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CONTAMINACION DEL AGUA

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IMPACTO DE LA MINERIA

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Impacto de la Minería en Aguas Superficiales
de la Región Puno - Perú
Impact of Mining on Surface Waters of the
Región Puno - Perú
Magaly Alejandra Brousett-Minaya¹ , Gerby Giovanna Rondan-Sanabria² , Maritza Chirinos-Marroquín³
Ivan Biamont-Rojas⁴
¹ Químico, Magister en Biología Funcional y Molecular, Doctorado en Ciencias Tecnológicas Medioambientales Artículo Recibido: 23-11-2020 Artículo Aceptado: 5-02-2021
Universidad Nacional de San Agustín, Arequipa-Perú Número de mbrousett@unsa.edu.pe
²Químico, Magister Doctor y Pos doctor en Ciencias de los Alimentos - Área de Bromatología.
Universidad Tecnológica del Perú, Arequipa- Perú Número de C16238@utp.edu.pe
³Ingeniero Industrial. Magister en Ciencias. MBA en Gestión y Tecnologías Ambientales.
Universidad La Salle, Arequipa- Perú mchirinos@ulasalle.edu.pe
⁴Biólogo, Magister en Ciencias de la Ingeniería Agrícola. Universidad Estadual de Sao Paulo -UNESP
Sao Paolo-Brazil biamont.ivan@gmail.com

El objetivo del presente estudio es evaluar las condiciones físicas y químicas de las aguas superficiales derivadas de los deshielos del nevado Riticucho en la Rinconada- Puno, los cuales evidentemente son afectados por la actividad minera informal desarrollada en esa localidad. El trabajo evalúa el efecto de esta actividad en sedimentos y agua de las lagunas Lunar y Cumunni, las cuales fueron evaluadas en temporada seca y temporada de lluvias en 2018. El análisis físico-químico incluyó: pH, conductividad, OD, DBO ₅, DQO, dureza, cloruros y sólidos en suspensión. También incluyó metales (As, Cd, Cu, Fe, Hg, Ni, Pb y Zn) en agua y sedimentos. El diseño de investigación es descriptiva, ya que se describen y analizan los datos encontrados, observándolos sin influenciar en ninguna variable del estudio. La metodología desarrollada fue la propuesta en los Métodos Estandarizados para el Agua: APHA, AWWA 2012, que incluye técnicas nefelométricas, fotométricas y colorimétricas. Los resultados fueron comparados con normas de calidad ambiental peruanas, canadienses y niveles de referencia para los Estados Unidos de América. Los resultados muestran valores fuera de las normas establecidas, principalmente el pH ácido y aguas duras. Los metales Cd, Ni, Pb, Fe y Zn también exceden los límites de los estándares. La concentración de Hg en sedimentos alcanzó valores altos de 20,13 y 33,32 mg/Kg en época de lluvias y seca respectivamente.

Palabras Clave: Contaminación, lagunas, minería, mercurio, sedimentos.

This work evaluates the effect of mining activity on sediments and water from the Lunar and Cumunni lagoons, in Puno. Surface waters were evaluated in the dry season and rainy season in 2018. The physical-chemical analysis included: pH, conductivity, DO, BOD ₅, COD, hardness, chlorides and suspended solids. It also included metáis (As, Cd, Cu, Fe, Hg, Ni, Pb and Zn) in water and sediments. The results were compared with Peruvian and Canadian environmental quality standards and reference levéis for the United States of America. The results show valúes outside the established norms, mainly acid pH and hard water. The metáis Cd, Ni, Pb, Fe and Zn also exceed the limits of the standards. The concentration of Hg in sediments reached high valúes of 20.13 and 33.32 mg / Kg in the rainy and dry season respectively.

Keywords: Pollution, lagoons, mining, mercury, sediments.

Una de las actividades económicas más comunes y lucrativas en Perú es la minería, que representa una parte significativa de la inversión, las exportaciones, los ingresos fiscales y el empleo del país. Hay ocho minerales que constituyen los principales productos básicos mineros exportados entre el 2011 y 2015, que son oro, plata, cobre, zinc, plomo, estaño, hierro y molibdeno (Osignermin, 2016). Sin embargo, esta actividad también ha traído consigo un aumento de conflictos sociales por inconformidades o contradicciones entre los grupos de interés, ademas de ellos la problemática de las mineras informales.

En la década de los 80 en Puno, los habitantes de la provincia de San Antonio de Putina establecieron en la localidad de Rinconada un centro minero informal de extracción de oro (Goyzueta y Trigos 2009). Esta práctica informal viene cobrando impulso desde el año 2000, generando serios problemas en el ámbito ambiental y de salud pública, dado que familias enteras se dedican a la minería informal sin medidas de protección, generando al mismo tiempo residuos de relaves que llegan a las fuentes de agua sin tratamiento previo. Estas prácticas son las explicadas por Wen-Cheng, Hwa-Lung y Chung-En (2011) y Talledos (2017) quienes concluyen que el cambio climático y el estrés hídrico, están limitando la disponibilidad de agua limpia en todo el mundo. Sin embargo, las contribuciones antropogénicas de una variedad de fuentes tienden a ser los principales factores que afectan a la mayoría de los cuerpos de agua.

Por otro lado, las variaciones en la calidad de las aguas continentales son el resultado de una combinación de procesos naturales, como la meteorización y la erosión del suelo, y contribuciones antropogénicas, como la descarga de residuos municipales e industriales. Este último, constituye una fuente constante de contaminación, que afecta en gran medida a la flora y fauna acuática. Un ejemplo de esto es el impacto de la minería en ríos y lagos. La exposición de metales pesados a fuentes acuíferas constituye un grave problema ambiental por la toxicidad de estos metales y sus repercusiones fisiológicas, tanto en humanos como en animales (Londoño-Franco, Londoño-Muñoz y Muñoz-García, 2016; Molina, Ibañez y Gibon, 2013). Los metales pesados son constituyentes importantes de las aguas residuales industriales, aunque solo están presentes en trazas. Cualquier ion con peso atómico superior a 23 se considera metal pesado. Los ejemplos incluyen níquel, magnesio, plomo, cromo, cadmio, zinc, cobre, hierro y mercurio, entre otros. La determinación de las concentraciones de metales pesados generados por la actividad humana permite evaluar el nivel al que se ve afectada una determinada zona. Para ello, es indispensable analizar no solo el agua, sino también los sedimentos, ya que los metales tienden a depositarse en el piso del cuerpo de agua afectado (Soto-Cruz, Carrillo-Chávez y Suárez-Sánchez, 2011).

Debido a su alta toxicidad, As, Cr, Hg, Ni, Cu y Cd se consideran parte de una clase de metales peligrosos. Estas sustancias han sido estudiadas en diferentes aguas de riego de cultivo, mostrando su presencia en diferentes productos de plantación, poniendo en riesgo la salud alimentaria de la población (Fransisca, et al., 2015; Li, et al., 2015). Las aguas de la Laguna Lunar en la Rinconada recorren hasta el río Crucero, luego por los ríos Azángaro y Ramis, para finalmente desembocar en el lago Titicaca. En esta ruta, las aguas se utilizan para el riego y consumo de animales, así como para actividades domésticas. Debido a la situación expuesta, el objetivo de la presente investigación es analizar parámetros físico-químicos, considerando la presencia de metales pesados en aguas y sedimentos de estas dos fuentes de agua superficial, con el fin de demostrar el grado de contaminación derivado de la explotación minera.

Se realizó una evaluación in-situ con el objetivo de determinar las condiciones higiénicas y organolépticas de las lagunas, así como posibles factores de contaminación. Las muestras de agua se tomaron en temporada de estiaje y de lluvia con la finalidad de comparación. El muestreo se realizó de acuerdo con el "protocolo de monitoreo de la calidad de los recursos hídricos" establecido por la Autoridad Nacional del Agua - DGCRH (2010), y siguiendo el apartado y seis puntos en la laguna Lunar. Las muestras fueron trasladadas para la determinación de parámetros físico-químicos ( 6.4 de la metodología de muestreo para aguas superficiales. Estas fueron tomadas entre las 12 y 14 horas a 20cm de profundidad. Los puntos de muestreo se visualizan en la figura 1: tres puntos diferentes a lo largo del cuerpo de agua de la laguna Cumunni Tabla I) y siguiendo la metodología propuesta en los Métodos Estandarizados para el Agua: APHA, AWWA 2012, que incluye técnicas nefelométricas, fotométricas y colorimétricas. Para la determinación de la dureza y cloruros se determinó por método volumétrico. Para la medición de pH y conductividad se realizó por método electrométrico. La demanda química de oxígeno se determinó por método colorimétrico requiriendo un espectrofotómetro, así como DBO ₅ medida por el método Winkler. Las determinaciones para solidos disueltos y suspendidos fueron realizados por métodos gravimétricos.

Utilizando un muestreador tipo draga, se realizó el muestreo de sedimentos (800 mg) en los mismos puntos del muestreo de agua. Las muestras se colocaron en bolsas de polietileno previamente lavadas con ácido nítrico al 10% y posteriormente en el laboratorio fueron secadas a40°C y transportadas para análisis. Las muestras para el análisis de metales en agua se tomaron en frascos de polietileno de 250 mL, conteniendo 1 mi de HNO ₃ 1: 1 hasta pH < 2.0 para su conservación. Las muestras de sedimentos y agua fueron enviadas al laboratorio de ALS CORPLAB (Corporación de Laboratorios Ambientales del Perú S.A.C., acreditado por INACAL DA-Perú, Registro N ° LE-029). Todas las muestras fueron conservadas y transportadas a una temperatura de 4°C. Los análisis, a excepción del de mercurio, se realizaron mediante espectroscopia de emisión atómica con plasma de acoplamiento inductivo (EPA METHOD 200.7 Rev. 4.4 1994). El mercurio se analizó mediante espectroscopia de absorción atómica de vapor frío (MÉTODO EPA 245.1 Rev. 3.0 1994).

Para el análisis estadístico se utilizó un análisis de componentes principales (PCA), basado en Legendre y Legendre (1998). Esta prueba permitió la evaluación de ambas lagunas (Cumunni y Lunar) en cada estación (estiaje y lluviosa). Los autores realizaron la prueba juntando las épocas de lluvia y estiaje de las lagunas correspondientes, buscando parámetros que influyeran en la calidad del agua y la sostenibilidad ecológica entre y dentro de los cuerpos de agua. Los datos originales fueron estandarizados inicialmente por loglO (x + 1), donde "x" era el valor del parámetro inicial.

Estos nuevos datos se analizaron con el software PAST v3-0.

Los resultados fisicoquímicos de las aguas se compararon con los Estándares de Calidad Ambiental del Perú N° 015-2015-MINAM en Categoría 4: E-l sobre parámetros establecidos para lagos y lagunas (EQS). Los resultados de metales se compararon con las Directrices Canadienses de Calidad Ambiental (CEQG), que establecen parámetros de calidad del agua para la protección de la vida acuática en referencia a la presencia de metales en aguas continentales. Los resultados de sedimentos con las regulaciones internacionales de Canadá (ISQG) y con el Nivel de efecto probable (PEL), que es la concentración por encima de la cual aparecer efectos biológicos adversos. Los resultados de los metales en sedimentos se compararon con los niveles de fondo establecidos en la tabla de referencia (Tabla de referencia rápida de detección de sustancias inorgánicas en sedimentos de agua dulce) publicada por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) de los Estados Unidos.

Resultados y discusión

En la Laguna Cumunni, no se observaron efluentes significativos. Sin embargo, se evidenció contaminación por actividades domésticas como el lavado de prendas y el vertido de residuos sólidos. En Laguna Lunar se evidenciaron importantes efluentes, que transportaban relaves de minería, material orgánico y desechos sólidos principalmente plásticos.

El pH de ambas lagunas ( Tabla I) se encontró fuera de los parámetros establecidos por los estándares de EQS. Se encontró que la laguna lunar es la más acida, con valores de 3-03 ± 0.13 y 2.14 ± 0.08 durante las épocas de estiaje y lluvia, respectivamente. Estos resultados podrían explicarse por la presencia de altas concentraciones de hierro, derivado de efluentes que transportan relaves mineros, que se encuentran en el agua y en los sedimentos de la laguna ( Tablas IV y V). Este metal se puede encontrar en las lagunas como sulfuro de hierro, más generalmente conocido como pirita (FeS ₂), que es el mineral cuya oxidación se considera la principal fuente de generación de ácido.

Durante la época de lluvia, el índice de acidez es mayor, debido al drenaje ácido que existe en la zona, y las concentraciones más altas de PTEs disueltos (elementos potencialmente tóxicos como PbS, ZnS, CuFeS ₂ y FeAsS) (Moncur, Ptacek, Blowes y Jambor, 2004). Estos sulfuros metálicos fluyen libremente, transportados por corrientes fluviales hacia el cuerpo de agua, aumentando así su acidez, fenómeno registrado no solo en aguas superficiales, sino también en aguas subterráneas y suelos. En cuanto a la dureza, el agua de ambas lagunas se clasificó como dura y muy dura. La Laguna Cumunni durante la época de estiaje mostró el valor más bajo de dureza (231-53 ± 9-10 mg/L), mientras que la Lunar durante la temporada de lluvias tuvo la mayor dureza (469-09 ± 16.03 mg/L). La dureza se correlacionó positivamente con su conductividad. Durante la época de estiaje, la Laguna Cumunni presentó un valor de conductividad de 655,57 ± 18,86 uS/cm, mientras que la Lunar presentó un valor de 1448,63 ± 101,14 uS/cm durante la época lluviosa. La conductividad de las aguas de la Laguna Lunar excede el LMP de Categoría 4: E-1. Estos valores indican la presencia de minerales solubles en un medio ácido, los cuales pueden ser carbonates u oxihidróxidos ferrosos.

El oxígeno disuelto de ambas lagunas está lejos de cumplir con las normas. Los valores mínimos registrados se midieron en Laguna Lunar, con valores de 0,18 ± 0,01 mg/L y 1,02 ±0,13 mg/L en la época de estiaje y de lluvia, respectivamente. Si bien el oxígeno gaseoso se disuelve mejor a bajas temperaturas (Sierra, 2016; Baque-Mite, et al., 2016,) y dado que Rinconada es una localidad que experimenta temperaturas bajo cero durante el invierno, los factores predominantes que contribuyen a la ausencia de oxígeno serían su utilización en la oxidación de amoniaco y amonio, sustancias derivadas de la materia orgánica existente, proveniente de aguas residuales de la minera, y residuos derivados de centros urbanos que se dirigen a la laguna Lunar a través de canales. La Laguna Cumunni presenta mayores valores de oxígeno disuelto, posiblemente debido a la presencia, aunque en pequeñas cantidades, de material vegetal que libera oxígeno durante el proceso de fotosíntesis, algo que no se observó en Laguna Lunar. Si bien existe un leve aumento de oxígeno en ambas lagunas durante la temporada de lluvias, quizás debido a la exposición natural del aire que provoca más movimiento en las corrientes en este momento, esta variabilidad no sería suficiente para permitir una vida acuática duradera en ambas lagunas.

Los valores encontrados en la DBO ₅, de la laguna Cumunni oscila entre 9.16 ± 1.30 y 10.51 ± 0.44 mg/L, ambos exceden la categoría 4: E-l, indicando la presencia de una masa significativa de material orgánico (Bellos y Sawidis, 2005). En el caso de la laguna Lunar, esta se encuentra en procesos oligotróficos, sin organismos vivos, debido a que la laguna tiene altos valores de DQO y bajos valores de pH, muy pocas especies de bacterias o algas (macroscópicas y microscópicas) especializadas en la descomposición de materia orgánica son capaces de sobrevivir dentro de este ecosistema. Es por esta razón que la DBO, así como la concentración de oxígeno disuelto, es tan baja; no hay un reabastecimiento biológico continuo, solo físico durante la estación lluviosa, que es temporal. En cuanto a sólidos disueltos y suspendidos, la laguna Lunar presentó los valores mas altos durante la época lluviosa, con 87,36 ± 1,27- Este valor difiere de Cumunni (3-48 ± 0.94) debido a la descarga de material orgánico y relaves mineros en la laguna Lunar, lo cual no se evidencia en el otro cuerpo de agua.

Resultados estadísticos de los parámetros fisicoquímicos

Los resultados del PCA al describir ambas lagunas en la misma temporada ( Tabla II) mostraron que el primer y segundo componentes principales contribuyen en gran medida a la descripción de los resultados en las dos temporadas. La época de estiaje en el primer componente principal (PCI) está fuertemente correlacionada con la demanda química de oxígeno (DQO), la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y los sólidos disueltos, que a su vez están relacionados con la descomposición de materia orgánica e inorgánica; sin embargo, el segundo componente principal (PC2) está relacionado con la DQO, la dureza y los cloruros, lo que explica el aumento de las concentraciones de las sales debido a fuentes artificiales. Se reconoce que los valores de Laguna Lunar están relacionados con la conductividad, sólidos en suspensión y disueltos debido a las descargas no solo del excedente químico de la minería, sino también de las aguas residuales que llegan sin tratamiento adecuado; mientras que los valores de la Laguna Cumunni están altamente asociados con la DBO, el OD indica una mejor relación con la biota que descompone la materia orgánica en este cuerpo de agua debido al consumo de oxígeno.

La temporada de lluvias en el PCI se correlaciona con los sólidos disueltos y en suspensión, lo que explica la entrada de nuevo material transportado por la lluvia desde toda la cuenca. El PC2 está relacionado con la conductividad, los sólidos disueltos y la creciente cantidad de material inorgánico como las sales. Se encontró que los valores de la Laguna Cumunni están correlacionados con DBO, DQO y pH, debido a la síntesis de materia orgánica e inorgánica, lo que conduce a un mayor consumo de OD disponible en el sistema; Los datos de la laguna Lunar, por otro lado, se asocian con sólidos en suspensión, sólidos disueltos y dureza, lo que se explica por el hecho de que la lluvia transporta materia desde la cuenca, incluidos no solo los suelos sino también el material excedente (material particulado, productos químicos), derivados de los procesos de extracción minera.

Al analizar cada laguna a la vez para las épocas de estiaje y lluvia, el primer y segundo componentes contribuyen en gran medida a la descripción de los resultados. La Laguna Cumunni en PCI se relaciona con sólidos disueltos y oxígeno disuelto (OD) que impactan la producción primaria, especialmente los procesos de fotosíntesis; El PC2 se correlaciona con la conductividad y los sólidos disueltos, lo que muestra la importancia del material particulado inorgánico y las sales en el sistema. Los datos de la época de lluvias muestran una correlación con DQO, DBO y OD, debido a la incorporación de agua cruda de la lluvia y aún existe un proceso de síntesis biológica en ella. Por otro lado, los valores de la estación seca en la Laguna Cumunni muestran una correlación con los sólidos en suspensión, y los últimos parámetros mencionados no muestran una asociación relevante. Esto se debe a que las personas que viven cerca de la zona utilizan esta laguna para lavar la ropa y, mientras el nivel del agua disminuye, los fenómenos naturales inducen la suspensión de material previamente sedimentado.

La laguna lunar muestra, para PCI, una asociación con sólidos disueltos y suspendidos, que proviene de la entrada continua de agua con grandes cantidades de material. El PC2 está relacionado con DQO, dureza y cloruros, que está relacionado con la química del agua y la síntesis de partículas inorgánicas y material disuelto en la laguna. Los datos de la temporada de lluvias en Laguna Lunar, a pesar de la entrada de aguas residuales y otros efluentes artificiales, muestran una baja correlación con sólidos en suspensión y disueltos, y una asociación aún menor con DQO y DBO debido a concentraciones muy bajas de oxígeno. Mientras tanto, durante la época de estiaje, existe una correlación muy baja con el pH, así como una concentración de oxígeno disuelto muy baja disponible para los procesos DQO y DBO.

En resumen, estadísticamente, Cumunni tiene una correlación mas fuerte con parámetros biológicamente relacionados, como DBO, OD, pH, DQO.

Esto indica que hay una menor calidad del agua debido a que aún se están produciendo procesos ecológicos ( Tabla III). Para la laguna Lunar, existe mayor asociación con parámetros relacionados con conductividad, sólidos en suspensión y sólidos disueltos, lo que evidencia la alta concentración de sales y materia inorgánica en el sistema. Este entorno inhibe los procesos biológicos, por lo que la concentración de oxígeno disuelto es baja.

Los resultados para metales pesados en las lagunas ( Tabla IV) muestran que en su mayoría superan los valores regulatorios establecidos por las normas EQS y Canadiense de Calidad Ambiental, con excepción de cobre y mercurio. Aunque este último, fue reportado en el año 2019 en una cuenca derivada de la Laguna lunar con concentraciones de 0,055 y 0,068mg/L de Hg que superan las normas comparativas (Mamani-Navarro, et at., 2019). Los valores de los metales pesados más altos corresponden a la época de estiaje, debido a la concentración de estos, a medida que desciende el nivel del agua en las lagunas. Las aguas muestran contaminación con altas concentraciones de zinc y hierro. Este último puede existir en sus diferentes estados de oxidación o también puede estar depositado en forma de hidróxidos. La ingesta de zinc se relaciona con diversos trastornos neurológicos, inmunológicos, renales, hepáticos y cardiovasculares (Rodríguez, 2017). Los valores más altos de arsénico se reportaron en época de estiaje, con 0,043 y 0,058 mg/1 para las lagunas Cumunni y Lunar, respectivamente. Existen evaluaciones del año 2017 en el rio Coata que desemboca al Lago Titicaca, el cual guarda relación geográfica con la Laguna Lunar, con valores de 0,03mg/L de este metal (Capacoila, 2017) que exceden las regulaciones canadienses (CEQG). Estudios muestran que Argentina, Chile y Perú están expuestos a altos niveles de arsénico en agua, especialmente la de origen subterráneo (Gonzales, et al., 2014). Además, en los seres humanos, la toxicidad crónica por arsénico provoca lesiones cutáneas (queratosis, hiperpigmentación) y lesiones vasculares en el sistema nervioso e hígado. También se reportaron diferentes tipos de cáncer en el hígado, vejiga y riñon (Londoño-Franco, et al., 2016; Rodríguez, 2017). En el caso del plomo, se encontraron concentraciones que superan los LMP de ambos conjuntos de normativas, con valores de 0.03 mg/L y 0.04 mg/Ll para las lagunas Cumunni y Lunar, respectivamente. Aunque estos valores no superan mucho los límites, es importante reportarlos, dado que el plomo es un xenobiótico, interfiere en el metabolismo de la vitamina D, cuando el metal se deposita en forma de fosfato de plomo en huesos de rápido crecimiento y luego compite con el calcio y hierro provocando hipocalcemia, anemia y alteraciones del sistema nervioso periférico (Rodríguez, Cuellar, Mal donado y Suardiaz, 2016).

En el caso de sedimentos, los resultados indican que la mayoría de las concentraciones de metales exceden las estipulaciones por ISQG, PEL y NOAA ( Tabla V). Las concentraciones de los metales aumentan durante la época de estiaje, debido a la mayor sedimentación por déficit de arrastre y disminución del caudal de agua. Para ambas lagunas, los valores más altos encontrados fueron arsénico, níquel, hierro y mercurio. La concentración más alta de As fue de la laguna Lunar con 56.92mg/Kg. Valor que supera en demasía a los diferentes estándares comparativos. La exposición crónica al As inorgánico se ha asociado con diversas formas de cánceres y numerosos otros efectos patológicos en los seres humanos, conocidos colectivamente como arsenicosis (Bjorklund, Aasetth, Chirumbolo Urbina yUddin,2017).

Los resultados de mercurio elevados en sedimentos se encontraron en época de estiaje con 12,14 y 33,32 mg/Kg en las lagunas Cumunni y Lunar, respectivamente. Datos que evidencia la utilización excesiva de esta sustancia para la extracción del oro. El Perú ocupa el tercer lugar en el mundo en términos de cantidad de mercurio utilizado, detrás de China y Colombia (Díaz-Arriaga, 2014), utilizando 70 toneladas de mercurio al año para extraer 188 toneladas de oro. Significa que, por cada tonelada de oro, requieren 370 kg de mercurio. Este metal puede estar presente en diferentes estados: elemental, formando compuestos inorgánicos (combinaciones con cloro, azufre y oxígeno) y orgánicos (combinado con carbono, como metilmercurio). Este último se genera en los ecosistemas acuáticos por la metilación del mercurio inorgánico, puede ser bioacumulado por los organismos y generador de intoxicación a lo largo de la cadena alimentaria. Su ingesta está relacionada con daños cerebrales, sistema cardiovascular, tipos de cáncer, (Reyes, Aasetth, Chirumbolo, Urbina y Uddin, 2016) así su inhalación reportó, insomnio, debilidad de la memoria, depresión, hiperreflexia tendinosa, entro otras (Vahabzadeh y Balali-Mood, 2016). Así mismo, se han reportado que los niños tienen una mayor susceptibilidad a los efectos neurológicos adversos del mercurio, en comparación con los adultos con similares exposiciones (Andreoli, 2017), lo cual es una alerta para la población de la Rinconada, ya que los niños y adolescentes se encuentran involucrados directamente en esta actividad. La intoxicación por mercurio no tratada a tiempo, aun por derrames accidentales en los hogares, traen complicaciones a nivel neuronal (Kamensky Horton, Kingsley y Brigdes, 2019), lo cual debe tenerse muy en cuenta en los hogares de la población investigada, ya que se ha observado la quema de amalgama de oro y mercurio dentro de las mismas viviendas.

Los valores de mercurio encontrados en las lagunas de estudio son altos en comparación con los sedimentos del río Aboado (lOmg/Kg), ubicado en el distrito de Asutifi en Ghana - India. Se informa que este río también se ve afectado por la extracción de oro artesanal (Adjei-Kyereme, Donkor, Golow, Yeboah y Pwaman, 2015)- Asimismo, se encontraron valores entre 2.5 y 3-0 mg/kg de mercurio en sedimentos del río Puyango-Ecuador (Mora, Jumbo-Flores, González-Merizalde y Bermeo-Flores, 2016). Para la mayoría de los organismos, la exposición a metales pesados que exceden las concentraciones umbral puede ser extremadamente tóxica. Los metales toxicológicos y ecotoxicológicos en los medios acuáticos son el Hg, As, Cr, Pb, Cd, Ni y Zn. Los metales encontrados en los sedimentos de la Laguna Lunar pueden correr a lo largo de los ríos donde fluye como Río Grande y Cuenca Ramis, donde se han observado criaderos de truchas; esto abre la posibilidad de que estos peces se encuentren contaminados.

La calidad de agua, superficial o subterránea depende de factores naturales como de la acción humana. Sin la acción humana, la calidad del agua vendría determinada por la erosión del substrato mineral, los procesos atmosféricos de sedimentación de lodos y sales, la lixiviación natural de la materia orgánica y los nutrientes del suelo y los procesos biológicos en el medio acuático. Una masa de agua sin contaminar está saturada de oxígeno disuelto mayor a 5mg/L, presentado pH entre 5,5 a 9-0, generalmente libre de grasas, aceites, cianuro y mercurio. Bajo estas condiciones los organismos acuáticos tienen un habitat ideal, de la misma manera que la flora acuática, bridando las condiciones necesarias para la conservación de los ecosistemas, acelerando la mineralización de las excretas de los animales y de la vegetación en descomposición, y cumpliendo el rol trascendental de oxigenar el agua. Al ser contaminada las masas de aguas con material orgánico u inorgánico como son los metales pesados, la composición físico-química del agua varia inmediatamente en pH, turbidez, solidos suspendidos, oxígeno disuelto el cual es consumido por la materia orgánica, dejando sin él a los seres vivos. De esta manera, la calidad de agua se ve degradada y genera el descenso absoluto de especies, tanto flora y fauna. Este panorama fue evidenciado en las lagunas Cumunni y Lunar de la Mina Rinconada, donde los valores tan ácidos de pH, la ausencia de oxígeno y la excesiva presencia de mercurio no permiten ni permitirán el desarrollo de ninguna especie.

La evaluación fisicoquímica en las muestras de las Lagunas Cumunni y Lunar de la Rinconada, tanto en agua como en sedimento, arrojó valores que superan en su mayoría a las normativas peruanas y canadienses, así como los valores de referencia de Estados Unidos. Los resultados demuestran aguas muy acidas, con pH que oscila entre 2,14 ± 0,08 a 4,61 ± 0,37; según la dureza se clasifican en aguas duras y muy duras. La conductividad, OD, DQO y DBO ₅ superan el LMP de los estándares peruanos. Se evidenciaron metales pesados en ambas lagunas, las cuales en su mayoría superan los valores regulatorios establecidos. El valor más alto de metales en sedimento fue del mercurio en la laguna Lunar con 20,13 mg/kg y 33,32 mg/kg en la estación lluviosa y seca, respectivamente. El vertido de aguas residuales sin tratamiento previo ha contaminado totalmente la laguna Lunar, lo que junto con los lechos sedimentarios de los lagos también pueden contaminar otros cuerpos de agua y sus cadenas tróficas. Asimismo, las personas que viven alrededor de la mina Rinconada están en peligro de intoxicación cuando utilizan agua de estas fuentes para sus actividades domésticas.

Agradecimiento: Biamont-Rojas es becario del Programa de Estudiantes de Postgrado - PEC-PG de CAPES / CNPq, Brasil

Referencias Bibliográficas

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La Dra. Rosa Reyes Gil: Profesor Titular en el Dpto. de Biología de organismos, Universidad Simón Bolívar, Apartado Postal 89000, Caracas, Telef. 0212-9063046, correo electrónico rereyes@usb.ve.

