El fósforo es un elemento esencial para la vida, tanto para los organismos inferiores como para los de estructuras más complejas. El fósforo es un nutriente esencial para los microorganismos que degradan la materia orgánica en las aguas residuales. Sin embargo, el fósforo también puede causar eutrofización, que es el deterioro de la calidad de las aguas superficiales por el exceso de algas.
El fósforo y otro nutriente, el nitrógeno, son ingredientes clave de los fertilizantes sintéticos. Su uso principal es la fabricación de fertilizantes sintéticos para aumentar el rendimiento de los cultivos, por lo que es crucial para la seguridad alimentaria. Las floraciones de sargazo causan una serie de problemas ambientales, entre ellos las "zonas muertas" costeras desprovistas de vida acuática.
Qué es el fósforo y por qué es importante
Phosphorus is a chemical element; it has symbol P and atomic number 15. El fósforo fue descubierto hace más de 350 años, es un nutriente indispensable para el crecimiento de las plantas. Con 31P as its only stable isotope, phosphorus has an occurrence in Earth's crust of about 0.1%, generally as phosphate rock.
El fósforo es esencial a todas las formas conocidas de vida, en gran parte a través de los organofosfatos, compuestos orgánicos que contienen el ion fosfato PO3−4 como grupo funcional. Estos incluyen ADN, ARN, ATP y fosfolípidos, compuestos complejos fundamentales para el funcionamiento de todas las células.
El fósforo no se encuentra libre en la naturaleza, pero está ampliamente distribuido en muchos minerales, normalmente como fosfatos. El fósforo muestra como estados principales de oxidación −3, +3 y +5, siendo menos comunes, aunque conocidos, todos los estados intermedios.
El problema del exceso de fósforo
La agricultura es una fuente importante de contaminación por fósforo, tanto por la producción de cultivos como por la cría de ganado. El exceso de fósforo, al igual que el nitrógeno, otro nutriente esencial, agota la riqueza de los suelos. También contamina lagos, ríos y océanos en un proceso conocido como eutrofización.
La eutrofización provoca la proliferación de algas que contaminan el suministro de agua potable y crean zonas muertas carentes de oxígeno que pueden matar a los peces y demás especies acuáticas. La contaminación por fósforo es una de las principales causas de la pérdida de biodiversidad y contribuye a la degradación de los ecosistemas de los que depende la humanidad.
La contaminación por fósforo en las aguas residuales representa un grave problema. Se trata de un elemento químico necesario para la vida, pero que en exceso puede tener efectos nocivos. Tiene la capacidad de facilitar el crecimiento excesivo de algas, conocido como eutrofización.
El fósforo puede contaminar las aguas subterráneas y superficiales, que a menudo se utilizan como fuentes de agua potable. El fósforo también puede acumularse en los sedimentos del fondo de las fuentes de agua, donde puede liberarse de nuevo al agua bajo ciertas condiciones.
A escala mundial, las pérdidas de fósforo de la tierra a las aguas dulces se han duplicado en el último siglo y siguen aumentando. Hasta el 80% de este mineral se pierde o desperdicia durante su uso.
Las aguas residuales vierten al medio ambiente unos 3 millones de toneladas de fósforo al año en todo el mundo. Se estima que alrededor de un 85 % del fósforo vertido al medio ambiente procede de la red de colectores de las ARU (aguas residuales urbanas). La agricultura es la causante del 15% restante, siendo su influencia relativamente pequeña, debido a que, al contrario que en el caso de los nitratos, el fósforo se absorbe y se almacena bien en el suelo.
