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Introducción
La ingestión de agua con contenido de metales y metaloides como el arsénico (As), cadmio, plomo y mercurio puede producir daños neuronales, problemas estomacales, parálisis parcial, ceguera y ciertos cánceres en piel, pulmón, hígado, riñón y próstata.1,2,3,4 El arsénico por sí mismo es un carcinógeno humano que causa tumores pulmonares, de la piel y otros; un umbral práctico en agua potable se toma como 0.01 mg/L.5
La exposición humana y ambiental a metales pesados y metaloides puede tener causas naturales como la erosión de suelos ricos en estos elementos y su transportación a los cuerpos de agua o causas antropomórficas como la generación eléctrica, los residuos sólidos de procesos industriales, las baterías no recicladas, los materiales de la industria de la fundición y la aplicación de fertilizantes y plaguicidas en agricultura.6,7
La variabilidad espacial de la concentración de contaminantes se usa para determinar la localización probable de las actividades humanas o fenómenos naturales que podrían ser la causa de contaminación.8 Los muestreos de cuerpos de agua y los sistemas de información geográfica (SIG) se utilizan como un método de detección de fuentes contaminantes de metales y metaloides. Este método también permite detectar riesgos de exposición, implementar medidas de prevención de riesgos ambientales y evaluar los efectos adversos potenciales a la salud humana debido a altas concentraciones de metales pesados.9,10
El Estado de Colima tiene aproximadamente 700 000 habitantes y 55% del agua para consumo humano proviene de fuentes subterráneas.11 Algunas mediciones aleatorias en pozos del estado encontraron concentraciones de arsénico entre 0.1 y 10 μg/L.12 Sin embargo, no se ha realizado un estudio a gran escala para determinar la distribución espacial de metales y metaloides en mantos acuíferos y sus riesgos potenciales a la salud en los habitantes de la región. Por lo tanto, este trabajo tiene como objetivo utilizar una metodología de interpolación espacial para estimar las concentraciones potenciales de metales pesados en las aguas subterráneas de las localidades del estado que utilizan estas fuentes de abastecimiento (dosis de exposición), datos con los cuales se evaluaron los riesgos potenciales en la salud de la población expuesta.
El método inicia con un muestreo aleatorio simple de las concentraciones de arsénico en pozos de extracción de agua potable y el uso de SIG y métodos estadísticos para determinar la distribución espacial de concentraciones, las cuales se utilizan para determinar exposición a contaminantes y riesgos potenciales en la salud. Esta información podría ayudar a definir políticas de abastecimiento de agua y salud pública que ayuden a proteger a las poblaciones susceptibles a la ingesta de metales y metaloides presentes en los mantos freáticos de sus comunidades.
Material y métodos
Se utiliza una metodología con herramientas analíticas y geoestadísticas para estimar los coeficientes de peligro y de riesgo para poblaciones expuestas al arsénico a través de las fuentes de abastecimiento de la red de agua potable del estado de Colima. Entre las tres vías principales de exposición (ingestión, inhalación y absorción dérmica), solamente se analizó la ingestión, ya que ésta es la vía más importante de exposición humana para As.13
Área de estudio
La mayor parte de la población de Colima reside en zonas urbanas donde se suministran servicios de agua potable y alcantarillado.14 Existen 272 pozos de agua potable en Colima. Se realizó un muestreo aleatorio simple con el que se recabaron dos muestras de agua de cada pozo en abril de 2013. Se tomaron muestras de 36 pozos, abarcando 10 de los 11 acuíferos de Colima (figura 1).
Preparación y análisis de las muestras
Las muestras de agua se recolectaron cumpliendo con la Norma Oficial Mexicana para uso y consumo humano NOM-014-SSA1-1993.15 Cada muestra se filtró con acetato de celulosa y jeringa SFCA 45 UM. Se usó el filtro Syring-driven de nylon; mismo que se usa para clarificar el agua.
Se preservaron con ácido nítrico ultra puro marca Sigma hasta llevarlas a un pH≤2 (ácido de un solo frasco). Luego, las muestras en solución se aforaron a 50 ml con agua desmineralizada y se analizaron con un espectrómetro de emisión óptica de plasma marca Varian, modelo 730-ES Optical Emission Spectrometer, axial, con detector, 1 KW de potencia, 90 psi de presión, 15 rpm y flujo del nebulizador de 0.75 L/min. Para la cuantificación del arsénico se usó una curva de cinco puntos.
