BIODISPONIBILIDAD DE Cr Y Hg EN AGUA Y NIVELES DE CONCENTRACION EN EL SEDIMENTO DE LA PRESA JOSE ANTONIO ALZATE EN EL ESTADO DE MEXICO Pedro Avila P., Carmen López R., Graciela Zarazúa O., Rafael Torres., Hilda Frías P. Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares, Gerencia de Ciencias Ambientales, Departamento de Estudios del Ambiente. Apartado Postal 18-1027, México D.F. Tel. (5) 329-7236, Fax: (5) 329-7332. Icela D. Barceló Q. Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco. Area de Química. Departamento de Ciencias Básicas. Av. San Pablo No. 180, Col. Reynosa Tamaulipas, Azcapotzalco. C.P. 02200, México D.F. Tel. (5) 724-4560, Fax: (5) 723-5940. Carlos Díaz Delgado. Universidad Autónoma del Estado de México. Facultad de Ingeniería, Centro Interamericano de Recursos del Agua, Cerro de Coatepec, C.U. Toluca, Edo. de México, C.P. 50130. Tel (729) 65550, Fax: (729) 65551.

RESUMEN Se evaluó la biodisponibilidad del Cr y Hg en el agua de la presa J.A: Alzate en el Estado de México, así como sus niveles de concentración en el sedimento, utilizando la técnica de análisis por activación neutrónica (NAA). La presa, junto con el río Lerma representan los cuerpos de agua más contaminados, debido a que son los receptores de las descargas industriales y municipales. Las muestras recolectadas tanto del agua como del sedimento de la presa, así como, los patrones de referencia utilizados, fueron irradiados en un sistema SIFCA. Los resultados obtenidos en todas las zonas de muestreo presentaron bajas concentraciones de Cr y Hg en forma biodisponible y por debajo de los límites que marca la legislación mexicana. La mayor biodisponibilidad de ambos elementos se presentó a la entrada y salida de la presa. La concentración de cromo en los sedimentos se presentó en concentraciones similares a otros trabajos realizados en la zona, mientras que el mercurio se

encontró en niveles elevados en comparación a otras áreas donde la contaminación es reconocida como un grave problema.

INTRODUCCION La contaminación por metales está asociada usualmente con las descargas municipales e industriales que van directamente hacia los ríos, estuarios y al aire. Sin embargo, se relacionan también con la lixiviación de desechos, descargas sólidas y por el intemperismo de las rocas que aportan materiales al sistema fluvial (Villanueva et al., 1988). Debido a la capacidad que tienen los metales para formar complejos con la materia orgánica y su fácil incorporación a las cadenas alimenticias, donde pueden ocurrir procesos de bioacumulación, bioconcentración, biomagnificación y biotransformación, son considerados uno de los problemas de mayor importancia como contaminantes del medio acuático (Ávila & Zarazúa, 1993; Boyd, 1990). Debido algunos procesos fisicoquímicos, la mayor parte de los metales introducidos a un sistema acuático son depositados en el sedimento (Ávila & Zarazúa, 1993), por lo que juegan un papel importante en la contaminación del agua no solo por su volumen y peso, si no también por el papel que representan como portadores y catalizadores de pesticidas, residuos orgánicos, nutrientes y organismos patógenos (Sharpley & Seyers, 1979). Además los sedimentos representan un posible acarreo y curso de la contaminación debido a la estrecha relación que tienen hacia la columna de agua o por los cambios a condiciones ambientales tales como su pH, potencial redox o la presencia de materia orgánica (Vaithiyanathan & Ramanathan, 1993). Las consecuencias biológicas de la contaminación metálica dependen del resultado de una posible identificación de especies químicas que los metales puedan formar. Para ello es necesario caracterizar el cuerpo de agua y/o los sedimentos. La toxicidad de los metales es parcialmente dependiente de la forma en la cual se presenta y la facilidad con la cual es acumulado. A nivel celular los metales tóxicos pueden presentar formas análogas a los metales esenciales y por lo tanto actuar de manera tóxica. La presa José Antonio Alzate se encuentra ubicada sobre el río Lerma en el tramo comprendido entre la carretera TolucaNaucalpan y la población de Ixtlahuaca, aproximadamente a 25 Km. al norte de la ciudad de Toluca. Actualmente esta presa esta funcionando como una laguna de oxidación de las descargas que provienen del río Lerma, función que no le corresponde, por lo que presenta una alta alteración en el estado trófico (Ávila et al., 1995). En el tramo comprendido entre el nacimiento del río Lerma y la presa, se encuentran ubicados importantes desarrollos industriales con un numero aproximado de 2,500 industrias. Los resultados de la Red Nacional de Monitoreo establecen que la calidad del agua es de alta contaminación, principalmente en el tramo comprendido entre la carretera Mexico-Toluca y la presa Alzate (Gobierno del Estado de México, 1993). El propósito de este trabajo es evaluar la biodisponibilidad, y distribución del Cr y Hg en el agua y el sedimento de la presa José Antonio Alzate.

