5. MATERIALES Y MÉTODOS Se realizaron dos muestreos de campo en el Río San Pedro, abarcando dos temporadas del año: lluvias (Agosto 2005) y sequía (Mayo 2006), colectándose muestras de agua y sedimento superficial en 5 estaciones de muestreo (E1 a E5) (Figura 5 y Tabla 1). El procedimiento utilizado para el muestreo, preservación y transporte de las muestras se realizó en base a la metodología recomendada por el Handbook for Sampling and Sample Preparation of Water and Wastewater (EPA, 1982), el Manual de Campo para el Muestreo de la Calidad de Agua (AWRC y ADEQ, 1995), y el Manual of Aquatic Sediment Sampling (Mudroch y Azcue, 1995). Se realizaron mediciones de flujo superficial utilizando un Medidor Gloval Flor Prob. Modelo EP101 (Linsley et al., 1984). 5.1 Preparación del Material de Muestreo y Laboratorio El material utilizado para la colecta de las muestras de agua y sedimento (incluyendo el material utilizado en el laboratorio), se sometió a un control estricto para evitar una posible contaminación, principalmente de metales. Para esto, se utilizó la metodología recomendada por Moody y Lindstrom (1977) y la Norma Oficial Mexicana (NMX-AA-115-SCFI-2001). El procedimiento de limpieza consiste en someter el material de muestreo y laboratorio a un lavado con detergente, enjuague con agua corriente y sumergirlo en una disolución de ácido nítrico al 20% durante 3 días. Posteriormente se enjuagó con agua deionizada, se secó y se guardó en bolsas de plástico para su posterior utilización. 5.2 Muestreo de Campo 5.2.1 Muestreo de Agua Superficial Los parámetros de campo que se analizaron antes de colectar las muestras de agua superficial fueron los siguientes: temperatura (ambiente y agua), potencial de Hidrógeno (pH), potencial Redox (Eh), oxígeno disuelto, conductividad eléctrica y bicarbonatos. Las muestras de agua superficial se colectaron de la parte media de la columna de agua, utilizando recipientes de plástico limpios y descontaminados. En cada una de las estaciones de muestreo se colectaron muestras de agua en 5 recipientes de plástico de un litro, para llevar a cabo el análisis de los parámetros contemplados en la presente investigación (Tabla 2). Para el análisis de metales totales, se colectó una muestra de agua de un litro sin filtrarla, se preservó con ácido nítrico concentrado hasta un pH menor de 2. El ácido nítrico se utiliza como un agente preservativo cuya función es evitar que se presente una hidrólisis, lo que ocasionaría la precipitación de algunos metales de interés.

53

54 Tabla 1. Localización geográfica de las estaciones de muestreo en el Río San Pedro, Sonora, México. (Ver Figura 5 para su ubicación). Estación

Nombre

Latitud

Longitud

E1

Camino a Libramiento

30º59’32”

110º 18’49”

E2

Cananea Vieja

30º59’45”

110º 17’22”

E3

Arroyo Cananea Vieja

30º59’57”

110º 17’01”

E4

El Barrilito

31º02’30”

110º 13’33”

E5

San Pedro Palominas

31º03’05”

110º 13’04”

Para el análisis de nitratos (como N) se colectó una muestra de agua de un litro y se preservó con ácido sulfúrico hasta un pH menor de 2. A dos recipientes de un litro con muestra de agua no se les añadió ningún preservador químico, debido a que se utilizaron para el análisis de cloruros, sulfatos y sólidos disueltos totales. El recipiente restante se utilizó para el análisis de sulfuros, añadiéndose acetato de zinc e hidróxido de sodio como conservadores. 5.2.2 Muestreo de Sedimento Superficial Las muestras de sedimento se colectaron en la parte media de la columna de agua a una profundidad de 10 cm, introduciendo manualmente nucleadores de plástico limpios y descontaminados, teniendo cuidado al realizar el muestreo para no perturbar demasiado los sedimentos. Se colectaron tres muestras de sedimento en cada estación de muestreo, con la finalidad de obtener una muestra compuesta que sea representativa, para llevar a cabo las determinaciones de laboratorio (Tabla 3). En el muestreo de campo se analizaron los siguientes parámetros de interés: potencial de Hidrógeno (pH) y potencial Redox (Eh), para lo cual se utilizó un potenciómetro Termo Orión 230 A. En el caso del potencial Redox, se utilizó un electrodo redox Orión de platino. La técnica utilizada es la que recomiendan Mudroch y Azcue (1995), la cual consiste en lo siguiente: los electrodos de pH son calibrados con dos soluciones buffer (4 y 7) y los electrodos para Eh son calibrados utilizando una solución Zobell, compuesta de ferricianuro y ferrocianuro de potasio 0.003 M en cloruro de potasio 0.1M. Posteriormente, los electrodos son insertados directamente en la muestra de sedimento colectado a una profundidad de 1 cm. La lectura de pH se toma un minuto después de la inserción, mientras que la lectura de Eh se toma hasta que la lectura se estabiliza, lo cual puede tardar entre 10 a 15 minutos.

