIGACION 16
CAPITULO II
MARCO DE REFERENCIA
2.1. ANTECEDENTES DEL PROBLEMA 18
2.2. BASES TEÓRICO CIENTÍFICAS 21
METALES PESADOS
2.3. EFECTOS DE LOS METALES PESADOS EN EL SUELO 24 2.4. MOVILIZACIÓN DE LOS METALES PESADOS EN EL SUELO 25
2.5. PLOMO 27
2.5.1. EFECTOS DEL PLOMO EN LA SALUD 28
2.5.2. EFECTOS DEL PLOMO EN EL AMBIENTE 29
2.6. BIORREMEDIACIÓN 31
2.7. FITORREMEDIACIÓN 33
2.7.1. MECANISMOS DE LA FITORREMEDIACIÓN 34
2.7.2. FASES DE LA FITORREMEDIACIÓN 36
2.8. TEORIA GENERAL DE SISTEMAS 38
2.9. METODOLOGÍA SISTÉMICA 40
2.9.1. LENGUAJE ELEMENTAL PARA LA DESCRIPCIÓN DE
SISTEMAS 41
2.9.2. APLICACIONES DE LA DINÁMICA DE SISTEMAS 44
6
2.9.3. METODOLOGÍA DE DINAMICA DE SISTEMAS 45
2.10. MODELO APLICATIVO 51
2.10.1. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA 53
2.10.2. FASE DE CONCEPTUALIZACIÓN 53
2.11. FASE DE FORMALIZACIÓN 54
2.12. VALIDACIÓN E IMPLEMENTACIÓN 54
2.13. EXPLOTACIÓN DEL MODELO 56
2.14. MARCO CONCEPTUAL 57
2.15. VALIDACIÓN O CONFIANZA EN EL MODELO 59
2.16. HIPOTESIS 61
2.16.1. HIPOTESIS GENERAL 61
2.16.2. HIPOTESIS ESPECÍFICOS 61
2.17. SISTEMA DE VARIABLES 61
2.17.1. VARIABLES DEPENDIENTE 61
2.17.2. VARIABLES INDEPENDIENTES 62
2.18. OPERACIONALIDAD 62
2.19. POBLACIÓN 62
2.19.1 MUESTRA 63
CAPITULO III
INTERVENCIÓN METODOLÓGICA
3.1. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA 66
3.1.1. ZONA Y POBLACIÓN AFECTADA 66
3.2. FASE DE CONCEPTUALIZACIÓN 66
3.2.1. OBJETIVOS 66
3.2.2. IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES 67
3.2.3. DEFINICIÓN DE VARIABLES 67
3.2.4. IDENTIFICACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE REFERENCIA 68 3.3. SELECCIÓN DE ESPECIES UTILIZADAS PARA LA REMOCIÓN
DE PLOMO POR FITORREMEDIACIÓN EN SUELOS
CONTAMINADOS 68
CAPÍTULO IV
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
4.1. RESULTADOS SEGÚN LOS COMPONENTES DE LA PLANTA
Y ATMÓSFERA 79
4.1.1. CONCENTRACIÓN EN LA RAIZ DE LA PLANTAS 81 4.1.2. CONCENTRACIÓN EN LAS HOJAS DE LA PLANTAS 82
7 4.1.3. CONCENTRACIÓN EN EL TALLO DE LA PLANTAS 83 4.1.4. CONCENTRACIÓN EVACUADO A LA ATMÓSFERA
DE LA PLANTAS 83
4.2. VALIDACIÓN CUALITATIVA. 84
4.3. PRUEBA DE HIPOTESIS 84
4.4. TIPOS DE MUESTREO 89
4.5. CONTRASTACIÓN DE HIPOTESIS 93
CONCLUSIONES 96
RECOMENDACIONES 97
REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍCAS 98
8 INTRODUCCIÓN
La utilización de metales pesados en la industria es altamente difundida, por lo que se ha desarrollado un grave problema de contaminación de los suelo, agua, y por medio de estos llegan a afectar al hombre.
Los niveles de contaminación y su impacto en las diferentes áreas demandan nuevas alternativas para la reducción de los niveles de contaminación.
Por lo cual es importante que estas alternativas mantengan las condiciones físicas y biológicas del suelo.
Por lo cual se ha utilizado varias especies para la proceso de Fitorremediación de suelos contaminados con metales pesados. Ya que este grupo de fitotecnologías reúne un gran número de ventajas, especialmente la limpieza y la economía; no utilizan reactivos químicos, ni afectan negativamente a la estructura del suelo, sólo aplican prácticas agrícolas comunes.
El objetivo de este proyecto fue evaluar la capacidad de Amaranto Hybridus (Amaranto), Beta Vulgaris (acelga) y Medicato Sativa (alfalfa), en la Fitoextracción de plomo en suelos contaminados.
Con análisis y pruebas realizadas en el laboratorio se determinará las mejores especies de plantas para que la biorremediación sea efectiva, y los aspectos técnicos a ser tomados en cuenta para la aplicación de la biorremediación.
La remoción del plomo será cuantificado por espectrofotometría de absorción atómica, que es un método instrumental, capaz de detectar y determinar cuantitativamente la mayoría de los elementos del Sistema Periódico.
9 RESUMEN
La fitorremediación se considera una tecnología viable y rentable emergente que tiene como responsabilidad limpiar los elementos traza de metales pesados como es el caso del plomo. Este método no ha sido muy propagada por la existencia de diversas dudas al respecto.
Estos pueden resumirse como la incertidumbre del sistema de comportamientos en diferentes escenarios, tales como: contaminante, la concentración de contaminante y el comportamientos de la fisiología de la planta. Enfoques anteriores han implementado diversos algoritmos matemáticos a caracterizar los sistemas de fitorremediación, tales como: juegos de ecuaciones diferenciales de soluciones, correlación estadística y dinámica de sistemas.
La fitorremediación con un enfoque dinámico emplea la estructura clásica de plantas para simular plantación interacción suelo-contaminante. Este modelo ha demostrado su capacidad para reproducir procesos de fitorremediación de plomo, obteniendo más del 95% de correlación con los datos experimentales, y también proporciona la capacidad de saber la velocidad de flujo de contaminantes y su concentración en el tejido vegetal.
El sistema de ecuaciones diferenciales que describe el modelo incluye un parámetro global que encapsula la dependencia de biodisponibilidad de la planta en el contaminante-y su interacción con los medios. El modelo ha demostrado la capacidad para imitar respuesta de la planta como una función de la concentración de contaminantes y su aplicabilidad como herramienta de evaluación del rendimiento del sistema para la fitorremediación.
10 ABSTRAC
Phytoremediation is considered a viable and profitable emerging technology that is responsible for cleaning the trace elements of heavy metals such as lead. This method has not been propagated by the existence of various doubts.
These can be summarized as the uncertainty of system behavior under different scenarios, such as pollutant, contaminant concentration and behavior of plant physiology. Previous approaches have implemented various mathematical characterize phytoremediation systems algorithms, such as games solutions of differential equations, statistical correlation and dynamic systems.
Phytoremediation with a dynamic approach employs the classic structure of plants to simulate interaction planting soil-contaminant. This model has proven its ability to reproduce phytoremediation of lead, earning more than 95% correlation with experimental data, and also provides the ability to know the flow rate of pollutants and their concentration in plant tissue.
The system of differential equations describing the model includes a global parameter that encapsulates the dependence of the plant bioavailability of the contaminant-and their interaction with the media. The model has demonstrated the ability to mimic plant response as a function of the concentration of pollutants and their applicability as a tool for performance evaluation system for phytoremediation.
