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Introducción
La minería, es una actividad que provee materia prima para la producción de artículos utilizados en la vida diaria; pero a pesar de las normas y leyes que regulan la emisión de contaminantes derivados de la minería, aún existen decenas de depósitos de residuos sin el manejo adecuado para minimizar los daños ambientales que ocasiona (Méndez-Ramírez y Armienta 2012). Después de una explotación minera, los sitios quedan afectados al alojar residuos, porque tienen ausencia o baja presencia de la estructura edáfica, bajo contenido de nutrientes, retención de agua y presencia de compuestos tóxicos como el cadmio, plomo y zinc (Puga et al. 2006). En los depósitos mineros establecidos en zonas áridas con alta precipitación, el escurrimiento superficial del drenaje ácido y la dispersión de partículas por el viento son factores de riesgo ambiental y de salud pública (Hernández-Acosta et al. 2009, Gavilán-García et al. 2020).
Para solucionar dichos problemas, en los últimos años se investiga el uso de plantas tolerantes y bioacumuladoras de metales pesados, como Acacia farnesiana, Acacia macracantha, Acacia visco, Buddleja coriacea, Eucalyptus globulus, Myoporum laetum, Polylepis racemosa, P. laevigata y Schinus molle; especies que responden de forma eficiente a la fitoestabilización de sitios contaminados con metales pesados (Landeros-Márquez et al. 2011, Blaz y Rodríguez 2015, Paredes 2015). En lo referente a P. laevigata, es un árbol que crece en los depósitos mineros de Zimapán, Hidalgo, en pequeñas islas de vegetación, en donde juega un papel ecológico importante, porque evita la dispersión de partículas y la liberación de altas concentraciones de metales pesados (Gómez-Bernal et al. 2010). Por lo anterior el objetivo del presente trabajo fue realizar un estudio exploratorio para ubicar el potencial de P. laevigata en la acumulación de Pb y Cu, en pequeñas islas de vegetación de los depósitos mineros de Zimapán, Hidalgo, México.
Materiales Y Métodos
Zona de estudio
La zona de estudio se ubica en el municipio de Zimapán, Hidalgo, México a 144 kilómetros de la ciudad de Pachuca, entre los 900 y 2 900 m de altitud; entre los paralelos 20° 39’ y 20° 58’ de LN y los meridianos 99° 11’ y 99° 33” de LO. Con una superficie de 870.93 km2, limita al norte con Pacula y Jacala de Ledezma, al este con Jacala de Ledezma, Nicolás Flores e Ixmiquilpan, al sur con Tasquillo, Ixmiquilpan y Tecozautla y al oeste con Tecozautla y el estado de Querétaro. La temperatura media anual es de 19°C, con precipitación pluvial media de 400 mm. El clima templado semiárido con lluvias en verano favorece el crecimiento de nopaleras, arbustos bajos, matorral alto, maguey, órganos, cardones, biznagas, huizaches, hortigas y mezquites.
Muestreo de los depósitos mineros y plantas
El muestreo de residuos mineros se realizó el mes de septiembre de 2018 conforme a la NMX-AA-132-SCFI-2006 (SEMARNAT 2006), de forma superficial, en tres islas de vegetación ubicadas sobre tres depósitos mineros. 1) Depósito Santa María I se colectaron 14 submuestras, se ubica a 20° 44’ LN y 99° 24’ LO, con 40 años en el lugar y superficie de 21 048 ha; 2) Depósito Santa María II se obtuvieron 16 submuestras, se ubica a 20° 44’ LN y 99° 23’ LO, tiene 30 años en el sitio y un área de 33 584 ha, y 3) Depósito San Juan donde se colectaron 12 submuestras, se localiza a 20° 43’ LN y 99° 23’ LO, con 60 años en el lugar y una superficie de 10 464 ha. Cubriendo un área aproximada de 20 m2 en cada sitio, las muestras se colectaron de manera aleatoria a profundidad de 30 cm con una pala de mano de acero inoxidable tomando aproximadamente 1 kg de residuos. De las muestras obtenidas en cada depósito minero se preparó una muestra compuesta para su análisis (Figura 1).
Las islas de vegetación encontradas sobre los depósitos mineros, además de P. laevigata, contienen arbustos de huizache (Vachellia farnesiana) y herbáceas como Gnaphalium canescens, Adenophyllum cancellatum, Bidens pilosa, Brickellia subuligera, Calyptocarpus vialis Less, Gnaphalium sp., Perymenium sp. y Sanvitalia procumbens Lam. Pero en esta prospección se decidió analizar P. laevigata con individuos de al menos 10 o más años. En cada sitio se colectaron muestras de follaje de tres ejemplares adultos de P. laevigata de aproximadamente 2.50 m de altura cada uno, que se trasladó al laboratorio en bolsas de papel para su análisis.