55 Tabla 2. Parámetros y métodos analíticos utilizados en el análisis de agua superficial del Río San Pedro, durante los muestreos realizados en el presente estudio (*). Parámetro Temperatura Potencial de Hidrógeno (pH) Potencial Redox (Eh) Conductividad Eléctrica (C.E.) Oxígeno Disuelto (O.D.) Sólidos Disueltos Totales (SDT = ST- SST) a) Sólidos Totales (ST) b) Sólidos Suspendidos Totales (SST) Alcalinidad Total (como HCO3- ) Cloruros (Cl-) Sulfatos (SO4=) Sulfuros (S2-) Nitratos (NO3-) (como N) Cadmio (Cd) Cálcio (Ca) Cobre (Cu) Hierro (Fe) Magnesio (Mg) Manganeso (Mn) Plomo (Pb) Potasio (K) Sodio (Na) Zinc (Zn) (*) = EPA (1999). (**) = Mudroch y Azcue (1995).

Método 170.1 150.1 (**) 120.1 360.2 160.3 160.2 310.1 325.3 375.3 376.1 352.1 213.1 215.1 220.1 236.1 242.1 243.1 239.1 258.1 273.1 289.1

56 Tabla 3. Parámetros y métodos analíticos utilizados en el análisis de sedimento superficial del Río San Pedro, durante los muestreos realizados en el presente estudio. Parámetro

Método

a) Físicos: Análisis de Microscopía Análisis de Difracción de Rayos X Análisis Granulométrico

Pérez-Segura y CendejasMendivil (1992) Lindholm (1987); Buhrke et al. (1998) Folk (1980)

b) Químicos: Potencial de Hidrógeno (pH) Potencial Redox /Eh) Materia Orgánica Carbonatos Azufre Azufre como Sulfato Azufre como Sulfuro Extracción Secuencial de Metales

Mudroch y Azcue (1995) Mudroch y Azcue (1995) Gaudete et al. (1974). AOAC (1999) Furman (1985) Furman (1985) Furman (1985) Tessier et al. (1979).

5.2.3 Transporte y Conservación de las Muestras Las muestras de agua y sedimento superficial fueron conservadas en hielo. Inmediatamente después de su colecta fueron transportadas al laboratorio para la determinación de los prámetros de interés. En el caso de los sedimentos, éstos fueron secados a temperatura ambiente durante 24 horas, se aplicó el método de muestreo por cuarteo y coneo (Mudroch y Azcue, 1995) para la obtención de muestras representativas; se homogenizaron y se almacenaron en recipientes de plástico (previamente lavados en ácido). 5.3 Análisis de Laboratorio. 5.3.1 Agua Superficial La metodología que se utilizó para el análisis de las muestras de agua superficial, es la recomendada por el Manual de Métodos de Análisis (CNA, 1995) y el Methods and Guidance for Análisis of Water (EPA, 1999). Los parámetros químicos como oxígeno disuelto y alcalinidad total (como bicarbonatos) fueron analizados durante el muestreo de campo. El contenido de oxígeno disuelto fue determinado con un Oxímetro YSI Modelo 52; mientras que la alcalinidad (como