Bach. Andrea De Souza y Jan Petersen: estudiantes de la Licenciatura en Biología, Dpto. de Biología de Organismos de la misma Universidad, mismo telefax, correos electrónicos andreadesousa@cantv.net. y janpetersen@cantv.net. Respectivamente.

Es generalmente aceptado que la actividad industrial es la principal responsable de las emisiones atmosféricas, la producción de los desechos peligrosos, la generación de efluentes líquidos, así como de producir contaminación térmica y sónica. Siendo el hombre el principal modificador de su entorno, es necesario generar en él una actitud responsable respecto al tema de la contaminación. El curso "Prevención de la Contaminación Industrial", asignatura electiva enmarcada en los programas de estudio de las diferentes carreras de la Universidad Simón Bolívar, busca suministrar a los futuros profesionales, las herramientas para entender y generar cambios en las políticas industriales de sus futuros centros de trabajo en relación con el ambiente. Este trabajo tiene como objetivo presentar el curso "Prevención de la Contaminación Industrial" como una propuesta a nivel universitario que conduce a la formación y sensibilización del futuro profesional en el problema de contaminación generado por los procesos industriales de los cuales formará parte en su futuro laboral. Incluye los principales objetivos que se pretenden obtener con este curso, los contenidos programáticos incluidos, así como las estrategias enseñanza-aprendizaje y de evaluación que se aplican. De igual modo, se presentan dos casos de estudio desarrollados por dos participantes del curso en su última edición del período abril-julio-2005.

Palabras clave: Contaminación Industrial/ Formación Ambiental/ Herramientas para la Prevención/ Prevención de la Contaminación/ Procesos Industriales.
Prevention of industrial pollution as acourse for environmental development at university level
It is generally accepted that the industrial activity is the main responsible for atmospheric emissions, production of dangerous wastes, generation of liquid effluents, as well as to produce thermal and sonic pollution. Man is the principal modifier of his environment, and it is necessary to generate a responsible attitude with respect to the environment. The course "Prevention of Industrial Pollution", an elective course in the curricula of various programs of Universidad Simón Bolívar, seeks to offer to the future professionals the tools to understand and generate changes in the environmental policies of their future work centers in connection with the environment. The objective of this paper is to present the course "Prevention of Industrial Pollution" as a proposal at university level to lead to the development and self-consciousness regarding the contamination problem generated by the industrial processes that he will encounter in his professional future. It includes the main objectives that are intended to cover in this course, including the program contents, as well as the teaching-learning and assessment strategies that are applied. Also included are two case studies by two participants in the last issue of the course for the term April-July, 2005.

Keywords: Environmental Development/ Industrial Pollution/ Industrial Processes / Pollution Prevention/ Prevention Tools.

I. INTRODUCCIÓN

Durante la mayor parte de la historia de la humanidad, en la cual las sociedades eran predominantemente rurales, la problemática ambiental se restringía a evitar los riesgos naturales. Con la revolución industrial se inicia un cambio sustancial en el tratamiento del ambiente, caracterizado por el aumento en la explotación de los recursos no renovables y la generación de residuos contaminantes de distinta naturaleza; todo ello aunado al incremento poblacional sostenido y al aumento de las necesidades humanas [1, 2, 3, 4, 5, 6].

Se hizo evidente que el ser humano tiene el poder de transformar, de innumerables maneras y a gran escala, todo cuanto lo rodea y, como consecuencia, ha venido desarrollando técnicas de producción intensivas que no consideran el impacto de estas actividades sobre el ambiente. En este contexto, no es de extrañar que los problemas de contaminación sean más evidentes a partir de la era industrial, momento a partir del cual se comenzaron a generar grandes cantidades de desechos a velocidades superiores a las que los ecosistemas son capaces de degradar. En efecto, está generalmente aceptado que la actividad industrial es la principal responsable de las emisiones atmosféricas, la producción de los desechos peligrosos, la generación de efluentes líquidos, así como de producir contaminación térmica y sónica [7, 8, 9, 10].

Los graves problemas generados por la contaminación como consecuencia del acelerado desarrollo industrial condujeron a que se cuestionara el modelo de crecimiento imperante y sus implicaciones en la degradación del ambiente y la afectación de los recursos naturales, generándose propuestas de diferente índole para su control [11, 12, 13, 14, 15, 16]. Entre las principales herramientas que se han propuesto para el control de la contaminación industrial y sus consecuencias se pueden citar herramientas legales, educativas, económicas, gerenciales y tecnológicas, entre otras [17, 18, 19, 20, 21, 22, 23].

Las medidas de alivio a la contaminación ambiental adoptadas tradicionalmente por el sector industrial, consistentes en una serie de instalaciones de adición al final de los procesos, han logrado mejoras relativamente rápidas. Sin embargo, desde la mitad de los años setenta también han sido reconocidas las limitaciones de estos métodos de "fin de tubería", y la única solución posible al problema de los residuos ha sido la minimización de los mismos. Todo sistema de tratamiento de los residuos debería, por lo tanto, preocuparse sobre todo de reducir las cantidades de residuos producidos. Esto eliminaría la necesidad de tratar y disponer estos materiales [24, 25, 26, 27, 28, 29, 30].

Siendo el hombre el principal modificador de su entorno, es necesario generar en él una actitud responsable respecto al tema de la contaminación. Esta actitud personal, comprometida con la salud ambiental, es de suma importancia y debe propiciarse en el estudiante universitario de manera que pueda ser aplicada en su campo de trabajo a nivel profesional, propiciando su participación como actor activo en los procesos de cambio que se requieren con urgencia para la conservación y protección del ambiente. Como resultado de estos planteamientos, surgió la necesidad de ofrecer el curso "Prevención de la Contaminación Industrial", el cual constituye una asignatura electiva enmarcada en los programas de estudio de las diferentes carreras de la Universidad Simón Bolívar y que busca suministrar a los futuros profesionales, las herramientas para entender y generar cambios en las políticas industriales de sus futuros centros de trabajo en relación con el medio ambiente.

Este trabajo tiene como objetivo presentar el curso "Prevención de la Contaminación Industrial" como una propuesta a nivel universitario que conduce a la formación y sensibilización del futuro profesional en el problema de contaminación generado por los procesos industriales de los cuales formará parte en su futuro laboral. Este curso se dicta desde el año 2000, una vez al año con una duración de doce (12) semanas durante el período lectivo abril-julio. A continuación se presentan los principales objetivos terminales que se pretenden obtener con este curso, los contenidos programáticos incluidos, así como las estrategias enseñanza-aprendizaje y de evaluación que se aplican. De igual modo, se presentan dos casos de estudio desarrollados por dos participantes del curso en su última edición del período abril-julio-2005.

I. DESARROLLO

1. Objetivos Generales y Específicos

Al finalizar este curso el estudiante dispondrá de los conocimientos relacionados con estrategias, técnicas y reglamentaciones que le permitirán identificar y controlar puntos críticos en las actividades y procesos industriales de su competencia, capaces de generar contaminación ambiental.

Para lograr este objetivo terminal se ejecutan las siguientes acciones:

1) Presentar y analizar los principales problemas ambientales generados por la industria venezolana.

2) Proporcionar los principios básicos relacionados con la prevención de la contaminación industrial, a saber: conceptos, técnicas, herramientas, incentivos y barreras.

3) Describir las principales técnicas propuestas para la prevención de la contaminación industrial.

4) Analizar diferentes casos de estudio en el quehacer industrial del país, en función de los conocimientos adquiridos en clase.

2. Contenido Programático del Curso

El curso está formado por cuatro (4) unidades temáticas, a saber:

Unidad I: Impacto de las actividades industriales sobre el ambiente (Referencias 1-6).

I.1. La Problemática Ambiental.

I.2. Principales problemas ambientales en las empresas Venezolanas.

I.2.1. Plaguicidas.

I.2.2. Contaminantes del Agua.

I.2.3. Contaminantes del Aire.

I.2.4. Desechos Sólidos.

I.2.5. Desechos Peligrosos.

I.2.6. Radiactividad.

I.2.7. Problemas ambientales globales.

II.1. Conceptos y términos relacionados con la Prevención de la Contaminación Industrial.

II.2. Clasificación de las Técnicas de Prevención de la Contaminación Industrial:

II.2.1. Administración de Inventarios.

II.2.2. Modificación del proceso de producción.

II.2.3. Reducción de volumen.

II.2.3. Recuperación.

II.3. Incentivos, barreras y estándares relacionados con la Prevención de la Contaminación Industrial: Gerencia Ambiental.

Unidad IV: Casos de Estudio: Elegir un proceso industrial de interés. Algunas de las industrias que podrían ser analizadas son: de energía eléctrica, química, de producción y refinación de petróleo, textil, de pulpa y papel, farmacéutica, de desechos industriales, automotriz, metalmecánica, metalúrgica, y de transporte y operaciones de petróleo, entre otras.

3. Estrategias de Enseñanza y Aprendizaje

El contenido del curso ha sido suministrado utilizando varios patrones de enseñanza-aprendizaje, a través de: (a) Actividades de grupo, (b) Actividades de equipo, y (c) Actividades individuales.

Estos patrones se combinaron con métodos y técnicas tales como:

1. Conferencias: actividad grupal conducida por el profesor o un invitado especial, a fin de ofrecer una posición sólida y experta sobre los temas claves del curso.

2. Estudio de casos: desarrollados por equipos constituidos por los estudiantes del curso, para profundizar sobre casos específicos de estudio en el país, utilizando como base las conferencias previamente conducidas por el profesor o un invitado experto.

4. Estrategias de Evaluación

La evaluación se curso ha consistido de una evaluación de entrada que busca conocer las experticias y expectativas que traen los estudiantes al curso y una evaluación del proceso a partir de evaluaciones individuales, grupales y continuas.

Evaluación de entrada:

1. Pre-diagnostico.

2. Formulación de expectativas de los participantes.

3. Diagnóstico.

Evaluación del proceso:

* Desempeño individual mediante dos exámenes parciales.

* Desempeño por equipo mediante la elaboración de un trabajo escrito y su exposición oral, sobre casos de estudio específicos seleccionados al inicio del trimestre.

* Retroalimentación continúa a través las intervenciones y participación de los estudiantes.

5. Casos de Estudio

Esta actividad consiste en la elección por parte del estudiante o grupo de ellos, de un proceso industrial de su interés. Se espera que se describa esquemáticamente el proceso seleccionado, que se indiquen las partes del proceso que producen daños ambientales y se propongan medidas que sean capaces de prevenir, mitigar o corregir cada daño señalado en cada punto del proceso identificado. Estas medidas deben provenir de la información adquirida en clase o de la consulta de fuentes especializadas a través de la bibliografía disponible. A continuación se presentan dos casos de estudio desarrollados por participantes del curso en su última edición del período abril-julio-2005, los cuales fueron expuestos oralmente y por escrito como trabajo final de la asignatura.

La terapia celular, es una técnica cuyo objetivo es elaborar o utilizar de forma sencilla un material celular capaz de reconstruir una parte de un órgano, que previamente se había perdido de modo irreversible por la muerte del tejido, para ello se utilizan células madre vivas que son trasplantadas en el organismo y que por sus capacidades: pluripontencialidad y diferenciación, sirven de manera eficiente con la reparación de órganos y tejidos dañados [31, 32].

Las células madre se obtienen desde cualquier embrión, pero además pueden obtenerse desde algunos tejidos del ser humano adulto como, la médula, sangre periférica y recientemente del músculo cardíaco.

Algunas aplicaciones de esta técnica se han realizado en la fabricación de retazos de piel para el tratamiento de grandes quemaduras, en la sustitución del transplante de cornea en pacientes sin posibilidad de la misma, y en los estudios para atacar eficazmente las lesiones medulares, el Alz-Heimer, el Parkinson, la Esclerosis múltiple y otros terribles trastornos neurodegenerativos. Una de las aplicaciones más frecuentes es la llamada cardiomioplastia celular, técnica que consiste en el cultivo de células madre obtenidas a partir de una biopsia de músculo cardíaco del paciente con el objeto de reparar y rehabilitar la región muerta a consecuencia del infarto [33].

Actualmente, esta técnica ha sido muy difundida y cada vez se escucha hablar más de ella, parece un buen negocio y por este motivo es importante conocer en qué consiste y más aún, cuánto daño puede causar al ambiente con el empleo de materiales biológicos y sustancias químicas. De igual manera, es necesario estar atentos con los efectos, producto de la utilización de materiales y equipos propios de un laboratorio de esta índole.

Este trabajo se realizó en el marco de la asignatura "Prevención de la Contaminación Industrial" y tuvo como objetivo fundamental proponer medidas para prevenir la contaminación generada en Laboratorios de Terapia Celular (LTC). Para ello se describió el proceso involucrado, se evaluaron los posibles puntos críticos capaces de generar contaminación, fueron señalados los efectos de estos residuos o desechos sobre el ser humano y el ambiente en general y, finalmente, se propusieron medidas preventivas y recomendaciones que evitaran o disminuyeran la cantidad de contaminantes generados.

Tabla I. Etapas del proceso en un Laboratorio de Terapia Celular y posibles fuentes de contaminación asociadas.

Tabla II. Principales contaminantes generados en el proceso y sus efectos sobre el ser humano y ambiente.

Entre las principales medidas preventivas propuestas para encarar el problema de contaminación en un Laboratorio de Terapia Celular se encuentran:

Después de evaluar los puntos críticos del proceso realizado en los LTC y determinar los tipos de contaminantes generados y sus efectos, se puede decir que éstos no son una amenaza ambiental en comparación a las industrias petroleras, metalúrgicas, mineras, entre otras, porque no son generados en grandes cantidades, pero en general estos lugares, constituyen un ambiente de alto riesgo para los que laboran allí y en sus alrededores, ya que la impericia y el desconocimiento en el manejo de equipos, sustancias y materiales del laboratorio, podrían generar accidentes con consecuencias devastadoras a corto, mediano y largo plazo, como intoxicaciones, explosiones, incendios y corrosión.

5.2.Prevención de la contaminación en un empresa de papel.

La palabra papel deriva de la palabra papiro y es una sustancia compuesta de fibras entrelazadas en una malla compacta obtenida a partir de la introducción de una suspensión de fibras de celulosa en una pantalla muy delgada. Un largo número de aditivos son además agregados antes de que esta malla de celulosa luzca como el papel con las propiedades conocidas. El papel incluye una amplia gama de aplicaciones tales como de comunicación, culturales, educacionales, artísticas, sanitarias y de almacenamiento y transporte (35).

Sin embargo, y a pesar de su utilidad, el proceso de manufactura del papel desde el árbol hasta su forma final involucra una serie de eventos que pueden tener significativos impactos ambientales.

En este proyecto se identificaron los principales pasos involucrados en el proceso de obtención de papel, los procesos contaminantes asociados con su manufactura y, por último, las principales medidas para la prevención, control y/o mitigación de los daños producidos durante el proceso.

El proceso de obtención del papel incluye los siguientes pasos (35): 1) la recolección de las fibras productoras mediante la deforestación de áreas boscosas; 2) la obtención química de la pulpa mediante el tratamiento con sustancias químicas como sulfitos, sulfitos modificados, sulfatos y soda; 3) el blanqueamiento de la pulpa mediante el uso de agentes blanqueadores tales como cloro, hipocloritos, dióxidos de cloro y peróxido de hidrógeno; 4) el procesamiento de las fibras o refinamiento donde las fibras en suspensión de agua son expuestas a cortado mecánico y esquilado en una cortadora y; 5) por último, la fabricación del papel mediante una máquina fabricadora que incluye la secuencia de formación de la hoja, compresión y secado.

Los impactos ambientales claves producidos por la industria papelera giran en torno a los siguientes eventos:

Tala de árboles, reducción de bosques fotosistetizadores y destrucción de ecosistemas.

Producción de ruido por el manejo de materiales en el proceso de extracción de la madera, y tratamiento de la pulpa

Emisiones a la atmósfera provenientes de la producción de energía, polvo y uso químico.

Uso de abundantes cantidades de agua

Descargas de agua contaminada

Desechos del proceso de descortezado y astillamiento

Los impactos ambientales significativos en la manufactura de la pulpa y del papel como producto final resultan del proceso de tratamiento de la pulpa y blanqueo de la misma. En algunos procesos, son emitidos a la atmósfera compuestos sulfurados y óxidos de nitrógeno y son descargados en aguas residuales compuestos orgánicos o clorados, nutrientes y metales.

Los programas de prevención de la contaminación se deben enfocar en reducir las descargas producidas por la industria y minimizar las emisiones aéreas. Algunos lineamientos generales pueden incluir los siguientes:

1) El uso de procesos de extracción de pulpa eficientes desde el punto de vista energético, siempre que sea posible. La aceptabilidad de productos menos trabajados (como los papeles para revistas, etc.) debe ser impulsada.

2) Deben considerarse procesos termomecánicos como sustitución de los procesos químicos. Además, pueden seguirse lineamientos generales apuntando hacia la prevención de la contaminación, tales como:

Minimizar la generación de efluentes a través de modificaciones en el proceso y reciclaje de aguas de desecho

Reducir el volumen de efluentes líquidos empleando la recuperación de químicos de producción de pulpa reconcentrándolos en calderas y empleando equipos de lavado y blanqueo más eficientes.

Minimizar las descargas no planificadas de aguas de desecho causadas por mal funcionamiento de los equipos, errores humanos y procedimientos de mantenimiento deficientes. Esto puede lograrse entrenado operadores, personal general y estableciendo mejores prácticas de trabajo

Reducir las necesidades de blanqueo por el diseño de nuevos procesos, evitando la descarga de compuestos clorados al ambiente.

Minimizar las emisiones sulfurosas a la atmósfera empleando calderas de recuperación Además de estos lineamientos generales, existen varias herramientas biotecnológicas que pueden ser usadas para la reducir la liberación de tóxicos como resultado de la producción del papel. Algunos de ellos se describen a continuación (36):

1) Uso de hongos: Los tratamientos con hongos, en general, resultan en una disminución general en los ácidos grasos totales y los ácidos resinosos presentes en la madera. Los triglicéridos son prácticamente hidrolizados. El uso de hongos resulta en una reducción del 37% en el uso de blanqueadores y un incremento del 1% en la brillantez del papel, además de mejorar las propiedades de resistencia.

2) Uso de enzimas: Enzimas como las lipasas pueden ser también usadas como removedores de resinas. Estas enzimas catalizan la hidrólisis de triglicéridos, los cuales han sido identificados como componentes de las resinas. Las Lipasas de Pseudomonas sp., una bacteria muy común, han sido empleadas ocasionalmente con resultados favorables.

3) Blanqueo de la pulpa con Xylanasas. El uso de Xylanasas en las diferentes secuencias de blanqueamiento conduce consistentemente a una reducción de la aplicación de sustancia químicas. Estas enzimas pueden ser agregadas al final del tratamiento de producción de pulpa en lugares de almacenaje con condiciones ajustadas de pH y temperatura, destinados a optimizar la acción de las enzimas. El uso de Xylanasas reduce las descargas de compuestos clorados, al disminuirse su uso y el de otros químicos como los peróxidos.

I. CONCLUSIONES

1) Los participantes del curso fueron capaces de seleccionar un proceso industrial de su interés, describirlo secuencialmente e identificar los puntos susceptibles de causar daños ambientales, sugiriendo luego las medidas preventivas necesarias para enfrentarlos.

2) Con esta actividad los participantes lograron aplicar los conocimientos adquiridos en el curso a un caso específico de análisis, no muy diferente a los que se verán enfrentados en su quehacer profesional.

3) Las sucesivas ediciones del curso "Prevención de la Contaminación Industrial", han formado ambientalmente a varios profesionales que actualmente se desempeñan en el área empresarial y que cuentan con las herramientas, legales, técnicas y gerenciales para enfrentar cualquier de los retos ambientales derivados de los procesos en que trabajan.

II. REFERENCIAS

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Análisis de la serie temporal del balanceo en la marcha de pacientes con parkinson
Ramírez, Juan Moreno, Franklin Medina, Rubén

Los autores desempeñan sus actividades en la Universidad de Los Andes (ULA), Mérida, Venezuela.

Ing. Juan M. Ramírez: Profesor Instructor en el Dpto. de Electrónica y Comunicaciones, Escuela de Eléctrica, Facultad de Ingeniería, telef. 58-274-2402906, fax 58-274-2402907, correo electrónico juanra@ula.ve.

MSc. Franklin Moreno: Profesor Asistente en la Cátedra de Embriología de la Facultad de Medicina, telef. 58-274-2403130, correo electrónico fmoreno@ula.ve.

Dr. Rubén Medina: Profesor Titular en el Grupo de Ingeniería Biomédica, Facultad de Ingeniería, telef. 58-274-2402906, fax 58-274-2402907, correo electrónico rmedina@ula.ve.
Resumen
La marcha en los pacientes afectados por la enfermedad de Parkinson se caracteriza por un desequilibrio corporal marcado, con inestabilidad de los movimientos e incremento de la variabilidad entre pasos. Este trabajo propone una metodología para definir nuevos parámetros que discriminen pacientes con Parkinson respecto a personas sanas, a partir del análisis de señales procedentes de la marcha, específicamente a partir de las Series Temporales de Intervalos de Balanceo (STIB). Los parámetros de discriminación analizados a partir de las series STIB son: el coeficiente de variación, la potencia espectral y los promedios temporales de los espectrogramas de Fourier. Tales parámetros se evaluaron usando las series STIB de 15 pacientes con Parkinson y de 15 sujetos sanos. Al realizar el correspondiente análisis estadístico mediante la prueba T-Student, se obtuvieron para los tres parámetros definidos diferencias estadísticamente significativas entre pacientes con Parkinson y sujetos de control (p<0.01). El procedimiento propuesto puede ser utilizado en la detección temprana de alteraciones en la marcha, y podría ser compatible con el diagnóstico precoz del Parkinson. Sin embargo, este estudio no discrimina entre las diversas enfermedades que afectan la marcha, recomendándose que el método propuesto esté acompañado de los procedimientos clínicos de diagnóstico.

Palabras Clave: Coeficiente de Variación/ Enfermedad del Parkinson/ Espectrograma de Fourier/ Potencia Espectral/ Prueba T de Student.

The gait of patients affected by Parkinson disease is characterized by a marked corporal unbalance, with instability of movements and an increase in the variability between steps. This article proposes a methodology to define new parameters, for Parkinson disease discrimination, extracted from the Time Series of Swing Interval (TSSI). The analyzed discrimination parameters are: the coefficient of variation, the power spectrum and the temporal averages of the Fourier Spectrogram. These parameters were evaluated using the TSSI of 15 Parkinson patients and 15 healthy persons. The statistical analysis, using the T-Student test, shows significant statistical differences between Parkinson patients and control subjects (p < 0.01). The proposed procedure could be used for early detection of alterations of the gait, and could be compatible with the premature diagnosis of Parkinson disease. However, this analysis does not discriminate between different neuro-degenerative diseases, thus, the proposed method should be complemented with other diagnosis clinical procedures.

Keywords: Coefficient of Variation/ Fourier Spectrogram/ Parkinson Disease/ Power Spectrum/ TStudent Test.

I. INTRODUCCIÓN.

El Parkinson es una enfermedad caracterizada por movimientos temblorosos involuntarios, con disminución de la fuerza muscular, propensión a inclinar el tronco hacia adelante y a provocar en la marcha la transición hacia la carrera [1]. Esta enfermedad no afecta los sentidos ni el intelecto. Además, el Parkinson es un trastorno que se presenta en edades medias o avanzadas de la vida, desplegando una progresión gradual y una evolución prolongada.

La dinámica de la marcha es uno de los parámetros que se estudia actualmente en los pacientes con Parkinson, en quienes se observa con frecuencia una disminución de la longitud de la zancada, una postura encorvada, una reducción del balanceo de las manos y una disminución en la velocidad de la marcha [2] [3] [4]. En algunos pacientes, la variabilidad del tiempo de duración de los pasos y la incapacidad para regular la marcha, han sido utilizadas para predecir futuras fallas en la evolución de la enfermedad. Además, la variación del tiempo entre pasos y la magnitud de las fluctuaciones de la duración del ciclo de la marcha, han sido asociadas con múltiples factores entre los que podemos citar: la fuerza del balanceo, el estado funcional y de salud mental del paciente [5] [6]. Es importante destacar que el incremento de la variabilidad de la marcha es una manifestación clara de la disminución en el control motor; deficiencia que aparentemente aumenta el riesgo de fallas [7].

Recientemente, con el objeto de caracterizar la dinámica de la marcha en personas que padecen enfermedades degenerativas, se han diseñado diversos métodos de adquisición de señales procedentes de la caminata. Tales señales, generalmente son tratadas con el fin de obtener secuencias que describan el comportamiento de las diversas variables asociadas a la marcha. El análisis de dichas secuencias ha permitido caracterizar distintas enfermedades que afectan la marcha, entre las que se destacan: el Parkinson, el Huntington y la Esclerosis Lateral Amiotrófica [8]. Sin embargo, las investigaciones previas de las secuencias procedentes de la marcha, se han centrado en el procesamiento estadístico de las señales en el dominio del tiempo.

Actualmente, está disponible en Internet una base de datos que contiene las series temporales de diversos parámetros asociados con la caminata de pacientes con Parkinson y de individuos sanos [9]. De forma más precisa, en dicha base de datos están incluidas las series temporales de los intervalos de balanceo (STIB) de pacientes con Parkinson y de sujetos sanos, donde dichas series, son vectores que contienen en cada elemento el valor del intervalo de tiempo que permanece uno de los pies sin contacto con el piso, en cada paso durante la caminata.

Este trabajo desarrolla un análisis estadístico, espectral y espectrotemporal de las series STIB, con el objeto de definir nuevos parámetros que discriminen las personas sanas con respecto a los pacientes con Parkinson. Este estudio aplica la Trasformada Discreta de Fourier (DFT) y la Transformada Discreta de Fourier de período corto (DSTFT) para obtener el espectro y el mapa espectro-temporal de las series STIB, respectivamente. Además, a partir del espectro y del mapa espectro-temporal de las series STIB se analizan las variables que puedan discriminar estadísticamente los pacientes con Parkinson con respecto de los individuos sanos.

La estructura del presente trabajo es la siguiente. En la Sección 1, se describen las operaciones estadísticas y de procesamiento de señales implementadas en la presente investigación. Específicamente, las operaciones a considerar son: el coeficiente de variación, la densidad de potencia espectral, la potencia espectral, el espectrograma de Fourier y la prueba estadística TStudent. En la Sección 2, se estudian los métodos de procesamiento aplicados sobre las series STIB. Seguidamente, en la Sección 3, se presentan los resultados de la aplicación de las técnicas de procesamiento previamente descritas, y en la Sección 4 se expone la discusión a partir del análisis de los resultados. Finalmente, en la Sección III, se muestran las conclusiones de la presente investigación.

II. DESARROLLO
1. Técnicas estadísticas y de procesamiento de las señales
Antes de presentar una descripción detallada de la metodología aplicada, se describen brevemente las técnicas estadísticas y de procesamiento de señales implementadas en esta investigación.

A. Coeficiente de Variación

El coeficiente de variación es una medida de la variabilidad de una población con respecto a su valor promedio y está definido como la relación porcentual existente entre la desviación estándar (SD) y el promedio (E) de la señal en estudio (x) [10], en otras palabras:

B. Densidad de Potencia Espectral

La densidad de potencia espectral es una función que estima la magnitud de las diferentes componentes de frecuencia de las señales de interés. No obstante, para la obtención de dicha función, se debe determinar previamente la Transformada Discreta de Fourier (DFT). La definición matemática de la DFT se muestra a continuación:

donde x(n) es la señal discreta en el dominio del tiempo de longitud N, y k representa el tamaño de la DFT. Es de hacer notar que, en este trabajo, la DFT se obtiene usando el algoritmo de Transformada Rápida de Fourier (FFT). A partir de la estimación del espectro X(k) por medio de la DFT, se procede con la obtención de la densidad de potencia espectral de la señal (PSD), definida como:

C. Potencia Espectral

D. Espectrograma de Fourier

El Espectrograma de Fourier (FS) es una técnica usada para la representación espectro-temporal de las señales. Dicha representación se obtiene a partir del cálculo de la Transformada Discreta de Fourier de período corto (DSTFT) [12], [13]. La definición matemática de la DSTFT es la siguiente:

donde x(m) es la señal a procesar, ω(nL - m) es una función ventana que multiplica a la señal de interés, R N(k) es una secuencia rectangular de N puntos definida por la , n representa el número de períodos cortos o segmentos de la señal y k es el tamaño de la DFT. Las funciones u(k) y u(k - n), descritas en la , son escalones unitarios centrados en cero y n, respectivamente.

La DSTFT se construye multiplicando la señal de interés por una función de ventana ω(m) de longitud L . Luego se obtiene la DFT de la señal resultante. Posteriormente, la ventana se desplaza n posiciones a lo largo de la señal, repitiéndose el proceso anteriormente descrito para obtener la representación espectro-temporal de la señal x(n), que corresponde a una señal bidimensional denotada por X(n, k). La DFT se implementa utilizando el algoritmo de FFT.

Las variables más importantes en un espectrograma son la longitud de la función ventana ω(m) y el solapamiento. La longitud de la ventana determina la resolución en tiempo y en frecuencia del FS. Si la longitud de la ventana es corta, el FS tendrá una buena localización en tiempo pero una pobre resolución en frecuencia. En cambio, si la longitud de la ventana es larga, la resolución en frecuencia será buena pero la localización en tiempo será pobre. El valor del solapamiento en el cálculo del FS permite controlar las discontinuidades en el eje temporal de la representación espectro-temporal. Resultados con menos discontinuidad en las transiciones del mapa espectro-temporal son obtenidos al aplicar un mayor solapamiento entre ventanas.