METODO Las muestras de sedimento fueron obtenidas en la Presa José Antonio Alzate ubicada al norte del Estado de México en Marzo de 1996, al principio de la época de estiaje. Las zonas de muestreo se seleccionaron de acuerdo a las condiciones hidrológicas de la presa, dichas estaciones son indicadas como puntos A, B, C, D, E, y F. Las muestras para determinar metales en sedimento se colectaron por medio de una draga manual ó pala de Ponar de acero inoxidable tipo Petersen. Todas las muestras fueron depositadas en bolsas de polietileno con capacidad de cinco kilogramos las cuales fueron colocados en hielo para su transporte al laboratorio. Las muestras de agua se obtuvieron a profundidades medias empleando una botella muestradora tipo Van Dorn. Posteriormente fueron colocadas en botellas de polietileno debidamente etiquetadas para cada zona de muestreo. Todas las botellas fueron lavadas con detergente neutro marca SIGMA y enjuagadas con agua desionizada. Todas las muestras de agua se pasaron a través de un filtro de membrana de 0.45 µm, de tamaño de poro, en un sistema de filtración millipore, para obtener la fracción soluble. Las muestras se preservaron con ácido nítrico (HNO3 ) concentrado en una proporción de 5 ml por litro guardándose bajo refrigeración. De cada una de las muestras se tomó una porción de 400 ml para ser sometidos a una preconcentración, llevándose a cabo mediante un proceso de liofilización, método que consiste en la perdida de agua de muestras orgánicas a bajas temperaturas (-25 ºC) y bajas presiones, sin que se alteren sus propiedades fisicoquímicas. Las muestras inicialmente fueron congeladas en su totalidad con nitrógeno líquido y colocadas en la unidad de presión durante un periodo aproximado de 72 horas. Al final del proceso se obtuvo un promedio de 37.6 ml para cada muestra. Las muestras de sedimento fueron preparadas por zonas de muestreo y sometidas a centrifugación durante media hora a 2,500 r.p.m. para remover el agua contenida en el sedimento, el líquido sobrenadante fue extraído y preservado en refrigeración. El sedimento de cada zona de muestreo se secó a temperatura ambiente, debido a que el mercurio que se encuentra en concentraciones muy pequeñas, al aplicar un procedimiento de calentamiento se produce la volatilización de dicho elemento a temperaturas no mayores a los 60 ºC (Herrera & Pérez, 1993). Después del secado se siguió el procedimiento descrito por Avila y Zarazúa (1994), donde las muestras fueron molidas en un mortero de ágata, tamizadas a 200 mallas y homogeneizadas en un mezclador automático SPEX 8000 con velocidad de vibración regulable y prefijado de tiempo de operación, durante media hora para garantizar una muestra representativa de cada zona. Para el sedimento se utilizaron dos patrones certificados de comparación, los cuales fueron: A).- CRM 320. Certified Reference Material from Community Bureau of Reference-BCR. Trace elements in river sediment. B).- IAEA/SOIL 7. Certified Reference Material from Internacional Atomic Energy Agency. Suelo.