Formas del fósforo en las aguas residuales
El fósforo puede encontrarse en distintas formas químicas y físicas. La identificación de cada fracción es necesaria para seleccionar el tratamiento de aislamiento más adecuado.
| Compuesto | Fórmula | Preparación de la muestra | Aplicación |
|---|---|---|---|
| Ortofosfato | PO43- | Filtrar | Orto PO4-P, por ejemplo, agua residual: control de la precipitación de P; Orto PO4, por ejemplo, agua potable y agua de calderas |
| Polifosfatos | PO4-PO4-PO4 | Homogeneización, digestión | Pueden ser orgánicos o inorgánicos; también pueden estar en solución o en suspensión más o menos sedimentable |
| Compuestos de fósforo orgánico | R-PO4 | Homogeneización, digestión | Formas orgánicas del fósforo presentes en el agua residual |
| Carga total | PO4 total | Homogeneización, digestión | P total = PO4-P total, por ejemplo, agua residual: control de valor límite |
Solo una reducida fracción de los fosfatos, en su mayoría de origen orgánico, es sedimentable. Esta fracción se estima normalmente entre el 5 y el 15 % del total.
En la analítica de las aguas residuales, la concentración de PO4 se expresa siempre en términos del contenido de fósforo del fosfato. Es decir, el resultado se indica como PO4-P; el factor de conversión es PO4-P x 3,07- PO4.
Por qué es necesario aislar el fósforo
El aislamiento del fósforo permite separar este nutriente del agua residual antes de su descarga y reducir la cantidad que llega a ríos, lagos, aguas subterráneas y océanos. Reducir la contaminación por nutrientes y recuperar nutrientes, como el fósforo, para reutilizarlos es una solución beneficiosa tanto para el medio ambiente como para la salud humana.
La cantidad de fósforo en el mundo es finita y es necesario reducir la cantidad de mineral que extraemos. Esto puede lograrse haciendo más eficiente la extracción y el procesamiento del fósforo.
No es necesario eliminar completamente el uso del fósforo en la agricultura. La clave es que el fósforo se utilice de forma más sostenible y evitar que se filtren cantidades excesivas en el medio ambiente.
Métodos para aislar el fósforo de las aguas residuales
Existen varios sistemas para eliminar el fósforo y sus compuestos de las aguas residuales. Los procesos empleados pueden ser físicos, químicos y biológicos.
Precipitación química
A la solución que contiene fósforo se le añade una sal de aluminio, de hierro, o cal, de forma que se produzca un compuesto insoluble, como fosfatos metálicos o formaciones fosfato/calcio, produciendo una precipitación del fósforo en forma de sal.
La precipitación convierte el fósforo disuelto en sólidos insolubles. Estos sólidos deben separarse posteriormente del agua tratada para completar el aislamiento del fósforo.
Las sales metálicas de fósforo insolubles sedimentan con dificultad, por lo que es necesario flocular con un exceso de coagulante, y además añadir un polímero orgánico como coadyuvante de floculación. Esta operación también es necesaria para eliminar los compuestos de fósforo presentes en forma coloidal.
Flotación por aire disuelto
La tecnología más eficiente es la flotación por aire disuelto (DAF), dada la baja sedimentabilidad de los flóculos formados. El proceso más adecuado para separar fosfatos en suspensión es la flotación mediante sistemas DAF.
Los sistemas DAF están especialmente diseñados para tratar aguas residuales que contienen sólidos de baja flotabilidad y que necesitan una gran área superficial para su separación.
El agua residual acondicionada se bombea desde el sistema de coagulación-floculación a la unidad DAF, donde se lleva a cabo la dosificación de coagulantes, polielectrolitos y productos de ajuste de pH para una efectiva formación de flóculos.
Una bomba de recirculación redirige parte del agua clarificada a la salida de la unidad DAF, donde se encuentra un sistema de presurización/saturación. El agua recirculada es sometida a presión por la bomba hasta aproximadamente 6 bares y mezclada con aire.
Dentro de la unidad DAF se produce la despresurización, lo que genera microburbujas de aire de entre 3 y 50 micras de diámetro, las cuales se disuelven y permiten la eliminación de sólidos y flóculos que no tienen tendencia a flotar.