E. Prueba T de Student

La prueba de hipótesis t-Student valora las posibles diferencias estadísticas entre los promedios de dos grupos de datos. El valor t de la prueba de hipótesis t-Student se obtiene mediante la siguiente expresión:

En la , μ T y μ C´ son los promedios de cada una de las poblaciones en estudio; varT y varC son las varianzas de dichas poblaciones; y nT y nC son la cantidad de muestras en cada población. Una vez calculado el valor de t -el cual indica la diferencia entre los promedios de las dos poblaciones en estudio- se busca en una tabla el nivel de significación (p) para apreciar el grado de diferencias entre las dos poblaciones. El nivel de significación más usado para concluir que dos poblaciones tienen diferencias estadísticamente significativas entre sus muestras es el de p < 0.05.
2. Métodos
2.1. Descripción de los Datos

Las señales STIB son parte de una base de datos que registró diversos parámetros de la marcha en 30 sujetos (15 pacientes diagnosticados con la enfermedad de Parkinson y 15 individuos sanos). Esta base de datos está disponible en www.physionet.org/physiobank. Las señales procedentes de los pacientes con Parkinson son resultados de medidas realizadas a personas tratadas en el Hospital General de Massachussets. Estos pacientes presentan un promedio de edad de 66.8±10.9 años, y un promedio de tiempo transcurrido después del diagnóstico inicial de la enfermedad de 32.0±10.3 meses. Los sujetos sanos tienen un promedio de edad de 39.3 ± 18.5 años.

El experimento de la dinámica de la marcha fue realizado de manera idéntica en los 30 sujetos. Tales sujetos fueron inducidos a caminar a paso normal durante 5 minutos a lo largo de un pasillo de 77 m de longitud. Con la finalidad de medir los parámetros asociados a la marcha, se le colocó a cada zapato una plantilla sensible a la presión, que enviaba la información a un pequeño grabador colocado en los tobillos de los sujetos en estudio. Más detalladamente, la adquisición de los datos se obtuvo con un sistema desarrollado por Hausdorff et al., y reportado en [14], que proporciona estimados aproximados del inicio, finalización y fases de postura de la secuencia de pasos durante la caminata. Los datos adquiridos se procesaron, determinándose con ello el intervalo del balanceo, definido como el tiempo que permanece uno de los pies sin contacto con el suelo durante cada paso. Luego, se construyó cada secuencia STIB a partir de los valores de intervalo de balaceo de cada individuo durante la caminata. Los procedimientos empleados en el presente trabajo se implementaron sobre las series STIB obtenidas del pie derecho de cada individuo.

2.2. Procesamiento de las Series STIB

Luego, se obtuvo la potencia espectral de las secuencias STIB. Para ello, se calculó la DFT de las secuencias en estudio usando el siguiente procedimiento: como primer paso, se extrajo el valor promedio de las series STIB con el fin de estudiar los espectros generados por la variabilidad de las señales en estudio [15]; luego, se multiplicó cada serie por una función ventana de Blackman con el objeto de suavizar los efectos oscilatorios producidos en el espectro por el truncaje de la señal [15]; y, a partir de las secuencias resultantes, se determinaron los espectros aplicando el algoritmo de transformada rápida de Fourier (FFT).

Con el fin de obtener un parámetro adicional de discriminación entre los pacientes con Parkinson y los individuos sanos, se estimaron los promedios temporales de los espectrogramas de Fourier de las secuencias STIB. La expresión matemática para la determinación de los promedios temporales de cada espectrograma de Fourier está definida por:

en donde N es la longitud del espectrograma de Fourier a lo largo del eje temporal, y M es la longitud del espectrograma a lo largo del eje de la frecuencia. A partir de la se puede observar que para cada espectrograma de Fourier se obtiene M promedios temporales, en donde TM(k i) es el promedio del espectrograma de Fourier a lo largo del eje temporal, a la frecuencia definida por k i.

3. Resultados

Nivel de Significación (p) después de aplicar la Prueba t de

Tabla II Nivel de significación (p) despues de aplicar la prueba t de Student a los Promedios Temporales de los espectrogramas de Fourier de Pacientes con Parkinson con respecto a sujetos sanos, dentro de frecuencias (0.094-0.500hz)

4. Discusión

Las potencias espectrales de las series STIB en el rango de frecuencias 0.0-0.5 Hz presentan diferencias estadísticamente significativas entre los dos grupos en estudio (p = 0.0029). Tales diferencias pudiesen ser debidas a que en sujetos sanos las variaciones entre balanceos consecutivos son mínimas durante toda la caminata. Por el contrario, en los pacientes con Parkinson existen mayores fluctuaciones entre balanceos consecutivos durante la caminata, evidenciando la pérdida del control sobre la marcha en personas que padecen la enfermedad del Parkinson.

III. CONCLUSIONES

1) El primer parámetro, el coeficiente de variación de las series STIB, permite la discriminación entre pacientes con Parkinson y sujetos sanos (p = 0.00026).

2) El segundo parámetro que corresponde a la potencias espectral de las series STIB, también permite diferenciar los grupos bajo estudio (p = 0.0029).

3) Los promedios temporales de los espectrogramas de Fourier de las señales STIB en el intervalo de frecuencias comprendido entre 0.0938-0.500 Hz, constituyen otro parámetro de discriminación entre los sujetos sanos y los pacientes con la enfermedad de Parkinson (p < 0.01).

4) Los parámetros estudiados son útiles para evaluar la severidad de la enfermedad del Parkinson en distintas fases y edades de los pacientes.

IV. REFERENCIAS

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Evaluación de un sensor de capas delgadas para la detección voltamétrica del crecimiento de escherichia coli
Sonnia Pavoni Oliver, Houari Cobas Gómez, Ángela Zayas Tamayo, Estrella Álvarez, Rolando Contreras, Fabriciano Rodríguez

MSc. Sonnia Pavoni Oliver y el Ing. Houari Cobas Gómez: Profesora Asistente y Profesor Instructor respectivamente en el Centro de Investigaciones en Microelectrónica (CIM), Km. 8, Antigua Carretera de Vento, Capdevila, Boyeros, Ciudad de La Habana, Cuba, P.O. Box 8016, Habana 8, telef. y correo electrónico (537) 2663047, sonnia.pavoni@electrica.cujae.edu.cu, (537) - 2663051, hcobas@electrica.cujae.edu.cu. respectivamente.

Lic. Ángela Zayas Tamayo y la Ing. Estrella Álvarez: desempeñan sus actividades en el Centro Nacional de Investigaciones Científicas (CNIC) Av. 25 esq. 158, Nº 15202, Cubanacán, Playa, Ciudad Habana, Cuba, telef. y correos electrónicos (537) 2084792, angela.zayas@cnic.edu.cu. y (537) 2085238, estrella.alvarez@cnic.edu.cu. respectivamente.

Dr. Fabriciano Rodríguez: Jefe del Grupo de Investigaciones en Biosensores en el CIM, telef. (537) 2663047, correo electrónico fabriciano.rodriguez@electrica.cujae.edu.cu.

Dr. Rolando Contreras Alarcón: Director del Grupo DIRAMIC en el CNIC, teléfono (537) 2080959, correo electrónico rolando.contreras@cnic.edu.cu.

Resumen

Se reportan y discuten resultados experimentales de la detección voltamétrica del crecimiento de la bacteria Escherichia coli, con un sensor compuesto por dos electrodos de platino fabricado en tecnología de capas delgadas. Se utilizaron muestras preparadas a partir de cepas de Escherichia coli ATCC 25922 en medio de cultivo DIRAMIC Kit Diagnóstico. Los experimentos electroquímicos consistieron en voltametría cíclica a 20 mV/s y voltametría de barrido lineal a 5 mV/s, 10 mV/s, 20 mV/s y 50 mV/s. Como resultado se observó un pico de corriente anódica en los voltamogramas para las suspensiones que se encontraban en las fases de crecimiento acelerado y exponencial. No se obtuvo pico de corriente para las muestras en fase de latencia. El tiempo de detección del primer pico de corriente anódica estuvo inversamente relacionado con la concentración inicial de microorganismos.

Palabras clave: Crecimiento de bacterias/ Escherichia coli/ Sensor de capas delgadas/ Voltametría cíclica/ Voltametría de barrido lineal.

The experimental results of the voltammetric detection of Escherichia coli growth, with a sensor composed of two platinum electrodes manufactured in thin film technology, are reported and discussed. The samples were prepared starting from the Escherichia coli ATCC 25922 strain in DIRAMIC Diagnostic Kit culture media. The electrochemical experiments consisted of cyclic voltammetry at 20 mV/s and linear sweep voltammetry at 5 mV/s, 10 mV/s, 20 mV/s and 50 mV/s. Voltammograms of bacteria samples in acelerate and exponential growth phases showed an anodic current peak. In the bacteria samples in plateau growth phase, peak current was not observed. There was found an inverse relation between the detection time of the first anodic current peak and the initial concentration of microorganisms.

Key words: Bacteria Growth/ Cyclic Voltammetry/ Escherichia Coli/ Linear Sweep Voltammetry/ Thin Film Layer Sensor.
I. INTRODUCCIÓN
Las enfermedades infecciosas continúan siendo una de las principales causas de morbilidad y mortalidad humanas, y la detección de microorganismos responsables de estas enfermedades es uno de los propósitos fundamentales de los laboratorios de microbiología. Como parte de los crecientes esfuerzos para desarrollar nuevos procedimientos que permitan minimizar el tiempo del diagnóstico microbiológico, se han investigado gran número de sensores y biosensores que utilizan diversos mecanismos de transducción, como por ejemplo, óptico, piezoeléctrico y electroquímico [1].

En particular, el uso de las técnicas electroquímicas en sensores y biosensores ha sido prominente en la literatura y ha constituido la base de los biosensores con más éxito comercial para la detección de diversos analitos. La mayoría de estos dispositivos utilizan electrodos modificados, material biológico inmovilizado e incluso, muchos se combinan con técnicas de reconocimiento molecular [1, 2]. Sin embargo, en el terreno microbiológico, la aplicación directa de los mecanismos de transducción electroquímica a cultivos microbianos, que resulta una alternativa más económica, ha sido menos abordada.

Lógicamente, el éxito de las técnicas electroquímicas depende en gran medida de las características de los electrodos empleados. El desarrollo de la tecnología de la microelectrónica se extendió a la fabricación de sensores electroquímicos e hizo posible la construcción de electrodos de muy pequeño tamaño, así como el perfeccionamiento de los equipos de medición. Recientemente se reportó un chip de capas delgadas con ocho sensores y su evaluación amperométrica para tareas de secuenciado de proteínas [3]. Entre las características que presenta este dispositivo se encuentran su facilidad de manipulación, la posibilidad de medir con una instrumentación electrónica sencilla, así como su versatilidad para ser utilizado en diversas aplicaciones compatibles con técnicas de alto nivel de automatización. En el presente trabajo se analizó la extensión de la aplicación de uno de los sensores de este chip para la detección voltamétrica del crecimiento de la bacteria Escherichia coli, como una contribución a la necesidad de desarrollar técnicas para la detección microbiológica.
II. DESARROLLO 1. Antecedentes
El comportamiento electroquímico de las células vivientes, así como la existencia de una relación entre las poblaciones de células vivas y el comportamiento de un electrodo, han sido abordados en diferentes publicaciones. Hasta la actualidad, la mayoría de los métodos electroquímicos reportados para aplicaciones microbiológicas han utilizado fundamentalmente aproximaciones impedimétricas y conductimétricas, mientras que las técnicas de potencial variable (voltametrías cíclica, de barrido lineal y de onda cuadrada) sólo han sido analizadas por un número limitado de autores.

Pioneros en la detección microbiológica por métodos impedimétricos fueron Ur [4], Richards [5], Cady [6] y sus colaboradores, quienes se basaron en el monitoreo de la impedancia o de la conductancia de un cultivo, técnica que actualmente se conoce como microbiología de impedancia y que constituye el principio de funcionamiento de los sistemas comerciales más vendidos para la medición del crecimiento bacteriano.

Wilkins y colaboradores, en la segunda mitad de la década del 70 [7, 8], también fueron precursores de la detección microbiológica electroquímica. Ellos utilizaron dos electrodos de platino para determinar potenciométricamente las variaciones de voltaje debido al incremento del hidrógeno molecular producido por los microorganismos. El tiempo transcurrido hasta el inicio del incremento en el voltaje era una función del número de células en el inóculo.

Matsunaga y sus colaboradores [9-12] han sido líderes en la aplicación directa de la voltametría a cultivos de células y han sido fuente de inspiración para trabajos más recientes [13-15]. En sus ensayos de voltametría cíclica con soluciones de levaduras y de bacterias, encontraron picos de oxidación a diferentes potenciales, con la sugerencia de que este método podía servir para la identificación del microorganismo en estudio. La técnica también ha resultado promisoria para la clasificación de especies microbianas [9,15].
2. Materiales y Métodos 2.1 Microorganismo y medio de cultivo
Se utilizaron cepas estándar de Escherichia Coli ATCC 25922 y medio de cultivo líquido DIRAMIC Kit Diagnóstico [16]. Como método de referencia para la detección del crecimiento bacteriano, se midió la turbidez de las muestras con el equipo para el Diagnóstico Rápido Microbiológico DIRAMIC [17]. Una curva de crecimiento microbiano consta de seis fases [18]. Al inocular bacterias en un medio de cultivo, inicialmente se transita por una fase de latencia en la que los microorganismos se adaptan al nuevo ambiente y no hay crecimiento aparente de las sustancias celulares. Luego ocurre la fase de aceleración positiva, caracterizada por un incremento en la velocidad de crecimiento hasta alcanzar la fase de crecimiento exponencial en la que esta velocidad es constante. La detección electroquímica de las tres últimas fases (desaceleración o retardo, estacionaria máxima y muerte) no se analizaron en este trabajo.

Para realizar las mediciones electroquímicas se utilizó un sensor que forma parte de un chip fabricado en tecnología de capas delgadas sobre substrato de vidrio [3]. El chip contiene ocho estructuras sensoras independientes. En los experimentos que se presentan en este trabajo se utilizó solamente uno de ellos, que consta de dos electrodos de platino: un electrodo de trabajo en forma de disco de 1000 μm de diámetro y un electrodo de pseudoreferencia que rodea al electrodo de trabajo, con aproximadamente el doble del área de este último. Los electrodos de platino se depositaron mediante pulverización catódica; para definir el área activa de los electrodos se depositó nitruro de silicio mediante la técnica de deposición química a partir de la fase de vapor (CVD); finalmente se añadió una capa del polímero octadeciltriclorosilano que delimita una superficie hidrofóbica en la región fuera de los electrodos y constituye una excelente barrera que permite depositar y mantener sobre la superficie sensora una gota bien definida y fácilmente reproducible. Este procedimiento para la aplicación de las muestras tiene la ventaja de permitir una fácil manipulación, además de posibilitar los análisis con pequeños volúmenes de analito y ser compatible con técnicas de alto nivel de automatización.

2.3. Voltametría e instrumentación electroanalítica

Las técnicas voltamétricas incluyen las voltametrías cíclica y de barrido lineal. En ambas se controla la diferencia de potencial entre los electrodos y se mide la corriente. Se caracterizan porque el voltaje se cambia continuamente como una función lineal con el tiempo. En la voltametría cíclica, la diferencia de potencial se recorre desde un valor inicial hasta un valor final, y al llegar a éste el sentido del barrido se invierte. Como resultado la forma de onda es triangular.

La voltametría de barrido lineal es una técnica más simple porque usa sólo medio ciclo. En este caso el voltaje se recorre en una sola dirección, desde el valor inicial hasta el final. Las curvas resultantes de corriente contra diferencia de potencial se denominan voltamogramas. Como convención, se considerará que cuando se incrementa positivamente la diferencia de potencial entre el electrodo de trabajo y el de pseudoreferencia, se está en presencia de un barrido positivo, mientras que en caso contrario el barrido será negativo.

Los experimentos se realizaron con un sistema de instrumentación controlado por computadora mediante un programa en LabView. El sistema consta además de una tarjeta de adquisición de datos National Instruments NI-DAQ 6014 de 16 bits, una tarjeta de expansión CB-68LP y un circuito electrónico que opera como potenciostato [19]. Los datos adquiridos se visualizaron en tiempo real en el monitor de la computadora y también quedaron almacenados para un posterior procesamiento.

2.4. Experimentos

A partir de un cultivo fresco (18-24 h) en placa con la cepa estándar del laboratorio Escherichia Coli ATCC 25922, se tomaron de 3 a 4 colonias y se inocularon en 4,5 ml de medio de cultivo DIRAMIC Kit Diagnóstico de manera que se obtuviera una turbidez de 0,5 McFarland. A partir de esta suspensión base se prepararon otras de 1E+4 cél/ml, 1E+5 cél/ml, 1E+6 cél/ml y 1E+7 cél/ml, en el mismo medio de cultivo. Las muestras se pusieron a incubar a 37 grados, con excepción de las que se midieron en tiempo igual cero. Inmediatamente antes de efectuar la medición electroquímica se sacó la muestra correspondiente de la incubadora y se determinó su nivel de turbidez. Antes de aplicar una nueva gota de analito, el sensor se enjuagó con alcohol y se introdujo en un baño ultrasónico con agua desionizada durante 30 segundos. Para realizar cada medición se tomó una dosis de 10 l de la muestra a analizar y se dispensó sobre la superficie del sensor. Las mediciones electroquímicas consistieron en voltametría cíclica a 20 mV/s y barrido lineal de voltaje a 5 mV/s, 10 mV/s, 20 mV/s y 50 mV/s.
3. Resultados
Al realizar la voltametría cíclica a 20 mV/s con E. Coli en medio cultivo DIRAMIC Kit Diagnóstico, se obtuvieron diferencias en las respuestas electroquímicas según el tiempo de incubación. En la se presentan los voltamogramas resultante para dos muestras preparadas con una concentración inicial de 1E+5 cél/ml. La primera (a) se midió inmediatamente después de su preparación, mientras que la segunda (b) se incubó previamente durante 330 minutos para permitir el crecimiento de los microorganismos. Para la suspensión incubada se obtuvo un pico de corriente de 1,4 μA (1,19 μA con respecto a la línea de base) en 0,2 V durante el barrido positivo, y un pico menor (- 75,2 nA con respecto a la línea de base) en el barrido negativo, en 0,9 V. Para la muestra no incubada no hubo pico en ninguno de los dos sentidos. Como los cambios más notables se observaron en el barrido positivo, los siguientes experimentos se realizaron con voltametría de barrido lineal desde 0 hasta 1V.

Fig. 1. Voltamogramas con muestras de concentraciones iniciales 1E+5 cél/ml de E. coli obtenidos con voltametría cíclica a 20 mV/s. a) Muestra sin incubar. b) Muestra incubada durante 330 minutos y turbidez de 3,4 McFarland (la línea punteada indica la línea de base). Las flechas indican el sentido del barrido.

En la se presentan los resultados de mediciones de voltametría de barrido lineal realizadas con suspensiones de E. Coli en diferentes momentos del crecimiento, preparadas inicialmente con una concentración de 1E+5 cél/ml. Como puede observarse, las respuestas de corriente de las dos primeras muestras tuvieron características similares a la presentada en la Figura 1a, mientras que a partir de la tercera muestra, incubada durante 199 minutos y con una turbidez de 1,83 McFarland, ya empiezan a aparecer los picos de corriente, y estos son más pronunciados con el aumento de la concentración de microorganismos. En la se aprecia el incremento de la corriente pico con el aumento de la velocidad de barrido en ensayos realizados con muestras de concentración inicial 1E+5 cél/ml y período de incubación de 341 minutos. Al realizar un ajuste por regresión lineal de la variación de los valores de la corriente pico con respecto a la raíz cuadrada de la velocidad de barrido, se obtuvo una relación lineal con un coeficiente de correlación de 0,991. Además, puede notarse que con el aumento de la velocidad, la diferencia de potencial correspondiente al pico de corriente se desplazó en sentido positivo del eje.

Fig. 2. Curvas de barrido lineal de voltaje obtenidas con muestras de Escherichia coli en medio de cultivo DIRAMIC Kit Diagnóstico. a) Voltamogramas realizados a 20 mV/s con muestras de concentración inicial de 1E+5 cél/ml, en diferentes momentos del crecimiento. b) Voltamogramas obtenidos con diferentes velocidades de barrido, con muestras de concentración inicial de 1E+5 cél/ml y tiempo de incubación

Fig. 3. a) Valores de turbidez determinados con el equipo DIRAMIC. b) Valores de corriente pico obtenidos en los voltamogramas realizados con diferentes velocidades de

Fig. 4. Mediciones realizadas con muestras de E. coli de concentraciones iniciales diferentes, inoculadas en medio de cultivo DIRAMIC Kit Diagnóstico. Concentraciones iniciales: --1E+4 cél/ml; -- 1E+5 cél/ml; -- 1E+6 cél/ml; -- 1E+7 cél/ml; -- 1E+8 cél/ml. a) Valores de corriente pico obtenidos en voltamogramas con barridos de voltaje de 0 a +1 V a 20 mV/s. b) Valores de turbidez determinados con el equipo

4. Discusión

La manifestación de un pico de corriente anódica en los voltamogramas correspondientes a las fases de crecimiento acelerado y exponencial evidencia la oxidación de especies electroactivas asociadas al crecimiento microbiológico. La amplitud del pico aumentó linealmente con el incremento de la raíz cuadrada de la velocidad de barrido, característica que revela condiciones de transferencia de masa controlada por difusión. El corrimiento de la diferencia potencial correspondiente a los picos de corriente con el aumento de la velocidad de barrido de potencial, es un elemento que sustenta la irreversibilidad de este proceso. [21]

Algunos autores explican que el origen del pico de corriente observado en voltamogramas de muestras microbiológicas está dado por la oxidación de sustancias intracelulares y, en particular, responsabilizan a la coenzima A presente en la pared celular como agente mediador en la transferencia electrónica entre las células y los electrodos [9, 11]. Otros autores atribuyen sus resultados voltamétricos a la oxidación de residuos metabólicos y a sustancias extracelulares [15]. Si bien la determinación exacta de las sustancias responsables de la oxidación es todavía un tema bajo investigación, los resultados obtenidos confirman que la oxidación se debe a sustancias relacionadas con el crecimiento microbiano y no con el número directo de células. Esto se puso en evidencia cuando al medir suspensiones justo después de inocularles 1E+8 cél/ml de E. Coli no se obtuvo voltamograma con pico, mientras que con 45 minutos de incubación comenzó a observarse el pico de corriente.

Por otra parte, la irreversibilidad del sistema no necesariamente implica un proceso de transferencia de electrones irreversible, sino que puede estar determinada por reacciones químicas siguientes. Por ejemplo, se han reportado métodos de esterilización [11,12] basados en la transferencia directa de electrones entre el electrodo y las células microbianas, en los que se ha observado una disminución de la actividad respiratoria y la subsiguiente muerte de la célula. En la presente investigación se ha verificado que al realizar experimentos de voltametría de barrido lineal de forma consecutiva con una misma muestra, el nivel del pico disminuye para cada barrido, hasta que finalmente desaparece.

Sobre la reusabilidad del sensor, es importante destacar que los dispositivos investigados se han utilizado durante un año y no han sufrido deterioro.

III. CONCLUSIONES
IV. REFERENCIAS
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18. Llop, A., et al. "Microbiología y Parasitología Médicas" Tomo I, Capítulo 7, La Habana, Editorial Ciencias Médicas, 2001, pp. 45-54. [ Links ]

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Radiodifusión digital terrestre análisis del estándar DVB-T

Almarza, V., Daniel E. Martínez, P., Antonio

Ing. Daniel E. Almarza V.: Jefe de Transmisiones de DIREC TV ™, Urb. Colinas de los Caobos, Calle Bella Vista, Edif.. DIRECTV, Caracas 1050, Telef. 0212-7097206, fax 0212-7938596, correo electrónico dalmarza@directvla.com.ve.

Ing. Antonio Martínez P.: Profesor Adscrito al Dpto. de Comunicaciones de la Escuela de Ingeniería Eléctrica, Universidad Central de Venezuela, Ciudad Universitaria, Los Chaguaramos, Caracas 1051, Telef. 0212-6053300, fax 0212-6053105, correo electrónico martinan@ucv.ve.

La radiodifusión digital terrestre de señales de televisión sigue en desarrollo. Uno de los últimos sistemas de este tipo, Digital Video Broadcasting-Terrestrial (DVB-T), ya se encuentra en operación en muchos países alrededor del mundo. En el presente trabajo se analizan las características de esta tecnología. Se discute el desarrollo de la televisión digital terrestre, el procesamiento de la señal de televisión para su difusión en el dominio digital, los métodos de codificación de estas señales así como las técnicas de multiplexaje y modulación empleadas. El resultado de esta investigación documental –basada en la indagación exhaustiva, sistemática y rigurosa de diferentes fuentes relacionadas con el tema– ofrece una descripción de las capacidades de este sistema, presentándolo como una alternativa robusta y flexible para las operadoras de televisión, que podrán mantener, e incluso ampliar, el área de cobertura típica de un sistema analógico empleando sólo una fracción de la potencia consumida actualmente.

Palabras clave: CODFM/ DVB-T/ MPEG/ QAM/ Radiodifusión/ Televisión digital.

The terrestrial digital broadcasting of television signals continues to develop. One of the last systems of this type, Digital Video Broadcasting-Terrestrial (DVB T), is already operational in many countries around the world. The paper analyzes the features of this technology. It includes the terrestrial digital television development, television signal processing for digital broadcasting, codification methods of these signals, as well as multiplexing and modulation techniques. The result of this theoretical investigation –based on the rigorous, systematic, and exhaustive research of different sources related to this topic– offers a description of system capabilities, showing it as a flexible and robust alternative for television operators, who will be able to match, and even improve on, the area coverage of the typical analog system using only a fraction of the current power consumption..

Keywords: Broadcast/ COFDM/ Digital Television/ DVB-T/ MPEG/ QAM.

I. INTRODUCCIÓN.

El sistema Digital Video Broadcasting (DVB) define un conjunto de estándares que permiten la interoperabilidad de los sistemas de difusión de video digital basados en el estándar Motion Picture Experts Group 2 (MPEG-2) para varios medios de transmisión incluyendo satélite, cable, radiodifusión terrestre, y microondas. Estos estándares también cubren servicios interactivos utilizando diferentes tipos de canal de retorno y prestando funcionalidades tales como el Service Information (SI), entre muchas otras [1]. Los estándares DVB son desarrollados y mantenidos por la Oficina del Proyecto DVB ubicada en Ginebra, Suiza. DVB es un consorcio de unas 300 organizaciones pertenecientes a los sectores público y privado de la industria de la televisión cuyo objetivo es establecer la estructura para la introducción de los servicios de televisión digital basados en el esquema MPEG-2. Dichos estándares son publicados por el European Telecommunications Standards Institute (ETSI).

El presente trabajo ofrece una visión general del estado de desarrollo de la especificación para Televisión Digital Terrestre (TDT) propuesta por DVB: DVB-Terrestrial (DVB-T). En este sentido, se presenta un resumen técnico del procesamiento de la señal en banda base, del método de transmisión y una breve revisión de las características de una red para DVB-T. También se presenta una descripción de la característica de recepción móvil que ofrece este sistema y, finalmente, se presentan las conclusiones obtenidas como resultado de la investigación.

II. DESARROLLO

1. Evolución de la Televisión Digital Terrestre.

DVB-T es el sistema de TDT más popular del mundo, aceptado en más países que ningún otro. Ha sido exitosamente implantado en el Reino Unido, Alemania, Suecia, Finlandia, España, Italia, Holanda, Suiza, Singapur y Australia. Asimismo, se están realizando ensayos en China, Malasia, Tailandia, Vietnam, Ucrania, Azerbaiyán, Croacia y Sudáfrica, entre otros [2].

Sin embargo, el futuro de la TDT es aún incierto. Si se considera la cantidad de canales como el único factor de importancia, podría argumentarse que la TDT tiene poca oportunidad al competir con la TV satelital y el cable. Sin embargo, la TDT posee ciertas ventajas basadas en la posibilidad de recepción portátil y la radiodifusión de programas regionales y/o locales. Los programas regionales podrían ser recibidos con un servicio de televisión por cable, pero no a través receptores portátiles. Además, existen áreas donde no es posible desarrollar redes de cable.

Por otro lado, la transmisión satelital de programas regionales o locales no siempre es económicamente factible, especialmente en países pequeños. En el caso de los radiodifusores públicos que no contemplan implantar servicios de televisión paga, la entrega satelital de su programación impondría un prohibitivo costo adicional debido a la posible necesidad de cifrar programas en virtud de los derechos para su transmisión [3].

Los países de América Latina (por razones de índole económica y política) han sido esquivos a comprometerse con un calendario para su implantación y cada uno la ve con grados de urgencia muy disímiles, algunos con franca indiferencia (como Colombia), y otros (como México) con bastante premura. La decisión de algunos países (como Venezuela) sobre el estándar de TDT que adoptarán, depende en gran parte de lo que decida un gigante como Brasil, que está analizando la factibilidad de utilizar un sistema propio o adoptar un híbrido entre el europeo DVB-T y el japonés Integrated Services Digital Broadcasting (ISDB) [4].