11 CAPITULO I
GENERALIDADES 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1.1. DETERMINACIÓN DEL PROBLEMA
Los metales pesados son un conjunto de elementos que presentan como característica común su elevada densidad. Esta denominación tiene connotaciones de contaminación o toxicidad, sin embargo, la presencia de metales pesados como Cd o Pb, puede llegar a limitar el crecimiento vegetal y/o ser tóxicos para las plantas, animales y seres humanos. Además, incluso elevadas concentraciones de elementos esenciales pueden causar efectos negativos sobre los seres vivos.
La fitotoxicidad producida por la elevada concentración de metales pesados, que afecta al crecimiento y desarrollo vegetal, es debida tanto a la toxicidad intrínseca de los metales, como al carácter acumulativo de cada elemento.
Las principales vías de entrada de los metales a las plantas son el aire, el agua y el suelo, siendo las plantas un punto de conexión.
Los principales peligros ambientales de la transferencia de metales pesados desde el suelo a las plantas son la entrada de los metales en la cadena trófica, la cosecha por su fitotoxicidad y la absorción de metales desde el suelo por plantas tolerantes, que pueden producir efectos tóxicos en la flora
12 y la fauna. Por lo tanto, además del suelo las plantas son un elemento importante en los procesos de contaminación. Esto es especialmente relevante en zonas agrícolas, ya que la transferencia de metales pesados a los seres humanos puede producirse de manera directa.
Los problemas ambientales en nuestro país relacionados a la minería del cobre y plomo, se originan en diferentes etapas del proceso productivo. En el caso del complejo metalúrgico de la Oroya (Doe Run), las emisiones de las fundiciones de cobre y plomo han sido fuente importante de contaminación en las áreas donde se instalaron y en el río Mantaro adyacente a la Planta de fundición cuyas aguas sirven para la irrigación de cultivo de grandes hectáreas en el Valle del Mantaro. Uno de los contaminantes ha sido el plomo, el cual es emitido en forma de material particulado fino que se deposita en la superficie del suelo y se incorpora en los ciclos de los ecosistemas.
El complejo metalúrgico de la Oroya ahonda la contaminación del río Mantaro, que ya nace contaminado del lago de Junín. Según el Programa de Adecuación del Medio Ambiente (PAMA), redactado por la misma empresa, eliminan tóxicos líquidos por 40 efluentes al río y eliminan al aire: 1000 toneladas de bióxido de azufre, 2500 toneladas de plomo, 2500 toneladas de arsénico, 20 toneladas de cadmio y 20 toneladas de material particulado, en promedio por día, solamente por la chimenea más alta de 167.50 metros de altura, sin contar los contaminantes tóxicos que eliminan por las 94 chimeneas pequeñas y el incinerador industrial que tiene el complejo.
Además el río Mantaro aumenta su contaminación en la Oroya por los relaves y otras sustancias tóxicas que le llegan por el río Yauli, que trae de las minas que están en las inmediaciones de la laguna de Huascacocha, que se halla también marcadamente contaminada. El diario Comercio dijo: que si se dejara de eliminar los relaves y otros agentes tóxicos, pasarían 500 años para la recuperación del ecosistema de la laguna Huascacocha.
13 FUENTE: Universidad de San Luis en St. Louis Missouri
14 EFECTOS CANCERIGENOS Y NO CANCERIGENOS ASOCIADOS CON EL PLOMO,
EL ARSENICO Y EL CADMIO
FUENTE: Universidad de San Luis en St. Louis Missouri
ESTUDIO SOBRE LA CONTAMINACION AMBIENTAL EN LOS HOGARES DE LA OROYA Y CONCEPCION Y SUS EFECTOS EN LA SALUD DE SUS RESIDENTES INFORME DE PRIMEROS RESULTADOS BIOLOGICOS
Diciembre 6, 2005
FUENTE: Universidad de San Luis en St. Louis, Missouri
15 La Refinería y Fundición comenzó a producir emisiones hace más de cuatro décadas. En la época, las emisiones de contaminantes eran consideradas, de algún modo, un costo que el país y la localidad debían asumir. Por otra parte, los niveles tecnológicos eran distintos, generando emisiones con grandes cantidades de gases y material particulado. Los ecosistemas han sido impactados por depósito de cobre entre otros metales pesados y lluvia ácida. Los metales pesados tienen la particularidad de no poder ser degradados a diferencia de las moléculas orgánicas tóxicas, y bajas concentraciones de ellos pueden producir efectos tóxicos.
La modelación es el proceso mediante el cual, en nuestro caso, partiendo de un modelo conceptual se desarrolla una modelación del problema en estudio.
El desarrollo de un modelo de simulación para estudiar el horizonte de tiempo en el cual los ecosistemas permanecerán contaminados por cobre o plomo, en el área de influencia de las emisiones de una fundición de cobre, puede ser una herramienta de gran utilidad en el desarrollo de la gestión ambiental de este tipo de industrias. La toma de decisiones, requiere de un fundamento científico-técnico, que en el caso de la contaminación por cobre puede ser entregado por una comprensión de las relaciones entre el sistema de fundición y sus emisiones que impactan a los ecosistemas. La teoría general de los sistemas provee un marco conceptual adecuado, para realizar este análisis.
1.2. FORMULACION DEL PROBLEMA:
1.2.1. PROBLEMA GENERAL
¿La implantación de un modelo sistémico permite evaluar la contaminación por plomo en el suelo y estimar el tiempo de retorno a la condición no contaminada en el Distrito de Concepción?
16 1.2.2. PROBLEMAS ESPECÍFICOS:
1) ¿Cuál es el grado de contaminación por plomo de los suelos en el Distrito de Concepción?
2) ¿Cuál es el tiempo óptimo para la recuperación de suelos contaminados por plomo en el Distrito de Concepción?
1.3. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION 1.3.1. OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un modelo utilizando la dinámica de sistemas, que permita evaluar la contaminación por plomo y estimar el tiempo de retorno a la condición no contaminada en el Distrito de Concepción.
1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
1) Determinar el grado de contaminación de los suelos por plomo en el Distrito de Concepción.
2) Determinar el tiempo óptimo para la recuperación de los suelos contaminados por plomo en el Distrito de Concepción.
1.4. IMPORTANCIA Y ALCANCES DE LA INVESTIGACION
Las emisiones y efluentes de las fundiciones de cobre y plomo han sido fuente importante de contaminación en las áreas donde se instalaron. Uno de los contaminantes ha sido el plomo, el cual forma parte del material particulado que se deposita y se incorpora en los ciclos de los ecosistemas.
La Refinería y Fundición de La Oroya comenzó a operar hace más de cinco décadas, consecuencia de lo cual los ecosistemas han sido impactados por la depósito de cobre, plomo entre otros metales pesados, y por lluvia ácida.
Los metales pesados tienen la particularidad de no poder ser degradados, a diferencia de las moléculas orgánicas tóxicas, y bajas concentraciones de ellos pueden producir efectos tóxicos. Podemos afirmar que la contaminación de suelos ha llegado vía los efluentes por el canal de
17 irrigación provenientes del Rio Mantaro hasta los suelos del Distrito de Concepción.
La modelación del sistema dinámico que se plantea tiene como propósito simular la conducta del plomo en la fisiología de las plantas de estos ecosistemas circundantes al canal de irrigación de la margen Izquierda del Rio Mantaro en el Distrito de concepción y que pueden ser recuperados en un periodo de tiempo y así conocer el horizonte de tiempo en el cual estos permanecerán contaminados con plomo.
La presente investigación se justifica pues a que genera puntos de partida para la recuperación a mediano y largo plazo los suelos contaminados, lo cual como es obvio constituye un impacto socio económico para la región.
18 CAPITULO II
MARCO DE REFERENCIA
2.1. ANTECEDENTES DEL PROBLEMA
Algunos estudios se han realizado las cuales se presentan en este apartado:
Moreno Jiménez, E., Carpena-Ruiz, R.O., Peñalosa, J.M., Esteban, E., 2006.