57 bicarbonatos) se analizó a través del método potenciométrico, utilizando un potenciómetro Cole Parmer, Modelo 05985-80. Con respecto a cloruros y sulfuros, se analizaron por métodos volumétricos; mientras que sulfatos, azufre y sólidos disueltos totales se analizaron por métodos gravimétricos. La determinación de nitratos (como N) se analizó por métodos espectrofotométricos, utilizando un espectrofotómetro Perkin Elmer, Modelo Lambda 2S. La metodología utilizada en la preparación de la muestra (descomposición y cuantificación) para el análisis de metales pesados totales es la que recomienda la EPA (1999) y la Norma Oficial Mexicana (NMX-AA051-SCFI-2001). Para la cuantificación de metales se empleó la técnica de espectroscopia de absorción atómica por flama, utilizando un espectrofotómetro de absorción Atómica Marca Perkin-Elmer, Modelo 3110, con los siguientes límites de detección: Cd (0.01 mg/l), Ca (0.01 mg/L), Cu (0.02 mg/l), Fe (0.04 mg/l), K (0.01 mg/L), Mg (0.005 mg/L), Mn (0.02 mg/l), Na (0.06 mg/L), Pb (0.07 mg/l) y Zn (0.01 mg/l). La precisión y exactitud en el análisis de metales totales fue evaluada a través de muestras fortificadas con estándares de alta pureza, obteniéndose los siguientes valores de recuperación: Ca (100 - 106%), Cd (98.4 - 100%), Cu (99.4 - 101%), Fe (93.5 100%), K (100 - 102.4%), Mg (95.5 - 100%), Mn (92 - 100%), Na (90 - 100.9%), Pb (97 - 101%) y Zn (95 - 101%); los cuales se encuentran dentro del rango recomendado (85-115%) (CNA, 1993). Las muestras de agua fueron analizadas por duplicado, incluyendo un blanco de reactivos por triplicado. 5.3.2 Sedimento Superficial 5.3.2.1 Análisis Mineralógico. Para su estudio a nivel de microscopía, se realizó un lavado de la muestra de sedimento y una concentración con batea, con el propósito de concentrar los minerales peados. Del material residual se efectuaron 5 briquetas, para lo cual se utilizó un termoplástico endurecedor en frío. Las briquetas fueron pulidas con pastas de diamante y luego se estudiaron con un microscopio mineragráfico de reflexión marca Nikon. Las fotografías fueron tomadas utilizando una camara integrada al mismo microscopio. La metodología ha sido referida en el trabajo de Pérez-Segura y CendejasMendivil (1992). Adicionalmente, se realizó un estudio de Difracción de Rayos X (DRX), el cual consistió en obtener una muestra representativa de sedimento utilizando el método de muestreo por coneo y cuarteo. Posteriormente, las muestras fueron molidas en un mortero de ágata hasta un tamaño menor de 325 mallas (< 0.45 µm) y analizadas con un Difractómetro de Rayos X, marca Philips, modelo X´Pert, equipado con un Tubo de Rayos X de Cu (Kα) con una radiación de 40 KV/30 mA. Las muestras fueron escaneadas de 3 a 80 grados (paso de 0.1 grado; 5 segundos/paso) y de 5 a 70 grados (paso de 0.04 grados; 10 segundos/paso).

58 5.3.2.2 Análisis Granulométrico. El análisis granulométrico (método de tamices y pipetas) incluyendo su clasificación correspondiente, fueron realizados de acuerdo a los criterios establecidos por Folk (1980). 5.3.2.3 Materia Orgánica (carbono orgánico fácilmente oxidable). Una porción de muestra de sedimento obtenida por el método de cuarteo y coneo, se molió en un mortero de porcelana a un tamaño menor de 80 mallas (180 µm). Posteriormente, se determinó el contenido de materia orgánica por titulación del exceso de dicromato de potasio utilizado en la oxidación de la materia orgánica, con una solución 0.5N de sulfato ferroso (Gaudette et al., 1974). 5.3.2.4 Carbonatos. Una porción de muestra de sedimento obtenida por el método de cuarteo y coneo, se molió en un mortero de porcelana a un tamaño menor de 80 mallas. Posteriormente, se determinó el contenido de carbonatos a través del método volumétrico, el cual consiste en agregar al sedimento una cantidad de ácido estandarizado; los carbonatos neutralizan una fracción de dicho ácido y el exceso es cuantificado con una base estandarizada (AOAC, 1999; Método 955.01). 5.3.2.5 Azufre. El azufre presente en el sedimento (tamaño menor de 80 mallas) es oxidado por vía húmeda utilizando ácido nítrico concentrado y clorato de potasio. Posteriormente, el ión sulfato en disolución se determina por precipitación con cloruro de bario (Furman, 1985). 5.3.2.6 Azufre como Sulfato. La muestra de sedimento (tamaño menor de 80 mallas) se digiere con ácido clorhídrico. Posteriormente el ión sulfato en disolución se determina por precipitación con cloruro de bario en una disolución caliente, débilmente acidificada con ácido clorhídrico (Furman, 1985). 5.3.2.7 Azufre como sulfuro. La muestra de sedimento (tamaño menor de 80 mallas) se digiere con ácido clorhídrico concentrado, el azufre es liberado como ácido sulfhídrico y es absorbido en una solución de cloruro de cadmio. Se adiciona un exceso de yodato de potasio, se acidifica y se titula el exceso de yodo con una solución estándar de tiosulfato de sodio (Furman, 1985). 5.3.2.8 Metales Extraíbles (Extracción Secuencial). La extracción de metales en sedimento se llevó a cabo a través de la metodología propuesta por Tessier et al. (1979). Se realizó una separación secuencial de 5 fracciones: 1. Metales Intercambiables; 2. Metales unidos a Carbonatos; 3. Metales unidos a Óxidos de Hierro y Manganeso; 4. Metales unidos a la Materia Orgánica y Sulfuros; 5. Metales unidos a la fracción Residual.