Se utilizó el estándar “Cat. #ICP-200.7-6 EPA Method 200.7 estándar 6 solución en 2% HNO3 + Tr HF” (trazas de ácido fluorhídrico) soluciones A, B, Lote# 1213232 (fecha caducidad enero 22, 2014) para determinar la concentración de As.16
El control de calidad usado fue con una muestra de valor conocido y un blanco reactivo que se acidifica para tener un pH igual que las muestras blanco de calibración que se prepara igual que los estándar y blanco de enjuague; mismo que igualmente se prepara agregando 5% de HNO3 a agua desionizada (tipo I). Posteriormente, al control de calidad de la muestra de valor conocido y al blanco reactivo se les realizó la lectura después de un lote de 20 muestras y se sigue lo indicado en el método EPA 200.7 de 9.1 a 9.4. Los valores de precisión y exactitud logrados para As son Repetibilidad (R): 0.023, Reproducibilidad (r): 0.029, %R&r: 1.51 y %R&r≤10: Aceptado.
Interpolación espacial
Esta investigación utilizó las cifras del Censo Población y Vivienda 2010.17 Con los datos de población total, se calculó la población constante en Colima (se resta la población nacida en otra entidad y el porcentaje de emigración para cada una de las localidades dentro de cada acuífero en el estudio). La información poblacional se usó para desarrollar una capa de población para el SIG utilizando la plataforma ArcGIS. Con esta plataforma también se obtuvo una interpolación para cada punto muestreado de As. El análisis geoestadístico se realizó a través de un modelo de ponderación del inverso de la distancia (IDW, por sus siglas en inglés), dentro de la extensión Geostatistical Analyst, este sistema creó isolíneas de la concentración del arsénico18 con lo cual se hizo una interpolación para las zonas entre los puntos de muestreo.
La población se dividió en tres categorías: bebés (0-2 años), niños (2-17 años) y adultos (18 años en adelante). Para la presentación de los mapas de resultados se hicieron cortes que incluían las poblaciones con pozos de abastecimiento de agua potable. Después se superpuso la capa de población constante a las isolíneas de concentración del arsénico; éstas se unieron para arrojar el resultado final de dosis de exposición. Los mapas generados se limitaron a la delimitación geográfica de los acuíferos analizados debido a que las predicciones estaban influenciadas por los puntos de muestra vecinos, por lo cual la interpolación geoespacial no se realizó en toda el área superfical del estado de Colima.
Adicionalmente, se consultaron límites máximos permisibles para el arsénico de fuentes oficiales en México, Estados Unidos y el mundo,19,20,21,22 que sirvieron para identificar cada uno (y cuantificar el porcentaje) de los pozos muestreados que resultaron fuera de los límites regulatorios permisibles.
Estimación del coeficiente de peligro, riesgo y población expuesta
Para estimar la ingesta diaria promedio de agua para cada grupo poblacional y la dosis de exposición, se tomaron resultados de estudios previos realizados en México.23 Las suposiciones poblacionales consideradas para el cálculo de la ingesta diaria promedio fueron asumidas de manera conservadora para cada grupo de la siguiente manera: a) para los bebés es que su edad fuera menor a 2 años con un peso promedio de 10 kg por individuo y un consumo diario de 500 ml de jugos de frutas y una fórmula alimenticia que requiere 750 ml de agua hervida; b) para los niños es que tuvieran entre 2 y 17 años, con un peso promedio de 20 kg y un consumo diario de 750 ml de agua embotellada, 250 ml de agua hervida y 250 ml de bebidas envasadas; y c) para los adultos es que tuvieran 18 años o más, con 70 kg de peso promedio y un consumo de agua de 1 500 ml de agua embotellada, 350 ml de agua hervida y 350 ml de bebidas envasadas.
La ingesta crónica diaria (CDI, por sus siglas en Inglés) se estimó utilizando métodos de la U.S. EPA y datos de la interpolación de la concentración de metales y metaloides en el agua para beber para cada comunidad y con las tasas medias de consumo de agua potable para cada grupo poblacional descritas anteriormente:16,24,25
(1)
donde:
CDI es la ingesta diaria crónica (mg/kg/d).