Efectos tóxicos de arsénico y mercurio en plantas de Rosmarinus officinalis.
Nutrición Mineral. Aspectos fisiológicos, agronómicos y ambientales. En:
Lamfus, C., Ed. Pamplona.
El autor hace un estudio sobre el arsénico y otros metales pesados entre ellos el plomo que puede añadirse a los suelos en forma de diferentes compuestos, tanto de carácter inorgánico: arsenito y arseniato, como orgánico. El arsenito será oxidado en la mayoría de los suelos agrícolas a arseniato. Como herbicidas se utilizan diversos derivados de los ácidos metanoarsónicos o del ácido cacodílico (CA). Estas formas orgánicas pueden oxidarse lentamente a arseniatos inorgánicos y dióxido de carbono en presencia o ausencia de microorganismos, o también pueden volatilizarse y por tanto, perderse de los suelos. Es evidente que los sustituyentes metilados del ión metanoarsoniato no interfieren en su adsorción, por tanto, su proceso de retención será similar al presentado por el ión arseniato en el sistema suelo.
19 Armando Carrasquero-Durán. (2006). Determinación de los niveles de contaminación con plomo en los suelos y polvo de las calles de la ciudad de Maracay.
En el presente trabajo se cuantificaron los niveles de Pb en suelos y polvos de las calles del casco central de la ciudad de Maracay por medio de una digestión ácida con agua regia y por espectrofotometría de absorción atómica de llama. Se tomaron 243 muestras superficiales de suelo y 36 de polvo acumulado en calles y aceras de las principales vías de comunicación de la ciudad. Los niveles de Pb total se ubicaron en el intervalo entre 33 y 11.113 µg g-1 con un predominio de valores entre 2.000 y 4.000 µg g-1, en general los suelos superan los valores máximos para suelos no contaminados según algunas regulaciones internacionales. Los sitios más contaminados se localizaron en avenidas como Sucre, Casanova, Fuerzas Aéreas y Constitución, lo que fue atribuido al intenso tránsito de vehículos que utilizan gasolina con plomo. Las muestras de polvo de las calles también mostraron elevadas concentraciones del metal pesado, lo cual aumenta el riesgo de exposición a la contaminación ya que este polvo puede ser arrastrado por el viento dispersando la el agente contaminante. La distribución vertical del metal pesado en los suelos refleja una alta acumulación en los estratos superficiales que es consistente con un proceso de contaminación de origen antropogénico. En general se puede afirmar que los suelos de la ciudad de Maracay están fuertemente impactados por la contaminación plúmbica cuyo origen puede asociarse con la combustión de la gasolina tratada con tetraetilo de plomo.
H. G. Ortiz-Cano y otros.(2009) Fitoextracción de plomo y cadmio en suelos contaminados usando quelite (amaranthus hybridus l.) y micorrizas.
Universidad Autónoma de Chapingo. México.
Las actividades mineras y metalúrgicas practicadas en la Comarca Lagunera, México han contaminado el suelo, el aire y el agua. El uso de plantas es una de las estrategias para la remediación de suelos contaminados con metales pesados. Sin embargo, son pocos los estudios sobre remediación con plantas de zonas áridas y su asociación con
20 micorrizas. El objetivo de este estudio fue evaluar la capacidad extractora de Plomo (Pb) y Cadmio (Cd) del quelite (Amaranthus hybridus L.) al adicionar una mezcla de micorrizas arbusculares (Entrophospora columbiana, Glomus intraradices, G. etunicatum, G clarum) al sustrato contaminado con Pb o Cd.
Dos experimentos, uno por cada metal, con diseño experimental de bloques al azar con cuatro repeticiones fueron desarrollados. En el primero se adicionaron tres cantidades de micorrizas (0, 2.5 y 5.0 g·kg-1) en suelos con 300 mg·kg-1 de Pb. En el segundo experimento, las mismas cantidades de micorrizas fueron probadas en suelos contaminados con 15 mg·kg-1 de Cd.
Las concentraciones de Pb y Cd en raíz, hoja y tallo a los 65, 95 y 125 días de edad de la planta se determinaron con un espectrofotómetro de absorción atómica. Los resultados indican que la adición de micorrizas incrementó significativamente (P<0.05) la concentración de Pb y Cd en raíz, tallo y hoja de quelite. Las concentraciones de estos metales se incrementaron significativamente conforme la edad de la planta.
Existen algunos antecedentes experimentales para la modelación del plomo en ecosistemas, estos estudios con mediciones experimentales de ecosistemas esclerófilos o de otro tipo en relación con contenidos o flujos de cobre en o entre los componentes, permiten obtener datos y organizarlos para la modelación.
Otros estudios, no específicos sobre ecosistemas, entregan valores aislados de diferentes lugares geográficos, obtenidos bajo el enfoque que cada proyecto específico requería. Por ejemplo, la mayor parte de la información de cobre en el suelo y agua es obtenida para conocer el impacto de la contaminación sobre los niveles de producción agrícola (González (1986, 1991, 1992)) y sobre la salud humana (Schalscha (1998)). Bajo este escenario, se analiza la información existente buscando solo órdenes de magnitud y rangos de valores.
Desde el punto de vista ecosistémico, la vegetación es un componente que presenta una serie de propiedades ecológicas determinadas por la naturaleza de las especies Una de ellas es la capacidad para tolerar ciertas cantidades de metales. Existe poca información sobre los límites de esas
21 tolerancias y muchas especies no son capaces de adaptarse, ya que ello implica procesos de otra escala de tiempo. Numerosos estudios se han realizado sobre la respuesta de las plantas a la presencia de metales pesados en el suelo, los cuales miran los mecanismos de tolerancia de las plantas a los metales. Los estudios se han concentrado en las especies de corta vida y han considerado la evolución en el sentido clásico de selección natural de genotipos tolerantes preexistentes en baja frecuencia en las poblaciones. Existen pocos informes de la tolerancia a los metales en poblaciones de árboles de larga-vida y una condición característica de los suelos metalíferos en Europa es la ausencia de especies leñosas.
2.2. BASES TEÓRICO CIENTÍFICAS METALES PESADOS
Se denominan metales pesados a aquellos elementos químicos que poseen un peso atómico comprendido entre 63.55 (Cu) y 200.59 (Hg), y presentan un peso específico superior a 4 (g/cm3), como el plomo (Pb), cadmio (Cd), cromo (Cr), mercurio (Hg), zinc ( Zn), cobre (Cu), plata ( Ag) y Arsénico (As) y en altas concentraciones pueden resultar tóxicos para los seres vivos, tales como humanos, organismos del suelo, plantas y animales (Rodríguez-Ortíz, y otros,2006)
Los metales pesados han sido ampliamente utilizados en muchas actividades, tales como la agricultura, la minería, la fundición, la galvanoplastia y el refinado del oro (Rodríguez-Ortíz, y otros, 2006)
Los metales pesados se clasifican en:
A). Oligoelementos o Micronutrientes.- Requeridos en pequeñas cantidades o trazas por plantas y animales, y son necesarios para que los organismos completen su ciclo vital, convirtiéndose en tóxicos cuando pasan cierto umbral; dentro de este grupo se encuentra: arsénico (As), bromo (Br), cobalto (Co), cromo (Cr), molibdeno (Mo), manganeso (Mn), níquel (Ni), selenio (Se), zinc (Zn) (Nedelkoska & Doran, 2000).