En el caso del agua se preparó un patrón de mercurio, así como de cromo. El estandard para mercurio se preparó con 1 gr. de Hg contenido en una ampolleta marca MERCK aforado a 1000 ml con agua bidestilada obteniéndose así una solución de 1000 mg/L a partir del cual se obtuvo un patrón de referencia de 50 ppm, utilizando agua bidestilada para su preparación. Todas las muestras líquidas previo a la irradiación fueron llevadas a un pH = 2, para evitar algún tipo de contaminación bacteriana. Para cada muestra líquida incluyendo el patrón de referencia se tomó 1 ml para el análisis. Las muestras una vez pesadas y medidas se empaquetaron en ampollas de cuarzo y fueron selladas herméticamente mediante la llama de un soplete con mezcla de acetileno-oxígeno en el laboratorio de soplado de vidrio del mismo instituto. Este tipo de encapsulado sólo se lleva a cabo en muestras para cuantificar mercurio. El empleo de este material es necesario para evitar perdidas por volatización de este elemento. Para el análisis de cromo, las muestras líquidas se empaquetaron en cápsulas de polietileno debidamente selladas. El sellado se efectuó en forma simple por calentamiento, mediante la llama de un mechero y a presión del cuerpo. Este tipo de material es utilizado frecuentemente para irradiaciones de duración moderada. Para las irradiaciones, se emplearon cápsulas estándar de aluminio, de forma cilíndrica, con una solapa en la parte superior, destinada a permitir su cierre. En el interior de la cápsula se acondicionaron las ampollas de cuarzo conteniendo a las muestras tanto de agua como de sedimento, así como, al material de referencia. Las muestras líquidas restantes contenidas en los tubos de polietileno, se empaquetaron en bolsas de plástico debidamente selladas y lavadas con agua bidestilada. Cada muestra junto con su material de comparación se colocaron en el interior de las cápsulas estándar de aluminio. Una vez preparadas las muestras y los patrones, se sometieron a un bombardeo con un flujo de neutrones térmicos en el reactor TRIGA MARK III del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ), Centro Nuclear “Nabor Carrillo”. Las irradiaciones se llevaron a cabo de la siguiente forma: las muestras contenidas en las ampollas de cuarzo fueron sometidas a un tiempo de irradiación de 25 horas con 21 minutos a un flujo de neutrones térmicos de 9 x 1012 n. cm-2 s-1. El resto de las muestras contenidas en los tubos de polietileno fueron irradiadas durante 3 horas a un flujo de neutrones de 9 x 1012 n.cm-2 s-1. Todas las muestras se llevaron a cabo en un sistema de irradiación SIFCA. El periodo de exposición a la irradiación dependió de la sección eficaz del elemento, de la sensibilidad deseada y del periodo de vida media de los isótopos producidos. El equipo utilizado para la detección e identificación de los radioelementos presentes en las muestras fue un detector de germanio hiperpuro (Ge HP) marca Camberra con FWHM de 2.3 KeV en 1332 KeV del pico de 60 Co, cubierto con un blindaje de bajo fondo de plomo (Pb) de un espesor de 15 cm., acoplado a un preamplificador modelo 2020 marca Camberra y a una fuente de poder de alto voltaje modelo 3105 también marca Camberra, conectado finalmente a una computadora con una tarjeta que funciona como analizador multicanal de altura de pulsos, mediante el programa ORTEC PCA. Las muestras irradiadas se colocaron en el contenedor del detector gamma de germanio hiperpuro (Ge HP) utilizando centradores de lucita para mantener la misma geometría de conteo. El tiempo de conteo dependió directamente de la composición elemental y de los tiempos de irradiación. Para la identificación de los fotopicos detectados se recurrió a las tablas de energías y

características nucleares encontradas en la literatura (Leclerc & Cornu, 1974). Para el análisis cuantitativo de cada isótopo radiactivo mercurio (Hg), cromo (Cr) encontrado en las muestras, se considero una energía gamma característica. Para el análisis de los elementos fue necesario hacer correcciones para el tiempo de decaimiento de las muestras y los materiales de referencia. La concentración de cada isótopo presente en las muestras de agua y sedimento fue calculada mediante el método del comparador. Para el caso del agua se corrigió utilizando la cantidad de muestra antes y después de que fue tratada mediante liofilización, hasta obtener la concentración real para cada zona en µg/L. Para el sedimento se hicieron correcciones utilizando los pesos iniciales de cada muestra, para así obtener la concentración en µg/g . Finalmente se determinó la desviación estándar de cada una de las concentraciones obtenidas. Todos los resultados obtenidos fueron sometidos a un análisis de varianza mediante el programa estadístico SAX.