59 El procedimiento de extracción secuencial consistió en lo siguiente: (a) Fracción 1: (Metales Intercambiales): Se realiza una extracción de una hora a temperatura ambiente con 8 ml de cloruro de magnesio 1 M (pH 7.0), con continua agitación, para 1g de sedimento (tamaño menor de 80 mallas). (b) Fracción 2: (Metales unidos a Carbonatos): El residuo de (a) se lixivia a temperatura ambiente con 8 ml de acetato de sodio 1 M, ajustado a pH 5.0 con ácido acético, durante 5 horas. (c) Fracción 3: (Metales unidos a Óxidos de Fe y Mn): El residuo de (b) se extrae con 20 ml de una mezcla de hidrocloruro de hidroxilamina al 25% y ácido acético, a una temperatura de 96±3 ºC durante 6 horas, con agitación ocasional. (d) Fracción 4: (Metales unidos a la Materia Órgánica y Sulfuros): El residuo de (c ) se le adiciona 3 ml de HNO3 0.02 M y 5 ml de H2O2 al 30% ajustado a un pH de 2 con HNO3. La mezcla se calienta a una temperatura de 85±2 ºC por 2 horas con agitación ocasional. Posteriormente, se le adiciona una segunda alícuota de 3 ml de de H2O2 al 30% ajustado a un pH de 2 con HNO3, y se vuelve a calentar a una temperatura de 85±2 ºC por 3 horas con agitación ocasional. Posteriormente, se enfría a temperatura ambiente, y se agrega 5 ml de acetato de amonio 3.2 M en HNO3 al 20%, se diluye a 20 ml y se agita continuamente durante 30 minutos. (e) Fracción 5: (Residual): El residuo de (d) se digiere en un vaso de teflón con una mezcla de HF-HClO4 (5:1). Posteriormente el residuo se recupera en una solución de HCl 12 N y se diluye a un volumen final de 25 ml. Después de cada extracción, la muestra fué centrifugada a 10000 rpm por 30 minutos a temperatura ambiente. El sobrenadante se separa con la ayuda de una pipeta, se transfiere a un matraz volumétrico de 50 ml y se afora con agua deionizada. El sedimento fue lavado con 5 ml de agua deionizada y centrifugado nuevamente. El agua de lavado se descarta. La cuantificación de Cd, Cu, Fe, Mn, Pb y Zn en las cinco fracciones, se realizó a través de la técnica de espectroscopia de absorción atómica por flama, utilizando un equipo de absorción atómica PERKIN-ELMER, modelo 3110. Se prepararon curvas de calibración para cada metal en cada una de las fracciones, igualando matrices. Los límites de detección (µg/g) para cada metal por fracción fueron los siguientes: Intercambiable: Cd (0.01), Cu (0.03), Fe (0.05), Mn (0.01), Pb (0.08), Zn (0.01); Carbonatos: Cd (0.02), Cu (0.04), Fe (0.08), Mn (0.03), Pb (0.08), Zn (0.01); Óxidos de Fe y Mn: Cd (0.04), Cu (0.03), Fe (0.05), Mn (0.04), Pb (0.08), Zn (0.03); Materia Órgánica/Sulfuros: Cd (0.05), Cu (0.03), Fe (0.04), Mn (0.03), Pb (0.11), Zn (0.01); Residual: Cd (0.04), Cu (0.04), Fe (0.07), Mn (0.08), Pb (0.08), Zn (0.08 ). En la determinación de