Preparación de las muestras y análisis de laboratorio
Los residuos mineros se secaron en la sombra, para luego tamizarlos con una malla de 10 mm de apertura; mientras que el material vegetal se secó en una estufa a 85°C por 7 h, para después molerlo y tamizarlo en una malla de acero inoxidable con apertura de 500 µm. Los análisis de los residuos de las minas y del material vegetal se realizaron por triplicado.
La caracterización física y química de los residuos de las minas se determinó por medio de los procedimientos establecidos en la NOM-021-SEMARNAT-RECNAT-2000 (SEMARNAT 2000), determinando el color del suelo con la Tabla Munsell; la textura por el método de Bouyucos; la capacidad de intercambio catiónico por el método acetato de amonio 1N a pH 7.0; el porcentaje de materia orgánica por el método de Walkley y Black; pH por potenciometría (relación suelo:agua 1:2); conductividad eléctrica (CE) con un conductivimetría y fosforo asimilable con el método Bray 1 en una relación solución:suelo (1:8). La extracción de Pb y Cu en los residuos mineros se realizó con DTPA (ácido dietilentriaminopentaacético) 0.005 M relación solución:suelo (1:4) (Berrow y Mitchell 1980); mientras que las muestras vegetales se destruyeron a partir de una digestión acida, con la mezcla HNO3:HClO4:H2O2 (4:1:1). La concentración extractable de plomo y cobre en los depósitos mineros y muestras vegetales se cuantificó con el espectrofotómetro de absorción atómica (EAA) GBC, modelo SAVANTAA SIGMA. La curva de calibración se realizó con estándares Perkin Elmer certificadas y se revisó cada 10 muestras.
Factor de bioconcentración (FBC) en las muestras vegetales
El FBC utilizado para determinar la eficiencia de la planta como acumuladora de metales pesados provenientes del suelo o residuo en el que se establecen, se calculó de la siguiente manera:
Donde: CMt representa la concentración de metal determinada en el follaje de P. laevigata; y CMs la concentración biodisponible de metal en el suelo (Covarrubias y Peña 2017).
Resultados y discusión
Características físicas y químicas de los residuos de mina
Los sitios presentaron diferentes características, el sitio Santa María I tuvo una textura franco-arenosa, de coloración gris-rojizo, pH 7.04, CE de 2.59 dSm -1, contenido de MO de 1.19%, CIC de 6.8 Cmol (+) kg -1 y 3.39 mg kg -1 de P. El sitio Santa María II tuvo una textura arenosa, color gris-claro, pH de 6.91, CE de 2.33 dSm 1, contenido de MO de 0.99%, CIC de 3.33 Cmol (+) kg -1 y 12.53 mg kg -1 de P. Mientras que en el sitio San Juan, tuvo una textura franco-arenosa, color naranja, pH de 2.16, CE de 13.71 dSm -1, contenido de MO de 0.99%, CIC de 9.1 Cmol (+) kg -1 y 382.33 mg kg -1 de P (Tabla1). Los resultados muestran que los sitios mineros abandonados de Zimapán representan una fuente importante de contaminación de Pb y Cu. Al respecto, Duarte et al. (2015) mencionan que dichos metales afectan el suelo, los cuerpos de agua superficiales y la salud pública en las zonas aledañas a los depósitos. Las partículas arenosas prevalecieron en los tres depósitos mineros, lo cual favorece la erosión eólica y el arrastre hídrico, así como una alta permeabilidad y los procesos de oxidación; lo que coincide con lo reportado por Amezcua-Ávila et al. (2020) en jales de mina de Pachuca, Hidalgo.
Tabla 1 Características físicas y químicas de residuos de mina.
| Parámetro | Unidades | Santa María I | Sitio Santa María II | San Juan |
| pH | 7.04±0.16 | 6.91±0.84 | 2.160±0 | |
| CE | dS m-1 | 2.59±0.29 | 2.33±0.06 | 13.71±0.17 |
| MO | % | 1.19±0.14 | 0.91±0.06 | 0.91±0.62 |
| P | Mg kg-1 | 3.39±1.72 | 12.53±2.62 | 382.36±36.83 |
| CIC | Cmol (+) kg-1 de suelo | 6.80±1.12 | 3.33±0.85 | 9.10±1.85 |
| Arena | % | 76.06 | 96.26 | 57.76 |
| Limo | % | 20.9 | 1.1 | 38.3 |
| Arcilla | % | 3.04 | 2.64 | 3.94 |
| Color (Munsell) | Hue 5 YR 5/1 | Hue 5PB 7/1 | Hue 5YR 7/6 |
Los colores moteados que presentaron los depósitos mineros (grises-claro, gris-rojizo y naranja) se atribuyen a su composición mineral, de igual forma los cambios de color de gris claro a amarillo-rojiza corresponde a la oxidación de minerales piríticos como la pirita o arsenopirita (Moreno et al. 2009, Pérez-Martínez y Romero 2015). Los residuos grises suelen presentar condiciones de pH neutro y también llegan a mostrar elevada CE, situación que cambia con la oxidación, originando que disminuya el pH y se incremente la CE (Duarte et al. 2019); lo que se observó en los tres depósitos mineros. El porcentaje de materia orgánica se encontró en valores muy bajos, como lo reportó para estos depósitos mineros (Duarte et al. 2015), lo anterior se debe a la escaza de vegetación establecida lo que ocasiona bajos o nulos aportes de materia orgánica (Bautista et al. 2016).