2. Procesamiento de la Señal en Banda Base.

Todos los sistemas DVB son capaces de transportar cualquier tipo de datos que el proveedor de servicio desee. Hace un poco más de diez años atrás, el proyecto DVB publicó los requerimientos mínimos para la primera generación de receptores. Estos requerimientos especificaban la utilización del estándar de video MPEG-2 ("Main Profile at Main Level'', MP@ML(1) ) y dos señales de audio MPEG-1 Capa II [5]. Sin embargo, según McCann [6], un único códec no satisface las necesidades de mercado para todas las aplicaciones DVB. Las directrices para la codificación de audio y video en aplicaciones de radiodifusión basadas en el flujo de transporte MPEG-2 han sido revisadas para agregar más opciones. La última revisión del estándar agrega la opción de video Advanced Video Coding (AVC(2)) como alternativa al MPEG-2 original. El rango de códecs para audio también ha sido ampliado para ofrecer un total de cuatro opciones: MPEG-1 Capa II, Audio Code 3 (AC-3), Digital Theater Systems (DTS) y High-Efficiency Advanced Audio Coding (HE-AAC) [7].

Los nuevos algoritmos de codificación H.264/AVC ofrecen niveles comparables de calidad de video MPEG-2 con una reducción en la demanda de la tasa de bit que oscila en un factor de 2 a 3 [8]. Esta mejora de la eficiencia de codificación es particularmente interesante al considerar aplicaciones que exigen altas tasas de bits, tales como la Televisión de Alta Definición (High Definition Television, HDTV).

Por otro lado, existen actualmente millones de receptores de TV instalados que proporcionan decodificación de "teletexto" a través de los mecanismos de televisión analógica. Se estima, además, que seguirán utilizándose durante cierta cantidad de años en el futuro. Es por ello que DVB contempla un mecanismo que proporciona la entrega de teletexto "analógico" al receptor (abreviado como DVB-TXT).

Además, DVB contempla la radiodifusión de programas de televisión utilizando su sonido original ofreciendo –simultáneamente– el servicio de subtitulado electrónico. También es posible añadir elementos gráficos a las imágenes transmitidas (logotipos de la emisora, avisos publicitarios, íconos de información al televidente, etc.) y servicios para la "guía electrónica de programación" (Electronic Program Guide, EPG).

3. Transmisión en DVB-T

Antes de que la señal banda base pueda ser transmitida, debe pasar por un proceso de codificación de canal y modulación. Por otro lado, es necesario aplicar un mecanismo de forward error correction (FEC) para que el receptor pueda corregir errores producto del ruido u otras perturbaciones sufridas en la trayectoria de transmisión. También debe incluirse algún método de sincronización.

3.1. Codificación de Canal

Para obtener un espectro de densidad de potencia "plano", los datos en la interfaz de banda base se combinan con el flujo de bits de un generador de ruido pseudo-aleatorio. El byte de sincronía de los paquetes del flujo de transporte es el único que permanece invariable con el objeto de ofrecer un medio para la sincronización.

La protección de error externa se obtiene con un código Reed- Solomon (255 239) que significa que implica la adición de 16 bytes de corrección a los 239 de información. Como los paquetes del flujo de transporte tienen sólo 188 B, los primeros 51 se llevan a cero y no son transmitidos, de lo que resulta un código Reed-Solomon (204 188).

El entrelazado externo no ofrece capacidad de corrección de errores, pero ordena los bytes para facilitar la corrección de grandes ráfagas de error.

Un codificador convolucional con una tasa básica de 1/2 provee la codificación interna. El alto nivel de redundancia se reduce por un mecanismo de "perforado" (puncturing). Esto significa que no todos los bits de salida calculados son transmitidos. Si, por ejemplo, se deja de transmitir cada tercer bit, la tasa residual de código es 3/4 en vez de 1/2. Hay especificadas tasas de codificación de 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 y 7/8 [9].

Luego, para minimizar el efecto de los ecos producidos en el trayecto de propagación, se aplica un entrelazado interno. Aquí se combinan 126 bits sucesivos en un bloque dentro del cual son, entonces, entrelazados. Posteriormente, el entrelazador de símbolos utiliza una secuencia pseudo-aleatoria para cambiar el orden de dichos símbolos. El resultado en la señal es un entrelazado en frecuencia dentro de cada símbolo DVB-T.

DVB-T utiliza un esquema denominado multiplexaje por división de frecuencia ortogonal codificado (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing, COFDM) que se caracteriza por la existencia de símbolos distribuidos en un gran número de portadoras. De esta manera, cada portadora transporta una tasa de bits moderada. Este esquema trabaja en dos modos denominados "2k" y "8k", según el número de portadoras utilizadas (1705 y 6817, respectivamente).

En transmisiones de señales de radio frecuencia sin línea de vista, entre el receptor y el transmisor ocurren reflexiones o absorciones de la señal, lo que resulta en una degradación de la señal recibida, lo que se manifiesta por la presencia de atenuación plana, atenuación selectiva en frecuencia o interferencia intersimbólica.

Figura 1. Ortogonalidad de portadoras en OFDM.

Figura 2. Organización de la trama DVB-T.

En el sistema DVB-T existe la opción de "modulación jerárquica". Con el uso de esta variante, pueden transmitirse dos flujos de datos independientes sobre un mismo canal de frecuencia de TV utilizando técnicas de modulación distintas [10]. Uno de los flujos, designado como de "alta prioridad" (high priority, HP), presenta gran protección contra ruido e interferencia; mientras que el segundo flujo, el de "baja prioridad" (low priority, LP), está mucho menos protegido. El flujo HP permite la transmisión utilizando una relativamente baja tasa de bits, lo que asegura la recepción incluso en aquellos casos donde se presente una pobre relación portadora-ruido. Por otro lado, el flujo LP permite la transmisión utilizando tasas considerablemente mayores, pero con requerimientos más fuertes en lo que a la relación portadoraruido se refiere.

El flujo HP puede ser utilizado para la transmisión de un servicio que se considere más importante que otros. Quizá una de las posibilidades más interesantes que brinda la modulación jerárquica es su aplicación en sistemas para la prestación simultánea de servicios móviles y fijos: Los servicios móviles requieren mayor intensidad de campo que los fijos, por lo que se puede diseñar un sistema para receptores móviles operando con el flujo HP y, a la vez, obtener muy buena cobertura para los receptores fijos utilizando el flujo LP [11].

3.3. Transmisores en DVB-T

En principio, los transmisores de televisión digital utilizarían las mismas infraestructuras actuales de transmisión para televisión analógica, con lo cual podrían reutilizarse gran parte de los equipos disponibles en la actualidad. En algunas situaciones se podría requerir una nueva antena; si se fuera a emplear la antena existente, habría que tener en cuenta que las señales digitales tendrían que ser combinadas en alta potencia con las señales analógicas actuales (al menos durante la transición analógicodigital), o bien el conjunto debería pasarse por un amplificador multicanal, lo cual conllevaría problemas de filtrado y de no linealidades. Salta a la vista la importancia de prestar especial atención cuando se piense en reutilizar recursos en las estaciones de transmisión.

4. Características de las Redes DVB-T

4.1. Redes Multi-Frecuencia

En las redes DVB-T se encuentra como parte de su conjunto los transmisores con señales de programas independientes y con frecuencias de radio individuales. Esto es lo que se conoce como redes multi-frecuencia (Multi-Frequency Networks, MFN). Cuando se propone que un número de transmisores formen parte de una red específica, son más los procesos administrativos que se llevan a cabo que los técnicos. La cantidad de canales de radiofrecuencia necesarios para una red específica depende de los objetivos de planificación (estudios de cobertura); de allí la especificación del tipo de modulación asociado con la tasa de código aplicada para una transmisión específica.

4.2. Redes de Frecuencia Única

En una red de este tipo todos los transmisores utilizan el mismo canal de radio frecuencia, aprovechando las ventajas que ofrece COFDM.

Cada operador de un transmisor en una red de frecuencia única (Single Frequency network, SFN) debe respetar una regla de oro: radiar al mismo tiempo, el mismo bit y en la misma frecuencia.

En el lado demodulador se recibirán varias señales idénticas separadas por un cierto retardo (que nunca será mayor a un intervalo de guarda).

En una red SFN, la transmisión debe estar sincronizada en tiempo y frecuencia de manera muy cuidadosa. Dentro de las limitaciones que se pueden mencionar en lo que es el dominio de la frecuencia de una red SFN, la más importante es precisamente controlar ambos procesos de conversión ascendente de las señales COFDM y, además, el procesamiento del reloj del modulador COFDM. En cuanto al dominio del tiempo, la limitante más importante recae en los retardos introducidos sobre la red de distribución, que deben ser igualados en la fuente (multiplexor DVB) de cada antena transmisora que, a su vez, deberá radiar símbolos COFDM idénticos en el mismo instante.

5. Recepción Móvil

A pesar de que DVB-T no fue originalmente concebido para la recepción móvil, su desempeño ha sido tal que, hoy en día, esta característica constituye uno de los servicios comerciales básicos en la oferta de la TDT. Pruebas operativas realizadas en entornos reales han impulsado el desarrollo de una variedad de técnicas para la optimización de su desempeño. Por ejemplo, la utilización de receptores con diversidad de dos antenas ofrece una mejora de unos 5 dB en hogares y una reducción del 50% de errores esperados en automóviles [2].

Ahora bien, la recepción móvil exige la consideración de una serie de factores: El receptor debe "perseguir" las variaciones en tiempo y en frecuencia. También debe considerarse una correcta estimación de canal. Adicionalmente, el receptor debe ser capaz de compensar distorsiones llamadas "derrames FFT" (FFT leakage) que se producen por la falta de ortogonalidad de las portadoras DVBT que, a su vez, tienen su origen en la variación temporal del canal. La red debe entregar suficiente intensidad de campo y una alta relación portadora-ruido en gran cantidad de lugares para ofrecer cierta confiabilidad de servicio. De todo esto se desprende que la recepción móvil demanda un receptor adecuado y un correcto diseño de red.

III. CONCLUSIONES

1) Desde su concepción, en 1993, el Proyecto de DVB ha establecido, más allá de toda duda, el valor y la viabilidad de la cooperación en el desarrollo de estándares digitales abiertos de televisión.

2) Entre ellas, DVB-T describe un ambicioso y versátil sistema para la transmisión terrestre de todo tipo de señales digitales.

3) El sistema está fundamentado en el uso eficiente del espectro mediante técnicas avanzadas de modulación que minimizan las pérdidas de información en la recepción cuando se encarga a un gran número de portadoras procesar, con bajas tasas de bit, la información de entrada al modulador.

4) El resultado de la combinación de estas técnicas convierten a DVB-T en uno de los sistemas de transmisión digital terrestre más robusto, sofisticado y flexible disponible hoy en día.

Notas
(1) Combinación de perfil y nivel MPEG-2 que implica la utilización de formato de croma 4:2:0; resolución de 720x576; caudal máximo de 15 Mbps y presencia de tramas I, P y B.

(2) Título oficial del estándar desarrollado por el Joint Video Team (JVT) y adoptado por la Unión Interna-cional de Telecomunicaciones como ITU-T H.264 y por la Organización Internacional de Estándares como ISO/IEC MPEG4 Parte 10 (formalmente ISO/IEC 14496-10).

Agradecimiento

Los autores manifiestan su agradecimiento a la gerencia del Centro de Transmisiones de DIREC TV ™ por permitir la utilización de recursos de dicha empresa para la realización de esta investigación.

IV. REFERENCIAS

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3. Møller, L. G. Digital Terrestrial Television – the 8k System. EBU Technical Review, 266, 1995. pp. 40-50. [ Links ]

4. Yances, G. Calendario incierto para la DTV en América latina, TV y Video, 11(7), 2006. pp. 8-10. [ Links ]

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Modelado unidimensional del sistema óxido-silicio intrínseco-óxido

Los autores del presente artículo desempeñan sus actividades en el Laboratorio de Electrónica de Estado Sólido, Universidad Simón Bolívar, Caracas, Telf. 58-212-9064010, fax 58-212-9064025.

Ing. Slavica Malobabic: estudiante de Maestría, correo electrónico smalobabic@ieee.org.

Dr. Adelmo Ortiz – Conde y Dr. Francisco J. García Sánchez: Profesores Titulares, correos electrónicos ortizc@ieee.org y fgarcia@ieee.org respectivamente.

MSc. Juan Muci: Profesor Asociado, correo electrónico jmuci@usb.ve.

En este trabajo se presenta un modelo físico unidimensional para el sistema óxido - silicio intrínseco - óxido basado en la solución del potencial versus la distancia. Se demuestra que las dos soluciones anteriores aproximadas y analíticas, son completamente equivalentes para los casos cuando el campo eléctrico se anula o no dentro del semiconductor. Se presentan soluciones aproximadas asintóticas que son comparadas con los resultados exactos obtenidos con cálculo numérico iterativo. Se obtienen aproximaciones analíticas para los potenciales superficiales en conducción fuerte y débil también. Los resultados muestran una exactitud excelente de esta formulación.

Palabras clave: Modelado compacto de MOS/ MOSFET de una compuerta/ MOSFET con el cuerpo no dopado/ canal intrínseco/ SOI.

One-dimensional model of the undoped oxide-silicon-oxide system

A physical model of the one-dimensional undoped oxide-silicon-oxide system is presented based on the solution of its potential versus distance. It is proved that both previous approximate analytical solutions, for the cases when the electric field does and does not vanish inside the semiconductor, are completely equivalent. Approximate asymptotic analytical solutions are presented and compared to exact numerical results calculated by iteration. Analytic approximations for surface potentials in strong- and weak-conduction are also obtained. The results attest to the excellent accuracy of this formulation.

Keywords: - MOS compact modeling, Single MOSFET/ Undoped body MOS/ Intrinsic channel/ SOI.

I. INTRODUCCIÓN

La miniaturización de la tecnología convencional MOSFET ha encontrado limitaciones severas debido a los efectos de canal corto [1, 2]. Por otra parte, la tecnología SOI ("Silicon-On- Insulator·) presenta mayor inmunidad [3-7] a los efectos de canal corto debido a que usa películas muy delgadas con fuerte acoplamientos entre compuertas. Debido a esta ventaja comparativa, los dispositivos SOI MOSFET han empezado a sustituir a los MOSFET convencionales y la miniaturización se ha mantenido hasta el presente. La tendencia de la miniaturización es conocida como Ley de Moore debido a que Moore la pronosticó en 1965 [8]. La miniaturización de los MOSFET también ha permitido que estos dispositivos incursionen exitosamente en el rango bajo de las microondas [9-11] durante la última década. Dos aplicaciones recientes han evidenciado la superioridad del dispositivo SOI con respecto al MOSFET convencional: microprocesadores SOI con mas del 20% por ciento de mejora en la velocidad [4, 12]; y amplificadores RF SOI con mayor eficiencia [11].

El sistema óxido-silicio intrínseco-óxido (OSO) es la estructura básica de la tecnología SOI. Entre los dispositivos SOI MOSFET hay dispositivos con una compuerta (SG), dos compuertas (DG), tres compuertas (TG) y compuerta cilíndrica (GAA). Estos dispositivos avanzados MOSFET se están fabricando en diferentes configuraciones incluyendo planar, vertical, FinFET, y varias otras geometrías en tres dimensiones [11].

Para el modelado de los dispositivos MOSFET se requieren modelos físicos muy precisos y compactos que a la vez sean eficientes computacionalmente [13]. Estos requerimientos son mas fáciles de cumplir en el caso de los MOSFETs con cuerpo no dopado o intrínsecos por la falta de la carga fija en el canal y aun más fácil en el caso de los MOSFET de una compuerta (SG MOSFET) con el canal ultra delgado. Para este propósito los autores han propuesto recientemente [14,15] el modelo de la corriente en el drenador basada en el potencial para los DG MOSFET en dimensiones nanometricas simétricos con cuerpo no dopado. Previamente se habia propuesto una solución explicita y analítica para el potencial superficial para dispositivos simétricos de doble compuerta [16,17].Este último modelo es una extensión de la solución analítica para el potencial superficial de SG MOSFET de bulto basada en función de Lambert [18].

La solución analítica aproximada para el potencial versus la distancia para el sistema óxido silicio óxido en una dimensión fue propuesta por Taur [19,20] para el dispositivo de doble compuerta simétrico. Para este caso en particular el campo se anula en el medio de la película semiconductora. Shi and Wong [21] extendieron este análisis para el caso en el que el campo eléctrico no desparece dentro de la película semiconductora. En el análisis que sigue se mostrará que las dos soluciones son equivalentes y se presentará su comportamiento asintótico usando ecuaciones analíticas simples.

I. DESARROLLO

1. Modelado riguroso del potencial

Por simplicidad la formulación de distribución de la carga está basada en la estadística de Maxwell-Boltzmann. Los efectos de confinamiento de mecánica quántica no se consideran, aunque se podrían incorporar más adelante para acomodar la solución para las películas de silicio menores de 5 nanometros donde estos efectos comienzan a tener importancia.

La ecuación de Poisson en una dimensión a través del cuerpo de este dispositivo se puede escribir como [22, 23]

donde n i es el potencial electrostático, is la densidad de la carga intrínseca, q es la carga eléctrica del electrón, ß = q/kT es el inverso del voltaje térmico, es la permitividad del silicio y x es la dirección a través del canal. Haciendo el cambio de variable tradicional en la ecuación de Poisson se obtiene:

donde F es el campo eléctrico. Separando las variables, integrando (2) desde la superficie superior hasta un punto arbitrario se obtiene:

Donde F si y sb son el campo eléctrico y el potencial electrostático evaluados en la superficie superior.

El término -1 es una constante de integración arbitraria y fue escogido de manera tal que el término dentro del paréntesis sea cero para . Como el lado derecho de (3) depende solamente de la condición en la superficie superior y el lado izquierdo de (3) puede ser evaluado en cualquier punto este lado debe ser constante. Esta constante ha sido definida [23-25] para el dispositivo SOI general como:

Donde α está definida como el factor de interacción que representa el acoplamiento de la carga entre las dos compuertas. Evaluando (4) en las interfaces de compuerta superior e inferior:

Donde F sb y sb son el campo eléctrico y el potencial electrostático evaluados en la superficie inferior.

Las condiciones de frontera mixtas en las superficies de las compuertas superior e inferior son respectivamente:

donde Vinferior que incorporan el voltaje de banda plana, Cgráficamente en la Gf y V of= Gb son los voltajes de las compuertas superior e ε ε de los óxidos de superior e inferior. Los potenciales electrostáticos en las interfaces y los voltajes de los componentes se ilustrarán caso particular. Figura 10 con resultados numéricos para un

Resolviendo en términos de campo eléctrico desde (4) e integrando desde un punto arbitrario hasta un punto en la región superior se obtiene:

Aunque esta integral puede ser resuelta de forma rigurosa usando las integrales elípticas, los autores prefieren evaluarlas numéricamente debido a complejidad y en la Sección 3 se propondrá una buena aproximación.

De la misma manera, para la superficie inferior usando (6) y (8):

Existen dos casos diferentes: a) el campo eléctrico se anula dentro de la película de silicio en el punto donde el potencial de canal llega al máximo ψ ψ es siempre positivo dentro de la película de silicio.

1.1. El campo eléctrico se anula

lo que representa la distancia desde la superficie superior hasta el punto donde el campo eléctrico es cero. De la misma forma se puede escribir la ecuación para la distancia entre ese punto y la superficie inferior:

La sumatoria de las dos ecuaciones previas debe ser igual a uno:

Las ecuaciones (11)-(13) y (16) definen rigurosamente un sistema de tres ecuaciones en tres variables: ψ ψ este caso.

1.2. El campo eléctrico no se anula

Como el campo eléctrico no se anula , se puede integrar (10) directamente a través de todo el silicio, ψ = ψ

Ecuaciones (11)-(12) y (17) definen rigurosamente un sistema de tres ecuaciones con tres variables: ψ ψ

2. Procedimiento riguroso numérico

En vez de resolver directamente el sistema de ecuaciones, es más conveniente usar bisección, donde α El procedimiento es el siguiente: a) dado un valor de α y α n es la variable principal. n, ψ ψ sfn se puede evaluar numéricamente de la solución numérica (11); se puede evaluar también numéricamente; c) entonces, los valores previos de ψ , ψ particular, y este valor se compara a 1. Esta iteración se mantiene hasta que el valor de 1 se obtenga en la iteración con una exactitud dada. n se usan en la integral en (16) o (17), dependiendo del caso

3. Modelado aproximado del potencial

Para dispositivos muy delgados una buena aproximación es ψ >>1 . Por ende, las ecuaciones (10)- (12) se simplifican:

La integración en (18) se puede hacer analíticamente y existen tres soluciones dependiendo del valor de α n. Aunque estas soluciones parecen diferentes, se demostrará que son equivalentes usando las identidades de las variables complejas.
3.1. αn es negativo
Este caso es análogo al caso del MOSFET de doble compuerta presentado por Taur [19,20]. La integración de (15):

Como el argumento de arcsin debería estar entre 0 y 1, se obtiene la siguiente condición:

ψ ) siempre representará el punto en el cual el campo eléctrico se anula y el potencial del canal llega a su extremo, ψ ψ . Para el caso en particular del DG MOSFET simétrico con las dos compuertas bajo el mismo voltaje será el centro del semiconductor: = 0.5 . Como es el valor mínimo del potencial, se puede obtener evaluando la condición anterior del lado derecho:

En general, hay dos casos: 1) el punto no existe dentro del semiconductor, 1 < , y el campo eléctrico no se anula; y 2) el punto existe dentro del semiconductor, 0 < < 1, y el campo eléctrico cambia del signo.

Sumando las dos ecuaciones previas:

Observando la ecuación anterior se puede obtener el valor mínimo de α -π / 2 podemos calcular el valor mínimo de α n. Como valor máximo de arcsin es de π / 2 y el mínimo n :

Sustituyendo (28) en (23) se puede obtener el potencial máximo ψ 0 max.

Este mismo resultado fue ya obtenido en [19] para el MOSFET de doble compuerta.

La integración de (18), para α n positivo produce:

La integración de (18), para α n igual a cero :

Este resultado se puede obtener evaluando los limites de dos soluciones previas, (21) y (30) cuando α n = 0. Este caso es importante ya que describe al MOSFET convencional no dopado y además permitirá obtener una buena aproximación para el potencial en la siguiente sección.

4. Resultados

La El caso V Figura 1 ilustra las diferentes soluciones analíticas del potencial en función de la posición para negativo, cero y positivo, dadas por las ecuaciones (21), (30) y (32) respectivamente, para un dispositivo con un óxido superior de 2 nm, un óxido inferior de 40 nm, y un espesor de silicio de 10 nm. En esta figura se varía el voltaje de la compuerta inferiory se mantiene fijo el voltaje de la compuerta superior en 2V. Para generar esta figura previamente se resuelve ψ ψ presenta un < 1, es decir existe un punto en la película donde presenta ningún punto donde se anule el campo eléctrico y la solución espacial se aproxima a una recta cerca del óxido inferior. = 0 corresponde al MOSFET convencional no dopado. Gb = -0.175V y

Fig. 1 Soluciones analíticas del potencial en función de la negativo, cero y positivo, dadas por ecuaciones (21), (30) y (32) respectivamente, para un dispositivo con un óxido superior de 2 nm, un óxido inferior de 40 nm, y un espesor de silicio de 10 nm. En esta figura se varía el voltaje de la compuerta inferior y se mantiene fijo el voltaje de la compuerta superior en 2V.

Es importante destacar que las dos soluciones, (21) para α y (30) para α n < 0 n > 0, son completamente equivalentes. Se puede demostrar eso usando la siguiente identidad compleja:

donde i es el numero imaginario y Z es variable arbitraria. Cualquiera de estas dos soluciones tiende a la solución (32) si se toma el límite de α n tendiendo a cero.

La Figura 2 compara la solución numérica rigurosa y la solución aproximada versus el voltaje en la compuerta superior para el dispositivo previamente descrito con un voltaje de la compuerta inferior de cero voltios.

, potenciales campo eléctrico y carga (riguroso - símbolos y aproximado - líneas) versus el voltaje de compuerta superior para el de óxido superior de espesor de 2 nm, óxido inferior de 40 nm, espesor de silicio de 10 nm, y el voltaje en la compuerta inferior de cero voltios.

Se observa en esta figura que la solución aproximada es prácticamente la misma que la solución rigurosa. En esta ψ = 0 y cuando Ve inferior ( Feléctrico se anula ( ψ Gf = 0.59 V. Como los dos campos eléctricos, el superior ψ sf y F sb), son positivos el punto en el cual el campo ψ complejo. ₀) está fuera del semiconductor

La muestra α previo con V n, potenciales, campo eléctrico y carga versus el voltaje de la compuerta inferior para el dispositivo Gf = 2V.

Fig. de espesor de 2 nm, óxido inferior de 40 nm, espesor de silicio de 10 nm, y el voltaje en la compuerta de 2V.

En la y dos voltajes en la compuerta superior V Figura 4 se observa los potenciales y ψ ψ voltaje de compuerta inferior para un óxido superior de espesor sf versus el de 2 nm, óxido inferior de 40 nm, espesor de silicio de 10 nm, V. Gf = 0.5 V y V Gf = 2

Fig. 4 potenciales versus el voltaje de compuerta superior para el de óxido superior de espesor de 2 nm, óxido inferior de 40 nm, espesor de silicio de 10 nm, y dos voltajes en la compuerta superior de 2V y 0.5V.

Fig varios voltajes de la compuerta inferior y los mismos parámetros de la figura previa.

varios espesores de silicio del dispositivo anteriormente mencionado, y el voltaje en la compuerta inferior de cero

inferior de cero voltios.

Fig. 8 varios espesores de óxido superior, y el voltaje en la compuerta inferior de cero voltios.

La para varios α asintótico de α En esta Figura se observa que la solución α También se puede ver que la solución de α Figura 9 muestra las soluciones analíticas versus la distancia n, espesor de silicio 20 nm y el resto de los ilustrado también porque corresponde a dispositivo de doble compuerta no simétrico en el cual las compuertas superior e inferior producen el mismo nivel de inversión. El comportamiento n = 0, presentado en (32), está mostrado con a una línea recta cerca de la superficie inferior. Este n = 0 se aproxima asintóticamente a todas las soluciones cerca de superficie superior. comportamiento se puede entender notando que el argumento n positivo se aproxima de arcsinh en (30) presenta un valor grande y la siguiente aproximación se puede usar:

Fig. 9 Soluciones analíticas para espesor de silicio de 20 correspondientes definidos por ecuaciones (21) y (28) respectivamente. También está representado el comportamiento asintótico de α n = 0 (líneas punteadas) y asíntotas para positivo (rayas).

Usando esta aproximación en (30) se obtiene la asíntota:

Las asíntotas para α usando líneas rayadas. El comportamiento para α n positivo están mostradas en la n negativo esta definido por la función arcsin. Es interesante destacar que arcsin se puede aproximar por [26]:

4.1. Aproximación en inversión débil

En la para el dispositivo previamente descrito con VVα en el óxido superior Ven el óxido inferior V Figura 10 se presentan dos diagramas de bandas a escala Gf = 0.3V y Gf = 1V y V Gb = 0. Para V Gf = 0.3V el dispositivo se encuentra en conducción débil y se obtienen los siguientes valores: ψ ψ n = 0.703 , una caída de potencial oxf =13.29mV , una caída de potencial oxb= 0.264V. De estos cálculos se obtienen las siguientes aproximaciones: ψ ψ

Fig. 10 Potencial en el canal dentro del ancho del canal para dos voltajes en la compuerta superior para dos polarizaciones de la compuerta, abajo de voltaje de umbral (arriba), encima de voltaje de umbral (abajo) para SOI MOSFET con cuerpo no dopado

Estas aproximaciones pueden obtenerse observando que en conducción débil se cumple la siguiente aproximación:

Usando la ecuación (19) y la aproximación previa se obtiene:

El segundo término de la ecuación anterior, en este caso particular, es 0.507 y desnormalizándolo da 13.2 mV. Por lo tanto, (38) conduce a ψ V que es muy cercano al valor esperado de ψ > 0 ya que ψ conducción débil siempre se cumplirá El campo eléctrico está dado por el denominador de (18): sf = 0.286V. Además se observa en (38) que sfn no puede ser un número complejo. Por lo tanto,

Con la suposición que se hizo para la inversión débil (37) se reescribe: (39):

de donde se puede afirmar que el campo eléctrico no tiene dependencia espacial y además es pequeño. Integrando el campo eléctrico dentro del semiconductor:

Sustituyendo la relación (37) en (40) se obtiene:

dando en este caso particular un valor de ψ V que es muy cercano al esperado de ψ = 0.264V. Para calcular el voltaje en el óxido de frente se usará la relación (7) rescrita como:

Usando la relación (43) y (38) se obtiene:

Esta aproximación conduce a 13.19 mV que es muy cercano al valor esperado de 13.29 mV. Reescribiendo a (8):

Usando la relación (41) se obtiene:

Esta aproximación conduce a 0.265V que es muy cercano al valor esperadote 0.264V.

4.2. Aproximación en conducción fuerte

Usando esta aproximación en (19) conduce a:

La solución de esta ecuación,

Ya fue obtenida [18] para el caso del transistor MOSFET convencional. Ahora se consideran dos posibles casos para la interfaz inferior. Si la espalda está en inversión débil y α usar la siguiente aproximación: n es positivo se puede

y la ecuación (20) conduce a:

Si la espalda está en inversión fuerte y α n es negativo ψ sfn y imitará el comportamiento de un transistor de doble compuerta simétrico.

III. CONCLUSIONES

1. Se ha presentado un modelo físico para sistema óxido-silicio-óxido no dopado.

2. Las dos soluciones analíticas previas aproximadas del potencial para los casos cuando el campo eléctrico se anula o no dentro del semiconductor son equivalentes.

3. Se han obtenido aproximaciones de los dos potenciales superficiales en función de los voltajes aplicados para los casos de conducción fuerte y débil.