22 B). Metales pesados sin función biológica conocida.- La presencia en seres vivos en determinadas cantidades lleva a disfunciones en los organismos y en concentraciones altas, resultan altamente tóxicos, presentando la propiedad de acumularse en los organismos vivos, dentro de este grupo se encuentra: cadmio (Cd), mercurio (Hg), plomo (Pb), cobre (Cu), antimonio (Sb), bismuto (Bi) (Maqueda, 2003)
Los metales pesados y en general todas las substancias químicas no presentan toxicidad completa, esta característica está definida por la concentración en la que se presenta en un medio determinado y el tipo de compuestos que forman.
Una substancia se convierte en un contaminante cuando se encuentra en concentraciones mayores de las normales y en general tienen un efecto adverso sobre algunos organismos; estas sustancias pueden ser transformadas por los seres vivos es decir biodegradarse o pueden permanecer de forma indefinida y no biodegradarse.
Gráfico No.1: Transporte y dispersión de contaminantes desde el suelo al agua y al aire.
Fuente: (Ruda, Mongiello, & Acosta, 2004)
Los contaminantes del suelo, tienen un tiempo de residencia alto y los contaminantes del aire y agua contribuyen al incremento de la concentración (Bautista, 2000) como se muestra en el Gráfico No.1.
23 Los suelos se pueden contaminar de diferentes formas:
a) Superficial: Vertiendo residuos sólidos o líquidos de forma accidental o voluntaria sobre el suelo.
b) Subterránea: Enterrando residuos debido al aprovechamiento de escombreras, zanjas, canteras abandonadas entre otras.
c) Difusa: utilizando concentraciones bajas pero grandes volúmenes que contienen al contaminante, así por ejemplo los márgenes de las carreteras, áreas agrarias, etc.
d) Puntual: Contaminación focalizada, con un núcleo emisor del cual pueden movilizarse los contaminantes a otros elementos del medio (Ruda, Mongiello, & Acosta, 2004).
Los contaminantes del suelo presentan diferentes grados de movilidad así el Pb, As, Sb, Zn, Cr, entre otros, tienen una movilidad alta, existiendo la posibilidad de contaminación de extensas áreas de suelo (Bureau-Veritas, 2008).
Los contaminantes del suelo según el origen pueden ser geogénicos o antropogénicos.
Los geogénicos pueden proceder de la propia roca madre en la que se formó el suelo, de la actividad volcánica o del lixiviado de mineralizaciones, así se puede encontrar Pb en los minerales primarios sulfurosos como la pirita (FeS2) y en los minerales secundarios como el óxido de manganeso y el carbonato de calcio (Bautista, 2000; Diez, Kidd, & Monterroso, 2009).
Los antropogénicos se producen por los residuos peligrosos derivados de actividades industriales, agrícolas, mineras, etc. y de los residuos sólidos urbanos, encontrándose Pb en lodos residuales, riego, fundidoras, plaguicidas, fertilizantes, minas, automóviles, pinturas, carbonatos y combustión de carbón (Bautista, 2000).
Los metales pesados contribuyen fuertemente a la contaminación ambiental y la disponibilidad depende del pH, el contenido de arcillas, contenido de materia
24 orgánica, la capacidad de intercambio catiónico y otras propiedades. (Sauve &
Henderson, 2000)
La acumulación de metales pesados en las plantas inhibe o activa algunos procesos enzimáticos que afectan su productividad, así por ejemplo el Pb, As, Cd, Zn pueden ser absorbidos y depositarse en sus tejidos a niveles tóxicos, dando como resultado una posible vía de entrada de estos metales en la cadena alimenticia, a través del consumo de plantas, directa o indirectamente por los seres humanos.
Las principales fuentes de metales pesados están constituidas por actividades naturales, como desgastes de cerros y volcanes que constituyen una fuente relevante de metales pesados en el suelo y encontrándose como iones libres, compuestos metálicos solubles, compuestos insolubles como óxidos, carbonatos e hidróxidos (Pineda, 2004). Así también en actividades antropogénicas como la industria minera que está catalogada como una de las actividades industriales más generadoras de metales pesados.
2.3. EFECTOS DE LOS METALES PESADOS EN EL SUELO
El suelo es el receptor de la mayor parte de los residuos generados por el hombre, produciendo su contaminación y transmitiendo a otros recursos como las aguas subterráneas o a las cadenas tróficas, a través de su captación por las plantas.
Cuando el contenido de metales pesados en el suelo alcanza niveles que rebasan los límites máximos permitidos, causan efectos inmediatos como inhibición del crecimiento normal en las plantas y disturbios funcionales en otros componentes del ambiente, así como la disminución de las poblaciones microbianas del suelo; este tipo de contaminación se conoce como “polución de suelos”. (Martin, 2000).
25 La acción directa de los metales pesados sobre los seres vivos ocurre a través del bloqueo de las actividades biológicas, es decir, la inactivación enzimática por la formación de enlaces entre el metal y los grupos –SH (sulfhidrilos) de las proteínas, causando daños irreversibles en los diferentes organismos.
El pH de los suelos es un factor esencial, ya que la mayoría de los metales tienden a estar más disponibles en medios ácidos excepto As, Mo, Se y Cr, los cuales están disponibles en medios alcalinos. Por tanto la adsorción de los metales pesados está fuertemente condicionada por el pH del suelo.
La característica de los suelos favorece la entrada e infiltración de la contaminación de metales pesados, por ejemplo la arcilla tiende a adsorber metales pesados que quedan retenidos en sus posiciones de cambio, por el contrario los suelos arenosos carecen de capacidad de fijación pasando rápidamente al subsuelo y contaminando los niveles freáticos. (Pineda, 2004)
2.4. MOVILIZACIÓN DE LOS METALES PESADOS EN EL SUELO
Los metales pesados en los suelos se redistribuyen y reparten lentamente entre los componentes de la fase sólida. Dicha redistribución se caracteriza por una rápida retención inicial y posteriores reacciones lentas, dependiendo del metal, propiedades del suelo, nivel de introducción y tiempo. (Han, 2003).
El gráfico No.2 muestra las cuatro formas de distribución de los metales pesados incorporados en el suelo:
a) Retención en el suelo debido a la disolución o fijación por procesos de adsorción, formación de complejos o precipitación.
b) Absorción por las plantas e incorporación de las cadenas tróficas.
c) Volatilización y paso a la atmósfera.
d) Movilización hacia las aguas superficiales o subterráneas (Cruz &
Guzmán, 2007)
26 Grafico No. 2: Dinámica de metales pesados en el suelo
Fuente: (Cruz & Guzmán, 2007)
Los metales pesados existentes en el suelo, pueden ser retenidos o movilizados del suelo mediante diferentes mecanismos biológicos y químicos como pH, potencial redox, composición iónica del suelo, presencia de carbonatos y materia orgánica así como la naturaleza de la contaminación (origen de los metales y forma de deposición) y condiciones ambientales (acidificación, variación de temperatura y humedad). (Sauquillo, 2003) En general, la movilidad de los metales pesados es muy baja, quedando acumulados en los primeros centímetros del suelo, siendo lixiviados a los horizontes inferiores en muy pequeñas cantidades. La disponibilidad de un
27 elemento depende también de las características del suelo en donde se encuentra.
Los metales pesados existentes en el suelo pueden seguir diferentes vías:
a) Quedar retenidos en el suelo, ya sea disueltos en la fase acuosa del suelo, u ocupando sitios de intercambio o específicamente adsorbidos sobre constituyentes inorgánicos del suelo.
b) Asociados con la materia orgánica del suelo y/o precipitados como sólidos puros o mixtos.
c) Pueden ser absorbidos por las plantas y así incorporarse a las cadenas tróficas.
d) Pasan a la atmósfera por volatilización y se movilizan a las aguas superficiales o subterráneas. (García & Dorronsoro, 2005)
La toxicidad de los metales depende no sólo de su concentración, sino también de su movilidad y reactividad con otros componentes del ecosistema. (Abollino, y otros, 2002) El plomo es un compuesto que no se degrada en otros subproductos, se acumula progresivamente cuando es vertido a la atmósfera causando desequilibrio en los ecosistemas
2.5. EL PLOMO
Es un elemento químico cuya nomenclatura es Pb, de número atómico 82, peso atómico 207.19 y valencias químicas 2 y 4. El plomo es un metal pesado de color azuloso, que se oscurece para adquirir un color gris mate, es flexible, inelástico, se funde con facilidad y es relativamente resistente al ataque de los ácidos sulfúrico y clorhídrico, pero se disuelve con lentitud en ácido nítrico como se muestra en el Gráfico No.3.
