Descripción de la zona de estudio

El NT es un área natural protegida que abarca 46 784 ha, ubicada en el sureste del Valle de Toluca, Estado de México. Está incluido en la provincia fisiográfica denominada Sistema Neovolcánico Transversal entre las coordenadas geográficas 18º 51’ 31’’ y 19º 19’ 03’’ latitud norte, y 99º 38’ 54’’ y 100º 09’ 58’’ longitud oeste (^{CONANP 2008}). La zona incluye los municipios mexiquenses de Almoloya de Juárez, Amanalco de Becerra, Calimaya, Coatepec Harinas, Temascaltepec, Tenango del Valle, Texcaltitlán, Toluca, Villa Guerrero, Villa Victoria y Zinacantepec (^{GEM 2011}).

El NT o Xinantécatl se distingue por su pico de altitud de 4680 msnm. Debido a su geomorfología y a su rango altitudinal predominante en proyección (mayor a 3000 msnm), descienden numerosos arroyos que contribuyen al origen de las cuencas del río Lerma-Chapala-Santiago al norte y al oriente, y del río Balsas al sur y al occidente (^{CONAGUA 2008}). Cerca de 50 arroyos permanentes descienden del NT en cuatro direcciones. Estos cuerpos de agua albergan una alta biodiversidad debido a factores como la humedad, la conformación topográfica del área y el tipo de vegetación que se establece en las orillas de los cauces (^{CONABIO 2004}).

Con base en su formación geológica (roca encajonante de caolinita-pirita) y los criterios de clasificación de la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) y la Organización de la Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO), el NT se caracteriza por tener suelos de tipo Andosol Úmbricos, Regosol Eútricos y Feozem. El clima predominante es frío en la cima del volcán, semifrío con régimen de lluvias en verano en las laderas, y subhúmedo y templado con lluvias en verano en los límites inferiores. La temperatura media fluctúa entre 2 y 7 ºC, y registra precipitaciones entre 700 y 1000 mm anuales, aproximadamente (^{CONANP 2008}). El principal cultivo del NT es la papa, que en general requiere de una amplia variedad de agroquímicos debido a múltiples factores como la proliferación de agentes causales de diversas enfermedades y la necesidad de potencializar su producción, entre otros (^{Porta 2003}). Eventualmente se producen avena, flor de nube y calabaza (^{Franco et al. 2006}).

La zona de estudio se caracteriza por una alta diversidad biológica micológica, florística y faunística. La vegetación predominante en el NT son los bosques de pino (Pinus pseudostrobus), pino-encino (Pinus pseudostrobus y Quercus laurina), oyamel (Abies religiosa) y pasto alpino. Entre la fauna de la zona se encuentran aproximadamente 92 especies de vertebrados. No obstante, la región se distingue por su carga específica de especies endémicas de hongos, flora y fauna (^{Franco et al. 2006}).

La comunidad de La Peñuela (769 ha) es una de las 54 localidades del municipio de Zinacantepec, Estado de México, y una de las 23 localidades que se encuentran al interior del NT (anteriormente denominado Parque Nacional Nevado de Toluca). Se localiza a los 99º 51’ 8.58’’ de longitud oeste y 19º 9’ 35.9’’ de latitud norte, a una altura de 3040 msnm, justo en el límite inferior del NT.

El clima (C [E] wig) es semifrío subhúmedo con temperatura media anual de 2 a 7º C. El régimen de lluvias en verano es isotermal y la temperatura del mes más caliente se presenta antes del solsticio de verano. Este tipo de clima rodea todo el NT en la franja de los 2800 a 3700 m de altitud y se define en la parte norte y/o sureste de la zona de estudio (^{GEM 2011}).

Muestras y análisis de laboratorio

Los sitios de muestreo se ubicaron con un dispositivo GPS conforme al sistema que utiliza actualmente el Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI) de México, en coordenadas UTM-WGS84. Dichos sitios se seleccionaron de acuerdo con la dirección del viento y el agua, que fluyen de norte a sur y son las vías de dispersión de los suelos en la zona.