C es la concentración del agua para beber contaminada (mg/L).
DI es la tasa media de consumo de agua potable (L/d).
BW es el peso corporal en (kg).
Con la finalidad de homogeneizar los mapas, distribuir uniformemente las concentraciones puntuales iniciales de los pozos de agua y realizar un análisis de sensibilidad de riesgo, se crearon cinco clases o zonas con base en sus rangos de concentración y los límites permisibles (0.01, 0.025, 0.05, 0.06 y 0.082). En el cálculo del CDI se usaron las concentraciones mínimas y máximas marcadas para cada clase.
El riesgo no carcinogénico HQ, se calculó utilizando el CDI y la dosis de referencia para el arsénico.20,26 Los valores de HQ>1 indican efectos adversos no carcinogénicos para la salud por la ingesta continua y prolongada de agua. Los datos de la dosis de referencia para el arsénico se obtuvieron de la base de datos de la Agencia de Protección al Ambiente de los Estados Unidos.20,27
(2)
donde:
RfD es la dosis de referencia (mg/kg/d).
El riesgo para cáncer asociado con la ingestión se calculó utilizando la ingesta diaria crónica y la curva del factor del contaminante:20,28
(3)
donde:
R es la probabilidad de desarrollar cáncer como resultado de la exposición a un contaminante (o riesgo carcinogénico).
CDI es la ingesta diaria crónica (mg/kg/d).
SF es la curva del factor del contaminante (mg/kg/d)
La U.S. EPA20 ha señalado una dosis de referencia oral crónica (RfD) de 0.0003 mg As/kg/día para el arsénico inorgánico, la cual fue usada para los cálculos geoestadísticos del estudio; el mismo valor de RfD estuvo basado en un NOAEL de 0.0008 mg As/kg/día para los efectos dérmicos y las posibles complicaciones.
Los datos de las concentraciones calculadas de cada área, obtenidas del sistema ArcGIS, se utilizaron para calcular los HQ y R para As en cada grupo poblacional de cada área geográfica, generando los mapas de resultados. Las categorías de concentración obedecen a las concentraciones límites respecto a la OMS y US EPA (0.01 mg/L), la NOM-127-SSA1-1994 (0.025 mg/L), el doble de dicha concentración de la norma oficial (0.05 mg/L) y el límite superior de la concentración máxima encontrada (0.082 mg/L). Con respecto a la estimación de la potencial población afectada por ingesta crónica de arsénico, se multiplica la población expuesta por el riesgo calculado.
Resultados
Se realizaron los análisis y se calculó la media de ambos resultados por pozo para calcular el dato final de concentración. De los 36 pozos analizados, 80.5% tenían concentraciones de arsénico superiores a lo permisible por la OMS y la US EPA de 0.01 mg/L; mientras que siete pozos (19.4%) superaron las concentraciones permisibles para arsénico fijados por la NOM-127-SSA1-1994, ≤ 0.025 mg/L. De esos siete pozos, uno presenta un grave problema de contaminación (0.083 mg/L), mientras que los otros seis oscilaron entre 0.026 y 0.063 mg/L.
La población que recibe agua de los pozos analizados se estimó en 409800 habitantes. Los valores de HQ para el arsénico (cuadro I) son mayores a 1 para todos los niveles de concentraciones para el rango de edad de bebés (81 960 individuos); también se observan valores mayores a 1 para los niveles 3 a 5 de la población de entre 2 y 17 años (58 015 individuos) y para el nivel 5 para los adultos (43 857 individuos). Esto indica que todos estos grupos son susceptibles a desarrollar afectaciones a la salud no relacionadas con el cáncer; se estima que 183 832 individuos se encuentran en estos grupos poblacionales susceptibles. Las concentraciones de arsénico también presentan sus mayores niveles cerca de la Ciudad de Colima y Villa de Álvarez, las cuales concentran alrededor de la mitad de la población estatal. Los riesgos de cáncer (R) por ingesta de arsénico (cuadro II) se utilizaron para calcular el número probable de casos de cáncer en las comunidades analizadas, este número se estimó en 466 casos.