60 aluminio (Al), se utilizó una digestión ácida utilizando ácidos minerales concentrados (HNO3, HClO4, HF), de acuerdo a la metodología recomendada por Agemian y Chau (1975). Los resultados se pueden apreciar en la Tabla 4k (Apéndice 4). Las muestras de sedimento fueron analizadas por duplicado, incluyendo un blanco de reactivos por triplicado. Para verificar la precision y exactitud del método de extracción secuencial (incluyendo el análisis de aluminio), se utilizó un Estándar Certificado Inorganic in Marine Sediment (NIST 2702). Los porcentajes de recuperación obtenidos fueron los siguientes: Al (95.12%), Cu (98.84%), Fe (91%), Mn (93.39%), Pb (101.66%) y Zn (92.26%), los cuales se encuentran dentro del rango recomendado (85-115%) para cada uno de los metales. La recuperación de cadmio no se reporta debido a que se encuentra en muy baja concentración y no fue posible detectarlo. 5.4 Control de Calidad en la Colecta y Análisis de las Muestras de Agua y Sedimento Con el proposito de obtener datos confiables de campo así como resultados precisos y exactos que manifiesten el estado actual de un sistema acuático, se llevó a cabo un procedimiento de control de calidad tanto en la fase de muestreo de campo como en los métodos utilizados en el análisis químico de agua y sedimento. Para esto, se seguió la metodología de control de calidad recomendada en el Manual de Aseguramiento de la Comisión Nacional del Agua (CNA, 1993), el Field Manual for Water Quality Samply (AWRC y ADEQ, 1995), el Test Methods for Evaluating Solid Waste, Physical/Chemical Methods (SW-846) (EPA, 1992) y la Norma Oficial Mexicana (NMX-AA-115-SCFI-2001). El procedimiento de control de calidad consistió de un estricto control en los siguientes puntos: 5.4.1. Limpieza de los Equipos de Muestreo. La limpieza de los equipos de muestreo fue igual al presentado en la sección 5.1. 5.4.2. Procedimiento de Calibración y Frecuencia El equipo analítico de laboratorio (espectrofotómetros ultravioleta-visible y absorción atómica) fué calibrado en base a los manuales del fabricante. Se utilizaron reactivos de alta pureza analítica y se elaboró una curva de calibración empleándose un mínimo de 5 estándares para la determinación de nitratos (como N) y sulfatos, obteniéndose un coeficiente de correlación ≥ 0.9990 en los muestreos realizados en Agosto 2005 y Mayo 2006 (Apéndice 3; Tablas 3b y 3c). En la determinación de metales por la técnica de absorción atómica, se utilzó una curva de calibración utilizando un mínimo de 3 estándares, obteniéndose un coeficiente de correlación ≥ 0.9990. Para estimar si los puntos experimentales se ajustaban bien a una línea recta se calculó el coeficiente de correlación (r), el cual mide el grado de asociación entre dos variables (Miller y Miller, 1993).

61 5.4.3. Obtención de Muestras de Control de Calidad Interna Se realizó la colecta de muestras adicionales llamadas blanco de equipo, blanco de campo, blanco de viaje y muestras duplicadas, para verificar la calidad de la descontaminación, colecta y procedimientos de manejo, y para verificar que no se haya afectado la calidad de la muestra de agua y sedimento. La localización de las estaciones de muestreo para las muestras duplicadas fue seleccionada al azar, y se colectaron en un porcentaje del 10% en relación al total de muestras de agua y sedimento (AWRRC y ADEQ, 1995). Los blancos de equipo consisten en envases llenos con el agua final del enjuague de la descontaminación de los equipos. Una vez analizados muestran la efectividad de la limpieza del equipo de campo. Los blancos de campo son envases de agua deionizada que se llenan en la estación de muestreo, se etiquetan y se envían al laboratorio con las demás muestras. Se utilizan para investigar la contaminación en el laboratorio durante la colecta y envío de las muestras. Los blancos de viaje son envases de agua deionizada preparados en el laboratorio. Se mantienen en la misma hielera donde se colocan las otras muestras en cada fase del proceso de colecta, manejo y envío. Se utilizan para investigar si existe contaminación durante el transporte de la muestra o en el almacenaje en el laboratorio. La colecta de las muestras duplicadas se usa para verificar el control de la precisión de la colecta de campo o el análisis de laboratorio. Se colectan las muestras duplicadas al mismo tiempo que las muestras de agua o sedimento (AWRRC y ADEQ, 1995). Durante el muestreo realizado no se contempló la colecta de blancos del equipo de campo debido a que en ningún momento este equipo (conductímetro, potenciómetro y medidor de oxígeno) fue introducido a las muestras de agua superficial enviadas al laboratorio; por lo que no fue necesario. En lo que respecta a los blancos de campo y de viaje, se observaron valores no detectables en la mayoría de los parámetros analizados lo cual indica un índice mínimo de contaminación durante la colecta, manejo y envío de las muestras de agua y sedimento al laboratorio (Apéndice 3; Tabla 3a). 5.4.4. Indicadores de Calidad de los Datos a) Precisión. La precisión es una medida del grado de concordancia entre los análisis múltiples de una muestra dada. Se evalúa mediante el análisis de réplicas de análisis repetidos de una muestra o estándar (CNA, 1993). En el presente estudio, la precisión fue calculada como la diferencia porcentual relativa (DPR), debido a que se tiene únicamente una muestra de agua y sedimento por duplicado (EPA, 1992; EPA, 2000):

62 Precisión =

(a − b) x 100 (a + b) / 2

(1)