28 El plomo es anfótero ya que forma sales de plomo de los ácidos, así como sales metálicas del ácido plúmbico, además forma óxidos y compuestos organometálicos.
Gráfico No. 3: Plomo FUENTE: Universidad de San Luis en St. Louis Missouri
Industrialmente, el plomo se utiliza tanto en forma sólida como líquida siendo las aleaciones con Sn, Cu, As, Sb, Bi, Cd y Na las más utilizadas; el uso de estos productos generan polvo, humos o vapores y sus compuestos más importantes son los óxidos de plomo y el tetra-etilo de plomo.
El material particulado fino de plomo (10-100 μm) puede ser extremadamente peligroso por las siguientes razones:
a.- Se adhiere más fuertemente a la piel.
b.- Es más soluble en el tracto gastrointestinal.
c.- Es fácilmente absorbible a través del sistema respiratorio.
2.5.1. EFECTOS DEL PLOMO EN LA SALUD
El plomo a través de los años ha sido usado en la fabricación de tuberías, elementos de construcción, pigmentos, soldadura suave, pinturas, gasolina, pesticida, cables y productos metálicos, convirtiéndose en la fuente de contaminación de alimentos, agua de consumo y aire, constituyendo el cuarto metal con mayor efecto perjudicial sobre la salud humana.
29 Los compuestos del plomo son tóxicos y han producido envenenamiento de trabajadores por su uso inadecuado y por una exposición excesiva a los mismos, en general, la absorción de plomo puede constituir un grave riesgo para la salud dado que puede provocar un retraso del desarrollo mental e intelectual de los niños y causar hipertensión y enfermedades cardiovasculares en los adultos.
En el 2006 la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC) clasificó al plomo inorgánico como probable carcinógeno para los humanos (Grupo 2A). En el Gráfico No.4 se presenta las rutas de llega del Pb, al sistema digestivo o al respiratorio de los humanos.
Gráfico No. 4: Rutas de contaminación humana por Pb FUENTE: Universidad de San Luis en St. Louis Missouri
2.5.2. EFECTOS DEL PLOMO EN EL AMBIENTE
El plomo se encuentra en pequeñas cantidades en el ambiente, pero las mayores concentraciones son el resultado de las actividades
30 humanas como: combustión del petróleo, procesos industriales, combustión de residuos sólidos, entre otros como se muestra en el Gráfico No.5
Gráfico No. 5: Fuentes de plomo FUENTE: Universidad de San Luis en St. Louis Missouri
Las actividades humanas generan que las partículas de plomo se depositen en el suelo, la superficie del agua y viajen a través del aire permaneciendo en la atmósfera.
Entre los principales deterioros al medio ambiente se tiene la pérdida de fertilidad del suelo limitando la síntesis clorofílica de las plantas y la
31 perturbación en el fitoplancton en el caso del recurso agua; aunque algunas plantas pueden absorber hasta 500 ppm de plomo.
Más del 90% de la contaminación ambiental producida es retenida en las partículas de suelo y cerca del 9% es interceptada en los sedimentos acuáticos. La contaminación de un suelo con Pb es preocupante ya que éste presenta un alto tiempo de residencia en el suelo, estableciéndose un equilibrio dinámico con la hidrosfera, atmósfera y biosfera y de esta forma alterando el ecosistema, incluyendo al ser humano. (Huang, 1999)
2.6. BIORREMEDIACIÓN
La EPA define biorremediación como la manipulación de sistemas biológicos para efectuar cambios en el ambiente. La biorremediación surge como una rama de la biotecnología que busca resolver los problemas de contaminación mediante el diseño de microorganismos capaces de degradar compuestos que provocan desequilibrios en el medio ambiente.
El proceso de biorremediación dependiendo del medio que se utilice para la descontaminación del suelo puede clasificarse en:
a. Fitorremediación: Uso de plantas verdes para remover, contener o neutralizar compuestos orgánicos y metales pesados.
b. Biorremediación animal: Uso de animales que tienen la capacidad de desarrollarse en medios altamente contaminados.
c. Biorremediación microbiana: Uso de bacterias acumuladoras como hongos, algas, cianobacterias y actinomicetos como se muestra en la Figura 1.7 (Cruz & Guzmán, 2007)
Como se puede evidenciar en el Gráfico No. 6: las técnicas de remediación que asocian adsorción y biodegradación de contaminantes orgánicos.
32 Gráfico No. 6: Ejemplo de técnicas de remediación que asocian adsorción y biodegradación de
contaminantes orgánicos Fuente: (Cruz & Guzmán, 2007)
Entre las ventajas que presenta la biorremediación sobre los métodos fisicoquímicos tradicionales para el tratamiento de sitios contaminados, se encuentran:
a) Disminución del costo de operación
b) Los contaminantes son destruidos o transformados y normalmente no se requiere de un tratamiento adicional.
c) La remediación se puede llevar a cabo en el mismo lugar (in situ) o ex situ en biorreactores (Castillo, 2005).
Aunque no todos los compuestos son susceptibles a la biodegradación, los procesos de biodegradación se usan con éxito para tratar suelos, lodos y sedimentos contaminados.
Los metales pesados acumulados en el suelo superficial se reducen lentamente mediante la lixiviación, el consumo por las plantas, la erosión y la deflación,
33 (Puga, Sosa, Lebgue, Quintana, & Campos, 2006) es por esto que se ha utilizado ciertas especies de plantas para realizar fitorremediación.
La utilización de métodos biológicos para remediar un ambiente contaminado (biorremediación) ofrece una alta especificidad en la remoción del metal de interés con flexibilidad operacional, tanto en sistemas in situ como ex situ.
2.7. FITORREMEDIACIÓN
La fitorremediación es una tecnología alternativa y sustentable, es el uso de plantas asociados al tratamiento in situ de suelos y efluentes contaminados, es una tecnología que surge potencialmente para la limpieza eficaz y barata de una amplia gama de contaminantes.
Algunas plantas cultivadas y silvestres se usan como medio en el proceso de fitorremediación de suelos contaminados con metales pesados, la capacidad de absorción por parte de la planta varía según el tipo de contaminante, tipo de suelo y pH por lo que surge la posibilidad de adaptar la elección del cultivo al nivel y tipo de contaminación existente, así, se han encontrado especies con la capacidad de hiper-acumular diferentes contaminantes (Agudelo, Macias, & Suárez, 2009).
Algunas plantas destruyen los agentes contaminantes orgánicos degradándolos directamente, mientras que otras toman los contaminantes inorgánicos del suelo o del agua y los concentran en el tejido o la raíz, por tanto se puede usar diversas plantas para la contención, destrucción o extracción de los contaminantes. (Banks & Schwab, 1993)
Este grupo de fitotecnologías reúne un gran número de ventajas como:
limpieza, economía, no utilizan reactivos químicos, no afectan negativamente a la estructura del suelo, sólo aplican prácticas agrícolas comunes y además el proceso se realiza 'in situ' evitando costos de transporte. (Cunnigngham, Berti, & Huang, 1995)
Para realizar la fitorremediación se requiere establecer una cobertura vegetal abundante; sin embargo, la alta concentración del contaminante será el
34 principal limitante para el crecimiento de las plantas, además de la tolerancia de estas al contaminante conocido como hiper-acumulación.