Se muestrearon en total 40 parcelas que se usan para el cultivo de papa según los criterios propuestos por ^{Davor (2005)}. Se empleó la siguiente identificación de los tipos de suelo de las parcelas muestreadas: suelos de vocación intensiva (SVI), suelos de vocación semiintensiva (SVS-I) y suelos de vocación tradicional (SVT). El control fueron suelos boscosos conservados asociados con los suelos evaluados (20 muestras compuestas). Las definiciones fueron las siguientes:

SVI: se caracterizan por el abuso del uso de agroquímicos (generalmente se incorpora más del doble de la dosis señalada en la etiqueta), por los altos rendimientos productivos, por la nula incorporación de materia orgánica (MO), por la nula rotación del cultivo y por el alto laboreo mecanizado.

SVS-I: se caracterizan por el uso de agroquímicos (generalmente se respeta la dosis señalada en la etiqueta), por los rendimientos moderados en la producción, por el aporte ocasional de MO, por la ocasional rotación del cultivo y por el moderado laboreo mecanizado.

SVT: se caracterizan por la nula o casi nula incorporación de agroquímicos, por los rendimientos moderados de la producción (generalmente menores a los de SVS-I), por el aporte frecuente de MO, por la rotación de cultivos y por el moderado laboreo con herramientas de tracción animal y/o manual.

En cada una de las 40 parcelas se tomaron 10 muestras simples que se mezclaron para formar una única muestra compuesta por parcela (500 g de muestra). De esta manera fueron analizadas 40 muestras compuestas, 20 por cada tipo de suelo (SVI y SVS-I). Las muestras de suelo se recolectaron en enero de 2019 siguiendo los criterios que establece la Norma Mexicana NMX-AA-132-SCFI-2006 (SCFI 2006) en el horizonte Ap (0-25 cm), con una pala de punta hecha de aluminio (la cual se lavaba con agua corriente y se secaba con papel secante después de la toma de cada muestra para evitar la contaminación cruzada) en una distribución de tresbolillo.

Las muestras se embalaron en bolsas de plástico herméticas, se etiquetaron y se transportaron al laboratorio, donde se secaron en horno a 90 ºC durante 48 h. Se retiraron piedras, hojas y otros materiales que no eran suelo. Se cuartearon y dividieron en dos partes iguales: una se resguardó como “retenido original” y el resto del suelo se utilizó para las evaluaciones. El suelo para evaluar se homogeneizó y molió con un mazo de madera cubierto de plástico y posteriormente se tamizó a través de una malla del número 10 (2000 μm) para los análisis físicos y químicos.

En todas las muestras se determinaron las siguientes propiedades edáficas: textura, pH en agua en relación suelo-solución 1:2.5 y pH en KCl por el método propuesto por ^{McLean (1982)}, conductividad eléctrica (CE) en relación sólido-agua de 1:5, porcentaje de MO por el método de ^{Walkey y Black (1947)} y capacidad de intercambio catiónico (CIC) por el método del acetato de amonio.

El análisis de la concentración total y geodisponible de los EPT de interés (As, Pb y Cd) se realizó mediante espectroscopia de absorción atómica por generación de hidruros (AA-GH) en el caso del As y mediante espectroscopia de emisión atómica por plasma de acoplamiento inductivo (ICP-AES) en el caso de los metales pesados (Pb y Cd). Para definir la situación de los EPT en este estudio se consideraron las concentraciones de referencia establecidas en la Norma Oficial Mexicana NOM-147-SEMARNAT/SSA1-2007 (^{SEMARNAT 2007}).

El procedimiento de digestión ácida se realizó de acuerdo con lo indicado en la Norma Oficial Mexicana antes citada (^{SEMARNAT 2007}) para la extracción del elemento total. Se tomaron por cuarteo aproximadamente 5 g de muestra, se trituraron en un molino de bolas de óxido de zirconio y se pasaron por una malla 100 (tamaño de partícula < 149 μm). Se pesaron aproximadamente 0.5 g por triplicado de la muestra dentro de vasos de teflón del microondas. Se preparó un blanco y un blanco adicionado, también por triplicado. Al blanco adicionado se le añadieron 0.5 mL de una disolución estándar de 100 mg/L de Ag, Al, As, B, Ba, Be, Bi, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, In, K, Li, Mg, Mn, Na, Ni, Pb, Se, Tl, V y Zn. Posteriormente se adicionaron a cada muestra 10 mL de HNO₃ concentrado. El sistema se dejó abierto durante una hora para permitir que las reacciones entre el ácido nítrico y los carbonatos de la muestra concluyeran (potencialmente presentes). De ese modo se evitó la formación de CO₂ durante la digestión. Se cerraron los vasos y se colocaron en el carrusel. En la primera etapa de la digestión se elevó la temperatura hasta 175º C durante 25 min a una potencia de 400 W. La segunda etapa consistió en mantener la misma temperatura durante 15 min adicionales. Terminada la digestión, las muestras se filtraron con papel Whatman núm. 42 y se aforaron a 100 mL con agua desionizada. Para la extracción del elemento geodisponible, las muestras se dejaron a saturación durante 24 h con agua desionizada; posteriormente se filtraron y aforaron a 25 mL y se tomó una alícuota de esta disolución para su análisis.