RESULTADOS Resultados en Agua. Mediante activación neutrónica se llevo a cabo un análisis cuantitativo de Cr y Hg. Los isótopos utilizados para cuantificar la concentración de los elementos fueron 51 Cr y 203 Hg, la razón por la que se tomaron estos radioisotopos para el análisis fue por ser los picos de mayor abundancia, así como su vida media larga. Se realizaron para cada uno de los elementos una prueba de Análisis de Varianza utilizando el programa estadístico SAX con una confiabilidad del 95% (α = 0.05). Los resultados se reportan en µg/L o ppb (partes por billón) así como la desviación estándar representada en porcentaje (%) del análisis de 5 muestras de agua. Los resultados de las concentraciones de los metales en el agua se muestran en la Tabla 1. Tabla 1. Concentraciones de mercurio y cromo en agua de la presa José Antonio Alzate. Concentración (µg/L) 203 Hg 51

Cr

Zona A

Zona B

Zona C

Zona D

Zona E

Zona F

S.M.

0.00182 + 0.04 0.2180 + 0.4

0.00128 + 0.03 0.3914 + 0.6

0.00161 + 0.04 0.2994 + 0.5

0.00153 + 0.04 0.1290 + 0.3

0.01310 + 0.1 0.1760 + 0.4

S.M.

S.M. = Sin muestra. σ : Las desviaciones estándar se reportan en por ciento (%). Todas las concentraciones están dadas en µg/L ó ppb.

Los resultados de cromo variaron en un rango de 0.1290 hasta las 0.3914 ppb o µg/L. El análisis estadístico mostró un error de reproductibilidad de 1.0000 % y diferencias significativas para cada una de las zonas de muestreo, encontrándose una mayor concentración de cromo en las zonas B, C y E. Las concentraciones de mercurio mostraron variaciones en la concentración del agua con un dato mínimo de 0.00128 y 0.013010 ppb, existiendo diferencias significativas entre los diferentes puntos de muestreo, así como un

error de reproductibilidad muy pequeño. Como se muestra en la Tabla 1, la zona F presenta la mayor concentración existiendo una marcada diferencia sobre las demás zonas. Los resultados mostraron que la zona B y F se encontraron como uno de los puntos de mayor concentración para los dos elementos, seguida de la zona C para el Cr. Las fracciones de metales pesados “biodisponibles” en los sedimentos son aquellos que representan un alto riesgo para los organismos debido a que son formas labiles o fácilmente intercambiables con la columna de agua y quedan a disposición de los mismos pudiendo ser bioconcentrados o bioacumulados (Ponce & Botello, 1991; Förstner y Wittmann, 1981). Los resultados reportados en la Tabla 1, para el cromo y mercurio en agua mostraron concentraciones relativamente bajas a las que se podrían haber esperado, por ser la presa Alzate un reservorio que se encuentra actualmente en condiciones sépticas, provista de una gran cantidad de materia orgánica, y contaminantes de todo tipo. Para el mercurio, se presentaron concentraciones relativamente bajas para casi todos los puntos de muestreo, a excepción de la zona F, donde la concentración rebasa los limites recomendados por la Legislación Mexicana para la Protección a la vida acuática que es de 0.01 µg/L (SEDUE, 1990). Según Roses et al., (1979), la biodisponibilidad del mercurio se encuentra relacionado cuando el elemento esta ligado al material particulado y mediante procesos de resuspencion se mantiene mas o menos constante en el agua. De acuerdo a lo anterior se podría haber esperado que la mayor biodisponibilidad de mercurio se encontraría en las zonas mas cercanas a la entrada de la presa Alzate por ser la principal fuente de aporte de metales y materia orgánica por el río Lerma. La zona B, que se presenta como el área de muestreo más cercana a la entrada de la presa para el caso del agua, mostró resultados con una alta biodisponibilidad de mercurio, siendo el segundo punto que reportó una concentración alta de este elemento en el agua (Tabla 2), esto puede ser atribuido a que en esta zona se reciben las aguas del río Lerma con aportaciones de aguas residuales industriales y municipales del corredor industrial TolucaLerma así como de la ciudad de Toluca (Avila, 1995). Sin embargo la zona C, donde podría haberse esperado una concentración mas o menos parecida a la reportada para el punto B, se presentó como la zona con la concentración mas baja de mercurio y por lo tanto el punto donde existe una menor biodisponibilidad de dicho elemento, debido tal vez a que en esta área las concentraciones fisicoquímicas del agua provocan una mayor asociación al material particulado. Los puntos D y E, que representan a la zona de interface y a la zona limpia respectivamente se encontraron concentraciones mas o menos homogéneas entra ambas zonas de muestreo, marcando así muy poca diferencia en cuanto a sus concentraciones reportadas (Tabla 2). Al hacer una comparación entre estos dos puntos podría haberse esperado que tal vez el punto E presentaría una mayor concentración de mercurio por ser la zona mas cercana a la influencia del río Lerma. En la zona E, se presentó un caso curioso ya que se detectó la presencia de una gran cantidad de microcrustáceos de Daphnia pulex, debido tal vez a que en esta área se encontraban las condiciones necesarias (pH, temperatura, túrbidez etc) para la reproducción de dicho crustáceo, siendo además favorecidos por la baja