Donde: a = Valor mayor del análisis de los dos duplicados b = Valor menor del análisis de los dos duplicados La precisión para muestras de campo duplicadas se fijó para un valor menor o igual al 50 % para los parámetros analizados en agua y sedimento (EPA, 2000). Para estimar la precisión de los métodos analíticos, se utilizaron muestras fortificadas (n = 5) con concentraciones del parámetro de interés a partir de reactivos de alta pureza analítica. Los resultados se pueden apreciar en el Apéndice 3 (Tablas 3b, 3c, 3d y 3e) y Apéndice 4 (Tablas 4a y 4b). En términos generales, se puede apreciar que la precisión obtenida para cada parámetro fue aceptable, ya que se obtuvieron valores bajos de desviación estándar. En lo que respecta a las muestras duplicadas colectadas en el campo, el total de los valores de precisión obtenidos expresado como Desviación Porcentual Relativa (DPR) en muestras de agua (Apéndice 3; Tablas 3f y 3g) y sedimento (Apéndice 4; Tablas 4c y 4d) de las estaciones E1 (Camino a Libramiento) y E4 (El Barrilito) estuvieron dentro del 50 % en ambos muestreos (Agosto 2005 y Mayo 2006) recomendado por la EPA (2000). Las muestras de agua y sedimento superficial duplicadas fueron colectadas de manera individual y en ningún momento fueron mezcladas, por lo que se enviaron al laboratorio para ser analizadas por separado. En la Tabla 4e (Apéndice 4), se puede apreciar la precisión obtenida en los parámetros sedimentológicos contemplados en el análisis granulométrico. A excepción del parámetro sesgo (sk) obtenido en el muestreo de Agosto 2005, los valores de DPR obtenidos en las muestras duplicadas de la estación E1 (Camino a Libramiento), fueron menores al 50% en ambos muestreos (Agosto 2005 y Mayo 2006). En lo que respecta a la precisión obtenida en las fracciones geoquímicas del sedimento, los valores de DPR de los metales analizados se pueden observar en las Tablas 4f y 4g (Apéndice 4). Los valores de DPR obtenidos en las muestras duplicadas (E1 y E4) fueron menores al 50% en los dos muestreos realizados. El valor global de DPR obtenido para la concentración total (suma de las cinco fracciones) para Cd, Cu, Fe, Mn, Pb y Zn, fue menor al 50% para las estaciones E1 y E4.

63 b) Exactitud. La exactitud es una medida de qué tan cercanos o parecidos son los valores obtenidos de un valor real o establecido. Mientras más similares sean ambos valores, mayor es la exactitud. La exactitud se determinó a través del análisis de muestras fortificadas con estándares de alta pureza analítica de concentración conocida, los cuales fueron sometidas al mismo procedimiento de análisis que las muestras de agua y sedimento (CNA, 1993). Los resultados obtenidos se expresan como porcentaje de recuperación: Recuperación (%) =

b x 100) a

(2)

Donde: a = Concentración teórica adicionada a la muestra b = Concentración medida en la muestra Se estableció un límite de aceptación de la recuperación dentro del intervalo de 85 a 115% para metales en agua superficial, como lo recomienda la Norma Oficial Mexicana (NMX-AA-115-SCFI-2001) y de 80 a 120% para aniones y nutrientes (CNA, 1993). En las Tablas 3b y 3c (Apéndice 3) se muestran diferentes valores de concentración de los parámetros como nitratos (como N), sólidos disueltos totales, alcalinidad total (como bicarbonatos), sulfuros y cloruros, obteniéndose una recuperación aceptable dentro del intervalo recomendado (80 - 120%) (CNA, 1993). En lo referente al análisis de metales, en las Tablas 3d y 3e (Apéndice 3), se pueden apreciar los metales analizados (Cd, Cu, Fe, Mn Pb y Zn) obteniéndose una recuperación dentro del intervalo recomendado (85 115%) para cada uno de los metales (Norma Oficial Mexicana, NMX-AA-115SCFI-2001). En lo que respecta al sedimento, en las Tablas 4a y 4b (Apéndice 4) se muestran diferentes valores de concentración de los parámetros analizados como materia orgánica, carbonatos, azufre, sulfatos, sulfuros y nitratos (como N), obteniéndose una recuperación aceptable dentro del intervalo recomendado (80 - 120%) (CNA, 1993). Para evaluar la exactitud de la determinación de metales en sedimento por la técnica de absorción atómica, se utilizó un Estándar Certificado Inorganics in Marine Sediment (NIST 2702), el cual contiene concentraciones conocidas de los mismos metales (Cd, Cu, Fe, Mn, Pb, Zn) analizados en el presente estudio. Este estándar fue analizado con el mismo procedimiento de digestión utilizado en las muestras de sedimento. Los resultados obtenidos indican una recuperación dentro del intervalo recomendado (85 - 115%) (Norma Oficial Mexicana, NMX-AA-115-SCFI-2001) (Apéndice 4h (Tablas 4h y 4i).