4. Las soluciones aproximadas analíticas fueron presentadas y comparadas a los resultados exactos numéricos calculados por iteración.

5. Los resultados demuestran la excelente precisión de esta formulación.

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García Sánchez, Francisco J. Ortiz-Conde, Adelmo Malobabic, Slavica

Los autores desempeñan sus actividades en el Dpto. de Electrónica de la Universidad Simón Bolívar, Apartado Postal 89000, Caracas 1080, Venezuela, telef-58-212-9064010, fax 58-212-9064025.

Dres. Francisco J. García Sánchez y Adelmo Ortiz-Conde: Profesores Titulares, correos electrónicos fgarcia@ieee.org y ortizc@ieee.org respectivamente.

Ing. Slavica Malobabic: Estudiante de Maestría, correo electrónico smalobabic@gmail.com.

Se presenta una revisión del uso de la función de Lambert en aplicaciones de electrónica. Primeramente se describe brevemente su definición y se mencionan algunas de sus propiedades. Seguidamente se ofrecen ejemplos de cómo aplicar esta función en la solución de algunas ecuaciones transcendentales que involucran exponenciales. Las aplicaciones de esta función a la electrónica se ilustran mediante ejemplos relativos a la solución de problemas de dispositivos bipolares de juntura, modelado de celdas solares bajo iluminación, y modelos de dispositivos MOSFET.

Palabras clave: Función de Lambert/ Junturas no ideales/ Celdas solares/ MOSFETs sin dopaje.
Abstract
A revision of the use of Lambert's function in electronics applications is presented. Firstly, its definition is briefly described and some of its properties are mentioned. Next, examples are worked out of how to apply this function to the solution of some transcendental equations which contain exponentials. Applications of this function to electronics are illustrated through examples dealing with the solution of problems such as bipolar junction devices, modelling of illuminated solar cells, and MOSFET device modelling.

Keywords: Lambert Function/ Non Ideal Junctions/ Solar Cells/ Undoped MOSFETs.

I. INTRODUCCIÓN.

Una gran variedad de problemas en la ciencia y la tecnología están descritos por ecuaciones transcendentales que requieren ya sea de soluciones numéricas iterativas o bien de soluciones analíticas aproximadas. La posibilidad de obtener soluciones analíticas exactas de estas ecuaciones ofrece grandes ventajas desde varios puntos de vista. Una solución analítica describe el comportamiento de la variable de forma general, a diferencia de los resultados numéricos que dependen de las condiciones iniciales. La solución analítica ayuda en el entendimiento intuitivo del problema, facilita la deducción de su comportamiento cuando los parámetros del problema varían, y simplifica el estudio de las perturbaciones. También puede contribuir en la unificación de fenómenos diferentes, y hace que el fenómeno en sí sea más manejable y fácil de entender. En general una solución analítica se puede diferenciar e integrar analíticamente, lo que permite estudiar la variabilidad del fenómeno.

Aunque ciertamente las soluciones numéricas iterativas pueden proveer soluciones tan exactas como se requiera, la solución analítica, por no presentar problemas de convergencia, produce resultados exactos de manera computacionalmente eficiente. Al eliminar la necesidad de iteraciones numéricas, la solución analítica posibilita la evaluación rápida de numerosos casos repetitivos, lo que es de fundamental importancia en situaciones de simulación circuital, donde un modelo se ha de utilizar miles, si no millones, de veces. Aún en los casos en que se decida utilizar iteración numérica, las soluciones analíticas pueden ser útiles para proveer valores iniciales de las soluciones, facilitando así los cálculos iterativos complicados, dependientes del tiempo o multidimensionales.

Existe una clase de ecuaciones transcendentales, las del tipo lineal exponencial, que son muy comunes en ciertos circuitos electrónicos y en el modelado de dispositivos semiconductores. La función de Lambert (W) [1] permite obtener soluciones cerradas y explícitas a estas ecuaciones transcendentales [2,3]. En este trabajo se presentará una revisión de la utilidad de la función de Lambert, empezando por una breve descripción de sus propiedades, seguida de algunos ejemplos de soluciones a ecuaciones transcendentales, así como aplicaciones típicas a problemas de electrónica. Las aplicaciones de esta función a la electrónica se ilustran mediante ejemplos relativos a la solución de problemas de junturas no ideales con resistencias parásitas en serie y en shunt, características corriente voltaje de dispositivos fotovoltaicos bajo iluminación, y modelos de dispositivos MOSFET.

I. DESARROLLO

1. La función de Lambert

La función de Lambert tiene sus orígenes en el trabajo de J. Lambert en el año 1758. Más tarde, en 1779, fue considerada por Euler cuando estudió la ecuación trascendental de Lambert. Fue denominada "W" después del trabajo hecho por E. M. Wright en 1959 [4]. Desde entonces ha venido siendo utilizada esporádicamente en algunas aplicaciones, pero en años recientes la cantidad y diversidad de aplicaciones en las que se ha usado esta función ha ido incrementándose considerablemente. Hasta la fecha se ha usado W en aplicaciones generales tales como ciertos problemas de física [5], electromagnetismo [6], mecánica estadística clásica [7], movimiento de proyectiles [8], generación de ruido gausiano [9,10], solución de exponenciales infinitos [11], solución de la ecuación de Schrödinger [12], etc. En el área de la electrónica se ha empleado W en resolver problemas de diodos con resistencias en serie y en paralelo [13,14], circuitos con transistores bipolares [15], celdas solares [16-18], modelado del fenómeno de ruptura en óxidos delgados [19], diseño de consumo mínimo en circuitos [20], y modelado de transistores de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFETs) [21-26].

La función de Lambert es una función elementalmente implícita, es decir, está definida de forma implícita usando funciones elementales. Formalmente W se define para cualquier z compleja como una función (compleja y de valores múltiples) que es la solución a la ecuación trascendental quizás más simple que exista, la ecuación lineal exponencial, representada por:

En la se muestra z como el producto de W(z) por el exponencial de W(z) en función de W(z). Intercambiando los ejes se obtiene la función de Lambert W(z) en función de z que se muestra en la figura 1.b. Para argumentos reales x, W(x) es real si x≥-e⁻¹. Usando la definición de la función de Lambert x=W(x)e W(x) se puede decir que si x=ye y, entonces W(x)=y, o lo que es lo mismo,

Observando la se puede ver que para valores del argumento x<0 existen o bien dos soluciones (-e⁻¹≥x>0) o ninguna (x<-e⁻¹). Para valores reales de W los valores del argumento están limitados a . W tiene dos ramas reales: la rama principal y la rama negativa [27]. La rama principal W ₀ está definida como:

y la rama negativa W-1 está definida como:

Una de las características que hace atractivo el uso de expresiones basadas en la función de Lambert es que es analíticamente diferenciable e integrable. La primera y segunda derivadas están dadas por

Figura 1. (a) z = W exp(W) en función de W (línea continua), mostrando también las funciones exp(W) y W (líneas quebradas), (b) W en función de z, mostrando la rama principal (línea continua) y la rama negativa (línea quebrada).

La integral indefinida de la función de Lambert es

La función de Lambert se puede representar mediante expansiones en series [28]. Por ejemplo la serie alrededor de z=0 es:

Igualmente existen representaciones asintóticas de W. La asíntota para z grande es

Existe disponible software numérico libre bien comprobado, con precisión numérica arbitraria, para las dos ramas reales de W. Por ejemplo, el Algoritmo 443 publicado en 1973 [29]. Más recientemente, en 1995, se publicó también el Algoritmo 743 de la base de datos TOMS de la librería pública Netlib ( software, escrito en FORTRAN, computa ambas ramas reales de W con la precisión disponible en la plataforma utilizada [31]. También existen aproximaciones eficientes [32]. Varios paquetes matemáticos simbólicos tales como: Maple®, Macsyma® y Mathematica® contienen rutinas optimizadas para el cálculo y manipulación de la función de Lambert, incluyendo su integración y diferenciación. En el paquete Mathematica®. la función de Lambert se denomina con el nombre de función "ProdutLog". Varias aproximaciones incorporan esquemas iterativos para computar W con una precisión predefinida y usan aproximaciones a tramos para generar suposiciones iniciales [33].

2. Ejemplos de soluciones usando W

A continuación se presentaran algunos ejemplos que ilustran el procedimiento para resolver ecuaciones que contienen productos y cocientes de variables y sus exponenciales o logaritmos. No pretende esto ser una descripción exhaustiva de todos los casos en los que es posible usar W, sino que la intención es indicar la mecánica general del procedimiento a seguir.

Rescribir la ecuación (15) tomado exponenciales:

Multiplicar por x:

Aplicar W a ambos lados:

Usar definición de W en la parte izquierda:

Rescribir la ecuación (16):

Aplicar W a ambos lados:

Usar definición de W en la parte derecha:

Rescribir la ecuación (21):

Aplicar a W a ambos lados:

Usar definición de W en la parte izquierda:

La función de Wright

Se define como función de Wright [4,34] la solución a la ecuación (21), que se representa como

donde ω (omega) es la función de Wright. Comparando las ecuaciones (25) y (26) se puede establecer la equivalencia entre la función de Wright y la función de Lambert:

Primer procedimiento:

Rescribir la ecuación (28):

Aplicar W a ambos lados:

Usar definición de W en la parte izquierda:

Segundo procedimiento:

Rescribir la ecuación (28):

Aplicar W a ambos lados:

Usar definición de W en la parte derecha:

Igualando las dos soluciones del ejemplo 5 se obtiene:

Lo que también se puede expresar en términos de la función de Wrigt:

Por tanto, en general se cumple la identidad:

Rescribir la ecuación (41):

Aplicar W a ambos lados:

Usar definición de W en la parte izquierda:

La función "glog":

La función glog [35] es la solución a la ecuación (41) que se representa como

Comparando las ecuaciones (60) y (61) se puede establecer la equivalencia entre la función de glog y la función de Lambert:

Tomar la raíz cuadrada:

Dividir entre 2:

Aplicar a W a ambos lados:

Usar definición de W en la parte izquierda:

Otras ecuaciones tales como x=e y/y ², x=y , y= , etc., pueden resolverse

también usando la función de Lambert.

3. Aplicaciones

Se presentarán ahora varias aplicaciones típicas de la función de Lambert en la solución de diversos problemas de electrónica.

Aunque no se cubrirán todas las posibilidades, se mostrarán algunas que demuestran la solución explícita de circuitos típicos que comúnmente tienen que resolverse mediante aproximaciones o expresiones aproximadas, mientras que otras aplicaciones que se describen pertenecen al ámbito del modelado de dispositivos electrónicos.

La continua miniaturización de los dispositivos MOS (Metal Óxido Semiconductor) implica una disminución del margen de confiabilidad de la capacidad aislante de los óxidos de la compuerta que los componen. Ante la posibilidad de que ocurra ruptura eléctrica en óxidos muy delgados, se plantea la necesidad de modelar la corriente que atraviesa el óxido después de su ruptura irreversible. Una representación compacta de esa corriente post ruptura, que es adecuada para la simulación en circuitos, viene dada por el siguiente modelo [19]:

donde I0, ω y RDB son parámetros que caracterizan el fenómeno de ruptura irreversible en una primera aproximación. Esta ecuación equivale a una juntura PN con una resistencia en serie. Rescribiendo la ecuación anterior,

Multiplicando ambos lados por y agrupando los términos:

Si ahora se aplica W a ambos lados y se usa la definición de W en la parte izquierda de la ecuación, se tiene que

Resolviendo resulta la corriente de post ruptura a través del óxido:

3.2 Juntura no ideal

El caso anterior representa el ejemplo más sencillo de una juntura no ideal. Sin embargo, en muchos casos ese modelo resulta ser insuficiente para caracterizar una juntura real. En la Figura 2 se presenta un modelo circuital genérico de una juntura no ideal, incluyendo sus elementos parásitos más comunes: una conductancia en paralelo que representa la fuga a través de la juntura propiamente dicha (Gp1), una resistencia en serie que da cuenta de la caída de potencial desde la juntura hasta los contactos (Rs), y una segunda conductancia en paralelo que representa la posibilidad de fuga en la periferia del dispositivo (Gp2).

La ecuación de la corriente que correspondiente a esta configuración es:

donde I ₀, es la corriente de saturación inversa del diodo, n es el factor de idealidad que caracteriza la calidad de la juntura, v th es el voltaje térmico =kT/q, k la constante de Boltzmann, T la temperatura absoluta, y q la carga electrónica. Nótese que esta ecuación no tiene la forma de una función explícita de una variable en función de la otra y la única manera de resolverla exactamente es mediante iteración numérica. Sin embargo, utilizando la función de Lambert es posible hallar soluciones explícitas de esta ecuación. Siguiendo un procedimiento similar al del ejemplo anterior, la solución de la corriente en función del voltaje resulta ser [13]:

También es posible resolver el voltaje en función de la corriente:

Estas soluciones explícitas permiten el estudio directo de las características corriente voltaje de junturas no ideales (diodos reales) y facilitan la extracción de los parámetros intrínsecos y extrínsecos de sus modelos [17].

3.3 Celdas solares

Un caso ligeramente más complicado ocurre cuando se intenta modelar celdas solares bajo condiciones de iluminación. En la Figura 3 se muestra un modelo circuital de un dispositivo fotovoltaico genérico iluminado (celda solar), que incluye la juntura (n, Io), una fuente de corriente fotogenerada (Iph), y la resistencia en serie (Rs) y conductancia en paralelo (Gp) parásitas. La ecuación que describe esta la corriente de la celda es:

De nuevo esta ecuación es implícita, pero usando W, se puede hallar la solución explícita para la corriente: y para el voltaje es:

y para el voltaje es:

La naturaleza explícita de estas soluciones permite calcular inmediatamente la corriente de cortocircuito y el voltaje a circuito abierto. Así mismo, es posible hallar explícitamente el punto de potencia máxima calculando la derivada del producto IV. Estas soluciones también facilitan la extracción de los parámetros del modelo de la celda solar a partir de datos experimentales, como se verá a continuación.

3.4 Extracción de parámetros de modelos de celdas solares

Las técnicas comunes de extracción de parámetros del modelo de la celda solar usando los datos I-V medidos bajo iluminación usualmente incluyen la optimización numérica del error cuadrático en el eje vertical (corriente) o en el eje horizontal (voltaje). La utilización de soluciones explícitas de la corriente y el voltaje facilitan enormemente estos cálculos. Otros métodos están basados en el uso de funciones auxiliares y otros operadores. Aquí se presentará otro método basado en integración, por ser más inmune a los errores de medición debido a su naturaleza de filtro pasa bajo y porque produce resultados algebraicos de fácil manejo computacional [18]. El procedimiento ilustra la utilidad que ofrece la posibilidad de integrar la función de Lambert.

Se define primeramente una función llamada Co-Contenido CC (I,V) de la siguiente manera:

donde es la corriente de la celda en condiciones de cortocircuito (V=0). Sustituyendo la solución para la corriente dada por la ecuación (67) en la ecuación de CC e integrando con respecto a V resulta una larga expresión que contiene términos con la función de Lambert y las variables I y V. Reemplazando los términos que contienen la función de Lambert de V, usando la ecuación (68) y después de manipulación y simplificación se obtiene la siguiente ecuación algebraica:

donde los cinco coeficientes son funciones de los parámetros del modelo. La extracción se hace calculando la función CC, definida por la ecuación (69), a partir de los datos experimentalmentemedidos. Seguidamente se procede a ajustar esta función de CC a los datos experimentales medidos mediante la ecuación algebraica (70). Este proceso de ajuste bidimensional produce los valores de los coeficientes de la ecuación (70), de los que se calculan los parámetros del modelo G p, R s, I ph, n, y I o de la siguiente manera:

3.5 Fuente de corriente Widlar

En esta fuente de corriente el transistor Q ₁ está conectado en configuración de diodo. Se pretende establecer I ₂ a partir de los valores de I ₁ y R ₂. La ecuación que describe al circuito es:

Obviamente esta ecuación no expresa a 12 de manera explícita, pues esta corriente aparece también dentro del argumento del logaritmo. La solución habría que hallarla por iteración numérica o usando una aproximación, por ejemplo, los primeros términos de una expansión en serie de Taylor del logaritmo. Se buscará entonces una solución usando la función de Lambert. Tomando exponenciales en ambos lados y multiplicando por 12 R2/vth se obtiene:

Figura 4. La fuente de Widlar

Si ahora se aplica la función de Lambert a ambos lados se tiene:

pero se sabe que

luego, finalmente la corriente I ₂ viene dada en forma explícita por

3.6 Modelado de dispositivos MOSFET

La descripción del potencial electrostático en la superficie del canal, en función de los voltajes en los terminales de los transistores de efecto de campo tipo metal óxido semiconductor (MOSFETs), resulta de principal importancia en la elaboración de los modelos matemáticos que deben representar a estos dispositivos en simulaciones circuitales. En dispositivos convencionales, en los que el cuerpo del canal se encuentra significativamente dopado, la naturaleza de la ecuación que relaciona el voltaje de la compuerta con el potencial superficial no permite plantear una solución analítica explícita del potencial superficial, por lo que debe calcularse mediante iteración numérica o usando soluciones analíticas aproximadas o de validez limitada regionalmente. Los MOSFETs modernos son cada día más de cuerpo ultra delgado que no se encuentra significativamente dopado, es decir es intrínseco [21]. En esas condiciones la ecuación que relaciona el voltaje de la compuerta con el potencial superficial se reduce a una ecuación lineal exponencial como las anteriormente descritas.

Considérese un dispositivo de cuerpo intrínseco genérico de espesort si. La ecuación para canal n es

donde V G es el voltaje en la compuerta, V FB el voltaje de bandaplana, el potencial superficial, k la constante de Boltzmann, T la temperatura absoluta, ni la densidad intrínseca de portadores, ε s la permitividad del semiconductor, C o la capacitancia del óxido, β=1/v th=q/kT el inverso del voltaje térmico, V el voltaje a lo largo del canal (=0 en el surtidor, =V D en el drenador), y el potencial en el medio trasversal del canal. Considerando valores de potencial superficial 1 β, la ecuación tiene la siguiente solución explícita en base a la función de Lambert:

donde V GF=V G-V FB y t ox y ε ox son el espesor y la permitividad del óxido, respectivamente. Para espesores t si del cuerpo del semiconductor muy grandes, tiende a cero y el término sin(ζ) tiende a uno, con lo que la ecuación del el potencial superficial se reduce a

Esta forma cerrada y explícita de expresar el potencial superficial facilita enormemente el planteamiento de modelos de MOSFETs modernos tipo SOI (semiconductor-óxido-aislante) de cuerpo ultra delgado, en los que el cuerpo del semiconductor no está dopado, tanto los de una compuerta como los de compuertas múltiples [25]. También permite obtener expresiones analíticas explícitas de la carga, la transconductancia, el voltaje de umbral, etc. [23,26].
4. Comparación de los tiempos de cómputo
Como ya se ha dicho, la utilización de la función de Lambert, además de brindar una alternativa atractiva para la solución explícita exacta de ciertas ecuaciones del tipo lineal exponencial, ofrece la posibilidad de mejorar significativamente la eficiencia computacional, en comparación a las soluciones numéricas iterativas. Para visualizar esta ventaja computacional, es conveniente comparar los tiempos de cálculo requeridos, usando soluciones basadas en la función de Lambert con los de soluciones analíticas aproximadas y soluciones numéricas iterativas. Para esto se usará el caso del modelo de una juntura no ideal con una resistencia en serie y una conductancia en paralelo, calculadas a diez dígitos significativos en una misma plataforma computacional, usando el programa Maple®.

III. CONCLUSIONES

IV. REFERENCIAS

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Ahorro energético en viviendas de países con climas tropicales

Amigo Vásquez, Jaime R.

MSc. Jaime R. Amigo Vásquez: Profesor Titular en el Dpto. de Ingeniería Mecánica de la UNEXPO, Vicerrectorado Puerto Ordaz, Final Calle china, Villa Asia, Puerto Ordaz, Venezuela, Telefax 0286-9235831, correo electrónico jamigov@yahoo.com.
Resumen
En este trabajo se presenta un método para tomar decisiones técnicas y económicas que permitan ahorrar energía, sin pérdida del confort térmico, en viviendas ubicadas en zonas de climas tropicales. Como prototipo fue elegida una vivienda ubicada en Puerto Ordaz, Venezuela con las siguientes características: Superficie construida 180 m2. Techo de madera machihembrada y tejas. Equipo de aire acondicionado de 5 t. El diagnóstico fue realizado con un programa de simulación energética para edificios con el cual fueron determinadas las cargas de enfriamiento. Luego fueron evaluados los consumos de electricidad. Posteriormente con la ayuda del mismo programa fue definida una readecuación, que consistió en agregar al techo 140 mm de aislamiento térmico y una lámina de yeso de 12 mm de espesor. Los resultados de la simulación indican que con esta readecuación, el consumo de electricidad se reduce en 22.886,42 kW-h/año, (48,97 %), mientras que las facturas por concepto de electricidad disminuyen en 2.586.165.46,22 Bs/año. El costo de la readecuación es Bs. 11.944.260,50 de manera que la inversión inicial es recuperada en 4,62 años, siendo el período simple de retorno de la inversión menor que el tiempo de vida de la readecuación por lo que es económicamente viable.

Palabras Clave: Ahorro energético en viviendas/ Aislamiento térmico/ Clima tropical/ Enfriamiento/ Simulación energética de edificios/ Trópico/ Viviendas.

This paper presents a method to make technical and economic decisions that will allow to save power, without hindering thermal comfort, in houses located in areas with a tropical climate. A house from Puerto Ordaz, Venezuela, was chosen as a prototype with the following characteristics: Surface built: 180 m2. Dovetail wood roof and tile, and a 5 t air conditioning unit. The diagnose was made with a power simulation program for buildings to determine the cooling loads. Then the electricity consumption was evaluated. Later on, the same program was used to achieve a re-adaptation consisting in adding to the roof 140 mm of thermal isolation and a 12mm thick drywall plate. The results of the simulation indicate that with this re-adaptation, it is possible to reduce in 22,886.42 kW-h/year (48.97%) the electricity consumption, while the electrical bill decreased 2,586,165.46 Bs/year. The cost of the re-adaptation is of Bs 11,944,260.50, so the initial investment is recovered in 4.62 years, being the simple return period of the investment less than the lifetime of the readaptation. Therefore, the re-adaptation is economically viable.

Keywords: Cooling/ Energy Simulation in Buildings/ Houses/ Power Savings in Houses/ Thermal Isolation/ Tropical Climate/ Tropic.
I. INTRODUCCIÓN
Tradicionalmente los diseñadores de viviendas dedicaban grandes esfuerzos para hacer las viviendas cada vez más estéticas, funcionales y que pudieran ser comercializadas a precios asequibles. Rara vez figuraba en la lista de restricciones de diseño los consumos de energía y poco énfasis se ponía en su rendimiento energético, es decir, en la forma como la energía consumida era utilizada [1]. Después de la crisis energética de los años 70, en los países desarrollados se realizaron significativas mejoras en el rendimiento energético de las viviendas construidas. En los países de climas tropicales una parte importante del consumo de energía de las viviendas es usada para enfriar sus espacios interiores [2]. En consecuencia en este renglón pueden obtenerse ahorros energéticos importantes, cuando se logra incrementar la eficiencia de la energía usada.

En Venezuela, la crisis energética de los años setenta no tuvo ningún efecto sobre los precios de la energía [3] y en el Sector de la Construcción se continuaron diseñando edificios con criterios de bajo rendimiento energético y por lo tanto, con patrones de consumo de energía altos. Los diseñadores preferían reducir los costos de construcción, especificando la parte envolvente de los edificios con materiales de bajo aislamiento térmico y tener consumos energéticos mayores, tal vez porque el consumo de electricidad era subsidiado por El Estado [4]. Esta situación cambió en forma repentina, cuando a fines de la década de los 90 fue eliminado el subsidio a la electricidad. En la actualidad los propietarios de viviendas que usan equipos de aire acondicionado, tienen que pagar facturas con montos altos por consumos de electricidad.

El propósito de este trabajo es diseñar una metodología para encontrar y evaluar oportunidades de ahorro energético que al mismo tiempo establezca el confort térmico en viviendas ubicadas en climas tropicales, construidas con la premisa que la energía era un recurso abundante y se obtenía a precios asequibles.

Para cumplir con este propósito se trabajó con el concepto de "readecuaciones" (retrofitting), es decir, modificaciones de las viviendas existentes que sin mayores cambios en su diseño conducen a reducciones del consumo energético [5]. Las valoraciones fueron realizadas con un programa para simular el comportamiento energético de edificios. De esta manera es posible proporcionar información técnica y económica a los propietarios de viviendas, con el objeto de facilitar la toma de decisiones respecto a los problemas que presentan sus viviendas, como el manejo de la energía y el confort térmico de sus dependencias.

Existen numerosos estudios dirigidos a analizar estos aspectos para viviendas ubicadas en climas fríos y algunos para climas tropicales, en ambos casos las viviendas están ubicadas en países desarrollados, donde fueron concebidos la mayoría de los programas de simulación energética de edificios. En este trabajo se examina una forma para adaptar estos programas a viviendas ubicadas en países en vías de desarrollo con climas tropicales.

En este se demuestra que realizando una inversión relativamente pequeña en las viviendas (que se paga en corto tiempo con el ahorro energético logrado), se pueden usar los equipos de aire acondicionado y obtener rebajas en los montos de las facturas por consumo de electricidad. A partir de los resultados obtenidos puede estudiarse la forma de implementar un programa de reducción del consumo de electricidad en los hogares.

El estudio fue realizado aplicando una técnica de investigación virtual. (Cuasi-experimental), que investiga posibles acciones de causa-efecto mediante la aproximación a las condiciones de un experimento verdadero en un ambiente que no permite el control o la manipulación de todas las variables importantes. La ausencia en él de un grupo de control hace que Cambell y Stanley lo consideren cuasi-experimental

Dos aspectos centrales son examinados en este artículo 1) La identificación de las variables de entrada del programa de simulación energética usado, la validación del modelo y el diagnóstico de la situación actual de una vivienda típica. 2) El proceso de búsqueda de readecuaciones que conduzcan a mejoras del rendimiento energético de la vivienda, la valoración de una de ellas y el correspondiente análisis económico.

II. DESARROLLO

1 Definiciones de algunos términos usados

La velocidad de extracción de calor es la rapidez a la cual la energía es removida desde el espacio por el equipo de enfriamiento y deshumidificación. Esta velocidad es igual a la carga de enfriamiento, cuando las condiciones del espacio acondicionado son constantes y el equipo está operando. Por numerosas razones, esta condición en la realidad no se presenta con frecuencia, porque durante la mayor parte del tiempo la carga de enfriamiento está por debajo de los valores de la carga de diseño.

Muchos de los componentes de la carga de enfriamiento varían en un amplio rango de magnitudes durante el día. (Radiación solar sobre las superficies exteriores, efecto de almacenamiento térmico sobre las superficies, etc.) Por esta razón, las ganancias de calor externas deben ser tratadas en forma individual y siempre como transferencias de calor no estacionarias [7]. Para formarse una idea de la naturaleza del problema, se puede considerar que el calor conducido a través de las paredes y del techo de un edificio es variable con la temperatura exterior y también con la radiación solar entrante sobre las superficies exteriores. La modelación matemática de la carga de enfriamiento, conduce a una ecuación diferencial que se conoce como la ecuación de Fourier [8]

Donde:t=temperatura local en el punto de la lámina, K q= tiempo,

Una ecuación diferencial no lineal, dependiente del tiempo en las condiciones de frontera y de la superficie exterior, como es la ecuación de Fourier, es un significativo obstáculo para obtener una solución. El método del balance de calor permite la solución exacta de dicha ecuación [9], asegurando que todos los flujos de energía de cada espacio acondicionado estén balanceados e involucra la solución de un conjunto de ecuaciones de balances energéticos para el aire encerrado en el recinto y también de las superficies interiores y exteriores de cada pared, techo y piso. El método del balance de calor es impráctico cuando no se tiene la velocidad de cálculo que poseen los computadores digitales.

3 Simulación energética

Fig.1 Diagrama de flujo de un modelo determínístico de edificio.

El programa inicia con los datos del clima, seguido de la descripción de los sistemas del edificio que será modelado. Interesa por ejemplo su geometría, ubicación geográfica, aislamiento de paredes, sistemas de enfriamiento. Las principales bondades de estos programas son sus sólidos principios de ingeniería, su amplia aceptación y el uso de códigos de simulación de uso público.

La característica más importante de estos programas de simulación es su capacidad para manejar los distintos parámetros que son cruciales para una evaluación precisa de la energía usada por los edificios. En la actualidad existen varios programas de simulación energética que trabajan con el método del balance de calor, los más conocidos son BLAST y EneryPlus [10].

4 Metodología.

El estudio fue realizado aplicando una técnica de investigación virtual (cuasi-experimental). Las razones que se tuvieron para elegir esta técnica de investigación fueron las siguientes: a) Mediante la simulación computarizada de un proceso se manipularon y controlaron las variables independientes (causas) y fueron observadas las variables dependientes (efectos) en busca de una variación. b) El muestreo no es aleatorio, las muestras son seleccionadas en forma racional y c) No hay grupos de contraste [11].

Para cubrir el alcance del trabajo se realizó una primera parte de diagnóstico, en la que el objeto del estudio fue medir el comportamiento energético de una vivienda elegida como típica de clima tropical. Atendiendo a lo expuesto, esta etapa fue desarrollada como una investigación descriptiva, debido a que no se manipuló ninguna de las variables.

