Recursos naturales renovables

 

Contenidos de metales pesados en suelos cercanos a un relave cuprífero Chileno

 

Content of heavy metals in soils near a Chilean copper mining tailing

 

Gloria Montenegro¹*, Carolina Fredes¹, Enrique Mejías¹, Claudia Bonomelli², Luis Olivares¹

 

¹ Departamento de Ciencias Vegetales, Facultad de Agronomía e Ingeniería Forestal Pontificia Universidad Católica de Chile Vicuña Mackenna 4860, Macul, Santiago Chile. Casilla 306, Correo 22, Santiago. C.P. 6904411, * Autor responsable: (gmonten@uc.cl)

² Departamento de Fruticultura, Facultad de Agronomía e Ingeniería Forestal Pontificia Universidad Católica de Chile Vicuña Mackenna 4860, Macul, Santiago Chile. Casilla 306, Correo 22, Santiago. C.P. 6904411, (cpfredes@uc.cl)

 

Recibido: Noviembre, 2007.
Aprobado: Mayo, 2009.

 

Resumen

En Chile, la contaminación por metales pesados se produce principalmente cerca de las explotaciones de la minería cuprífera en las regiones del norte y centro del país. En éstas se han encontrado suelos agrícolas contaminados por metales pesados ubicados a varios kilómetros de la fuente de contaminación. El objetivo de este estudio fue analizar los contenidos de Fe, Cu, Mn, Zn, Cr, Cd y Pb y variables químicas (pH, CE, MO y CIC) de suelos cercanos a un relave de Cu ubicado en el norte del país. La determinación de metales pesados disponibles se realizó mediante AAS, y los metales pesados totales mediante ICP–OES. Los suelos fueron agrupados en tres sectores de acuerdo a la cercanía del relave, el curso de un estero y el sentido del viento. El Cu fue el metal pesado encontrado en mayores concentraciones promedios en relación al resto de los elementos determinados. Las muestras que siguieron el curso del estero presentaron el mayor contenido promedio de Cu, con diferencias estadísticas significativas (p<0.05) con los otros sectores. El análisis de componentes principales realizado de los contenidos de metales pesados de las 24 muestras analizadas indicó que tres componentes principales explicaron 75.7 % de la variabilidad de los datos. En el gráfico de dispersión de los dos primeros componentes se observó un grupo de suelos cercanos al eje de intercepción y cuatro suelos alejados, que presentaron los mayores contenidos de Fe (276.6 mg kg^–1), Cu (375.1 mg kg^–1), Mn (56.7 mg kg^–1), Zn (21.7 mg kg^–1), Cr (45.0 mg kg^–1) y Pb (129.3 mg kg^–1).

Palabras clave: Análisis de componentes principales y suelos contaminados, cobre, metales pesados.

 

Abstract

In Chile, heavy metals pollution occurs mainly near copper mines in the northern and central regions of the country. Here, agricultural soils have been found to be polluted by heavy metals several kilometers from the source. The objective of this study was to analyze the contents of Fe, Cu, Mn, Zn, Cr, Cd and Pb and chemical variables (pH, EC, OM and CEC) of soils found near copper mine tailing in the north of the country. Available heavy metals were determined using AAS, and total heavy metals were determined with ICP–OES. Soils were grouped into three sectors, according to their proximity to the tailing, the course of an estuary, and the direction of the wind. Cu was the heavy metal found in the highest average concentrations relative to the rest of the elements determined. The samples that followed the course of the estuary had the highest average contents of Cu, with significant (p<0.05) statistical differences from the other sectors. Principal components analysis of the heavy metal contents of the 24 samples analyzed indicated that three principal components explained 75.5 % of the data variability. In the dispersion graph of the first two components, a group of soils close to the interception axis and four distant soils, which had the highest contents of Fe (276.6 mg kg^–1), Cu (375.1 mg kg^–1), Mn (56.7 mg kg^–1), Zn (21.7 mg kg^–1), Cr (45.0 mg kg^–1) and Pb (129.3 mg kg^–1), are observed.

Key words: Principal components analysis, polluted soils, copper, heavy metals.

 

INTRODUCCIÓN

La actividad minera metálica en Chile se concentra entre las Regiones Administrativas IV y VI (incluyendo a la Región Metropolitana, XIII). Dado que esta zona coincide con parte importante de la actividad agrícola, es necesario analizar áreas de suelos agrícolas potencialmente contaminados (Ginocchio, 2000; Ginocchio et al., 2002; Ginocchio et al., 2004). Las zonas norte y centro del país contienen cobre en abundancia, además de minerales de yodo y hierro (López et al., 2003).