Esta mezcla de agua y burbujas de aire despresurizado es homogéneamente distribuida en el compartimento de entrada a la unidad DAF, bajo condiciones de régimen laminar. Una vez formada la espuma en la superficie, se elimina mecánicamente del agua tratada.
Eliminación biológica
Este proceso emplea microorganismos que son capaces de acumular fósforo en exceso. En este proceso, las bacterias se alimentan del fósforo presente en el agua, incorporándolo en sus células.
La eliminación biológica puede integrarse en una línea de tratamiento de aguas residuales cuando se dispone de condiciones adecuadas para el crecimiento y la actividad de los microorganismos.
El fósforo es un nutriente esencial para los microorganismos que degradan la materia orgánica en las aguas residuales. Sin embargo, el fósforo también puede causar eutrofización, que es el deterioro de la calidad de las aguas superficiales por el exceso de algas.
Control de la contaminación por fósforo en la agricultura
Existe la idea errónea de que cuanto más fertilizante a base de fósforo se utilice, más aumentará el rendimiento de los cultivos. Esto no es necesariamente cierto.
Los cambios en las prácticas agrícolas pueden ayudar a reducir la contaminación por fósforo. El uso de estiércol, por ejemplo, puede reducir la necesidad de fertilizantes a base de fósforo.
Los agricultores también pueden plantar cultivos de cobertura y evitar labrar la tierra, lo que mejorará la salud del suelo y reducirá la necesidad de fertilizantes. Asimismo, los fertilizantes sintéticos sólo deben utilizarse en la fase en la que los cultivos necesitan más fósforo.
La agricultura es una fuente importante de contaminación por fósforo, tanto por la producción de cultivos como por la cría de ganado. La reducción de pérdidas en el suelo debe combinarse con una aplicación más precisa de fertilizantes y con la recuperación del fósforo contenido en residuos y aguas residuales.
Recuperación y reutilización del fósforo
Reducir la contaminación por nutrientes y recuperar nutrientes, como el fósforo, para reutilizarlos es una solución beneficiosa tanto para el medio ambiente como para la salud humana.
El informe Our Phosphorus Future (“Nuestro futuro fosfórico”) aboga por que se cumplan dos metas de aquí a 2050: una reducción del 50% de la contaminación mundial por fósforo, junto con un aumento del 50% reciclado del fósforo que se pierde en residuos y aguas residuales.
La recuperación puede reducir la dependencia de la extracción de roca fosfática y transformar una carga contaminante en un recurso aprovechable. La cantidad de fósforo en el mundo es finita y es necesario reducir la cantidad de mineral que extraemos.
Gestión mundial de los nutrientes
En el sexto período de sesiones de la Asamblea de las Naciones Unidas sobre el Medio Ambiente (UNEA-6), el máximo órgano mundial de toma de decisiones en materia de medio ambiente, los delegados de los Estados miembros de la ONU debatirán cómo avanzar en la cooperación mundial en torno a los nutrientes.
En concreto, está previsto que se estudien formas de frenar el exceso de fósforo en el medio ambiente sin comprometer los esfuerzos para acabar con el hambre.
El PNUMA lidera la Alianza Mundial sobre la Gestión de Nutrientes, creada en 2009. Los esfuerzos del PNUMA por controlar las consecuencias medioambientales del fósforo se enmarcan en un esfuerzo mundial más amplio por frenar la contaminación, que recibió un impulso el año pasado con el histórico Marco Mundial sobre los Productos Químicos.
A partir de 28 objetivos, el marco establece una hoja de ruta para proteger a las personas y al planeta de los productos químicos y desechos nocivos. Como principal autoridad mundial en materia de medio ambiente, el PNUMA también está ayudando a los países a aplicar el Marco Mundial de Biodiversidad de Kunming-Montreal, incluida la Meta 7, que aborda el fósforo.