Las plantas hiper-acumuladoras son capaces de almacenar excesivas cantidades de contaminante en su follaje (> 1% del peso seco de la planta), este mecanismo implica alta tolerancia específica a metales pesados, los cuales están presentes en el suelo en concentraciones que normalmente podrían considerarse fitotóxicas. (Baker AJM, 1989)
Sin embargo, las plantas hiper-acumuladoras pueden ser endémicas de áreas contaminadas, presentando un lento crecimiento y poca producción de materia vegetal.
Especies herbáceas, arbustivas y árboles pueden utilizarse para la fitorremediación de suelos contaminados por metales pesados; además se han identificado 400 especies hiperacumuladoras de las familias Asteraceae, Brassicaceae, Caryophyllaceae, Cyperaceae, Cunouniaceae, Fabaceae, Flacourtiaceae, Lamiaceae, Poaceae, Violaceae y Europhobiaceae. Entre las plantas utilizadas para fitorremediación de plomo se encuentra el girasol (Helianthus annuus) y la mostaza de la India (Brassica juncea) (Volke, Velasco, & Pérez, 2005).
2.7.1. MECANISMOS DE LA FITORREMEDIACIÓN.
La remoción de contaminantes por fitorremediación se realiza empleando alguno de los siguientes mecanismos:
A) Fitoextracción: Consiste en la absorción de contaminantes por las raíces, tallos o follaje usando plantas acumuladoras de elementos tóxicos o compuestos orgánicos para retirarlos del suelo mediante su absorción y concentración en las partes cosechables sin presentar síntomas de toxicidad. La selección de
35 las plantas debe realizarse considerando el tamaño de las raíces, la tasa de crecimiento, acumulación de contaminantes, biomasa y potencial de evapo- transpiración. Los pastos, musgos y helechos son el género que presentan mayor adaptabilidad a las diferentes condiciones ambientales y pueden captar gran cantidad de contaminante (Volke, Velasco, & Pérez, 2005).
B) Fitoestabilización: Uso de plantas para reducir la biodisponibilidad y movilidad de los contaminantes en el entorno, evitando el transporte a capas subterráneas o a la atmósfera, mejorando las propiedades físicas y químicas del medio (Diez J.
, 2003).
C) Fitoinmovilización: Uso de las raíces de las plantas para la fijación o inmovilización de los contaminantes en el suelo.
D) Fitovolatilización: Uso de plantas para eliminar los contaminantes del lugar mediante su volatilización, y para eliminar contaminantes del aire. Se produce a medida que las plantas en crecimiento absorben agua junto con los contaminantes orgánicos solubles. Algunos de los contaminantes pueden llegar hasta las hojas y evaporarse o volatilizarse a la atmósfera.
E) Fitodegradación: Uso de plantas y microorganismos asociados para degradar contaminantes orgánicos en moléculas más simples. En determinadas ocasiones, los productos de la degradación le sirven a la planta para acelerar su crecimiento, en otros casos los contaminantes son biotransformados.
F) Rizofiltración: uso de raíces para absorber y adsorber contaminantes del agua y de otros efluentes acuosos. Se prefieren raíces de plantas terrestres con alta tasa de crecimiento y área superficial para absorber, concentrar y precipitar contaminantes.
G) Fitoestimulación: o rizodegradación las plantas generan los exudados radiculares que estimulan el crecimiento de los microorganismos nativos capaces de degradar compuestos orgánicos xenobióticos.
36 En el Gráfico No.7 se puede apreciar los diferentes mecanismos de la fitorremediación.
Gráfico No. 7: Mecanismos de fitorremediación Fuente: (Barid, 2004)
2.7.2. FASES DE LA FITORREMEDIACIÓN
Una planta acumuladora puede realizar cualquiera de los mecanismos de fitorremediación siguiendo tres fases:
- Absorción - Excreción
- Desintoxicación de contaminantes.
a) Absorción
La absorción de contaminantes se realiza a través de las raíces y las hojas mediante las estomas y la cutícula de la epidermis. (Watt
& Evans, 1999) Esta absorción ocurre en la rizodermis de las
37 raíces jóvenes, que absorben los compuestos por ósmosis dependiendo de factores externos como la temperatura y el pH del suelo.
Otros factores importantes que inciden en la penetración del contaminante son su peso molecular e hidrofobicidad que determinan que estas moléculas atraviesen las membranas celulares de la planta. Después de cruzar la membrana, los contaminantes son distribuidos a través de toda la planta.
(Harvery, y otros, 2002) b) Excreción
Los contaminantes que se absorben por las raíces, se excretan vía hojas (fitovolatilización). Cuando las concentraciones de los contaminantes son elevadas, solo pequeñas fracciones (menos del 5 %) se excretan sin cambios en su estructura química.
c) Desintoxicación de contaminantes.
La desintoxicación de los compuestos orgánicos se lleva a cabo por la vía de la mineralización hasta dióxido de carbono en el caso de contaminantes químicos orgánicos que se degradan; para altas concentraciones se utiliza la incineración controlada y se desechan las cenizas en los lugares disponibles para este fin.
Las ventajas de la fitorremediación radican en que las plantas absorben los metales pesados y gran variedad de contaminación en sus raíces, evitando la contaminación de aguas subterráneas, mientras que la desventaja radica en que el metal pesado utiliza el ciclo biológico de la planta, por tanto la descontaminación toma tiempo (Agudela., et al 2005)
Las plantas utilizadas en el proceso de fitorremediación pueden tener varias opciones para su disposición final como la incineración o el confinamiento de las mismas.
38 2.8. TEORIA GENERAL DE SISTEMAS
“En las dos últimas décadas el desarrollo de la teoría general de sistemas ha servido de base para integración del conocimiento científico a través de una amplia gama. Se ha definido el sistema como un todo unitario organizado, compuesto por dos o más partes, componentes o subsistemas interdependientes y delineados por los límites, identificables, de su ambiente o suprasistema. El término sistema cumple una amplia gama del mundo físico, lógico y social. En el universo existen sistemas galácticos, geográficos y moleculares. En biología se habla del organismo como un sistema de partes dependientes, cada una de las cuales incluye muchos subsistemas.
El cuerpo humano es un organismo complejo que incluye. Entre otros, el sistema óseo, el circulatorio y el nervioso. Cada persona encuentra a diario fenómenos tales como el sistema de transporte, los sistemas de comunicaciones y los sistemas económicos.” 1
La Dinámica de sistemas nació durante los años cincuenta, de la mano de J.
W. Forrester. Desde entonces su aplicación se ha extendido a disciplinas muy diferentes: además de haberse utilizado para los sistemas industriales y socioeconómicos de ámbito urbano o regional, se ha aplicado al área de los sistemas ecológicos y medioambientales, así como al suministro de recursos energéticos y a la defensa nacional entre otros. Basada en el comportamiento de sistemas mediante la construcción de un modelo de simulación informática que ponga de manifiesto las relaciones entre la estructura del sistema y su comportamiento, constituye en la actualidad una de las herramientas sistemáticas más sólidamente desarrolladas y que mayor grado de aceptación e implantación han alcanzado.
A mediados de los 60, Forrester propone la aplicación de la técnica que había desarrollado originalmente para los estudios industriales, a sistemas urbanos. Surge así lo que se denominó la dinámica urbana en la que las
1 Fremont E. Kast. ADMINISTRACION DE LAS ORGANIZACIONES. Un Enfoque Sistémico. McGraw Hill. 1979
39 variables consideradas son los habitantes en un área urbana, las viviendas, las empresas, etc. Una aplicación análoga a la dinámica urbana la constituye la dinámica regional. Con estos modelos se pretende aportar un elemento auxiliar para la planificación urbana y regional, representando las interacciones que se producen entre las principales magnitudes socio- económicas del área correspondiente, y generando, a partir de ellas, las evoluciones de las magnitudes consideradas significativas: habitantes, indicadores económicos, etc. para, a partir de estas evoluciones, planificar las necesidades de infraestructura y otras.