Los valores de las muestras duplicadas indicaron que la repetibilidad varía de 3 a 9 %. Adicionalmente, se realizó un análisis de varianza y una prueba de Tukey (P < 0.05) de los EPT por tipo de suelo con el paquete estadístico SAS (^{SAS 1988}), de acuerdo con el diseño experimental.

Propiedades físicas y químicas

Los resultados de las propiedades físicas y químicas que se determinaron en los suelos evaluados del NT se presentan en los cuadros I y II, respectivamente, considerando dos de los tres tipos de suelos de la zona: SVI y SVS-I.

Los suelos evaluados se definen texturalmente como francos por su contenido semiequilibrado de arena, limo y arcilla (^{FAO 1990}). Sin embargo, pueden definirse con rigor como franco arenosos (lo que los hace susceptibles de encalamiento) debido a la intemperización consistente de las arcillas. Esto posibilita que la aireación y permeabilidad del recurso sean menores; asimismo, provoca la acidificación del suelo, ya que al minarse la carga específica de arcilla (así como de MO), se elimina el H⁺ a cambio de cationes como calcio (Ca²⁺), magnesio (Mg²⁺) y potasio (K⁺), entre otros.

Los suelos evaluados son eminentemente ácidos (Cuadro II); sin embargo, ha ocurrido un cambio en los valores de pH en los últimos años de 3.18 (2011) en suelos agrícolas de vocación intensiva y semiintensiva (^{Martínez et al. 2015}) a 4.17 en los mismos suelos (SVI y SVS-I) en la actualidad (enero de 2019). Es importante resaltar que los suelos evaluados tienden a un pH de 5.5 consistente en los suelos boscosos asociados.

La situación ácida de los suelos evaluados es una consecuencia del abuso en el uso de plaguicidas con alto contenido de EPT en la zona, ya que los sulfatos de los metales que contienen dichos plaguicidas se hidrolizan y liberan protones, lo cual afecta de modo significativo la geodisponibilidad de ciertos metales como el Pb y Cd, entre otros, y la asimilación de nutrimentos. En consecuencia, se ejerce una fuerte influencia sobre la estructura del suelo y su dinámica global interactiva, principalmente con sales y metales disponibles. Se asume que dicha situación ácida influye directamente en las poblaciones de la microbiota edáfica y los hongos, los cuales determinan la disponibilidad de nutrimentos para las plantas; por ejemplo, cuando el suelo es ácido (pH de 4.5 y 5.5) la descomposición de la MO hacia la producción de amoniaco (amonificación) se acelera debido a la acción de bacterias amonificantes. Por otro lado, el proceso de nitrificación es óptimo a pH de 6.5 y 7.6 (^{González-Fernández et al. 2003}). En este sentido, se está perdiendo el equilibrio de nitrificación en la zona, dado que los suelos evaluados son eminentemente ácidos (pH = 4.1), y su amonificación aumenta ostensiblemente.

La importancia práctica de esto radica en que se acumulan compuestos amoniacales cuando el pH del suelo es menor a 5.5, como es el caso. Esto es, el nitrógeno de las fuentes nítricas es convertido en amoniaco (NH³). Cuando las condiciones del clima son adecuadas para el crecimiento del cultivo (papa) y el pH se encuentra entre 6 y 6.5, la amonificación y la nitrificación se producen casi a la misma velocidad provocando un equilibrio entre las fuentes nítrica (NO₃ ^-) y amoniacal (NH³) de nitrógeno, una situación deseable en la zona, razón por la cual se adiciona cal (CaCO₃) a los suelos con el propósito de alcalinizarlos y que tiendan al equilibrio amonificación-nitrificación. Sin embargo, aún no se ha evaluado el efecto de la cal sobre el pH de los suelos de la zona y su recuperación potencial (no encalar los suelos con tendencia ácida puede provocar que la aplicación de plaguicidas de reacción crítica los acidifiquen aún más a través de los años).