biodisponibilidad de mercurio en el agua para esta zona en comparación con los limites establecidos por la “Legislación Mexicana para la Protección a la Vida Acuática” (0.01 µg/L) (SEDUE, 1989). Para el caso del cromo, este elemento se encontró abajo del límite máximo permisible para la protección de la vida acuática que es de 10 µg/L (SEDUE, 1989). Donde las concentraciones mayores se presentaron para los puntos B, C, y E mostrando así una mayor biodisponibilidad de este elemento para estas tres zonas. En los puntos E y F se encontraron las concentraciones mas bajas, posiblemente atribuido a que en las ultimas zonas el metal debe estar asociado al sedimento y por lo tanto, la biodisponibilidad de metales en estas zonas es baja. Al hacer una comparación de los resultados de mercurio con los de cromo, se observa que el punto F se reporta como la zona donde existe una mayor biodisponibilidad de mercurio y así mismo se muestra a la zona C como el punto con la biodisponibilidad mas baja de dicho elemento, caso contrario para el cromo ya que el punto C se reporta como la zona con una mayor biodisponibilidad. Resultados en sedimento. Para el análisis cuantitativo en sedimento, se utilizaron dos isótopos, el 51 Cr y 203 Hg. Cabe mencionar que para el análisis cuantitativo para el sedimento sólo se utilizó el material de referencia CRM-320, por presentar una mayor eficiencia en los picos del espectro para cada elemento. Al igual que en el agua, se realizaron pruebas estadísticas de análisis de varianza con una confiabilidad del 95% (α= 0.05). Los resultados en la concentración de metales en el sedimento se presentan en la Tabla 2.

Tabla 2. Concentración de cromo y mercurio en sedimento de la presa José Antonio Alzate. Concentración (µg/g) 203 Hg 51

Cr

S.M.= Sin muestra. en µg/g ó ppm.

Zona A

Zona B

Zona C

Zona D

Zona E

Zona F

0.05375 + 0.2318 172.94 + 13.2

S.M.

0.01001 + 0.1001 8.16 + 2.9

0.03123 + 0.1524 24.99 + 5.0

0.02324 + 0.1767 24.40 + 4.9

0.02633 + 0.1622 19.26 + 4.4

S.M.

σ : Las desviaciones estándar se reportan en por ciento (%). Todas las concentraciones están dadas

El cromo en el sedimento presentó valores mínimos y máximos de 8.16 y 172.940 ppm o µg/g respectivamente. Los datos presentan diferencias significativas en casi todas las zonas a excepción de la zona D y E, donde carecen de una diferencia significativa. La zona que presenta una mayor concentración entre los diferentes puntos de muestreo fue reportada para el punto A.