A finales del decenio de los 60 se produce el estudio que posiblemente más haya contribuido a la difusión de la dinámica de sistemas. Se trata del primer informe al Club de Roma, sobre los límites al crecimiento, que se basó precisamente en un modelo de dinámica de sistemas, en el que se analizaba la previsible evolución de una serie de magnitudes agregadas a nivel mundial como son la población, los recursos y la contaminación. En este modelo se analizaba la interacción de estas magnitudes y se ponía de manifiesto cómo, en un sistema, debido a las fuertes interacciones que se producen en su seno, la actuación sobre unos elementos, prescindiendo de los otros, no conduce a resultados satisfactorios. El informe correspondiente tuvo una gran incidencia en la opinión pública y ha sido objeto de múltiples debates, tanto a favor como en contra. Recientemente se ha publicado una relaboración de sus conclusiones, en la que prácticamente se mantienen las recomendaciones de aquel informe.
A raíz de la realización de este último informe, se puso de manifiesto que la dinámica de sistemas era algo más que la dinámica industrial o la dinámica urbana, y se convino adoptar la denominación de dinámica de sistemas, con la que se conoce actualmente.
Los campos de aplicación de la dinámica de sistemas son muy variados.
Durante sus más de 30 años de existencia se ha empleado para construir modelos de simulación informática en casi todas las ciencias.
40 La dinámica de sistemas, permite en estos días ir más allá de los estudios de casos y las teorías descriptivas. La dinámica de sistemas no está restringida a sistemas lineales, pueden do hacer pleno uso de las características no-lineales de los sistemas. Combinados con las computadoras, los modelos de dinámica de sistemas permiten una simulación eficaz de sistemas complejos. Dicha simulación representa la única forma de determinar el comportamiento en los sistemas no-lineales complejos. Estos trabajos y su discusión popularizaron la Dinámica de Sistemas a nivel mundial.
2.9. METODOLOGÍA SISTÉMICA
Para el estudio de los sistemas en general se ha desarrollado lo que se conoce como metodología sistémica, o conjunto de métodos mediante los cuales abordar los problemas en los que la presencia de sistemas es dominante. En realidad, la metodología sistémica pretende aportar instrumentos con los que estudiar aquellos problemas que resultan de las interacciones que se producen en el seno de un sistema, y no de disfunciones de las partes consideradas aisladamente.
El análisis de un sistema consiste en su disección, al menos conceptual, para establecer las partes que lo forman. Sin embargo, el solo análisis de un sistema no es suficiente; no basta con saber cuáles son sus partes. Para comprender su comportamiento necesitamos saber cómo se integran; cuáles son los mecanismos mediante los que se produce su coordinación.
Necesitamos saber cómo se produce la síntesis de las partes en el sistema.
Por ello, en el estudio de un sistema, tan importante es el análisis como la síntesis. El énfasis en la síntesis distingue la metodología sistémica de las metodologías científicas más clásicas de análisis de la realidad, en las que se tiende a sobrevalorar los aspectos analíticos por oposición a los sintéticos, mientras que en la metodología sistémica se adopta una posición más equilibrada. Tan importante es el análisis, que nos permite conocer las partes de un sistema, como la síntesis, mediante la cual estudiamos cómo se
41 produce la integración de esas partes en el sistema. En dinámica de sistemas vamos a ocuparnos de analizar cómo las relaciones en el seno de un sistema permiten explicar su comportamiento.
Un sistema, es un conjunto de elementos en interacción. Esta interacción es el resultado de que unas partes influyen sobre otras. Estas influencias mutuas determinarán cambios en esas partes. Por tanto, los cambios que se producen en el sistema son reflejos, en alguna medida, de las interacciones que tienen en su seno. Los cambios en un sistema se manifiestan mediante su comportamiento.
Por otra parte, la trama de relaciones constituye lo que se denomina su estructura. Lo que acabamos de decir se puede parafrasear diciendo que en dinámica de sistemas se trata de poner de manifiesto cómo están relacionados su estructura y su comportamiento. Su objetivo es el conciliar estas dos descripciones, de modo que aparezcan como las dos caras de una misma moneda.
La metodología sistémica suministra también un lenguaje que aporta nuevas formas de ver los problemas complejos. Las herramientas que aporta la dinámica de sistemas -desde los diagramas de influencias hasta los modelos informáticos- nos van a permitir ver los sistemas que pueblan nuestro entorno mediante una óptica diferente que nos descubrirá aspectos en los que posiblemente no hayamos reparado y que, de este modo, nos permite alcanzar una visión más rica de la realidad.
2.9.1. UN LENGUAJE ELEMENTAL PARA LA DESCRIPCIÓN DE SISTEMAS
La descripción mínima de un sistema viene dada por la especificación de las distintas partes que lo forman, mediante el conjunto C de su composición, y por la relación R que establece cómo se produce la influencia entre esas partes. Veamos mediante un sencillo ejemplo
42 cómo podemos analizar la estructura sistémica de un proceso.
Supongamos el hecho elemental de llenar un vaso de agua. En el Gráfico No.8 se muestra una ilustración gráfica de ese proceso. Su descripción, en lenguaje ordinario, es muy simple: el que llena el vaso de agua, mediante la observación del nivel alcanzado en el vaso, actúa sobre el grifo, de modo que lo va cerrando según se alcanza el nivel que estima oportuno. El proceso que tiene lugar lo describiríamos como sigue: el agente (el que llena el vaso) compara el nivel alcanzado en el vaso con el nivel deseado, si existe discrepancia actúa sobre el grifo, con lo que se influye sobre el nivel alcanzado, que es de nuevo comparado (en realidad se trata de un proceso continuo) con el nivel deseado; según disminuya la discrepancia, se irá cerrando el grifo, hasta que al anularse esta, se cierre definitivamente.
Gráfico N° 8 Proceso de llenar un vaso Fuente: Dinámica de Sistemas – Javier Aracil
El proceso así descrito se puede representar de forma más sintética mediante un diagrama como el que se superpone en el Gráfico No.9.
En este diagrama se indican los hitos más importantes que intervienen en el proceso, de acuerdo con la descripción anterior, y que son el nivel alcanzado en el vaso, la discrepancia entre ese nivel y el deseado, y el flujo de agua que modifica aquel nivel. Estos elementos
43 básicos del proceso están unidos entre sí mediante flechas que indican las influencias que se establecen entre ellos. Por ejemplo, el nivel alcanzado depende del flujo de agua o, lo que es lo mismo, el flujo de agua influye sobre el nivel alcanzado, lo que se indica, en el diagrama, mediante una flecha que va desde «flujo de agua» a «nivel»
alcanzado.
Esta relación de influencia se escribe:
FLUJO DEL AGUA →NIVEL
De forma análoga, la «discrepancia» se determina a partir del «nivel deseado» y del «nivel» alcanzado (en realidad es la diferencia entre ambas). Por último, la «discrepancia» determina el «flujo de agua».
Articulando todas las relaciones de influencia se tiene el diagrama de el Gráfico No.9 .En esta figura se observa que las flechas que unen la discrepancia con el flujo de agua, éste con el nivel alcanzado, para acabar de nuevo en la discrepancia, forman una cadena circular o cerrada de influencias. Es lo que se conoce como un bucle de realimentación, que es un elemento básico en la estructura del sistema.