A continuación y tomando como base los resultados del diagnóstico, se desarrolló la segunda parte del trabajo que consistió en la simulación del comportamiento energético de la vivienda, para encontrar readecuaciones que permitieran su mejora energética. La simulación fue realizada usando un programa de simulación energética de edificios denominado Right-Suite Commercial v.5.0.17 desarrollado por la Corporación Wright, que fue calibrado previamente. A manera de ejemplo fue desarrollada una readecuación, hasta obtener el monto de la inversión necesaria para su ejecución y la cantidad de dinero ahorrado en energía eléctrica. Finalmente se presenta el cálculo de su evaluación económica.

5 Calibración del modelo Los diseñadores de programas de simulación energética, en su empeño por facilitar la búsqueda de información y acortar los tiempos necesarios para ingresar los datos del programa, insertan una subrutina con una base de datos del clima. Entonces el usuario despliega un menú para seleccionar la ciudad donde está ubicado el edificio y el programa transfiere los datos de dicha ciudad hacia los archivos que se están ejecutando.

La base de datos climatológicos usada por el programa Right- Suite Commercial, es la que aparece en ASHRAE [12]. Dicha base contiene información del clima de 3.018 ciudades, la mayoría situadas en USA y otros países desarrollados. Con relación a Venezuela, sólo se incluye la cuidad de Caracas. Habiéndose elegido a Puerto Ordaz como la cuidad típica para realizar la simulación, por tener clima tropical del tipo AW'1 [13] y estar ubicada en un país en desarrollo, su omisión de la base de datos obliga a calibrar el programa para tener pronósticos confiables.

Como el aire atmosférico es una mezcla de aire y vapor de agua, la separación del agua ocurre cuando el aire atmosférico es enfriado a una temperatura menor que el punto de rocío. Se supone que el agua condensada es enfriada hasta la temperatura de saturación t2 antes de ser drenada del sistema

Mientras que la ecuación de continuidad es:

El estado termodinámico 1 corresponde al aire atmosférico de Example City y se ubica en el punto formado por la intersección de t1 = 37,2 °C y humedad relativa de 37 %. Desde dicho punto se obtiene h1 = 79 kJ/kg (aire seco), W1 = 16,0 g ( kg de agua/kg de aire seco) y 0,9 m3 de aire húmedo/ kg de aire seco. El estado 2 que corresponde en las condiciones de diseño del recinto a enfriar, está ubicado sobre la curva de saturación a 10 °C. Luego h2 = 30 kJ/kg (aire seco) y W2 = 7,6 g ( kg de agua/kg de aire seco).

El valor de la masa de agua condensada se determina por: (g. de agua/kg de aire seco)

Por otra parte, corresponde a la entalpía del agua que se condensa en las condiciones establecidas en el punto 2, cuyo valor se determina por medio de las Tablas de vapor [15]

Despejando de la Ecuación 4.1 y reemplazando se tiene:

Para Puerto Ordaz, la temperatura de bulbo seco es 26,9°C y la humedad relativa es 80%. En la Carta sicrométrica el proceso es representado por la línea de trazos que va desde 1' a 2. En este caso las condiciones del aire atmosférico se designan con 1'; el punto 2 es igual en ambos procesos por cuanto se refiere a las condiciones de diseño de la zona. Del diagrama sicrométrico fueron obtenidos los siguientes valores:

Por lo tanto:

La comparación realizada entre los procesos de enfriamiento permite concluir que a pesar de ser diferentes las condiciones del aire atmosférico para ambas ciudades, la potencia requerida para enfriar el aire de Example City es 4,10 % mayor que en el caso de Puerto Ordaz. Al escribir la Ecuación 4.1 en la forma: 1 q2 = m a (h ₁ - h ₂) - m wh w2, se observa que la entalpía del aire a la entrada del sistema h ₁ tiene un valor predominante en el cálculo de la potencia, porque los otros términos son función de las condiciones de diseño de la zona, que son los mismos para ambas ciudades. Teniendo presente lo anterior, se puede concluir que la carga térmica de un edificio, está influenciada en gran forma por los valores de la entalpía del aire atmosférico del lugar.

El clima de Puerto Ordaz se caracteriza por ser isoentálpico, debido a que durante todo el año, presenta temperaturas y humedades relativas altas, En el caso de Example City, que tiene un clima con 4 estaciones en el año, sólo en los meses del verano los valores de entalpía del aire son similares a los de Puerto Ordaz.

6 El diagnóstico

Fue realizado con el programa pre-calibrado en la forma descrita. Como prototipo fue elegida una vivienda de una planta ubicada en Puerto Ordaz, Venezuela con las siguientes características: Vivienda bifamiliar de una planta, construida en el año 1976. Los datos que se indican a continuación corresponden al espacio que ocupa una familia y que para fines de este trabajo, será designado simplemente como vivienda:

Superficie construida 180 m2. (L =17,1; A = 8,0 m) Techo de tejas de greda con pendiente a dos aguas.

Superficie de la zona con aire acondicionado 136,8 m ².

Orientación de la fachada mayor en la dirección NE, superficie total de esa fachada 56,43m2. La pared común que separa los 2 viviendas está orientada en la dirección SO y también tiene 56,43m2. El grupo familiar fue estimado en 8 personas y las actividades que desarrollan en su interior son del tipo moderado. La potencia instalada para iluminación es 900W. En la zona con aire acondicionado no hay motores ni artefactos eléctricos, sólo un equipo de TV. El equipo de aire acondicionado tiene una capacidad de 5 t. En la Tabla II se muestran las especificaciones técnicas más importantes de la vivienda.

Tabla II. Especificaciones técnicas de la vivienda típica

Para facilitar la entrada de datos (descripción del edificio: orientación, dimensiones y detalles de construcción, además de todo lo relacionado con el aire acondicionado), el programa Right-Suite Commercial posee un sistema de menús para su elección. El programa obtiene los valores referentes a ganancias internas de calor (nivel de ocupación, iluminación, etc.) a través de horarios en los que son especificadas las fracciones de los valores de diseño usados cada hora por el componente asociado.

El programa posee gran flexibilidad para emitir reportes con las evaluaciones de las cargas térmicas, bien sea en forma global, por zonas, en forma horaria o desagregada por superficies de transferencia (techo, ventanas, pisos, etc.), siempre indicando el día y la hora en que ocurre la carga máxima. De los múltiples reportes de salidas, en este trabajo fueron utilizados los referentes a cargas térmicas de enfriamiento.

Tabla III. Cargas sensibles de vivienda sin modificar (kW)

COP = Calor removido ( kW-h)/ Consumo de electricidad (kWh)

En consecuencia, conociendo el valor del coeficiente de operaciones puede determinarse el consumo de electricidad del equipo. De la documentación entregada por el fabricante del equipo se obtuvo un valor de 4 para el COP que está dentro del rango que tienen los equipos fabricados en la década de los 70. Haciendo los reemplazos se obtiene un consumo anual de electricidad de 44.850,29 kW-h/año.

7 Comparación con la energía eléctrica medida.

Para tener mayor certeza que los pronósticos realizados con el programa de simulación son apropiados, los valores obtenidos fueron comparados con los obtenidos en forma experimental, mediante un medidor portátil de consumo eléctrico, marca Amprobe, modelo LAW-78KWH-12, en las siguientes condiciones:

a.Equipo de aire acondicionado operando en forma continua :

Se colocó el termostato en 12 °C, de manera que el equipo no fuera capaz de remover la carga de enfriamiento establecida. La prueba duró 24 horas y se determinó un consumo promedio de 6,4 kW-h por hora, lo cual implica un consumo máximo de 56.064 kW-h/año, valor superior al pronosticado por el programa. (44.850,29 kW-h/año) Este valor se considera satisfactorio porque presume que el equipo opera sin detenerse en todo el año, situación que no es cierta.

b.Equipo de aire acondicionado operando en forma intermitente:

(1) Valores promedio
Valores promedios

Teniendo en cuenta lo expuesto y considerando que el clima de Puerto Ordaz es isoentálpico a lo largo del año, con valores de humedad relativa altos, una temperatura media anual de 27,5 °C y un rango de variación de 5 °C, se considera que la calibración del modelo es adecuada para simular el comportamiento energético de la vivienda típica.

La Gaceta Oficial de la República Bolivariana de Venezuela N° 37415 de fecha 03 de abril de 2002, fija en 113,00 Bs/kW-h la tarifa para consumo residencial. Como para la vivienda típica fue pronosticado un consumo de energía de 44.850,29 kWh/ año, los montos facturados por electricidad ascenderán a 5.068.082,77 Bs/año ó 2.357,25 US$/año. Si se considera la tasa de cambio vigente de 2.150 Bs./US$.
8 Búsqueda de readecuaciones.
Fig.5. Desglose en forma porcentual de la carga de enfriamiento máxima de la vivienda típica sin modificar. Esta carga tiene un valor de 22,33 kW y ocurre a las 18 horas del mes de julio. Es importante destacar que casi la mitad de dicha carga, se produce a través del techo.
9 Definición y desarrollo de una readecuación
Con el objeto de presentar el método de análisis y valoración de las readecuaciones, a continuación se presenta el desarrollo de una de ellas, denominada "Readecuación del techo: 140 mm", que se muestra en la Fig. 6. La readecuación consiste en rellenar con aislante térmico el espacio que queda entre la madera machihembrada existente y la lámina de yeso que se va a instalar. Como material aislante se usó lana mineral en forma de rollos, con un espesor de 140 mm que cumple entre otros con los siguientes requerimientos: Resistencia térmica elevada, expectativa de vida semejante a la vivienda (25 años), costos de instalación y mantenimiento relativamente bajos, emisiones de contaminantes bajas.

Fig. 6 Esquema de la Readecuación propuesta para el techo. Inicialmente la cubierta del techo estaba formada por las tejas, el manto asfáltico y la madera machihembrada. Con la "Readecuación del techo: 140 mm" , se disminuye el coeficiente global de transferencia de calor "U"desde 3,30 a 0,27 W(m2 °C)-1 y por lo tanto hay una disminución de la carga de enfriamiento.

El ahorro energético que se obtiene implementando la "Readecuación del techo: 140 mm" viene dado por ( 44.850,29 - 21.963,87) es decir 22.886,42 kW-h/año. Mientras que el ahorro monetario es (5.068.082,77 – 2.481.917,31), es decir 2.586.165,46 Bs/año. En ambos casos el ahorro llega al 48,97 %.

10 Costos asociados a la readecuación

(1) Tipo de cambio considerado 1 US$ = 2.150 Bs.

Tabla V Costos asociados a la "Readecuación del techo: 140 mm"

11 Análisis Económico de la Readecuación

El método del período de retorno de la inversión es usado para evaluar readecuaciones cuando los recursos son limitados y es importante conocer con qué rapidez será recuperada la inversión. El período de retorno es calculado simplemente como

12 .- Discusión de resultados

Se adquirió destreza para manejar un programa de simulación energética de edificios.

La simulación demostró ser un método eficaz para buscar readecuaciones de viviendas, que permitan mejorar su eficiencia energética y obtener importantes ahorros energéticos.

A través de la simulación es posible determinar otras readecuaciones que permitirán formar una cartera de proyectos, en la que todos los proyectos tendrán por objetivo mejorar la eficiencia energética de la vivienda.

IV. REFERENCIAS

1. Steadman, P. "Energía, medio ambiente y edificaciones", Madrid. Blume Ediciones, 1980, p.16. [ Links ]

2. Thumann, A. "Handbook of energy audits" 5th Edition, Lilburn GA, The Fairmont Press Inc. 1998, pp. 7 a 115. [ Links ]

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8. Levermore, G. "Building energy management systems", 2nd Edition, London, E&FN Spon, 2000, pp. 199 a 201. [ Links ]

9. ASHRAE "Fundamental." SI Edition, Atlanta, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., 1997, pp. 30.3 a 30.8. [ Links ]

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11. Rojas, R. de Narváez. "Orientaciones prácticas para la elaboración de informes de investigación". Puerto Ordaz. UNEXPO, p.16. [ Links ]

12. ASHRAE. "Fundamental". SI Edition, Atlanta, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., 1997, Tablas: 1B, 2B y 3B, pp. 26.7 a 26.53. [ Links ]

13. MARNR. "Atlas de la vegetación de Venezuela". Dirección general de información e investigación del ambiente. 1985, p.19. [ Links ]

14. Haines, R. y Wilson, L. "HVAC systems design handbook." 3a. Ed., New York, McGraw-Hill, 1998, p.482 [ Links ]

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16. McQuiston, F., Parker, J. y Spitler, J. "Heating, ventilating, and air conditioning analysis and design". 5a Ed. Philadelphia, John Wiley & Sons, Inc. 2000, p. 574. [ Links ]^rND^sAmigo^nJ^rND^sAmigo^nJ^rED^nFederico^sGenolet^rED^nFederico^sGenolet^rED^nFederico^sGenolet
EDITORIAL Nuestros primeros diez años
Resulta difícil resumir una cuartilla diez años de la presencia de nuestra revista, UCT, en el ámbito de las publicaciones académicas en Ciencia y Tecnología.

Sin embargo, haciendo una estricta sinopsis podríamos decir que en estos diez años ininterrumpidos hemos publicado ciento noventa y un artículos arbitrados, así como cuarenta y nueve Notas Técnicas, procedentes de universidades de reconocido prestigio, de centros de investigación, de institutos universitarios, de instituciones hospitalarias, en especialidades tan diversas como Metalúrgica, Mecánica, Industrial, Eléctrica, Electrónica, Bioingeniería, Ambiente, Ciencia de la Ingeniería, Mecatronica, Telecomunicaciones, Rural, Ferroviaria, Energética e Hidráulica y áreas conexas.

Estos diez años nos han servido también para calibrar la calidad de nuestros colaboradores, aquellos que durante tanto tiempo han sido nuestros fervientes seguidores y aun continúan sometiendo a nuestra consideración, a veces implacablemente exigente, del cumplimiento de nuestras Normas de Publicación.

no podríamos dejar de considerar en estos diez años la perseverancia de nuestros árbitros, quienes con su pericia y conocimientos han puesto lo mejor de si para orientar punto de vista y decidir diferencias científicas conceptuales .

Estos diez años han servido también para redefinir donde orientar la indización de nuestros artículos. Actualmente UCT esta indizada en los siguientes índices internacionales: Actualidad Iberoamericana, Aluminium Industry abstracts, Corrosion abstracts, CSA Engineering Research Database, CSA Materials Research Database with METADEX, CSA Recent References Related to Technology, CSA Technology Research Database, Enviroment Abstracts, LATINDEX, Mechanical & Transportation Enginering Abstracts, REVENCYT, estando registrada además en el Ulrich´s International Periodicals Directoy.

No podríamos dejar de considerar, sin lugar a dudas, a los representantes de instituciones que como FONACIT, FUDACITE Guayana y la misma UNEXPO, han depositado su confianza en promocionar y sostener económicamente en estos diez años la aparición regular de la revista.

A todos nuestros amigos Árbitros Colaboradores ,patrocinadores, deseamos agradecer su interés en querer lograr la calidad académica que nuestra revista y nuestra universidad merecen.
DR. Federico Genolet Editor UCT
^rND^1A01^sReyes Gil^nRosa^rND^1A02^sBermúdez^nAlexis^rND^1A03^sDe Abreu^nOrlando^rND^1A04^sAlvarado^nJosé^rND^1A05^sDominguez^nJosé^rND^1A01^sReyes Gil^nRosa^rND^1A02^sBermúdez^nAlexis^rND^1A03^sDe Abreu^nOrlando^rND^1A04^sAlvarado^nJosé^rND^1A05^sDominguez^nJosé^rND^1A01^sReyes Gil^nRosa^rND^1A02^sBerm£dez^nAlexis^rND^1A03^sDe Abreu^nOrlando^rND^1A04^sAlvarado^nJos‚^rND^1A05^sDominguez^nJos‚
Metales pesados en plantas provenientes de áreas afectadas por la minería aurífera en la reserva forestal Imataca, Venezuela
Reyes Gil, Rosa Bermúdez, Alexis De Abreu, Orlando, Alvarado, José Dominguez, José

The Forest Reserve Imataca has been used for gold extraction with aggressive techniques for the environment as deforestation and mercury use. This worh presents the levels of mercury, cadmium and lead in leaves plants of this reserve, in areas with differents succesional stages, for to evaluate its potential for workings of restauration. The metal content was determined by atomic absorption spectrophotometry, mercury with cold steam technique and lead and cadmium by flame atomization. Lead and cadmium leves are down of equipment detection. Mercury levels in the leaves are between 148.0 and 329.0 ppb. The results indicate that the best species for reforestation could be the cyperaceae and gramineae for there down leves of mercury anf easy location and handling.

Deforestation/ Forest Reserve/ Mercury/ Imataca/ Reforestation.

La Dra. Rosa Reyes Gil es Profesora Titular en el Dpto. de Biología de Organismos de la Universidad Simón Bolívar, Apdo. Postal 89000, Caracas, Venezuela, correo electrónico rereyes@usb.ve. El MSc. Alexis Bermúdez es Profesor Asociado en el Dpto. de Biología y Química de la Universidad de Los Andes, Núcleo Universitario Rafael Rangel, Trujillo, Edo. Trujillo, Venezuela, correo electrónico adjbermudez@cantv.net. El Lic. Orlando de Abreu desempeña sus actividades en el Dpto. de Química de la Universidad Simón Bolívar. El Dr. José Alvarado es Profesor Titular en el Dpto. de Química de la Universidad Simón Bolívar, correo electrónico jalvar@usb.ve. El Lic. José Domínguez es Investigador en Química Analítica, Universidad Simón Bolívar, correo electrónico jrdomin@usb.ve.

Manuscrito finalizado en Caracas el 2006/05/16, recibido el 2006/06/19, en su forma final (aceptado) el 2006/08/04.

1. INTRODUCCIÓN

La Reserva Forestal Imataca se encuentra ubicada en los Estados Bolívar y Delta Amacuro, al sureste de Venezuela. Se caracteriza por ser un bosque tropical de sabana de vital importancia para la salud global del planeta por albergar una gran diversidad de especies. Además, durante las actividades de reforestación, los bosques generan una alta concentración de oxígeno y representan un importante reservorio de dióxido de carbono para el planeta aliviando el sobrecalentamiento global.

En el año 1997 se decretó el Plan de Ordenamiento y Reglamento de Uso de la Reserva Forestal Imataca, Estado Bolívar y Delta Amacuro (Decreto No. 1850, Gaceta Oficial No. 36.215) que contempla la unidad denominada Zona de Manejo Mixto (ZMM). En esta unidad, los usos permitidos, a saber, Forestal y Minero, se encuentran en conflicto. En efecto, históricamente la Reserva Forestal Imataca ha sido explotada artesanalmente para la extracción de oro de aluvión con la utilización de técnicas altamente agresiva para el ambiente.

La minería de oro artesanal utiliza un proceso simple de extracción del metal desde minas primarias o secundarias que poseen partículas de oro muy finas. Específicamente en Brasil, Venezuela, Colombia, Bolivia, Guyana Francesa, Ecuador y Perú, este proceso incluye la amalgamación del oro fino con mercurio, con la finalidad de separarlo del sedimento [1].

Es ampliamente reseñado en la bibliografía que la extracción de oro de aluvión trae consigo una alta tasa de deforestación, asociada con incremento en el fenómeno de la erosión, desaparición de habitats para las especies vegetales y animales allí presentes y la utilización del mercurio como elemento amalgamador del metal [2]. El mercurio, aunque muy útil por sus propiedades físicas y químicas, es muy tóxico para todos los seres vivos, incluyendo al hombre, ya que afecta al sistema nervioso central y a los órganos depuradores [3, 4,5].

Esta situación es particularmente grave si se considera, por una parte, la desaparición progresiva de áreas boscosas en el planeta y por otra, los efectos del mercurio en la salud de los mineros artesanales y otros habitantes de la zona minera. En este sentido, es necesario conocer el potencial florístico de las áreas boscosas de la Reserva Forestal Imataca de manera de conocer las especies vegetales presentes y analizar su idoneidad con el fin de proponer algunas acciones que conduzcan a la restauración de las áreas mineras. Además, para proponer un efectivo plan de reforestación, es necesario conocer el contenido de metales pesados presentes en las plantas que serán utilizadas, con el fin de evitar el paso de estos contaminantes a través de la cadena alimenticia, los ecosistemas y, eventualmente, hasta el ser humano como uno de los consumidores finales. En este trabajo se analiza la composición florística de la zona de estudio y las concentraciones de plomo, cadmio y mercurio en las plantas seleccionadas, con el fin de seleccionar aquellas con menor contenido de estos metales para asegurar así, su idoneidad para reforestar las áreas desvastadas por la minería aurífera. En tal sentido, los criterios utilizados para la selección de las plantas propuestas para la reforestación fueron: 1) la presencia de las plantas en el bosque natural y, 2) el que presenten bajos niveles de los metales analizados a fin de asegurar que no tenga lugar la bio-disponibilidad y bio-transferencia de los mismos en las cadenas tróficas.

A continuación se describirán los materiales y métodos empleados para tratar de esclarecer los objetivos planteados en la investigación, los resultados y su discusión, así como algunas conclusiones y recomendaciones que se desprenden de los resultados obtenidos. Finalmente, se presentan las referencias bibliográficas consultadas para la realización del presente trabajo.
II. DESARROLLO
1. Materiales y métodos

Las concentraciones de plomo y cadmio en los digeridos de cada muestra fueron determinadas por la técnica de espectrofotometría de absorción atómica con atomización a la llama [6]. Para ello se utilizó un Espectrofotómetro de Absorción Atómica marca Perkin-Elmer, modelo 2380 y se emplearon lámparas de cátodo hueco para cada elemento metálico (Pb y Cd), con líneas de 283,3 y 228,8 nm, respectivamente, con llama de aire-acetileno y apertura del fotomultiplicador de 0,7 nm (7). Los límites de detección (ld) calculados para un estándar acuoso, de baja concentración de plomo y cadmio, fueron 0,03 y 0,001 mg/l, respectivamente. El porcentaje de agua en las hojas analizadas se calculó en un valor promedio del 76%.

La concentración de mercurio en los digeridos de cada muestra fue determinada por espectrofotometría de absorción atómica con la técnica de vapor frío. En esta técnica, el mercurio soluble presente en los digeridos es transformado en mercurio vapor que es arrastrado por una corriente de nitrógeno hasta una celda de cuarzo, donde es atravesada por un haz de luz proveniente de la lámpara de cátodo hueco de mercurio que produce las líneas a las cuales absorben los átomos de este analito. La línea empleada es de 253,6 nm que se fija en el selector de líneas del espectrofotómetro con una apertura del fotomultiplicador de 0,7 nm (8). El límite de detección de la técnica empleada fue de 0,001 microgramos/l (ppb).

2. Resultados y discusión

Los organismos autótrofos constituyen el primer eslabón de las cadenas alimenticias y por ende de ellos dependen todos los animales que directamente o indirectamente los consumen. Los metales pesados son capaces de acumularse en los organismos vivos, incluyendo los autótrofos, transferirse a lo largo de la cadena trófica vía ingesta y bioamplificar sus concentraciones de un nivel trófico al siguiente [9, 10].

Las plantas analizadas en este trabajo y los niveles de mercurio encontrados en sus hojas se muestran en la Tabla I. La descripción florística de las zonas estudiadas indica que la zona I, recientemente abandonada, muestra una variedad de especies pioneras (Cyperáceas y gramíneas), características del inicio sucesional en cualquier ecosistema. En la zona II, abandonada varios meses después de la actividad minera, se observan especies intermedias (solanáceas, gramíneas, piperáceas) que podrían corresponder a un estado sucesional 2. Por el contrario, en la zona III, no intervenida, se observa mayoritariamente la presencia de especies arbóreas de gran tamaño (cecropiáceas, myrtáceas y caelsalpináceas), propias del bosque tropical. De acuerdo con esta información, quizás las mejores especies para la reforestación que iniciarían el proceso sucesional, podrían ser las cyperáceas y gramíneas que además son de fácil localización y práctico manejo.
TABLA I. CONCENTRACIÓN DE MERCURIO EN HOJAS DE PLANTAS COLECTADAS EN TRES ZONAS DE LA RESERVA FORESTAL IMATACA, ESTADO BOLÍVAR, VENEZUELA.
La técnica utilizada fue espectrofotometría de absorción atómica en vapor frío y los análisis fueron realizados por triplicado (1 microgramo / kg = 1 ppb)

Otro factor a considerar para las labores de reforestación son las cantidades de mercurio y otros metales pesados que estas plantas son capaces de acumular en sus hojas, ya sea desde el suelo o desde el aire, y la posibilidad de que estos elementos puedan ser transferidos y amplificados a los largo de las cadenas tróficas (11, 12). No se han descrito funciones biológicas específicas para los metales pesados analizados en este estudio. Por esta razón no se espera la detección de estos elementos en las plantas estudiadas. Tales fueron los resultados obtenidos en la determinación analítica de plomo y cadmio.

En efecto, los niveles de plomo y cadmio obtenidos se encuentran por debajo de los límites de detección calculados 262 para el método utilizado. La imposibilidad de cuantificar exactamente los contenidos de plomo y cadmio en las muestras analizadas es una consecuencia de la baja capacidad de detección que posee la absorción atómica a la llama para estos dos elementos.

Sin embargo, conocer con exactitud tales niveles de concentración no aportaría mayor valor al presente estudio, ya que para los objetivos planteados son suficientes los resultados obtenidos mediante atomización a la llama. Al demostrar que los niveles de Pb y Cd en muestras de hojas de la Reserva Forestal de Imataca están por debajo de 0,03 y 0,001 mg/l, respectivamente, se indica que no hay contaminación apreciable en esa área debido a estos dos metales. En efecto, se reseña que el nivel natural en plantas es inferior a 5 mg/l para el plomo y 0,01 mg/l para el cadmio, valores evidentemente superiores a los determinados en este trabajo (13).

Los niveles de mercurio obtenidos en las hojas de las plantas analizadas se encuentran en cantidades muy bajas (148,0 – 329,0 ppb), en el rango de miligramos de mercurio por kilogramo de material vegetal. Los valores de mercurio más altos fueron registrados en plantas provenientes de la zona I, recién abandonada, probablemente como consecuencia de la utilización reciente de mercurio para la amalgamación del oro. En la zona II se encuentran valores intermedios, revelando que tal vez se esté dando un proceso de depuración o expulsión del metal desde las plantas. Los valores más bajos se encuentran en la zona no intervenida (III), donde no ha tenido lugar la explotación del oro. Los valores presentes en las plantas quizá provengan del mercurio presente en el aire como consecuencia de la volatilización del mercurio a altas temperaturas desde la amalgama realizada por los mineros para la obtención del oro [2].

IV. CONCLUSIONES

1. Los niveles de plomo y cadmio obtenidos se encuentran por debajo de los límites de detección calculados para el método utilizado.

2. Los niveles de mercurio obtenidos en las hojas de las plantas analizadas se encuentran en cantidades muy bajas (148,0 – 329,0 ppb).

3. Las mejores especies para la reforestación que iniciarían el proceso sucesional, podrían ser las cyperáceas y gramíneas que además son de fácil localización y practico manejo.

4. Las plantas pertenecientes al grupo de las cyperáceas y cecropáceas analizadas en este trabajo presentan los menores valores de mercurio, razón por la cual podrían ser utilizadas para repoblar las zonas desvastadas por la minería aurífera.