El sexto período de sesiones de la Asamblea de las Naciones Unidas sobre el Medio Ambiente (UNEA-6) se celebrará del 26 de febrero al 1 de marzo de 2024 en la sede del PNUMA en Nairobi (Kenya), bajo el tema: Medidas multilaterales eficaces, inclusivas y sostenibles para hacer frente al cambio climático, la pérdida de diversidad biológica y la contaminación.
El fósforo y sus formas alotrópicas
Todas las formas elementales del fósforo son altamente reactivas y, por tanto, nunca se encuentran en la naturaleza. El fósforo elemental puede prepararse artificialmente; los dos alótropos más comunes son el fósforo blanco y el fósforo rojo.
El fósforo tiene varios alótropos que presentan propiedades muy diversas. El más útil y, por tanto, común, es el fósforo blanco, seguido del fósforo rojo. Las otras dos formas principales, el fósforo violeta y el fósforo negro, tienen un interés más fundamental o aplicaciones especializadas.
Fósforo blanco
El fósforo blanco es un sólido molecular blando, ceroso e insoluble en agua. También es muy tóxico, altamente inflamable y pirofórico, y se inflama en el aire aproximadamente a 30 °C.
Estructuralmente, está compuesto por tetraedros P4. El fósforo blanco existe en dos formas cristalinas llamadas α y β, que difieren en la orientación relativa de los tetraedros P4 que las constituyen.
La forma α es la más estable a temperatura ambiente y tiene una estructura cristalina cúbica. Cuando se enfría a 195,2 K (−78,0 °C), se transforma en la forma β, convirtiéndose en una estructura cristalina hexagonal.
Cuando se expone al aire, el fósforo blanco brilla débilmente en color verde y azul debido a la oxidación, un fenómeno que se observa mejor en la oscuridad. En un entorno de oxígeno puro, el fósforo no brilla, ya que la oxidación ocurre únicamente dentro de un intervalo de presiones parciales.
Su elevada toxicidad hace que la exposición al fósforo blanco sea muy peligrosa, mientras que su inflamabilidad y piroforicidad pueden utilizarse como arma en forma de incendiarios.
Fósforo rojo
El fósforo rojo tiene una estructura polimérica. Puede formarse calentando fósforo blanco a 250 °C en ausencia de aire o exponiéndolo a la luz solar.
El descubrimiento del fósforo rojo permitió desarrollar cerillas mucho más seguras de utilizar y fabricar, lo que condujo a la sustitución gradual del fósforo blanco en las cerillas.
Fósforo violeta y negro
El fósforo violeta o fósforo metálico α puede producirse mediante el recocido del fósforo rojo durante un día por encima de 550 °C. En 1865, Johann Wilhelm Hittorf descubrió que, cuando el fósforo se recristalizaba a partir de plomo fundido, se obtenía una forma roja o violeta.
El fósforo negro o fósforo metálico β es el alótropo menos reactivo y la forma termodinámicamente estable por debajo de 550 °C. En apariencia, propiedades y estructura, se parece al grafito: es negro y laminar, conduce la electricidad y presenta láminas plegadas de átomos enlazados.
Se obtiene calentando fósforo blanco a altas presiones, aproximadamente 12.000 atmósferas estándar o 1,2 gigapascales. También puede producirse en condiciones ambientales utilizando sales metálicas.
Descubrimiento y primeros usos
El fósforo fue descubierto por primera vez en 1669 por el alquimista alemán Hennig Brand, nacido en Hamburgo. Brand intentaba crear la legendaria piedra filosofal y experimentó con orina, que contiene cantidades considerables de fosfatos disueltos procedentes del metabolismo normal.
Al dejar que la orina se descompusiera durante largo tiempo, hervirla hasta convertirla en una pasta, destilarla a alta temperatura y conducir los vapores a través del agua, obtuvo una sustancia blanca, cerosa, que brillaba en la oscuridad y ardía intensamente.