64

c) Balance de Cationes / Aniones. El balance de cationes/aniones es un método utilizado para comprobar si los análisis químicos son correctos y es aplicado a muestras de agua en las cuales se ha realizado un análisis completo. El método consiste en la suma de aniones (nitratos, bicarbonatos, sulfatos y cloruros) y cationes (calcio, magnesio, sodio y potasio) expresadas como miliequivalentes por litro, que pueden balancearse debido a que todas las aguas son eléctricamente neutras, y está basado en el porcentaje de diferencia definido de la siguiente forma (APHA-AWWA-WPCF, 1995): % Diferencia =100 (Σ Cationes - Σ Aniones/Σ Cationes + Σ Aniones) En el presente trabajo de investigación se fijó un valor iónico de discrepancia igual o menor del 10% en el balance de cationes / aniones en las muestras de agua superficial (EPA, ADEQ y CNA, 1998). En las Tablas 3h y 3i (Apéndice 3), se pueden apreciar los resultados obtenidos de los parámetros evaluados en cada una de las estaciones de muestreo. Se observó que el 100% del resultado del balance de cationes y aniones fue menor y/o igual al 10% de diferencia establecido para cationes y aniones, en el muestreo realizado en Agosto 2005. En el muestreo realizado en Mayo 2006, a excepción de la estación E1, el balance de cationes/aniones fue menor al 10% en las estaciones restantes. d) Límite de Detección (L.D.) del Instrumento. Se puede describir el Límite de Detección de un analito como aquella concentración que proporciona una señal en el instrumento significativamente diferente de la señal de una muestra en “blanco”o “señal de fondo”. El Límite de Detección de un método se calcula con la ayuda de la zona de la representación cercana al origen, y utiliza tanto la pendiente como la ordenada al origen (Miller y Miller, 1993). En el presente trabajo se utilizó el criterio del Límite de Detección, como la cantidad de concentración de analito que proporciona una señal igual a la señal del blanco (YB), más tres veces la desviación estándar del blanco (SB) (Miller y Miller, 1993). En la Tablas 3a (Apéndice 3) y 4j (Apéndice (4), se pueden apreciar los Límites de Detección de metales en agua y sedimento superficial, obtenidos en la presente investigación. En algunas situaciones del muestreo ambiental, las mediciones de contaminación son más grandes que el cero, y los errores de las mediciones son pequeñas comparadas a las variaciones en las concentraciones reales sobre un período de tiempo y/o espacio. En otras situaciones, la concentración de una muestra medida puede ser muy cercana a cero, por lo cual el valor medido puede ser menor que el Límite de Detección (Richard, 1987). Este último caso es el que se detectó en la presente investigación, en donde se observaron concentraciones de metales pesados y nutrientes en agua

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superficial, muy por debajo del Límite de Detección. Ante esta situación, se utilizó el valor medio entre el cero y el Límite de Detección y se sustituyó en aquellos datos que presentaron un valor menor al Límite de Detección, con el propósito de evitar estimaciones sesgadas de las medias, varianzas, tendencias, y otros parámetros de la población (Richard, 1987). 5.5 Diagramas Eh-pH (Diagramas de Pourbaix). Para la elaboración de los diagramas Eh-pH, con la finalidad de definir las áreas de estabilidad de las diferentes especies de cobre en agua y sedimento, se utilizó el programa de Software Outokumpu HSC Chemistry for Windows 4.0 (Roine, 1999). Para esto, se calculó la actividad de las especies de interés, que en este caso fueron cobre y azufre, utilizando la siguiente relación: {Ci} = (γi) [Ci]

(1)

Donde: {Ci} = Actividad de la especie i en moles/L γi = Coeficiente de Actividad de la especie i [Ci] = Concentración de la especie i en moles/L Posteriormente, se calculó el coeficiente de actividad de cada especie (γi), utilizando la ecuación de Debye-Hückel: - Log γi = AZi2(µ)1/2/1+aoiB (µ)1/2 Donde:

(2)

µ = Fuerza Iónica (µ = ½ΣiCi Zi2) Zi = Carga del ión en solución

A y B = Constantes que se relacionan con el disolvente (H2O) a temperatura y presión constante. aoi = Diámetro del ión en solución La fuerza iónica fue calculada utilizando los resultados de concentración obtenidos del análisis de cationes y aniones mayoritarios (Ca, Mg, Na, K, SO4=, NO3-, Cl- y HCO3-) en el agua superficial de cada una de las estaciones de muestreo. En el caso de los sedimentos, se ha supuesto que son minerales puros y se les ha asignado una actividad unitaria (Bohn et al., 1993). De esta manera, se emplearon las concentraciones molares para la construcción de los diagramas de Pourbaix.