Del total de mineral extraído en una mina cuprífera, sólo 2 % corresponde al metal deseado; el resto se descarta como diferentes desechos: 50 % estéril, 44 % relaves y 4 % escorias (López et al., 2003). Estos residuos eran depositados directamente en los ríos, quebradas o en el mar, lo que ocasionó efectos negativos en los ecosistemas. Actualmente estos residuos se almacenan en tranques de relave (Espinace et al., 2006). Los relaves mineros constituyen residuos tóxicos compuestos por metales pesados, los cuales en muchos casos son depositados en zonas vecinas a asentamientos humanos, dañando la salud de sus pobladores (Ramos et al., 2006).

López et al. (2003) encontraron concentraciones medias de Fe, Cu, Mn, Zn, Cr, Cd y Pb en sedimentos costeros superficiales del Pacífico chileno. Estos valores mostraron una amplia dispersión, donde los máximos coincidieron con las áreas cercanas a sitios donde hay vertimientos de relaves mineros, desembocaduras de ríos y áreas cerradas con intercambio de agua limitado y receptoras de desechos.

Si los tranques de relave constituyen una fuente de contaminación por estos metales pesados, debería existir una dispersión de elementos a suelos agrícolas cercanos, cuya magnitud dependería de la distancia a la fuente, cursos de agua e incidencia del viento. Por tanto, los objetivos del presente estudio fueron analizar los contenidos de Fe, Cu, Mn, Zn, Cr, Cd y Pb y las variables pH, CE, MO y CIC en suelos cercanos a una mina cuprífera ubicada en el norte del país, así como verificar la existencia de relaciones entre la cercanía de éstos a los depósitos de relaves y los contenidos de metales pesados determinados.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Sitio de estudio

El sitio de estudio se encuentra cercano a un relave minero cuprífero de la Mina la Cocinera, en la IV Región Administrativa de Chile (30° 35' 51.37 S; 71° 11' 43.55 O), dedicada a la flotación de cobre, oro y plata desde 1959. Los residuos de la extracción se han depositado en tres relaves en el perímetro de la industria (30° 33' 1.53 S; 71° 10' 46.57 O). Los puntos de muestreo se establecieron utilizando como referencia el tercer relave. Este recibe 60 000 Mg mensuales de material mineral de descarte y se encuentra en funcionamiento desde el 2005. La vegetación del lugar está constituida por especies nativas de Chile (Schinus molle, Baccharis paniculada, Tagetes minuta, Senna sp. y Prosopis sp.), plantaciones comerciales de paltos (Persea americana Mill) y olivos (Olea europea L.), cultivos hortícolas y plantas forrajeras destinadas al consumo animal. En el sentido longitudinal cursa el estero El Ingenio, afluente del Río Limarí, el cual se usa como agua de regadío para zonas adyacentes. El viento circula en dirección noreste.

Muestras de suelos

El muestreo se realizó al azar en 24 puntos georeferenciados ubicados entre 0.284 y 2.57 km (Figura 1) desde el relave (en amarillo). De acuerdo a la cercanía al relave (en rojo), el curso del estero (en azul), la incidencia del viento y el uso del suelo (en verde), los puntos de muestreo se agruparon en tres sectores (Cuadro 1). Las muestras de suelo se extrajeron con barreno a una profundidad entre 0–10 cm, y se almacenaron en bolsas de papel a una temperatura de 6 °C.

Análisis químicos

El pH y la conductividad eléctrica (CE) se determinaron usando el método 962,19 (A.O.A.C., 2000). El porcentaje de materia orgánica (MO) se determinó usando el método de Walkley y Black y la capacidad de intercambio catiónico (CIC) por el método con acetato de amonio pH 7 (Soil Survey, 1996).

Fe, Cu, Mn y Zn disponibles

La extracción con DTPA se realizó de acuerdo con lo descrito por Araujo do Nacimiento et al. (2006). Las muestras de suelo se filtraron y se leyeron en un espectrofotómetro de absorción atómica (AAS–GBC 932).

Cr, Cd y Pb totales

Se pesaron 2 g de suelo y se adicionaron 20 mL de HNO₃, después de 16 h de calentamiento (100 °C) hasta extinción de HClO₄, se calentaron sobre una plancha (100 °C), se dejaron enfriar a temperatura ambiente, se aforaron a 100 mL, se filtraron y se midieron en un espectrofotómetro de emisión óptica con plasma inductivamente acoplado (VARIAN Liberty RL Sequential ICP–OES).