Es importante precisar que la acidez de los suelos de la zona también puede deberse a las condiciones climáticas prevalentes (además de los plaguicidas y el origen volcánico de los suelos del NT), ya que es bien sabido que la lluvia (ácida), el viento y la temperatura controlan tanto la intensidad de lixiviación (lo cual es característico de suelos húmedos como los Andosol, Regosol y Feozem del NT) como el desgaste de los minerales del suelo. Esto influye de manera importante en las propiedades químicas del recurso, particularmente en la acidez y la salinidad (^{González-Fernández et al. 2003}); pero, sobre todo, en la pérdida de la vegetación asociada (no conífera), que definitivamente es un factor determinante en el control de la acidez del suelo (^{Roberts et al. 1999}).

Dicha acidez provoca la disminución del porcentaje de MO, lo que genera a su vez la disminución de la CIC del recurso (provocando generalmente la carencia de Ca y Mg), la pérdida de su capacidad de adsorción y el aumento de la CE, ya que se solubilizan cationes (Cuadro II). Además, produce un incremento notable de la geodisponibilidad de elementos como Al, Pb, y Cd, entre otros, causando efectos adversos sobre la microbiota edáfica, hongos, plantas, animales y cualquier otro organismo que dependa del sistema.

En particular, el Al y el Cd forman un complejo de esfera interna muy estable al interactuar con el agua (presente en los horizontes superficiales) . El producto de su hidrólisis es un ácido moderadamente fuerte con un pKa de 3.3, lo que aumenta aún más la acidez. Normalmente, la interacción del Al con el Cd y agua provoca efectos directos indeseables en el metabolismo de la plantas, como interferencia en la transferencia de iones y agua a través de las membranas celulares de la raíz. Las raíces se acortan y engrosan, lo que afecta la habilidad de la planta para absorber agua y nutrimentos, particularmente fosfato.

Los valores de CE de los suelos evaluados (479 y 488 µS/cm para SVI y SVS-I, respectivamente) no tuvieron diferencias significativas. Son evidencia de la carga específica de sales y de la acidez de los suelos, y también son evidencia contundente de la presencia de diferentes especies químicas de metales pesados y arsénico. En el caso de la MO, la condición es consistente, dado que en ambos tipos de suelos evaluados se redujo el porcentaje total de esta materia, lo que representa bajos rendimientos en el cultivo y saturación de bases intercambiables en el mínimo perfil edáfico. La carencia de MO en los suelos evaluados evita que los oxianiones de metales pesados sean reducidos a la forma trivalente, ya que al carecer de este donador de electrones u otros compuestos reductores inorgánicos asociados, la dinámica global del suelo es impactada negativamente, sobre todo a nivel de la movilidad de los micronutrimentos y la vida microbiana (^{Bain 2000}).

Concentración geodisponible de EPT

En los cuadros III, IV y V se presenta la concentración total y geodisponible de los EPT evaluados (As, Pb y Cd) en los SVI y SVS-I considerados, los cuales se caracterizaron en este estudio por su alta concentración total de EPT en todos los casos (As, Pb y Cd) sin diferencia alguna. Estos puede deberse a que en ambos tipos de suelo se abusa del uso de plaguicidas para la producción de papa (Cuadros III-V).

En una investigación realizada en la zona, ^{Martínez-Alva et al. (2015)} encontraron que la concentración total de As y Cd no fueron diferentes significativamente en los suelos de agricultura intensiva (As = 9.54 mg/kg y Cd = 3.49 mg/kg) y semi-intensiva (As = 8.61 mg/kg y Cd = 2.11 mg/kg). En ambos casos, los valores geodisponibles estuvieron por debajo del límite de detección. No obstante, en la actualidad la presencia de As y el Cd es notoria en la fracción geodisponible (Cuadros III y V), lo que constituye evidencia contundente de que se están depositando cada vez más EPT que representan un riesgoso potencial para la salud de la población y el ambiente. La misma situación se observa con el Pb.