La llamó en latín phosphorus mirabilis, literalmente «portador milagroso de luz». El nombre fósforo hace referencia al dios de la estrella de la mañana en la mitología griega, inspirado por el tenue resplandor del fósforo blanco cuando se expone al oxígeno.
La propiedad luminosa también está en el origen del término fosforescencia, que significa resplandor después de la iluminación, aunque el fósforo blanco no presenta fosforescencia propiamente dicha, sino quimioluminiscencia causada por su oxidación.
Brand intentó inicialmente mantener el método en secreto, pero más tarde vendió la receta por 200 táleros a Johann Daniel Kraft, de Dresde. Kraft recorrió gran parte de Europa con ella, incluido Londres, donde conoció a Robert Boyle.
El hecho decisivo de que la sustancia se fabricaba a partir de orina acabó descubriéndose, y Johann Kunckel pudo reproducir el procedimiento en Suecia en 1678.
Fósforo, fertilizantes y seguridad alimentaria
La roca fosfática, que normalmente contiene fosfato de calcio, se utilizó por primera vez en 1850 para fabricar fósforo. Con la introducción del horno de arco sumergido para la producción de fósforo por James Burgess Readman en 1888, el uso de cenizas de huesos quedó obsoleto.
Tras el agotamiento de las reservas mundiales de guano aproximadamente en la misma época, los fosfatos minerales se convirtieron en la principal fuente de producción de fertilizantes fosfatados.
La mayor parte de la producción industrial de fósforo se concentra en la extracción y transformación de roca fosfática en ácido fosfórico para fertilizantes a base de fosfatos. El fósforo es un nutriente esencial y con frecuencia limitante para las plantas, y aunque los niveles naturales normalmente se mantienen a lo largo del tiempo mediante el ciclo del fósforo, este ciclo es demasiado lento para regenerar los suelos sometidos a cultivos intensivos.
Como consecuencia, estos fertilizantes son esenciales para la agricultura moderna. Los principales productores de mineral de fosfato en 2024 fueron China, Marruecos, Estados Unidos y Rusia, y Marruecos concentra por sí solo dos tercios de las reservas mundiales estimadas de fosfato explotable.
Microorganismos solubilizadores de fosfatos
La disponibilidad del fósforo en el suelo no depende únicamente de la cantidad total presente. Parte del fósforo se encuentra en formas poco solubles, asociadas con calcio, hierro o aluminio, y no está directamente disponible para las plantas.
La solubilización de fosfatos es una estrategia microbiana para promover el crecimiento vegetal. Diversos microorganismos pueden producir ácidos orgánicos y otras sustancias capaces de disolver fosfatos minerales poco solubles.
Entre los microorganismos estudiados se encuentran bacterias y hongos de los géneros Aspergillus, Penicillium, Paecilomyces y otros grupos asociados a la rizosfera. Aspergillus niger, Aspergillus tubingensis, Penicillium bilaii y Penicillium citrinum aparecen entre las cepas investigadas por su capacidad de solubilizar fosfatos.
Los hongos solubilizadores de fosfatos pueden mejorar el crecimiento y el rendimiento de determinados cultivos, aunque la respuesta depende del suelo, la fuente de fósforo, la planta, la disponibilidad de carbono y nitrógeno y las condiciones ambientales.
Los hongos micorrícicos arbusculares también pueden contribuir a la adquisición de fósforo por las plantas. Se han estudiado relaciones sinérgicas entre hongos solubilizadores de fosfatos y hongos micorrícicos arbusculares.
La utilización de microorganismos solubilizadores no sustituye automáticamente todas las aplicaciones de fertilizantes, pero puede formar parte de estrategias de fertilización más eficientes y de menor pérdida de fósforo.
Prácticas para reducir las pérdidas
- El uso de estiércol puede reducir la necesidad de fertilizantes a base de fósforo.