1) Malm, O. Mercury Pollution Due the Gold Mining in the Madeira Rivar Basin, Brazil. Ambio , Vol.19, No.1.1990 Pp 11-15. [ Links ]

2) Reyes, R. et al. La educación ambiental para la pequeña minería aurífera en la Reserva Forestal Imataca, Estado Bolívar, Venezuela. Universidad, Ciencia y Tecnología, Vol.7, No.28. diciembre, 2003, pp 262-266. [ Links ]

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6) Analytical Methods for Atomic Absorption Spectrophotometry. New York, Perkin-Elmer Manual. 1982, 58 pp. [ Links ]

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8) Stockwell, P. Y Corns, W. The Role of Atomic Fluorescente Spectroscopy. Analyst, Vol.123, No.1. 1998, pp 135-139. [ Links ]

9) Capó, M. Principios de Ecotoxicología. Madrid, McGraw Hill/Interamericana de España S.A. 2002, 314 pp. [ Links ]

10) De Azevedo, F. y Da Mata, A. As bases toxicológicas da Ecotoxicologia. São Paulo, RiMa Editores. 2003, 340 pp. [ Links ]

11) De Azevedo, F. Toxicologia do Mercúrio. São Paulo, RiMa Editora., 2003, 292 pp. [ Links ]

12) Moreno, D. Toxicología Ambiental. Evaluación de riesgo para la salud humana. Madrid. McGraw Hill/Interamericana de España S.A. 2003, 370 pp. [ Links ]

13) Stocker, S. y Seager, S. Química Ambiental. Contaminación del aire y del agua. Barcelona, España. Editorial Blume. 1981, 297 pp. [ Links ] Volumen 10, Nº 41, diciembre 2006 pp 259-262

^rND^sMalm^nO^rND^sReyes^nR^rND^sMorales^nI^rND^sReyes^nR^rND^sMorales^nI^rND^sStockwell^nP^rND^sCorns^nW^rND^sMalm^nO^rND^sReyes^nR^rND^sMorales^nI^rND^sReyes^nR^rND^sMorales^nI^rND^sStockwell^nP^rND^sCorns^nW^rND^1A01^sAlcaide Orpí^nJosé^rND^1A01^sJaimez Salgado^nEfrén^rND^1A01^sOlivera Acosta^nJorge^rND^1A01^sValdés Hernández^nGertrudis^rND^1A02^sDíaz^nJosé Ramón^rND^1A02^sDe Terán^nMira^rND^1A03^sSoto Torres^nJesús^rND^1A01^sAlcaide Orpí^nJosé^rND^1A01^sJaimez Salgado^nEfrén^rND^1A01^sOlivera Acosta^nJorge^rND^1A01^sValdés Hernández^nGertrudis^rND^1A02^sDíaz^nJosé Ramón^rND^1A02^sDe Terán^nMira^rND^1A03^sSoto Torres^nJesús^rND^1A01^sAlcaide Orp¡^nJos‚^rND^1A01^sJaimez Salgado^nEfr‚n^rND^1A01^sOlivera Acosta^nJorge^rND^1A01^sVald‚s Hern ndez^nGertrudis^rND^1A02^sD¡az^nJos‚ Ram¢n^rND^1A02^sDe Ter n^nMira^rND^1A03^sSoto Torres^nJes£s
Sistema de indicadores para la evaluación de la calidad ambiental del municipio Bauta, la Habana, Cuba
Alcaide Orpí, José Jaimez Salgado, Efrén Olivera Acosta, Jorge Valdés Hernández, Gertrudis Díaz, José Ramón De Terán, Mira Soto Torres, Jesús

El Ing. José Alcaide Orpí, el Lic. Efrén Jaimez Salgado, el Ing. Jorge Olivera Acosta y la Ing. Gertrudis Valdés Hernández son Investigadores Auxiliares, en el Instituto de Geofísica y Astronomía, La Coronela, La Lisa, Ciudad de La Habana, Cuba, CP 11600. Teléfono: (537) 2714341, correos electrónicos alcaide@iga.cu, ejaimez@iga.cu, yoyi@iga.cu, y gertrudis@iga.cu, respectivamente. El Lic. José Ramón Díaz de Terán Mira es Profesor Titular del Departamento de Ciencias de la Tierra y Física de la Materia Condensada, Facultad de Ciencias, Avenida de los Castros S/N, Santander, Cantabria, España. Teléfono: (34) 942201505, correo electrónico: diazjr@unican.es, El Dr. Jesús Soto Torres es Profesor Titular, Catedrático de Física Médica. Departamento de Ciencias Médicas y Quirúrgicas, Avenida Cardenal Herrera Oria, S/N 39011, Santander, Cantabria, España. Correo Electrónico: sotoj@unican.es

As main objective of this study, we intended to develop and to adapt a conceptual mark for the use and elaboration of an environmental indicators group, which allow the evaluation, pursuit of environmental political, and actions proposals, all of them conductive to strategies for sustainable development at municipal scale, having for case of study the one belongs to territory of Bauta Municipality. It was taken for this work execution, the novel methodological proposed in the ELANEM project (Euro- Latin American Network on Environmental Assessment and Monitoring), applied by a multidisciplinary team from ten universities and European investigation, as well as Latin-Americans centers into the INCO Program from the European Union. As result, was elaborated a system of indicators of Pressure, State, and Answer (PER), for each one qualities of the approached environment (Naturalness degree, source of resources, drain of residuals, support system, and activities service), based on several selection view points, as function of dependability and data existence relationships with some environmental problems, and its utility for the user. It's obtained a quantified valuation of the environmental quality from the studied territory and identification of the main affectations of the Environment.

Environmental Indicators/ Environmental evaluation/ Environmental quality.

Manuscrito finalizado en La Habana, Cuba el 2006/07/10, recibido el 2006/08/07, en su forma final (aceptado) el 2006/10/23.

La segunda mitad del siglo XX se ha caracterizado por la existencia de importantes cambios cualitativos y cuantitativos en la dinámica general de los sistemas naturales. Durante este período de tiempo y por primera vez a lo largo de la historia de la Tierra, la influencia de la especie humana ha sido igual o superior a la de los agentes naturales, [1].

En la Conferencia sobre Desarrollo Humano en Estocolmo, Suecia, y más aún en la Cumbre de Río en 1992, se establecieron un conjunto de recomendaciones relativas al uso de criterios e indicadores para medir el avance de la compatibilidad social, económica y ambiental de los países. Estos criterios e indicadores representan una valiosa herramienta para el monitoreo, el seguimiento, la evaluación de la gestión, la planificación ambiental y la medida del desarrollo sostenible.

El objetivo principal de esta investigación fué desarrollar y adaptar un marco conceptual para la elaboración y uso de un conjunto de indicadores ambientales que permitieran la evaluación y seguimiento de la calidad ambiental. Este marco conceptual debería servir como una herramienta para la evaluación de las políticas ambientales y para ser utilizado en la toma de decisiones sobre la gestión del territorio a nivel municipal, aplicándolo al caso del municipio Bauta, en La Habana, Cuba.

Para lograr estos objetivos y con el fin de elaborar una herramienta útil para los usuarios fue necesario partir de la identificación de los principales problemas que afectan al municipio estudiado, partiendo de la actualización de los resultados obtenidos por trabajos ejecutados con anterioridad en el territorio, [2].

Como modelo metodológico se utilizó el esquema de Presión - Estado - Respuesta (P-E-R) desarrollado por la OCDE en 1993 [3].

Como resultado se identificó un sistema de indicadores ambientales para el municipio Bauta que permitió identificar los principales elementos que expresan cambios en la calidad medio ambiental del territorio estudiado, y que sin lugar a dudas repercutirá en una mejor planificación territorial y permitirá a los encargados de llevar las políticas ambientales del municipio, "administrar" el Medio Ambiente y sus Recursos Naturales, y velar por su desarrollo sostenible.

1. Materiales y métodos

Para el desarrollo de la investigación, se contó con los siguientes materiales generales: una base cartográfica a escala 1:25 000, fotografías aéreas a diferentes escalas, información disponible de los trabajos ejecutados con anterioridad en el sector de estudio y la información aportada y actualizada de los diferentes organismos e instituciones del territorio (Instituto de Planificación Física, Recurso Hidráulico, Higiene y Epidemiología, Delegación del Ministerio de la Agricultura, Estadística Municipal, Gobierno Municipal, etc.).

Inicialmente se observó y analizó la calidad y disponibilidad de datos para el desarrollo y uso de los indicadores adecuados. Para lograrlo, se contactó con los diferentes organismos e instituciones del territorio que pudieran completar y conformar la información necesaria para la selección de un sistema de indicadores. Esta selección debe, además, estar apoyada en una serie de criterios basados en las características del territorio analizado, contando con la confiabilidad de los datos, la relación con los problemas y prioridades en la unidad de análisis y la utilidad para el usuario.

Como modelo metodológico se utilizó el esquema de Presión - Estado - Respuesta (P-E-R) desarrollado por la OCDE en 1993 [3]. Este marco metodológico ha sido ampliamente utilizado para la aplicación de indicadores ambientales y es, probablemente, el más aceptado a escala mundial debido a su sencillez y facilidad de uso y a la posibilidad de aplicación a diferentes niveles, escalas y actividades humanas. El modelo P-E-R es un marco de organización de la información que es utilizado como formato para estructurar los indicadores. Implica elaborar de manera general una progresión causal de las acciones humanas que ocasionan una presión sobre el medio ambiente y los recursos naturales, que llevan a un cambio en el estado del medio ambiente y al que la sociedad responde con medidas o acciones para reducir o prevenir el impacto, [4].

A la hora de analizar la calidad ambiental mediante el empleo del modelo P-E-R se han considerado dos tipos: una "calidad" de tipo ecocéntrico y otra de tipo "antropocéntrico".

Desde el punto de vista ecocéntrico se considera que la calidad ambiental es proporcional al grado de naturalidad del área que se analiza; esto es, cuanto menor sea el grado de modificación de las características naturales del medio, mayor será su calidad. La óptica antropocéntrica incluye la consideración de las principales funciones que el medio físico desempeña en relación con los seres humanos, como fuente de recursos, como sumidero de residuos generados por las actividades humanas y como soporte de actividades y proveedor de servicios, [5].

Después de la selección del conjunto de indicadores, según el modelo descrito, se pasó a una segunda fase, consistente en asignar a cada uno de los indicadores seleccionados un valor mínimo y otro máximo. Para ello se recurrió a la consulta de diversas fuentes, incluidas normas nacionales e internacionales, estadísticas municipal y nacional y trabajos de diversa índole relacionados con la temática [6, 7, 8, 9, 10, 11, 12].

El siguiente paso consistió en la medición de los indicadores de cada una de las unidades de investigación analizadas, que incluye información obtenida a partir de resultados de análisis de laboratorios, cartografía de elementos del medio natural, datos estadísticos del municipio, etc., seguido del cálculo según la expresión de cada indicador. Así, la densidad de vías de comunicación se mide y expresa en km lineales dividido por el total de km2 de la unidad analizada.

La etapa siguiente fue la normalización de los datos de los indicadores ambientales seleccionados en correspondencia con la valoración de cada uno de los indicadores, que no son expresados en %, en una escala nominal de 0 a 100 donde 0 corresponde a la peor situación posible con respecto al indicador en cuestión y 100 a la mejor situación posible con respecto al indicador analizado.

La expresión que se utilizó para la normalización de los indicadores es:

Siendo: Vn el valor normalizado; Vmax el valor máximo en la zona de estudio; Vmin el valor mínimo en la zona de estudio; Vcal el valor calculado.

El paso siguiente consistió en el cálculo de los índices de presión, estado y respuesta, para cada una de las cuatro funciones citadas. Para este cálculo se utiliza la expresión:

Siendo INp el índice de presión sobre la naturalidad; Vi los valores normalizados de los indicadores de presión; n el número total de indicadores presión. De forma similar se procedió para el cálculo de índices de estado y de respuesta, tanto para la naturalidad como para las funciones fuente, sumidero y soporte-servicios.

Los índices de presión, estado y respuesta se integran en índices de cada una de las funciones, de la forma:

Siendo IN el Índice de la función naturalidad; INp el índice de presión sobre la naturalidad, INe el índice de estado sobre la naturalidad, INr el índice de respuesta sobre la naturalidad.

De la misma manera se calcularon los índices para cada una de las funciones estudiadas: IF: índice de la función fuente de recursos, IS: índice de la función sumidero de residuos, ISS: índice de la función soporte - servicio.

Finalmente se calculó el índice de calidad ambiental (EQI), que se obtiene por medio de la expresión:

Donde IN es el índice de naturalidad; IF el índice de fuente de recursos; IS el índice de sumidero de residuos y ISS el índice de soporte/servicios.

La interpretación del valor final del índice de calidad ambiental, que estará expresado en una escala cuyo valor máximo será cien y el mínimo cero, se hace teniendo en cuenta que los valores más altos corresponden a la situación ambiental más positiva. Para simplificar la valoración se ha realizado una clasificación dividida en 5 clases, donde la clase 1 incluye valores desde 1 a 19, calidad ambiental baja, la clase 2 de 20 a 39 con una valoración de moderadamente baja, la 3 entre 40 y 59 con valoración de media o intermedia, la 4 entre 60 y 79 como moderadamente alta y la 5 entre 80 y 100 como de calidad ambiental alta.

Esta clasificación de los resultados puede ser usada de referencia para hacer cualquier valoración por separado de los índices de las funciones de naturalidad, de fuente de recursos, de sumidero de residuos y de soporte de actividades y servicios y puede ser utilizada para interpretar los valores de los índices calculados para los indicadores de presión, estado y respuesta.
2. Resultados y discusión
Los indicadores seleccionados y posteriormente medidos según la metodología expuesta, son agrupados y presentados para cada una de las funciones del medio abordadas:
Cualidad: Grado de Naturalidad
Indicadores de Presión

* Densidad de vías de comunicación, expresado en km / total de km2 de la unidad de análisis.

* Crecimiento de infraestructura poblacional, expresado en km2 / total de km2 de la unidad de análisis.

Indicadores de Estado

* Grado de intervención sobre los cursos de aguas, expresado en número de intervenciones por cada 10 km de longitud del río.

* Cobertura vegetal natural (Manglares y Bosques), expresado en km2 / total de km2 de la unidad de análisis.

* Cursos fluviales contaminados, expresado en % de la longitud de cauce fluvial contaminado.
Indicadores de Respuesta
* Territorio protegido, expresado en km2 protegido/ total de km2 de la unidad de análisis.
Cualidad: Fuente de recursos Indicadores de Presión
* Cantidad de explotaciones mineras, expresado en cantidad total de explotaciones/ total de km2 de la unidad de análisis.

* Cantidad de "granjas", expresado en cantidad total (avícolas, porcinas y vaquerías) / total de km2 de la unidad de análisis.
Indicadores de Estado
* Superficie afectada por explotaciones mineras, expresado en km2 afectados por la actividad minera / total de km2 de la unidad de análisis.

* Masas forestales, expresado en km2 de masa forestal / total de km2 de la unidad de análisis.

* Superficie de playas, expresado en km2 / total de habitantes en la unidad analizada.
Indicadores de Respuesta
* Superficie protegida de suelos de alta a media productividad, expresado en km2 de suelos protegidos / total de km2 de suelos de alta a media productividad en la unidad de análisis.

* Superficie restaurada de las actividades mineras, km2 restaurados/ total de km2 afectados por la extracción, expresado en %.
Cualidad: Sumidero de residuos Indicadores de Presión
* Industrias potencialmente contaminantes, expresado en número total de industrias / total de km2 de la unidad de análisis.

Indicadores de Estado

* Cantidad de industrias, expresado en número de industrias por cada 1000 habitantes.
Indicadores de Respuesta
* Actas de infracción por contaminación industrial, expresada en cantidad total de actas o multas por infracción.
Cualidad: Soporte/ Servicios Indicadores de Presión
* Densidad de población, expresado en cantidad de habitantes / total km2 de la unidad analizada.

Indicadores de Estado

* Territorio sometido a peligros de inundación y construida, total de km2 construido en áreas de peligros de inundaciones / total de km2 de área sometida a peligro de inundación en la unidad de análisis, expresado en %.

* Sitios de atractivo histórico-cultural-recreativo, expresado en número total de sitios / total de km2 de la unidad de análisis.

Indicadores de Respuesta

* Gastos en medidas de mitigación de riesgos por inundación, expresado en $/ total de habitantes de la unidad analizada.

* Territorio con espacio natural protegido, expresado en km2 / total de km2 de la unidad de análisis.

El análisis de los resultados de la medición de los indicadores puede ser discutido de diversas formas, lo que es una de las cualidades o peculiaridades positivas del modelo metodológico P-E-R utilizado. Por este motivo se propone hacer el análisis tomando en consideración los siguientes datos:

- Índices para cada una de las funciones abordadas.

- Índices de los indicadores de presión, estado y respuesta promediados.

- Índice de calidad ambiental de la unidad analizada.

Los datos aportados por el índice de las funciones abordadas, Figura 1, indican que los valores más bajos son los correspondientes a los indicadores de naturalidad. Los resultados de las mediciones de los indicadores propuestos expresan que la mayor afectación se obtiene en los valores obtenidos en los indicadores relacionados con el recurso agua, tanto en la intervención de los cursos fluviales como en la calidad de las aguas; en este último aspecto con una valoración que incluye datos cualitativos (con datos de trabajos anteriores) y cuantitativos.

Los valores obtenidos en los indicadores de la cualidad soporte-servicio son medios con tendencia a bajos. La mayor influencia negativa en la disminución de los valores se encuentra en los indicadores relacionados con el crecimiento demográfico y también en la disminución de la superficie de playa, que ha sido el recurso más afectado.

Al analizar los valores de los índices de PER promediados, Figura 2, se encuentra que los indicadores de respuesta presentan los valores más bajos de todos los obtenidos en el modelo, poniendo en evidencia la falta de actuación del hombre para contrarrestar las presiones sobre del medio.

En el caso de los indicadores de estado, las mayores afectaciones negativas se encuentran relacionadas con los problemas de contaminación de las aguas y de disminución de la superficie de playa. En el caso de los indicadores de presión, las mayores afectaciones son el incremento del número de granjas avícolas-ganaderas-porcinas y el crecimiento de la población.

Finalmente, el cálculo del Índice de calidad ambiental arrojó un valor de 46.79, que se incluye en el rango comprendido entre 40 y 59, con una valoración de la calidad ambiental de la clase 3 intermedia. Este valor puede ser comparado con el obtenido en épocas anteriores y confirma las evidencias de una tendencia negativa de la calidad ambiental de los recursos del medio en el territorio estudiado.

Un hecho llamativo en todo el análisis realizado es el relacionado con los valores obtenidos para los indicadores de la cualidad de sumidero de residuos. En este caso, los valores no reflejan los resultados que se esperaban, sino que muestran cómo el medio ha sido capaz de soportar las cargas de contaminantes generadas. Sin embargo, cabe señalar que las mayores afectaciones se ven reflejadas en los indicadores del recurso agua, lo que podría producir un efecto sobre las aguas subterráneas de las cuencas existentes en el territorio, como una consecuencia de la saturación de la capacidad de asimilación de los contaminantes por parte del medio receptor. Igualmente cabe señalar el escaso desarrollo industrial del territorio, con un vertido pequeño de residuos industriales.
III. CONCLUSIONES
1. Los indicadores ambientales representan un valioso instrumento para cuantificar, simplificar y sistematizar la información relacionada a los distintos aspectos del medio ambiente.

2. Los valores más bajos se observan en los indicadores seleccionados de la cualidad grado de naturalidad, expresándose las mayores afectaciones en los elementos del recurso agua.

3. En las medias de los indicadores de respuesta de todas las cualidades abordadas se obtienen las puntuaciones más bajas.

4. El hombre no ejecuta acciones suficientes para contrarrestar las presiones ejercidas sobre el medio.

5. Los indicadores más afectados se relacionan, en este orden, con las aguas (superficiales y subterráneas), el litoral, los suelos y la vegetación.

6. Los resultados encontrados proporcionan una imagen de la calidad ambiental del municipio Bauta que concuerda, en general, con la percepción existente sobre ella.

7. Los resultados obtenidos constituyen un valioso aporte ambiental, ya que por primera vez se aplica en Cuba este procedimiento metodológico para cuantificar indicadores ambientales como medida de la calidad ambiental.

8. Se ha dado así respuesta a la búsqueda de procedimientos que sirvan para "medir" o al menos evaluar sobre bases cuantitativas la calidad ambiental de un territorio.

9. Este procedimiento puede ayudar a una mejor gestión de los recursos naturales y a constituir un instrumento de gran utilidad para cuantificar, simplificar y sistematizar la información relacionada a los distintos aspectos del medio ambiente.

10. Los resultados servirán para asesorar en la toma de decisiones relacionadas con las políticas ambientales que se llevan a cabo en el municipio y para establecer un programa de seguimiento de la calidad ambiental.

IV. REFERENCIAS

1) Cendrero, A. y otros. Medio Ambiente y desarrollo: Perspectivas ante la Conferencia de Naciones Unidas en Río de Janeiro. Antes y después de Río-92 y ¿Que fue Río-92? 1992. pp.169 -187 [ Links ]

2) Alcaide, J.F. y otros. Evaluación ambiental integral del municipio Bauta, Provincia La Habana, Cuba. Centro de información, Instituto de Geofísica y Astronomía. 2001.98 pp. [ Links ]

3) OECD. Core Set of Indicators for Environmental Performance Reviews, Environmental Monograph # 83, OCDE, Paris. 1993. 39pp. [ Links ]

4) Cendrero, A. Proyecto ELANEM, un aporte a la elaboración de indicadores de calidad ambiental. V Congreso Latino-Americano de Ecología. Jujuy, Argentina. 2001. 21 [ Links ]pp.

5) SCOPE. Environmental Indicators: a Systematic Approach to Measuring and Reporting on the Environment in the Context of Sustainable Development. In: Indicators of Sustainable Development for Decision-Making. Eds. N. Gouzee, B. Mazijn and S. Billharz, Federal Planning Office. Bruselas, 1995. 25pp. [ Links ]

6) EPA. A Conceptual Framework to Support the Development and Use of Environmental Information for Decision-Making, Environmental Statistics and Information Division, Office of Policy, Planning and Evaluation, EPA 230-R- 95- 012.1995. 26pp. [ Links ]

7) NORMA CUBANA NC 22-1999. Lugares de baño en costas y masas de aguas interiores. Requisitos higiénicos sanitarios. 1999. 13 pp. [ Links ]

8) NORMA CUBANA NC XX-1999. Lugares de baño en costas y en masas de aguas interiores. Requisitos higiénicos sanitarios. Oficina Nacional de Normalización. 1999. 8 pp. [ Links ]

9) NORMA CUBANA NC 27-1999. Vertimiento de aguas residuales a las aguas terrestres y al alcantarillado. Especificaciones. 1999. 16 pp. [ Links ]

10) NORMA CUBANA NC XX-2001. Vertimiento de aguas residuales a la zona costera y aguas marinas. Especificaciones. 2001. 12 pp. [ Links ]

11) OECD. Key environmental indicators. OECD Environment Directorate. 2001. 36pp. [ Links ]

12) SALAS, L. Y OTROS. Indicadores medioambientales para el seguimiento de la calidad ambiental en el litoral Cantábrico, España. II Reunión Internacional de Medio Ambiente Siglo XXI. Universidad de Santa Clara, Cuba. 2001. 9pp. [ Links ]

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La evaluación del impacto ambiental y la importancia de los indicadores ambientales
Environmental Impact Assessment and the Importance of Environmental Indicators María Perevochtchikova*
*Profesora e investigadora en el Centro de Estudios Demográficos, Urbanos y Ambientales de El Colegio de México, A.C. Camino al Ajusco 20, Pedregal de Santa Teresa, México, D.F. Tel. 54 49 30 00, ext. 4065. Correo-e: mperevochtchikova@colmex.r ri x.

Artículo recibido el 28 de abril de 2011.
Aceptado para su publicación el 25 de septiembre de 2012.

En este trabajo se presenta una revisión del proceso de aceptación de la evaluación del impacto ambiental (EIA) en el ámbito internacional y nacional, como herramienta indispensable de la política pública ambiental dirigida hacia la implementación de principios de sustentabilidad; resaltando la importancia y la problemática compleja de la construcción de indicadores ambientales dentro de este proceso. Metodológicamente, el trabajo se basa en la investigación documental y la realización de consultas con los especialistas y las autoridades en el tema, incluyendo la organización de un taller de trabajo. A partir de lo anterior se plantea un estado del arte, con posterior discusión acerca de los alcances y limitantes del proceso de la EIA y de los indicadores ambientales en México y para el caso de estudio del Distrito Federal.

Palabras clave: evaluación del impacto ambiental, indicadores ambientales, México, Distrito Federal.

In this work a revision of the acceptation process of the Environmental Impact Assessment (EIA) at international and national level, as an indispensable tool of the environmental public policy directed to the implementation of the principles of sustainability is present and stands out the importance and the complex problematic of the construction of environmental indicators during this process. Methodologically, the work is based on the documentary investigation and the accomplishment of the consultations with the specialists and the authorities in the matter, including the organization of one workshop. From what a state of art and with posterior discussion of advances and limitations of the EIA process and of environmental indicators consider in Mexico and for the case study of the Federal District.

Keywords: environmental impact assessment, environmental indicators, Mexico, Federal District.

Desde la década de 1960, debido al creciente reconocimiento del estado de degradación ambiental en la escala mundial (Carson, 1962), se ha impulsado el proceso de cambio en el pensamiento global y las formas de interacción de la sociedad y la naturaleza, basados ahora en el conocimiento y el análisis interdisciplinario de la compleja problemática socioambiental (García, 2006). A partir de esa fecha se han firmado múltiples tratados internacionales, promoviendo el establecimiento del concepto del desarrollo sustentable, entendido como "aquel que garantice las necesidades del presente sin comprometer las posibilidades de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades" (CMMAD, 1987), la definición asumida en el Principio 3° de la Declaración de Río (CMMAD, 1992).

Desde el enfoque de sustentabilidad, para solucionar o al menos remediar los efectos negativos en el ambiente producidos por la intervención humana, se requiere la aplicación de diversas acciones estructurales (construcción de infraestructura urbana y de servicios básicos) y no estructurales (políticas, acciones culturales, educativas, etc.). Pero antes de actuar es necesario conocer los factores de la presión antropogénica y de la situación ambiental en general en un territorio y tiempo determinados; lo que permite evaluar la magnitud de los cambios sucedidos, detectar sus dinámicas evolutivas y proponer las medidas adecuadas de respuesta al respecto (UNDP, 2005).

Según esta necesidad de la reversión y en gran medida de la prevención de la degradación ambiental, se creó el mecanismo de la evaluación de impacto ambiental (EIA), promovido en el plano mundial desde hace cuatro décadas y aceptado ampliamente a partir de la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Medio Ambiente y el Desarrollo en 1992 (CNU-MAD, 1992; IAIA, 2007). Actualmente, 191 países de las Naciones Unidas contemplan este proceso dentro de sus agendas políticas (Morgan, 2012; IAIA, 2009); esto demuestra que la EIA se ha convertido en una herramienta indispensable de política pública ambiental (Weston, 2000; Jay et al., 2007; Bond y Pope, 2012).

Gracias a la influencia internacional, el mecanismo de la EIA también ha sido aceptado en México en diversos ámbitos de acción. En particular, a partir de la formulación de la Ley General de Equilibrio Ecológico y Protección Ambiental (LGEEPA) en 1988, se han creado diversas instituciones con sentido de protección ambiental que contemplan la evaluación de impacto y riesgo ambiental dentro de sus tareas, como la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (Semarnat) y el Instituto Nacional de Ecología (INE), en el ámbito federal (INE-Semarnap, 2000b), y la Secretaría del Medio Ambiente del Gobierno del Distrito Federal, en el nivel estatal (GDF, 2008).

El Distrito Federal (DF) representa un caso de especial interés para el análisis de la EIA, por ser la capital del país y presentar una problemática compleja, dadas la combinación de características geográficas muy específicas y la concentración de poder político, económico y oportunidades socioculturales. El proceso del constante desarrollo de la ciudad, acompañado de la construcción de diversas obras y la realización de múltiples actividades, requiere contar con un instrumento político eficiente que permita emitir decisiones gubernamentales claras sobre su autorización, basadas en un marco de criterios rígidos de evaluación integral, los impactos potenciales y las medidas para su mitigación (Colmex, 2011).

Este tipo de evaluaciones, por su parte, requieren mucha información primaria (de base) de diversos aspectos, que se obtiene sobre todo de redes de monitoreo ambiental, y que se traduce en forma más simple y sintética en indicadores ambientales, para poder comunicarla a la población en general y a los políticos. Sin embargo, los indicadores ambientales en sí, a pesar de su enorme utilidad en la planeación territorial, urbana y ambiental (OCDE, 1993, 2001, 2004), representan muchas limitantes de carácter metodológico y empírico, como por ejemplo, restricciones institucionales, problemas técnicos de medición y representividad (Shah, 2004).

Por lo tanto, el objetivo principal de este trabajo se concentró en la revisión del proceso de la EIA en el ámbito internacional, su influencia en México, con el caso de estudio del DF, resaltando la importancia y la compleja problemática de la construcción de un marco de indicadores ambientales necesarios para esta tarea.

Para llevar a cabo el estudio se consideró la combinación de la investigación documental y el trabajo de campo. En específico, en la primera instancia se recurrió a la profunda revisión bibliográfica de diversas fuentes de información, como libros, artículos científicos, informes técnicos y estadísticas oficiales con el fin de construir un estado del arte en la materia de la EIA y de indicadores ambientales.

En el trabajo de campo se realizaron consultas con el personal de la Dirección General de Regulación Ambiental (DGRA) de la Secretaría del Medio Ambiente del Gobierno del Distrito Federal (SMA-GDF), responsable de emitir las autorizaciones de las obras y actividades en el Distrito Federal, y con los especialistas de diversas instituciones académicas dedicados al estudio del tema de indicadores (en particular en México y Canadá, país con 40 años de experiencia en la EIA). Se llevaron a cabo las consultas del material de 16 expedientes de autorización de las obras, de los informes y manifiestos de impacto ambiental presentados por los promoventes (personas físicas o morales interesadas en el desarrollo de cierta actividad) a la secretaría, que fueron amablemente proporcionados por el personal de la DGRA.

Además, se contempló la organización de un taller de trabajo con el objetivo de reunir a los especialistas en el tema de la EIA en la escala nacional e internacional y discutir la problemática del proceso de evaluación del impacto ambiental dentro del ámbito de las políticas públicas ambientales y las limitantes que éstos presentan en el ámbito local por la falta de un definido marco de indicadores ambientales; igual que sobre la compleja problemática de los indicadores mismos.

En la última fase se procedió a la revisión del marco legislativo y normativo a nivel federal y local para tratar de dar el sustento jurídico a los indicadores propuestos y evaluados en el taller. Se realizaron tres visitas a los sitios del desarrollo de las obras para verificar las observaciones y los resultados preliminares. Se organizó una base de datos con la información de los casos de estudio, que se analizó y se interpretó posteriormente, proporcionando los insumos para las conclusiones acerca de la importancia y la complejidad de la problemática de los indicadores ambientales dentro de la tarea de la EIA en el DF (aunque esta última parte no se presenta en el presente estudio).

EVALUACIÓN DEL IMPACTO AMBIENTAL

El término impacto (presentado en esta formulación por primera vez en 1824), se forma de impactus que en latín significa literalmente "chocar". Pero, en 1960 se le otorgó el toque figurativo de acción fuerte y perjudicial. Así, en conjunción con la palabra ambiental, se le dio un significado de efecto producido en el ambiente y los procesos naturales por la actividad humana en un espacio y un tiempo determinados (Wathern, 1988, 7). De este modo se puede decir que el impacto ambiental (IA) implica los efectos adversos sobre los ecosistemas, el clima y la sociedad debido a las actividades, como la extracción excesiva de recursos naturales, la disposición inadecuada de residuos, la emisión de contaminantes y el cambio de uso del suelo, entre otros. Se reconocen impactos directos e indirectos (por el efecto secundario de los anteriores), que poseen tres dimensiones comunes de magnitud, importancia y significancia (André et al., 2004).