Es importante precisar que la concentración geodisponible de As y Cd que se determinó en los suelos evaluados puede producir efectos potencialmente adversos sobre la salud de la población en el corto plazo. En el caso particular del As, se sabe que concentraciones superiores a 50 µg As/g de creatinina en orina pueden provocar náusea, vómito y diarrea, disminución en la producción de eritrocitos y leucocitos, ritmo cardiaco anormal, daños a los vasos sanguíneos, alteraciones en el sistema nervioso, sensación de hormigueo en manos y pies, y eventualmente la muerte (^{ATSDR 2007a}).

La exposición crónica a As en agua para consumo humano también está relacionada positivamente con el incremento en el riesgo de padecer cáncer de riñón, vejiga, piel y pulmón (^{Woo y Chi 2001}). En este sentido, se asume que el consumo de suelo (ordinariamente en niños) también puede estar relacionado con el riesgo de padecer dichos tipos de cáncer. La exposición a As y metales pesados (Pb y Cd) ha sido una constante en la zona desde 2011 (^{Martínez-Alva et al. 2015}), cuando se empezó a evaluar la concentración total y geodisponible de EPT en los suelos del NT. Esta circunstancia justifica la pronta evaluación de la concentración total y geodisponible de As en los cuerpos de agua de la zona y sedimentos, así como la biodisponibilidad de dichos EPT en flora, fauna y población humana (biodisponibilidad momentánea y su correlación con daño genético y citotóxico), con el propósito de diagnosticar con alta precisión científica la situación de esta valiosa región del NT e incidir positivamente en la atención del problema.

En el caso del Cd, la exposición crónica a este metal pesado es todavía más preocupante, ya que este agente se relaciona positivamente con la promoción de daño renal contundente (nefropatía severa) y daños permanentes al sistema nervioso central, lo que puede causar distintos tipos de discapacidad en la población (principalmente por daño al riñón), y eventualmente la muerte súbita (^{Carvalho et al. 2009}).

En el caso del Pb (Cuadro IV), la concentración total en ambos tipos de suelos (398 y 393 mg/kg para SVI y SVS-I, respectivamente) ha aumentado dramáticamente respecto a su evaluación en 2011 (^{Martínez-Alva et al 2015}), ya que está por alcanzarse el límite permisible (200-400 mg/kg) establecido en la Norma Oficial Mexicana NOM-147-SEMARNAT/SSA1-2004 (^{SEMARNAT 2007}), lo que representa un riesgo inminente para la salud de la población y el ecosistema. Lo preocupante es que la fracción geodisponible en ambos tipos de suelos (SVI y SVS-I = 0.09 mg/L) rebasa el estándar soluble (0.05 mg/L), una evidencia clara de la posible adversidad que está por sobrevenir en la región. En adultos de la zona se han detectado lesiones en la piel presumiblemente cancerosas que, sin embargo, no se han diagnosticado clínicamente. En el caso de los niños jornaleros también se han observado lesiones en piel y refieren dolores a nivel renal, un asunto preocupante que no ha recibido la atención pertinente de las autoridades de salud pública. Se presume que la carga de As y Cd podría estar relacionada con dicha situación.

En el caso de los niños, concentraciones de Pb de 10 a 30 µg/dL en sangre pueden ocasionar disminución del coeficiente intelectual, de la velocidad de conducción nerviosa y del metabolismo de la vitamina D (^{ATSDR 2007b}). No obstante, se ha reportado que concentraciones por debajo de 10 µg/dL en sangre pueden causar daño neurológico en infantes, trastornos altamente incapacitantes y eventualmente la muerte (^{Canfield et al. 2013}).

La nueva realidad que se vive en la zona de estudio debe ser atendida con pertinencia por todos los actores involucrados del estado: comunidad científica, autoridades civiles, autoridades en materia de salud pública y educadores, entre otros. Esto justifica que en el corto plazo se diseñe, implemente y evalúe un programa de comunicación de riesgos (PCR) con el propósito de disminuir la exposición a EPT (principalmente As, Pb y Cd), la cual constituye un riesgo potencial para la salud de los pobladores y para el ambiente.