Preparación de estándares de calibración

Los estándares acuosos se prepararon con diluciones de una solución stock de Multielementos ICP® IV MERCK (concentración 1000 mg L^–1). Todas las soluciones se prepararon gravimétricamente. Para el control de calidad y precisión de los resultados (Riu et al., 2006) se analizaron materiales de referencia de Soil Science North American (Soils 2002–102, 2002–105 y 2002–107).

Análisis de datos

Se realizó análisis de varianza de la medias (ANOVA) para determinar diferencias significativas entre los tres sectores para cada variable y se usó la prueba de Tukey (p<0.05) para comparar las medias. Para determinar si existieron metales pesados que pudieran establecer agrupaciones de suelos por similitudes, se realizó un análisis de componentes principales (ACP) usando los datos de concentración de los siete elementos analizados. Para ambos análisis se usó el software Statgraphics para Windows 4.3 (Chen et al., 2000; Yu et al., 2001; Fredes y Montenegro, 2006).

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Resultados analíticos

En los Cuadros 2 y 3 se observan los resultados de las variables químicas de suelos y contenidos de metales pesados para los 24 puntos de muestreo (PM) de suelos, sus promedios y desviaciones estándar por sector. El sector 2 presentó los resultados promedios más bajos de pH, CIC y MO y los resultados promedios más altos de CE con diferencias significativas respecto a los otros dos sectores. Las muestras de suelos del sector 2 se recolectaron bordeando el estero, siguiendo su curso (Figura 1) y éstos se caracterizaron por poseer textura arenosa y material sedimentado proveniente del agua del estero. El contenido de metales pesados en la solución del suelo depende principalmente del pH, CIC, MO y contenidos de arcillas (Greger, 1999), existiendo una relación inversa entre estas variables y la biodisponibilidad de Fe, Cu, Mn y Zn (Adriano, 2001). Esta relación quedó demostrada en gran parte por los resultados obtenidos en el presente estudio. Los datos de conductividad eléctrica fueron menores a lo correspondiente a suelos salinos (CE mayor a 4 dS m^–1), comunes en la zona norte del país (Sierra et al., 2007). Los metales pesados analizados se pueden dividir en dos grupos: esenciales (micronutrientes o elementos traza) y no esenciales (sin función biológica). Dentro del primer grupo, existen micronutrientes esenciales para plantas (Fe, Cu, Mn y Zn) y elementos traza esenciales para la salud humana (Fe, Cu, Mn, Zn y Cr). Estos metales pesados esenciales son requeridos en cantidades pequeñas (traza); por lo que sobre cierto umbral pueden ser tóxicos (Schauss, 1995; Adriano, 2001). Al segundo grupo pertenecen el Cd y Pb. La presencia de estos metales pesados en determinadas cantidades en seres vivos lleva aparejadas disfunciones en el funcionamiento del organismo, son altamente tóxicos, y se acumulan en organismos vivos (Adriano, 2001).

El Cu mostró la mayor concentración (5.5 a 375.1 mg kg^–1) en las muestras de suelos, comparado con los demás micronutrientes. De acuerdo con las Directivas de Kelley (Acevedo, 2005), algunas muestras de suelos están dentro de la categoría de contaminación (200–500 mg kg^–1). Sin embargo, los intervalos determinados para Fe (4.3–276.6 mg kg^–1), Mn (2.4–56.7 mg kg^–1), Zn (0.5–21.7 mg kg^–1) y Cr (0.4–6.6 mg kg^–1) se encontrarían dentro de valores típicos para suelos no contaminados, según las Directivas de Kelly.

El sector 2 presentó mayores contenidos promedios de Fe, Cu, Zn y Cd que los otros dos sectores, aunque en este sector estaban algunas de las muestras más alejadas del relave. Como se mencionó, en estos suelos hubo sedimentos del estero que presentarían contenidos altos de estos metales pesados. Determinaciones de metales pesados en el estero El Ingenio (datos no publicados de este mismo estudio) indicaron un incremento en las concentraciones de éstos en aguas bajo la actividad de extracción de Cu. Es así como se describieron diferencias aguas arriba del relave en relación a aguas debajo para Fe de 34.6 a 328.2 %, Cu de 2.4 a 63.0, Zn de 15.3 a 144.7 y de Cd de 0.5 a 0.9 mg kg^–1.