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5.6 Normalización Para una mejor estimación del aporte antropogénico, se calculó un factor de enriquecimiento (FE) para cada metal, el cual consistió en dividir la relación de la concentración del elemento de interés entre el elemento normalizante, en este caso aluminio, entre la relación encontrada en la línea base (Grant y Middleton, 1990; Covelli y Fontolan, 1997). Los factores de enriquecimiento (FE) para cada elemento fueron calculados a través de la siguiente fórmula (Sinex y Wright, 1988; Grant y Middleton, 1990; Covelli y Fontolan, 1997): FE = (M/Al)muestra / (M/Al)corteza

(1)

Donde: Mmuestra

=

Concentración del metal de interés en la muestra de

sedimento Almuestra = Aluminio presente en la muestra de sedimento Alcorteza = Aluminio (elemento normalizante) presente en la corteza terrestre. Mcorteza = Concentración del metal en la corteza terrestre. En el presente estudio, fue asumido que la composición de la línea base corresponde a la composición promedia de las rocas superficiales expuestas a intemperismo, sugerida por Martin y Meybeck (1979). Estos valores son: Al (6.9%), Fe (3.6%), Cu (32 µg/g), Cd (0.2 µg/g), Mn (720 µg/g), Pb (16 µg/g) y Zn (127 µg/g), respectivamente. Adicionalmente, se normalizó con los resultados obtenidos de la estación E5 (San Pedro Palominas), con la finalidad de evaluar el factor de enriquecimiento con respecto a las demás estaciones del Río San Pedro. Si los valores de factor de enriquecimiento (FE) son de alrededor de uno, indica que el elemento y/o metal en el sedimento es originado predominantemente de material litogénico, mientras que si los valores de factor de enriquecimiento es mayor de 1, indica que el elemento es de origen antropogénico (Szefer et al., 1996). Sin embargo, algunos autores utilizan la clasificación de elementos intermedios (entre 1 y 10) y antropogénicos (> 10). Los elementos entre 1 y 10 son litogénicos con moderado aporte antropogénico. 5.7 Modelación Geoquímica Los datos obtenidos del análisis fisico-químico del agua superficial del Río San Pedro, fueron alimentados en el programa WATEQ4F elaborado por el U.S. Geological Survey (Ball y Nordstrom, 2001). El programa WATEQ4F es representado en un programa de cómputo que modela datos termodinámicos de especies iónicas y complejas en solución. Los resultados de la modelación producen un listado de las fases minerales con los índices de saturación de cada

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una de ellas que se obtienen de los datos de entrada de la calidad de agua. El índice de saturación se calcula a partir de la siguiente relación (Deutsch, 1997; Ball y Nordstom, 2001): IS mineral = Log IAP/Ksp (T) mineral

(1)

Donde: IS mineral = Indice de Saturación. IAP

= Producto de Actividad Iónica

Kmineral

= Constante de Equilibrio

T

= Temperatura

5.8 Análisis de Correlación El análisis de correlación simple estudia la variación simultánea de dos variables. El término se debe a Karl Pearson y se utiliza para indicar aquellos casos en que los cambios de una variable van asociados con cambios de otra variable, existiendo una relación concreta entre dichas variables (ReyesCastañeda, 1990; Waine, 1990). Cuando dos variables cambian juntas, en tal forma que un aumento en una de ellas va asociado con un incremento en la otra, se dice que las variables están correlacionadas positivamente. Si el aumento en una variable coincide con una disminución de la otra, se dice que las dos variables están correlacionadas negativamente. Si no hay relación entre las dos variables se dice que son independientes o que no estan correlacionadas. El coeficiente de correlación es un valor que indica el grado de asociación entre dos variables. Varios casos son posibles: 1. El valor del coeficiente de correlación es cero o estima a cero. Las variables son independientes, no hay correlación. 2. El valor del coeficiente es +1. Hay una correlación positiva y perfecta. 3. El valor del coeficiente es -1. Hay una correlación negativa y perfecta. El símbolo del coeficiente de correlación se representa por la letra ρ (rho); el parámetro estadístico que estima a ρ se simboliza por r. En la presente investigación se utilizó el programa estadístico JMP4 (19892001), para llevar a cabo el Análisis de Correlación de Pearson.