Cuadro I: Estimaciones de coeficiente de peligro (HG) en la población expuesta al arsénico (AS). Colima, Octubre 2013
Los diferentes niveles de HQ así como de riesgo de cáncer (R) en la población se observan en la figura 2, la cual indica que la zona principal de riesgo se encuentra cerca de la Ciudad de Colima y Villa de Álvarez. El valor promedio de HQ a nivel estatal fue de 2.41 para el arsénico. El factor de riesgo estatal de cáncer (R) por ingesta crónica de As fue de 1.089E-03.
Discusión
El arsénico podría ocasionar la mayoría de los problemas de salud asociados con la ingesta de agua de pozo contaminada con metales en Colima. Sin embargo, se requiere de mediciones más precisas, un sistema de registro de síntomas en los centros de salud del estado y estudios epidemiológicos a nivel local para poder estimar la incidencia de padecimientos o afectaciones relacionadas con la ingesta de arsénico proveniente de aguas subterráneas. Esto permitiría cuantificar el problema para poder asignar recursos para implementar políticas públicas y de infraestructura para proteger la salud de las poblaciones afectadas.
La población más vulnerable a la presencia de arsénico en el agua son los individuos menores de dos años, puesto que todos los niveles de concentraciones de As podrían ocasionarles afectaciones adversas no carcinogénicas a la salud que todavía no se han cuantificado, incluso tiene el HQ más alto para cualquier grupo poblacional en este estudio (17.87). Este fue el grupo de población más susceptible y numeroso en 2008 (81 960 individuos según el censo de 2010), por lo cual su protección deberá tener prioridad dentro de las políticas de salud pública que se implementen en el futuro para mitigar este problema.
Es poco probable que el aumento en las concentraciones de elementos como el arsénico en el área cercana a las ciudades de Colima y Villa de Álvarez sea por causas naturales, debido a que el diferencial de concentraciones entre esta población y otras localidades del estado es muy marcado. Por ello se recomienda que se investiguen causas antropomórficas de este problema como posibles descargas en el río Colima que podrían estar afectando las concentraciones de metales y metaloides en aguas subterráneas cercanas.
No obstante, el aumento en la profundidad promedio de los pozos en esta área en las últimas décadas, podría ser la causa principal del incremento de metales y metaloides disueltos en el agua subterránea debido a la oxidación que sufren al bajar los mantos freáticos y a posibles concentraciones más altas de los mismos en aguas subterráneas profundas.29,30,31,32 De comprobarse esta causa, podrían implementarse procesos de pretratamiento para disminuir la concentración de arsénico de aguas subterráneas para consumo humano.33,34,35 Para obtener la concentración de los demás pozos no analizados se usó el método de extrapolación geográfica de ponderación inverso de la distancia (IDW). La referencia para usar esta ponderación es debido a que este método fue reportado por otros autores como el de menor error en la extrapolación para As en aguas subterraneas.36
Conclusiones
Los porcentajes de pozos que incumplieron con los límites de As varían significativamente dependiendo de si se aplica la norma mexicana o las normas internacionales. La norma oficial mexicana (NOM-127-SSA1-1994) establece un máximo permisible de 0.025 mg/L, mientras que el límite permisible por la OMS y la USEPA es de 0.01 mg/L; por lo cual sería conveniente evaluar los impactos económicos y de salud, además de homologar este límite con el resto del mundo, medida que requeriría de un estudio a nivel nacional.
De haberse tomado como referencia el límite permitido para As por la OMS y la U.S. EPA (de 0.01 mg/L) en el agua potable, únicamente el nivel más bajo de As hubiera estado dentro del rango aceptable; los cuatro niveles restantes presentaron concentraciones por encima de ese parámetro internacional, incluso el nivel de concentración más alto presentó rangos ocho veces más altos que el parámetro marcado. Con respecto a los niveles de As analizados conforme a la NOM-127-SSA1-1994, se observaron concentraciones de arsénico fuera de norma en dos pozos ubicados en el centro de la ciudad de Colima, con alta densidad poblacional. Lo anterior originó que el factor de riesgo se incrementara en la determinación estatal.
Se estimó que 446 personas se encontraban potencialmente en riesgo de presentar algún tipo de cáncer por el consumo crónico de arsénico, sin embargo, esto no necesariamente indica que la enfermedad se presentará. Algunas personas que desarrollan la enfermedad puede que tengan pocos o ninguno de los factores de riesgo conocidos.