Al comparar entre sectores, los contenidos promedios de Cu, Mn, Zn, Cr, Cd y Pb fueron mayores en el sector 3 que en el sector 1. Esto se podría explicar por la mayor exposición del sector 3 a la incidencia del viento en el sentido noreste y porque estos metales pesados serían dispersados por el viento (Machado et al., 2008). El sector 3 no presentaría contenidos de Fe más elevados que el sector 1 ya que este metal pesado se encuentra depositado en sedimentos, lo que limitaría su dispersión aérea.

El intervalo para Cd (0.4–6.6 mg kg^–1) obtenido en este estudio fue inferior al descrito por Sparks (2003), quien indicó valores de referencia para suelos entre 0 y 35 mg kg^–1. Sin embargo, el intervalo para Pb (1.9–129.3 mg kg^–1) fue superior al descrito por el mismo autor (19–35 mg kg^–1). Los resultados de Cd y Pb fueron inferiores a los reportados para un área de estudio cercana a una industria minera (Puga et al., 2006).

Análisis de componentes principales (ACP)

El ACP permitió obtener un número reducido de combinaciones lineales de los siete elementos analizados que explicasen la mayor variabilidad en los datos obtenidos. En este caso se extrajeron tres componentes principales (CP) porque tuvieron eigenvalores promedios mayores o iguales que 1.0 (Figura 2). En conjunto, estos tres componentes explicaron 75.7 % de la variabilidad en los datos originales (31, 27, 17.7 %).

La distribución a lo largo del componente 1 (CP1) sería principalmente dependiente de la concentración de Pb (Figura 3a), mientras que la distribución a lo largo del componente 2 (CP2) sería principalmente dependiente de las concentraciones de Fe y Zn (Figura 3a). El componente 3 sería principalmente dependiente de la concentración de Mn. Con el CP1 y CP2 se construyó el diagrama de dispersión (Figura 3b), que explicó en conjunto 58 % de la variabilidad en los datos originales.

En la Figura 3b se muestra un grupo principal de suelos cercanos al eje de intercepción de ambos componentes. A lo largo de CP1 se observa la muestra de suelo 7 que presentó los mayores contenidos de Pb y Cr (129.3 y 45.0 mg kg^–1), y esta muestra fue la más cercana al relave. El suelo 6 presentó el mayor contenido de Cu (375.1 mg kg^–1) y fue la tercera muestra más cercana al relave. Ambos suelos provinieron del sector 3.

A lo largo del CP2 se observa la muestra de suelo 15 que presentó el mayor contenido de Zn (21.7 mg kg^–1) y un contenido de Cu de 222.9 mg kg^–1. El suelo 2 presentó los mayores contenidos de Fe y Mn (276.6 y 56.7 mg kg^–1). Ambos suelos provinieron del sector 2.

El ACP no definió agrupaciones claras de contenidos de metales pesados, pero sí destacó cuatro muestras de suelos (alejadas del eje de intercepción de CP1 y CP2) que presentaron los mayores contenidos de Fe (276.6 mg kg^–1), Cu (375.1 mg kg^–1), Mn (56.7 mg kg^–1), Zn (21.7 mg kg^–1), Cr (45.0 mg kg^–1) y Pb (129.3 mg kg^–1).

 

CONCLUSIONES

El Cu fue el metal pesado con mayor concentración en las 24 muestras de suelo cercanas al relave de la Mina La Cocinera, donde los puntos de muestreo cercanos al estero y a la fuente de contaminación presentaron los contenidos promedios más elevados (120.1 y 112.0 mg kg^–1).

La magnitud de la contaminación por metales pesados a los suelos cercanos al relave minero en este estudio, dependería del tipo de elemento químico y su capacidad de dispersarse por el viento (Cu, Mn, Zn, Cr, Cd y Pb) o depositarse en el suelo (Fe), así como de la cercanía del suelo al relave y a un estero.

 

AGRADECIMIENTOS

Al proyecto FONDECYT 1060535.

 

LITERATURA CITADA

Acevedo, E., M. Carrasco, O. León, P. Silva, G. Castillo, I. Ahumada, G. Borie, y S. González. 2005. Informe de criterios de calidad de suelo agrícola. Servicio Agrícola y Ganadero, Chile. 205 p.        [ Links ]

Adriano, D. C. 2001. Trace Elements in Terrestrial Environments. Biogeochemistry, Bioavailability and Risk of Metals. Second Edition. Springer–Verlag, New York. 867 p.        [ Links ]

AOAC Official Methods of Analysis. 2000. Plants. In: Horwitz, W. (ed). Maryland Official Methods of Analysis of AOAC International. USA. AOAC. pp: 4–5.        [ Links ]