- Los cultivos de cobertura pueden mejorar la salud del suelo y reducir la necesidad de fertilizantes.
- Evitar labrar la tierra puede contribuir a reducir la contaminación por fósforo.
- Los fertilizantes sintéticos sólo deben utilizarse en la fase en la que los cultivos necesitan más fósforo.
- La extracción y el procesamiento del fósforo deben hacerse de forma más eficiente.
- El fósforo perdido en residuos y aguas residuales debe recuperarse para su reutilización.
- El uso responsable de productos que contienen fósforo, como detergentes y fertilizantes, puede minimizar la liberación de este elemento al medio ambiente.
Aplicaciones industriales y analíticas
El ácido fosfórico de calidad alimentaria, aditivo E338, se utiliza para acidificar alimentos y bebidas como diversas bebidas de cola y mermeladas, proporcionando un sabor ácido o agrio. El ácido fosfórico también sirve como conservante.
Con cationes metálicos, el fosfato forma diversas sales. Estos sólidos son poliméricos y presentan enlaces P-O-M. Cuando el catión metálico tiene una carga de 2+ o 3+, las sales suelen ser insolubles y existen como minerales comunes.
Los fosfatos de calcio son compuestos muy extendidos con numerosas aplicaciones. El fosfato también presenta tendencia a formar cadenas y anillos que contienen enlaces P-O-P. Se conocen muchos polifosfatos, incluido el ATP.
Los utensilios de acero inoxidable se obtienen recubriéndolos con sales fosfóricas. El fósforo también se ha utilizado en la fabricación de cerillas y en distintas aplicaciones industriales relacionadas con compuestos fosfatados.
La analítica de aguas residuales distingue entre ortofosfato, polifosfatos, compuestos de fósforo orgánico y fósforo total. La preparación de la muestra puede requerir filtración, homogeneización y digestión, según la fracción que se quiera determinar.
Seguridad en el manejo de compuestos de fósforo
El fósforo blanco es muy tóxico, altamente inflamable y pirofórico. Su manipulación requiere medidas estrictas de protección y control de la exposición.
Existen 22 isótopos conocidos del fósforo, desde 26P hasta 47P. Sólo el 31P es estable y, por tanto, tiene una abundancia del 100%.
El 32P es un emisor beta con una energía de 1,71 MeV y una vida media de 14,3 días, utilizado habitualmente en laboratorios de ciencias de la vida, principalmente para producir sondas de ADN y ARN radiomarcadas.
El 33P es un emisor beta con una energía de 0,25 MeV y una vida media de 25,4 días. Las partículas beta de alta energía del 32P atraviesan la piel y las córneas, y cualquier cantidad de 32P ingerida, inhalada o absorbida se incorpora fácilmente a los huesos y a los ácidos nucleicos.
Por estas razones, toda persona que trabaje con 32P debe llevar bata de laboratorio, guantes desechables y gafas de seguridad, además de evitar trabajar directamente sobre recipientes abiertos. También es necesario controlar la contaminación personal, de la ropa y de las superficies.
La elevada energía de las partículas beta produce emisiones secundarias de rayos X mediante radiación de frenado en materiales de blindaje densos como el plomo.
Medidas de gestión y participación
El fósforo presente en las aguas residuales es un problema grave que requiere de atención preferente. La gestión y regulación adecuada de las aguas residuales también juegan un papel crucial para prevenir la contaminación por fósforo.
La gestión eficaz combina el control en origen, la reducción de aportes agrícolas, la eliminación de fosfatos durante el tratamiento de aguas residuales y la recuperación del fósforo contenido en lodos, residuos y corrientes concentradas.
Cada uno de nosotros tiene un papel que desempeñar en la reducción de la contaminación por fósforo. Mediante el uso responsable de productos que contienen fósforo, como detergentes y fertilizantes, podemos contribuir a minimizar la liberación de este elemento al medio ambiente.