A causa de la complejidad del concepto del ia, la evaluación de impacto ambiental (EIA) debe de considerar en su proceso el análisis de diversos aspectos biofísicos (la degradación de ecosistemas, la pérdida de especies, el cambio en la resiliencia, etc.), y antropogénicos (en relación con la vulnerabilidad social, la reversibilidad de impactos y las consecuencias económicas, entre otros). Por su parte Peterson et al. (1987) mencionan tres principales componentes conceptuales que deben formar parte de la EIA: ecosistémico (atmósfera, hidrosfera, litosfera, biosfera), administrativo (aspectos organizativos, políticos, socioeconómicos) e investigación (básica y aplicada, monitoreo y educación ambiental); todos los componentes se interrelacionan entre sí en tres niveles de acción: global, regional y local, lo que se refleja en el esquema conceptual del desarrollo sustentable (Romano Velasco, 2000).

Se reconoce que los principios de la EIA se pueden encontrar en la década de 1950 (incluso en los años treinta en Estados Unidos de América), y se han basado en el análisis de costo-beneficio de algunas obras; y posteriormente se incorporaron la planeación, la programación de presupuestos y el análisis del costo-eficiencia, y por último el análisis de impacto social y riesgo ambiental en 1970, que es actualmente el análisis más sistémico (Annandale y Bailey, 1995).

Formalmente, la EIA se estableció en 1970 en Estados Unidos por medio de la publicación de la National Environmental Policy Act (Morgan, 2012); el ejemplo fue seguido por varios países, como Canadá, Australia, Suecia, Nueva Zelanda, etc. (Wood, 2003). En particular, cabe resaltar que en 1973 el Gabinete Federal de Canadá creó una política basada en el proceso de la EIA y en 1975, en Ontario, se estableció la primera legislación para la EIA (Environmental Assessment Act) (Sadler, 1996); por lo que es reconocido como país líder en la política y la regulación ambiental (Kevin, 2005).

En México, el largo proceso de la implementación del instrumento de la EIA se puede relacionar con la evolución de los enfoques predominantes en la gestión ambiental que rigieron el cambio legal e institucional bajo la fuerte influencia internacional en el ámbito de la protección ambiental (Arriaga, 2012). En particular, se pueden distinguir tres etapas de desarrollo en este proceso: 1) el enfoque higienista (década de 1970), con la aprobación de la Ley Federal para Prevenir y Controlar la Contaminación Ambiental, la Ley Federal para la Protección al Ambiente, y las funciones incorporadas por la Secretaría de Salud y la Secretaría de Asentamientos Humanos y Obras Públicas; 2) el enfoque urbano (años ochenta), con la formulación de la Ley General de Equilibrio Ecológico y Protección Ambiental (LGEEPA), y la asunción de las funciones ecológicas por la Secretaría de Desarrollo Urbano y Ecología; 3) el enfoque integral (1990-2000), con la creación de diversas instituciones federales, como la Secretaría de Desarrollo Social, el Instituto Nacional de Ecología, la Procuraduría Federal de Protección al Ambiente, la Secretaría de Medio Ambiente, Recursos Naturales y Pesca, con su transición en 2000 hacia la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (Semarnat), y con el establecimiento de la estructura interna de la Dirección General de Impacto y Riesgo Ambiental (INE-Semarnap, 2000b; Arriaga, 2012; GF, 2003).

En el Distrito Federal, la Dirección General de Regulación Ambiental (DGRA) de la Secretaría del Medio Ambiente del Gobierno del Distrito Federal (SMA-GDF), creada recientemente, es el organismo responsable de emitir las autorizaciones para la construcción de las obras y el desarrollo de diversas actividades en la entidad, con base en el análisis de las Manifestaciones de Impacto Ambiental y Estudios de Riesgo presentados por los promoventes (GDF, 2008; SMA-GDF, 2012).

Como se ha observado en el ámbito internacional, dentro del proceso de la EIA se detectan diversas limitantes de carácter político y práctico que impiden su mejor desarrollo, como la influencia política en ciertas decisiones gubernamentales, la no consideración de intereses de todos los actores involucrados, el desinterés y la falta de capacidad profesional de los tomadores de decisiones, la ausencia de la participación activa de la sociedad, la falta de transparencia y de investigaciones sobre el tema (Noteboom, 2007, 661-662). A lo anterior Bond y Pope (2012, 4) añaden la poca consideración de efectos acumulados, la insuficiencia de recursos humanos para llevar con la calidad necesaria el proceso de evaluación, las pocas alternativas incluidas, y las fallas constantes en la comunicación entre los sectores.

INDICADORES AMBIENTALES PARA LA EIA

La gran cantidad de datos de los ámbitos ambiental, social, económico, etcétera que se utilizan en la EIA por los tomadores de decisiones, es transformada en forma sintética en indicadores e índices. Esta transformación de la información permite interpretar un fenómeno o un proceso en particular de forma más simple y sistémica (OCDE, 1998; ONU, WWAP, 2003), que representa un modelo empírico de la realidad (Hammond et al., 1995), lo que hace posible cuantificar y comunicar la información relevante a diversos sectores (Gallopin, 1997).

Gracias a estas cualidades, los indicadores se reconocen como una necesidad fundamental para el desarrollo sustentable (André et al., 2004, 52), y en particular para las tareas de la EIA (Donnelly et al., 2006), por lo que su uso se encuentra ampliamente difundido en las diversas instituciones nacionales e internacionales. El Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD, 2007) ha publicado los Indicadores de Desarrollo Sustentable; la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos, (OCDE, 2001) ha publicado los indicadores ambientales para la evaluación del progreso en materia ambiental. Asimismo, se puede rescatar la experiencia en desarrollo de indicadores para la evaluación estratégica (Gao, 2010; Donnelly et al., 2006), para el impacto social y ambiental (Cloquell-Ballester et al., 2006) y para la planeación urbana (Gómez-Navarro et al., 2009). En el ámbito nacional, la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales ha elaborado los indicadores básicos de desempeño ambiental (Semarnat, 2003, 2008; López, 2008).

Según la teoría de la pirámide de uso de información (Hammond et al., 1995), los indicadores ambientales permiten evaluar los avances de la política pública ambiental y la efectividad de los programas implementados, para ofrecer una herramienta práctica que visualice su seguimiento a través del monitoreo y la evaluación de cambios, su manejo y comunicación (IAIA, 2007), lo que depende en primera instancia de la calidad y la cantidad de los datos y se refleja en términos de suficiencia, eficiencia y representatividad de la información, obtenida en su mayoría por medio de sistemas de monitoreo ambiental.

De acuerdo con André et al. (2004, 54), los indicadores se subdividen en tres grupos, según la etapa de diseño de política pública, dentro del esquema plasmado por la OCDE y expresado en forma de cadena de causalidad de presión-estado-respuesta (OCDE, 1993). En la presión se reflejan acciones antropogénicas directas sobre el ambiente (emisiones de contaminantes y descargas de aguas residuales) e indirectas (crecimiento de población y de producto interno bruto). En estado se caracteriza y se diagnostica la calidad ambiental (aire, agua, suelo, flora y fauna) y de los recursos asociados a los procesos de producción socioeconómica. En respuesta se plasman los indicadores relacionados con el nivel de esfuerzo social y político en materia ambiental, lo que sirve para la evaluación de desempeño ambiental (OCDE, 2001).

A pesar de que no existe un procedimiento formalizado para la conformación de indicadores ambientales y cada país ha seguido vías distintas, una síntesis de esas experiencias puede presentarse en los siguientes pasos metodológicos:

1. Definir objetivos y metas del sistema de indicadores.

2. Estructurar analíticamente el sistema y seleccionar los temas.

3. Revisar la experiencia internacional y nacional al respecto.

4. Desarrollar la propuesta de indicadores.

5. Revisar, analizar y evaluar públicamente la propuesta.

6. Afinarla y probarla.

Es importante comentar que los indicadores ambientales tienen que elaborarse tomando en cuenta la problemática específica de cada comunidad o territorio, aunque siguiendo los lineamientos generales; de lo contrario, se corre el riesgo de desarrollar un conjunto de datos desligados del contexto local. Además, en caso de no poder encontrar un indicador cuantificable, se puede acudir a una valoración cualitativa (Gómez Orea, 2003).

Se pueden agrupar los indicadores por área temática en relación con el medio afectado por los potenciales impactos, como agua (consumo y contaminación), atmósfera (contaminación), residuos (producción y disposición), suelo (uso y contaminación) y vegetación (biomasa, diversidad y deterioro), entre otros complementarios de carácter socioeconómico (Colmex, 2011).

PROBLEMÁTICA DE LOS INDICADORES AMBIENTALES

1. Definición clara de los objetivos de investigación; es decir, más importante que responder a la pregunta ¿qué es lo que se pretende medir?, es necesario buscar ¿qué pregunta se quiere responder?

2. Concertación de medidas a nivel multidisciplinario; se debe tomar en cuenta que la gestión de los recursos naturales requiere, por su complejidad (heterogeneidad e interrelación continua entre los elementos de un sistema), un enfoque multidisciplinario e integrado.

3. Calidad de las mediciones; se refiere a que se requiere certeza en la calidad de las mediciones de los elementos a estudiar.

1. Restricciones institucionales (se requiere un mayor trabajo en el desarrollo de metodologías que aborden temas estadísticos e indicadores, así como el entrenamiento en la construcción de indicadores; limitaciones en los recursos económicos, humanos e infraestructura; dificultades en la agregación y la comparación de datos; falta de sistemas de compilación de información; falta de relevancia en ciertos temas).

2. Restricciones técnicas (falta de capacitación en las metodologías relacionadas con los indicadores de desarrollo sustentable; falta de datos básicos o de estadísticas en términos de calidad y cantidad; diferentes o vagas definiciones que conllevan el riesgo de una mala interpretación; cobertura deficiente de redes de monitoreo, lo que resulta en vacíos de datos en las series de tiempo; diferentes periodos reportados, lo que complica la comparación entre los países; dificultades técnicas y conceptuales de medición).

Esta exigencia teórica frecuentemente no puede satisfacerse debido a los insuficientes recursos (humanos y económicos) disponibles para dar el seguimiento a las cuestiones referentes al impacto ambiental (Bond y Pope, 2012), por lo que los indicadores se construyen a partir de los datos que pueden ser recopilados, en lugar de los que serían necesarios de acuerdo con su naturaleza (PNUD, 2004). Así, debido a que los indicadores son diseñados según las especificaciones legales, institucionales, sociales y económicas de cada país, región o localidad, resulta que cada uno trabaja con periodos temporales diferentes y a escalas territoriales distintas, midiendo a menudo aspectos irrelevantes y dificultando los ejercicios comparativos (Shah, 2004).

André et al. (2004) por ejemplo, con base en el análisis de 40 años de experiencia en la EIA en Canadá, reconocen las siguientes limitaciones que pueden perjudicar significativamente el proceso de evaluación del impacto ambiental:

* Administrativos: estrictamente administrativos (a nivel legislativo, organizativo e institucional, cuando no haya referencias necesarias para el sustento del proceso); territoriales (nivel desagregado de autoridades, como municipios, estados, etc., que se rigen por diferente normatividad e intereses); temporales (incumplimiento de los tiempos asignados para el proceso de evaluación); económicos (bajo presupuesto asignado).

* Inherente al proyecto: diversos aspectos relacionados con la inercia del proyecto (tiempo, espacio, tecnología, costos, etcétera).

* Del sistema natural: variables de carácter físico, químico y biológico que constantemente se imponen al proyecto, sobre todo en los ámbitos espacial y temporal.

* Del sistema humano: participación pública, carácter representante, espacio social, nivel de desarrollo.

* Técnicas: están en estrecha relación con las demás limitaciones, lo que dificulta todo el proceso.

Es importante comentar sobre el tiempo que requiere el proceso de la EIA, y del cual depende el éxito de toda la evaluación; porque los tiempos reales son menores en aproximadamente 30 por ciento; con casi nulo planteamiento de monitoreo y seguimiento de los proyectos aprobados (André et al., 2004, 157). Por otro lado, cabe resaltar que los indicadores utilizados para la EIA deben de ser rígidamente validados. Al respecto Cloquell-Ballester et al. (2006) proponen una metodología basada en 3S: autovalidación (self validation en inglés), científica (scientific) y social; que puede lograrse por medio del desarrollo de una serie de talleres participativos, donde los actores pueden expresar su opinión (Donnelly et al., 2006).

INDICADORES INTERNACIONALES Y NACIONALES

Existen múltiples experiencias de la construcción de indicadores ambientales en el terreno internacional, elaborados en diferentes escalas y por diversas organizaciones (IISD, 2010; OCDE, 1993, 1998, 2001; EEA, 2003; PNUD, 2004; TAU, 2000); las propuestas más relevantes para el tema de la EIA fueron recopiladas por Gao (2010, 4). En particular, merecen una mención especial los siguientes trabajos:

* Comisión de las Naciones Unidas para el Desarrollo Sustentable: la lista de 134 indicadores de desarrollo sustentable relacionados con la Agenda 21, que incluyen las esferas económica, social, institucional y ambiental (1996); y otro sistema de 57 indicadores publicado en 2001.

* Organización Mundial de la Salud: indicadores ambientales y de salud: el sistema de indicadores de salud para el monitoreo en países de la Unión Europea (2003) y una propuesta piloto de 45 indicadores lanzada en 2004.

* Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos: propuestas de indicadores ambientales con el desarrollo continuo desde 1991; de los sistemas de indicadores clave, de base, para la agricultura y el ambiente; para la energía; para el transporte, y consumo sustentable del hogar.

* Agencia Europea de Medio Ambiente: indicadores comunes para Europa, con el sistema de 10 indicadores locales de sustentabilidad.

* Eurostat: el sistema de indicadores de desarrollo sustentable relacionados con la estrategia de la Unión Europea.

A nivel regional, hay que comentar sobre el caso de Canadá, que define un compuesto total de 42 indicadores de presión-estado-respuesta (como emisiones y concentraciones de contaminantes en aire, agua, suelo, temperatura, especies en peligro, etc.) agrupados en 18 áreas temáticas (cambio climático, calidad de aire y de agua dulce, diversidad biológica en peligro, bosques, pesca, etc.), elaborados con el objetivo de proteger la salud humana, la integridad de los ecosistemas y la sostenibilidad de los recursos naturales (Sadar, 1996; City of Vancuver, 1995).

De este modo, con 20 años de experiencia internacional en el desarrollo de indicadores ambientales, se puede rescatar que no se requiere contar con muchos de ellos para realizar un diagnóstico sólido y la evaluación del impacto ambiental de un territorio en particular; son pocos los que se requieren, pero bien planteados y validados. Entre los aspectos ambientales más abordados dentro de la EIA se destacan los medios, como el aire, el agua, la biodiversidad, el bosque, el suelo y la problemática del cambio climático.

En el caso de los países de América Latina, se encuentran los trabajos de Espinosa y Alzina (2001), BID (2002) y Soares y Meneses (2002), en los cuales se evalúa el estado ambiental en algunos países de la región. Entre los temas tratados se detectan los siguientes: población (crecimiento, urbanización); económico (ingreso, pobreza); social (educación, salud); ambiental (disponibilidad, uso y contaminación de agua, residuos, calidad de aire, biodiversidad, suelo), y el tema de cambio climático (en relación con emisiones de contaminantes, producción y consumo de energía, desastres naturales, agricultura y cambio de uso del suelo).

La experiencia de indicadores ambientales en México se remonta al año 1993, cuando el Instituto Nacional de Ecología (INE) participó en el Taller Norteamericano de Información Ambiental al lado de las agencias ambientales canadiense —Environment Protection Agency of Canada— y estadounidense —Environmental Protection Agency, EPA. Como resultado de ese taller surgió el estudio An Approach towards Environmental Indicators for Mexico 1994, que estableció las bases conceptuales para el desarrollo de indicadores ambientales en México (Rodríguez, 2008; López y Rodríguez, 2008).

Es interesante comentar que en el reporte del INE-Semarnap (1997, 11) se señala: "La tarea de generar y difundir información ambiental no termina nunca". Así concluye el libro Avances en el desarrollo de indicadores para la evaluación del desempeño ambiental en México 1997, documento en el que por primera vez el país dio a conocer una lista de indicadores para evaluar el desempeño ambiental de las políticas públicas, seguidas por la autoridad ambiental federal.

Posteriormente, en 1997 se publicaron los primeros avances de indicadores basados en el esquema presión-estado-respuesta (per) de la OCDE (1993). Este trabajo continuó con la Evaluación del Desempeño Ambiental, Reporte 2000 (INE-Semarnap, 2000a), donde se trabajó la propuesta de un sistema de indicadores ambientales. En esta publicación se incluyeron actualizaciones de los indicadores contenidos en la publicación de 1997 y se incorporaron nuevos temas, como agua, bosque, suelo y pesca. En este reporte se mantuvo el modelo per y se procuró establecer la relación del ambiente con algunos sectores productivos con el enfoque de sostenibilidad ambiental.

En el año 2003 se publicó un informe sobre la situación del medio ambiente en México con compendio de estadísticas ambientales (Semarnat, 2003) y en 2008 fue presentada la publicación de los Indicadores Básicos del Desempeño Ambiental de México (Semarnat, 2008); accesible al público y con cerca de 140 indicadores y otras 450 variables complementarias, datos actualizados en el SNIA (2012). Los temas más tratados en todos estos informes han sido: el agua, la atmósfera, la biodiversidad y los residuos (Rodríguez Ortega, 2008; Vidal y Franco, 2009).

Sin embargo, como afirma Gómez Orea (2003, 523-533), la determinación de los indicadores para la evaluación de impacto ambiental (EIA) varía de un caso a otro (e incluso de país a país) en relación con características específicas muy diferentes; por lo cual el objetivo principal en este caso sería "coser un traje a la medida", con base en los lineamientos generales y considerando las condiciones locales. La misma idea es promovida por Donnelly et al. (2006), quienes comentan en su trabajo la necesidad de apegarse a la experiencia mundial; sin embargo, con especificación de cada caso a escala local.

EIA E INDICADORES AMBIENTALES EN EL DF

De este modo, para proceder con el análisis del proceso de la EIA en relación con la importancia de los indicadores ambientales, se acudió al análisis del caso local del Distrito Federal, la capital del país, que considera una compleja problemática socio-económico-ambiental. En esta situación, por el constante desarrollo de la ciudad, miles de obras y actividades requieren la aprobación de impacto ambiental (IA) para realizarse cada año. El organismo que emite las evaluaciones de IA y es responsable de vigilar su cumplimiento es la Secretaría del Medio Ambiente del Gobierno del DF (SMA-GDF, 2012), dentro de la cual ha sido creada la Dirección General de Regulación Ambiental (DGRA) para este fin, con la subdivisión de la Dirección de Evaluación de Impacto Ambiental (DEIA), que toma el papel principal en estos trámites por medio de atención en tres unidades directivas (UD), distribuidas en virtud del perfil de las actividades y obras: 1) UD de Industria y Servicios, 2) UD de Desarrollo Inmobiliario y 3) UD de Proyectos en Suelo de Conservación.

Dichas unidades tienen la función de evaluar los estudios de impacto ambiental, con el propósito de otorgar la aprobación o negación de los permisos para la realización de diversas acciones en el territorio del DF, revisando únicamente los proyectos que son de competencia estatal. Dependiendo del tipo de obra o actividad, se presentan a la Secretaría por parte de los promoventes: informe preventivo, manifiesto de impacto ambiental (MIA), en modalidad general o específica, o estudio de riesgo. La determinación sobre la modalidad de los estudios está en función de los impactos potenciales que cada proyecto pueda ocasionar, su magnitud e importancia.

La elaboración de los estudios de la EIA es responsabilidad de expertos en materia ambiental, contratados por quienes promueven estos estudios en forma externa, como servicio técnico de consultoría. Si bien no existe una definición legal del perfil profesional de los consultores, las características de los MIA e incluso de los informes preventivos exigen un alto nivel de manejo de información y conocimiento del tema, por lo cual debería de llevarse a cabo por un grupo de trabajo interdisciplinario, cumpliendo con los requisitos de fases, tiempo y comunicación social; lo que en realidad no sucede. Incluso se observa que la preparación de los técnicos en muchos casos es baja y los informes son muy heterogéneos en el sentido de la cantidad y calidad de la información presentada, metodologías y técnicas utilizadas, a menudo sin sustento en la normatividad vigente (Colmex, 2011). Además, resalta y la DEIA reconoce la ausencia de un sistema de indicadores o criterios claros y justificados que permita a la dirección evaluar en forma homogénea todos los informes.

Por esta razón, se propuso proponer un esquema de indicadores que pueda incorporarse a las tareas de la EIA llevados a cabo por la DEIA. Como lo establecen las fases del proceso del desarrollo de los indicadores (mencionadas en el apartado de indicadores ambientales para la EIA), se procedió en primera instancia a la revisión de las experiencias internacionales y nacionales en la materia, con lo que se formularon los principales grupos temáticos para retomar como lineamientos generales en su ajuste local y que resultaron ser, en su mayoría, de presión: aire (contaminación), agua (contaminación, uso y reuso), suelo (contaminación y cambio de uso), vegetación (deterioro), residuos (generación), energía (uso y fuentes alternativas) y socioeconómicos (generación de empleo, acceso a servicios básicos).

Para corroborar la disponibilidad de información a escala local para los grupos de criterios propuestos, se acudió al análisis en detalle de los expedientes de autorización proporcionados amablemente por el personal de la DEIA. En total se cubrieron 16 casos, con distribución de cinco a seis expedientes por unidad directiva, con el requisito de su ubicación espacial homogénea por todo el territorio de la ciudad. Al respecto se encontró una problemática compleja dentro del trámite administrativo de la EIA, donde es muy común observar omisiones e inconsistencias; por ejemplo, que no todos los casos de la revisión de la EIA son visitados por el personal de la SMA-GDF (por falta de personal y tiempo); el costo de los informes realizados por las consultorías es mucho más alto que el establecido por la ley; no existe la certificación de las empresas consultoras que realizan informes técnicos, lo que implica su dudosa calidad; la información utilizada es muy heterogénea, igual que las metodologías y las técnicas utilizadas; en muchos casos son aprobados en condiciones inexplicables legal y normativamente; con evidente desinterés por parte de otras autoridades involucradas (aparte de la SMA-GDF), y con el notorio interés de los promoventes en obtener una mayor ganancia económica, sin pensar en el costo social y ambiental a mediano plazo, entre otros aspectos.

Además, para sustentar los criterios a considerar, se procedió al análisis legal y normativo. Aquí habría que decir que la práctica de la EIA en el Distrito Federal se rige legalmente por el artículo constitucional 4, en el cual se establece que "toda persona tiene derecho a un medio ambiente adecuado para su desarrollo y bienestar". De este artículo se desprenden las leyes pertinentes para la conservación del ambiente y del desarrollo sustentable, donde la principal es la Ley General del Equilibrio Ecológico y Protección al Ambiente (LGEEPA), la cual determina los estipulados y procedimientos para la EIA en el territorio mexicano. Al mismo tiempo operan leyes, reglamentos y, por lo tanto, planes y programas, en los órdenes federal y local (con el centro jurídico a nivel estatal de la Ley Ambiental del Distrito Federal), que contemplan, exigen y contribuyen a la evaluación del impacto ambiental. Las normas oficiales mexicanas, por su parte, establecen los estándares de unidades, los protocolos de medición y los límites máximos permisibles para la calidad ambiental en concordancia con la legislación nacional.

En este sentido se encontraron varios vacíos, incoherencias y atrasos conceptuales, metodológicos y técnicos asociados al proceso de la EIA. Las leyes de ámbito federal y sus reglamentos son ambiguos, no articulados, sin métodos o referentes científicos vinculados. A escala local, existen ciertos avances en legislación ambiental, pero los problemas son los mismos, además con un gran sesgo a la parte operativa. Las mayores deficiencias se encuentran en la normatividad de la calidad de los componentes ambientales, donde es evidente la inclinación (con mayor información presentada) hacia temas como la calidad de aire y la contaminación sonora, seguidos por el del agua y los residuos, con datos muy heterogéneos que impiden su cuantificación y comparación; con aun menor desarrollo del sustento de los temas, como suelo, áreas verdes y energía (Colmex, 2011).

Después se procedió a la consulta de la propuesta de los criterios preseleccionados con los especialistas en el tema a nivel internacional (México, Canadá y Argentina) y nacional, representantes de las universidades públicas del país, las autoridades, provenientes de la Semarnat y de la DEIA, y los consultores independientes (Perevochtchikova y Rojo, 2013). Este ejercicio se realizó por medio de un taller de trabajo de un día, donde se presentaron varias experiencias en el desarrollo de indicadores, se discutió la propuesta y se evaluó la importancia de los criterios en una escala de cero (como mínimo) a cinco (como máximo). Con los resultados obtenidos fueron eliminados de la lista inicial los criterios que obtuvieron la evaluación menor de tres puntos. Con esto se volvió a consultar en una segunda vuelta a las autoridades de la DIEA, de lo cual se propuso una tabla común de indicadores, más tres específicas por las UD. Sorprendentemente se tuvo que eliminar el grupo de criterios socioeconómicos por su supuesta inutilidad para las tareas de la DIEA. Esta propuesta fue de nuevo revisada para presentar en un solo esquema los indicadores que reflejaran las necesidades específicas de las tres UD (véase el cuadro 1).

Sin embargo, vale la pena comentar que todos los indicadores propuestos son de presión, por lo cual en virtud de la necesidad de conocer la diferencia entre la situación ambiental actual y la del proyecto, o magnitud de impacto, sería necesario contar con la información de "fondo" (o estado dentro del esquema propuesto por la OCDE, 1993). La que, para facilitar su interpretación por los tomadores de decisiones, puede ser incorporada a la plataforma del Sistema de Información Geográfica y comparada de forma visual.

Por otro lado, para atender la dimensión de la significancia de un impacto ambiental, sería indispensable incorporar mecanismos que permitan una consulta pública abierta, clara y transparente; al menos para las obras que tengan potencialmente un mayor impacto ambiental. Lo que requeriría pensar en un mecanismo de verificación, unificación y validación de la calidad y cantidad de la información presentada en los informes técnicos de la EIA; en particular por el problema de la veracidad, la representatividad y la confiabilidad de los datos.

Como se ha visto, a partir de un proceso de implementación de casi 40 años a nivel mundial, la evaluación de impacto ambiental (EIA) se ha convertido en una herramienta indispensable de políticas públicas, que permite conocer la situación ambiental actual, determinar el cambio a producirse por el desarrollo de las actividades humanas, evaluarlo, pronosticar las tendencias a futuro y proponer las medidas de prevención, corrección o mitigación. Por su naturaleza, la EIA incorpora en el análisis los aspectos técnico, científico, administrativo, institucional, jurídico y normativo, por lo cual debería ser realizado por un equipo interdisciplinario e intersectorial de profesionales capacitados, cumpliendo con todos los procedimientos, las normativas y con base en la información primaria suficiente y eficiente al respecto.

La información obtenida en su mayor parte de redes de monitoreo ambiental (útil para estudios académicos) es transformada en su uso dentro del proceso político; con la presentación de indicadores sintéticos y finalmente índices, cuyos usuarios directos son los tomadores de decisiones y la población en general. Por su relevancia e importancia, el desarrollo de indicadores se ha promovido rápida y extensivamente por todo el mundo, combinando un fundamento científico claro en su base con un contenido social y político expresamente reconocido.

En la revisión del proceso de la EIA a escala local del Distrito Federal se observaron diversas limitantes de carácter metodológico y práctico, sobre todo debido a la falta de un esquema de indicadores establecido, tan necesario para la estandarización del proceso de la autorización de miles de obras y actividades que se realizan en la ciudad; por lo que se procedió con el desarrollo de una propuesta de indicadores, siguiendo los lineamientos generales aceptados a escala internacional, pero ajustándose a la disponibilidad de la información a nivel de la ciudad, la legalidad y la normatividad vigente.

A partir de este análisis, se pueden definir los retos a futuro, o puntos a tratar, en el proceso de evaluación del impacto ambiental en relación con la compleja problemática de indicadores e información que los sostiene, como revisión y ajuste de la legislación y normatividad existente; fortalecimiento de redes de monitoreo ambiental; certificación de las consultorías que emiten los informes técnicos; fortalecimiento de la infraestructura de la DEIA; mejoramiento de su estado económico y de recursos humanos; transparencia de la información y rendición de cuentas dentro de todo el proceso de la EIA, con inclusión de un mecanismo transparente, claro y eficaz de consulta pública; unificación metodológica y técnica, con posible desarrollo de guías específicas para diferentes tipos de obra; formación de un sistema de información inter e intrainstitucional.

REFERENCIAS BILIOGRÁFICAS

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Wathern, P. (1988), "An Introductory Guide to EIA", en Clark etal. (eds.), Perspectives on Environmental Impact Assessment, Dordrecht, Reidel Publ., pp. 213-232. [ Links ]

La autora agradece al Conacyt por el apoyo al proyecto 120980 "Desarrollo de indicadores ambientales a nivel local para la evaluación de impacto ambiental: el caso del Distrito Federal"; y al equipo que participó en su elaboración, Iskra Rojo, Rosa Osorio, Adrián Vázquez, Argelia Tiburcio, Víctor Jiménez y Pierre André.

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La evaluación del impacto ambiental y la importancia de los indicadores ambientales

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