Araujo do Nascimento C, A. De Oliveira, M. Ribeiro, and E. Chaves de Melo. 2006. Distribution and availability of zinc and copper in benchmark soils of Pernambuco State, Brazil. Comm. In Soil Sci. Plant Analysis 37(1): 109–125.        [ Links ]

Chen, C. Y, R. S. Stemberger, B. Klaue, J. D. Blum, P. C. Pickhardt, and C. L. Folt. 2000. Accumulation of heavy metals in food web components across a gradient of lakes. Limnology and Oceanography 45(7): 1525–1536.        [ Links ]

Espinace, R., J. Palma, P. Valenzuela, I. Jaramillo, A. Miranda, R. Salinas, y J. Bialostoki. 2006. Evaluación del efecto eólico en tranques de relave. In: XVIII Congreso Argentino de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica (CAMSIG). Universidad Nacional de San Juan, Facultades de Ingeniería y de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. San Juan, Argentina. pp: 25.        [ Links ]

Fredes, C., and G. Montenegro. 2006. Heavy metals and other trace elements contents in Chilean honey. Ciencia e Investigación Agraria 33(1): 48–55.        [ Links ]

Ginocchio, R. 2000. Effects of a copper smelter on a grassland community in the Puchuncavi Valley, Chile. Chemosphere 41(1–2): 15–23.        [ Links ]

Ginocchio, R., P. Rodriguez, R. Badilla–Ohlbaum, H. Allen, and G. Lagos. 2002. Effect of soil copper content and pH on copper uptake of selected vegetables grown under controlled conditions. Environ. Toxicol. Chem. 21(8): 1736–1744.        [ Links ]

Ginocchio, R., G. Carvallo, I. Toro, E. Bustamante, Y. Silva, and N. Sepúlveda. 2004. Micro–spatial variation of soil metal pollution and plant recruitment near a copper smelter in Central Chile. Environ. Poll. 127(3): 343–352.        [ Links ]

Greger, M. 1999. Metals availability and bioconcentration in plants. In: Prasad, M., and J. Hagemeyer (eds). Heavy Metals Stress in Plants. Springer–Verlag, Berlin Heidelberg, Germany. pp: 1–27.        [ Links ]

López P., S. Ainzúa, C. Zolezzi, y P. Vasconi. 2003. La Minería y su Pasivo Ambiental. Publicaciones Fundación Terram. Serie Análisis de Políticas Publicas N° 24, Diciembre 2003. 30 p.        [ Links ]

Machado, A., N. García C. García, L. Acosta, A. Córdova, M. Linares, D. Giraldoth, y H. Velásquez. 2008. Contaminación por metales (Pb, Zn, Ni y Cr) en aire, sedimentos viales y suelo en una zona de alto tránsito vehicular. Rev. Int. Contaminación Ambiental 24(4): 171–182.        [ Links ]

Puga, S., Sosa, M., Lebgue, T., Quintana, C., y A. Campos. 2006. Contaminación por metales pesados en suelo provocada por la industria minera. Ecol. Aplicada 5(1,2): 149–155.        [ Links ]

Ramos, W., C. Galarza, y A. De Amat. 2006. Queratosis arsenical en pobladores expuestos a relaves mineros en altura en San Mateo de Huanchor: ¿sinergismo entre arsenicismo y daño actínico crónico? Dermatología Peruana 16(1): 41–45.        [ Links ]

Riu, J., R. Boqué M., A. Maroto, J. Laso, y F. X. Rius. 2006. Calibración de equipos de medida. Cerveza y Malta 169: 47–56.        [ Links ]

Schauss, A. 1995. (White paper) Minerals, Trace Elements and Human Health. Life Science Press, Tacoma, Washington. pp: 2–23.        [ Links ]

Sierra B, C., M, A. Lancelloti, y I. Vidal P. 2007. Azufre elemental como corrector del pH y la fertilidad de algunos suelos de la III y IV Región de Chile. Agric. Téc. 67(2): 173–181.        [ Links ]

Soil Survey. 1996. Laboratory Methods Manual. U. S. Department of Agriculture, Soil Conservation Service. Washington D.C., USA. 693 p.        [ Links ]

Sparks, D. L. 2003. Environmental Soil Chemistry. Academic Press, USA. 352 p.        [ Links ]

Yu, K. C., L. J. Tsai, S. H. Chen, D. J Chang, and S. T Ho. 2001. Multivariate correlations of geochemical binding phases if heavy metals in contaminated river sediment. J. Environ. Sci, Health A36(1): 1–16.        [ Links ]