Por su parte el mercurio mostró variaciones entre los 0.01001 y 0.05375 ppm. En el análisis estadístico se muestra una diferencia significativa entre las diferentes zonas de muestreo. Encontrándose las concentraciones mayores en la zona A, E y F. Al igual que el cromo, el mercurio presenta un error de reproducibilidad del 1.0000%. Los resultados mostraron que las mayores concentraciones de cromo y mercurio las concentraciones mayores se encontraron en las zonas A y E. Además, los resultados mostraron una tendencia a disminuir la concentración de ambos elementos desde la entrada a la presa donde se encontró ubicada la zona A hasta la cortina de la presa donde fue ubicada la zona F. Sin embargo la zona C se presento como el punto donde se encontró la menor concentración para ambos elementos. En el sedimento el comportamiento de los metales es mas o menos homogéneo (Tabla 2). Para el mercurio las concentraciones mas altas las encontramos en los puntos A, E, y F de muestreo y las zonas con una concentración menor fueron reportadas para C y E. El nivel de concentración mas alto se presentó para la zona A, siendo este punto el mas cercano a la entrada de la presa y donde existe un gran aporte de materia orgánica y contaminantes, en comparación con las otras zonas de muestreo; no obstante, el flujo de la corriente de agua es mucho mas rápido ocasionando tal vez que la transferencia de los metales hacia el sedimento sea mucho mas lenta (Avila, 1995). La zona C, presentó una concentración cuatro veces menor que la reportada para el punto A, debemos tomar en cuenta que la distancia entre estos puntos de muestreo fue considerable, ya que la zona C se ubicó casi en el centro de la presa. En la parte central de la presa Alzate el movimiento del agua es constante, por lo que existe una menor tasa de sedimentación en esa zona, aunado a que posiblemente las características fisicoquímicas del agua tal vez provocan, que los metales se encuentren en forma suspendida. El comportamiento del mercurio para las tres zonas restantes fue de una forma mucho mas homogénea, las diferencias en cuanto a concentraciones fueron pequeñas, especialmente para los puntos E y F . La zona E se mostró como uno de los puntos donde el nivel de concentración de mercurio fue alto, dos veces menos que la zona A, esto se debe posiblemente a que su ubicación se estableció a la salida de uno de los ramales de la presa, además de que probablemente en esas zonas sea donde el movimiento del agua al ser muy lento se lleve a cabo la sedimentación de los metales en el sedimento. El cromo presentó un comportamiento muy parecido al del mercurio. Los resultados reportados en la Tabla 2 muestran niveles de concentración mas altos para la zona A, D y E presentándose al igual que el mercurio, la concentración menor en el punto C. Los puntos D, E y F mostraron un comportamiento homogéneo no habiendo una marcada diferencia entre cada zona, tal fue el caso para los puntos D y E donde no existió una diferencia significativa entre ambas zonas.

CONCLUSIONES El mercurio y el cromo a pesar de considerarse como dos elementos que representan un gran problema de contaminación por metales pesados presentaron en la mayoría de las zonas de muestreo en la presa José Antonio Alzate concentraciones bajas en la fase soluble del agua. Para el mercurio el mayor problema fue mostrado para las zonas B y F en el caso del agua; mostrando para el sedimento el nivel de concentración más alto para los puntos A, E y F, que corresponde a la entrada y salida de la presa Alzate. Para el caso del cromo, este se presentó en mayores concentraciones en la zona C y E para el agua; mostrando para el sedimento la concentración más alta para las zonas A y E. El punto A corresponde a la entrada de la presa y el punto E es la zona de interfase entre el agua relativamente limpia de la zona E la zona central de la presa. Los metales pesados en el agua se encuentran en concentraciones muy bajas en comparación al estudio realizado anteriormente por Avila (1995), para la misma área de estudio, por lo que probablemente los metales pesados se encuentran asociados al material particulado en estas aguas. Para el caso de los metales pesados en el sedimento de la presa, principalmente el cromo se encuentra en concentraciones similares a las reportadas por Barceló, et al, (1995). Así como a las de otras áreas donde la contaminación se encuentra reconocida como un problema grave. El empleo de la técnica por activación neutrónica para el análisis multielemental de muestras ambientales demostró tener una excelente aplicabilidad en muestras de agua y de sedimento de la presa Alzate, por lo que se recomienda su uso en estudios ambientales .

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