Gráfico N° 9 Diagrama básico del proceso de llenar un vaso con agua a) Con un gráfico orientado b) Con un gráfico signado
Fuente: Dinámica de Sistemas – Javier Aracil
44 Este ejemplo constituye una muestra de cómo se puede analizar un sistema, descomponerlo en sus elementos esenciales, y relacionar estos elementos mediante un bosquejo de cómo se producen lasinfluencias entre ellos. De este modo se tiene la descripción más elemental que podemos tener de ese sistema, que se limita a establecer qué partes lo forman y cuáles de ellas se influyen entre sí.
La influencia, en esta descripción, se mantiene a un nivel cualitativo, en el sentido de que únicamente se dice si se produce o no influencia, pero no la forma o magnitud que tenga. En general, si A y B son dos partes de un sistema, el hecho de que A influya sobre B se representa mediante una flecha de la forma 𝐴 → 𝐵 e indica que B es una función de A, es decir:
B = ƒ(A),
Aunque no conozcamos la forma matemática exacta de la función.
2.9.2. APLICACIONES DE LA DINÁMICA DE SISTEMAS
La dinámica de sistemas es una metodología ideada para resolver problemas concretos. Inicialmente se concibió para estudiar los problemas que se presentan en determinadas empresas en las que los retrasos en la transmisión de información, unido a la existencia de estructuras de realimentación, dan lugar a modos de comportamiento indeseables, normalmente de tipo oscilatorio. Originalmente se denominó dinámica industrial. Los trabajos pioneros se desarrollan a finales de los años 50, y durante los 60 tiene lugar su implantación en los medios profesionales. Esta implantación se produce tanto de una forma más o menos pura, siguiendo lo que podemos denominar la ortodoxia forresteriana, como, más habitualmente, de forma ecléctica, en simbiosis con otras metodologías de análisis sistémico.
En particular, los diagramas de Forrester, o de flujos-niveles, que veremos luego, han alcanzado una amplia difusión y son empleados
45 aun por aquellos que no mencionan explícitamente la dinámica de sistemas.
Por ejemplo, en sistemas sociológicos ha encontrado multitud de aplicaciones, desde aspectos más bien teóricos como la dinámica social de Pareto o de Marx, hasta cuestiones de implantación de la justicia. Un área en la que se han desarrollado importantes aplicaciones es la de los sistemas ecológicos y medioambientales, en donde se han estudiado, tanto problemas de dinámica de poblaciones, como de difusión de la contaminación. Otro campo interesante de aplicaciones es el que suministran los sistemas energéticos, en donde se ha empleado para definir estrategias de empleo de los recursos energéticos. Se ha empleado también para problemas de defensa, simulando problemas logísticos de evolución de tropas y otros problemas análogos.
Más allá de las aplicaciones concretas que acabamos de mencionar, la difusión de estas técnicas ha sido muy amplia, y en nuestros días se puede decir que constituye una de las herramientas sistémicas más sólidamente desarrolladas y que mayor grado de aceptación e implantación han alcanzado.
2.9.3. METODOLOGÍA DE DINÁMICA DE SISTEMAS
Metodología que se encarga del estudio de sistemas realimentados, con el propósito de diseñar modelos que representan su estructura que genera el comportamiento del sistema, y en base a ello poder tomar medidas que permitan el mejoramiento del sistema.
A. Elementos de la Dinámica de Sistemas:
A.1 Límites del Sistema: Límites que delimitan el sistema que se está considerando. En el interior del sistema se incluyen exclusivamente los elementos considerados más relevantes
46 para el problema estudiado. Los elementos que afectan y a su vez son afectados por el sistema se consideran en el interior de los límites, mientras que aquellos que sólo afectan o se ven afectados se consideran fuera delos límites.
A.2 Diagrama de Influencias: Es un diagrama en el que se representa la causa y efecto de los elementos.
A.3 Modelamiento Lineal: las variables independientes afectan a la variable dependiente.
A.4 Modelamiento dinámico: Causalidad en ambos sentidos o circular. Son representaciones de las estructuras de los sistemas de manera lógica y cualitativa sustentado de la causalidad entre las variables de forma realimentada.
B. Tipo de Relación Causal:
B.1 Relación Positiva: Cuando la causa cambia en un sentido, también el efecto cambia en ese sentido.
B.2 Relación Negativa: Cuando la causa cambia en un sentido, el efecto cambia en sentido inverso
C. Tipo de Bucles
C.1 Bucle de Realimentación Positiva: Constituye aquel que tiene un comportamiento en el cual se refuerza la variación inicial en uno de los elementos a través de todo el bucle. Se determina en función del número de relaciones negativas que existan.
47 Gráfico N° 10 Bucles de Realimentación Positiva
Fuente: Dinámica de Sistemas – Javier Aracil
C.2 Bucle de Realimentación Negativa: Constituye aquel, en el cual el comportamiento o variación en un elemento va a ser contrarrestado a través del bucle generando equilibrio.
Gráfico N° 11 Bucles de Realimentación Negativa Fuente: Dinámica de Sistemas – Javier Aracil
48 Gráfico N° 12 Bucles de Realimentación Negativa
Fuente: Dinámica de Sistemas – Javier Aracl
C.3 Retrasos: Los retrasos pueden tener una enorme influencia en el comportamiento de un sistema. En los bucles de realimentación positiva determinan que el crecimiento no se produzca de forma tan rápida como cabría esperar. En los de realimentación negativa su efecto es más patente. Su presencia puede determinar que ante la lentitud de los resultados se tomen decisiones drásticas que conduzcan a una oscilación del sistema.
Gráfico N° 13 Retrasos Fuente: Dinámica de Sistemas – Javier Aracil
:
49 D. Diagrama de Forrester
Son herramientas específicas de modelado de la dinámica de sistemas, que es una metodología para el estudio y análisis de sistemas continuos complejos, mediante la búsqueda de relaciones entre los subsistemas (especialmente lazos de realimentación).
Ésta mira al sistema como un "todo", empleando normalmente el computador para simulación.
E. Símbolos o Variables empleados en los Diagramas de Forrester
Gráfico N° 14 Símbolos y Variables Fuente: Software Stella 8.0
Toda variable de nivel va unida a una o más variables de flujo las cuales son responsables de la variación de la primera. De hecho, un nivel sólo cambia en cuanto se llena o vacía por los flujos que le afectan. Dejaremos que sean las figuras las que muestren al lector la representación gráfica de los componentes de un diagrama de flujo.
50 Gráfico N° 15 Organización de las variables de Nivel y
Flujo en un diagrama Fuente: Dinámica de Sistemas – Elementos y estructuras
En el gráfico 15 puede verse un diagrama de flujo en abstracto y un ejemplo de un posible fragmento de modelo concreto con idéntica estructura. En él aparece una variable de nivel junto con una variable de flujo que lo llena.
Matemáticamente la variable de flujo supone la variación por unidad de tiempo del nivel y se representa con un cierto aspecto de válvula que está controlando el fluir de la magnitud que se acumula en el nivel. Su valor se establece en función de una variable auxiliar y de un parámetro. A su vez, la variable auxiliar depende del nivel y de otro parámetro. Las líneas de información representan la dirección de las relaciones de dependencia entre las variables.
F. Proceso de Modelado
El proceso de modelado consiste en el conjunto de operaciones mediante el cual, tras el oportuno estudio y análisis, se construye el modelo del aspecto de la realidad que nos resulta problemático.
Este proceso, consiste, en esencia, en analizar toda la información de la que se dispone con relación al proceso, depurarla hasta reducirla a sus aspectos esenciales, y reelaborarla de modo que pueda ser transcrita al lenguaje sistémico que estamos viendo. En el proceso de modelado se pueden distinguir las fases siguientes:
Nivel Flujo
Auxiliar
Parámetro 1