Contenido de plomo y cobre en los depósitos mineros
En la Tabla 2, se presenta la concentración de Pb y Cu de las muestras de los depósitos mineros. En Santa María I se registró un promedio de 18.40 mg kg -1 de Pb, en Santa María II un valor de 20.11 mg kg -1 de Pb y en San Juan fue de 4.85 mg kg -1 de Pb. Mientras que la concentración promedio del Cu fue de 11.84 mg kg -1 en Santa María I, de 3.94 mg kg -1 de Cu en Santa María II y de 30.42 mg kg -1 en San juan. En el sitio San Juan, el Pb presentó mayor variabilidad entre las muestras analizadas, con coeficiente de variación (CV) de 0.68, mientras que en los otros dos sitios el CV fue de 0.08 y 0.15, respectivamente. El análisis de varianza con a = 0.05 mostró que la concentración de Pb registró diferencias significativas entre los depósitos mineros (p < 0.001). El depósito Santa María II tuvo la mayor concentración (23.56 mg kg1), mientras que los sitios Santa María I y San Juan tuvieron valores de 20.12 y 8.9 mg kg -1, respectivamente. Para el Cu, el depósito que presentó mayor concentración fue San Juan (32.86 mg kg -1), seguidos por los depósitos Santa María I (13.75 mg kg1) y Santa María II (4.86 mg kg1). Sobre el contenido de Cu del depósito San Juan se debe poner atención, debido a que este contenido se encuentra cercano a los 50 y 63 mg kg -1 considerados como riesgo ecológico en los Estados Unidos y Canadá (Gutiérrez et al. 2007).
Tabla 2 Parámetros estadísticos de la concentración de Pb y Cu en residuos mineros (n = 3).
| Parámetro | Santa María I | Sitio Santa María II | San Juan | Santa María I | Sitio Santa María II | San Juan |
| Cu (mg kg 1) | Pb (mg kg 1) | |||||
| Mínimo | 9.26 | 2.99 | 27.31 | 17.41 | 17.85 | 1.06 |
| Máximo | 13.75 | 4.86 | 32.86 | 20.12 | 23.56 | 8.9 |
| Media | 11.84 | 3.94 | 30.42 | 18.40 | 20.11 | 4.85 |
| Desvest | 2.32 | 0.94 | 2.83 | 1.50 | 3.04 | 1.93 |
| C.V.* | 0.20 | 0.24 | 0.09 | 0.08 | 0.15 | 0.68 |
*Coeficiente de variación.
Concentración de plomo y cobre en el material vegetal
Las concentraciones de plomo en hojas de P. laevigata en los tres depósitos mineros mostraron valores promedios de 69.48 mg kg -1 para Santa María I, de 77.75 mg kg -1 para Santa María II, y de 93.05 mg kg -1 para San Juan. Mientras que las concentraciones de cobre en hojas de P. laevigata en los tres depósitos registraron un promedio de 18.90 mg kg -1 en Santa María I; de 24.93 mg kg -1 en Santa María II, y de 52.46 mg kg -1 en San Juan. Presentando el depósito San Juan la mayor concentración. La disponibilidad de metales aumenta en pH bajos, lo cual hace que las concentraciones biodisponibles se incrementen y con esto, la posibilidad de que las plantas absorban mayor concentración de metales que en sitios con pH neutro y alcalino (Kabata y Pendías 2001). Como lo observado, debido a que las mayores concentraciones de Pb y Cu en hojas se registró en el sitio San Juan que tuvo un pH ácido, lo cual concuerda con Blaz y Rodríguez (2015) quienes también encontraron la concentración más elevada en hojas de Acacia macracantha en residuos de mina con pH ácidos.
Factor de Bioconcentración (FBC)
Para ubicar especies de plantas fitoestabilizadoras de metales pesados en sitios contaminados, el FBC para Pb y Cu en P. laevigata tuvo valores de 3.78 en Santa María I, 3.87 en Santa María II y 36.60 en San Juan para el plomo; de 1.60 en Santa María I, 6.32 en Santa María II y 1.72 en San Juan para el cobre. El FBC de P. laevigata la cataloga como especie acumuladora en cobre e hiperacumuladora en plomo, lo que coincide con Covarrubias y Peña (2017) quienes señalan que las especies acumuladoras tienen un FBC ≤ 1 y las hiperacumuladoras ≥1. Estos resultados también coinciden con lo reportado por Buendía et al. (2010) quienes catalogan a P. laevigata como una especie apta para la bioconcentración de metales pesados. Mientras que Covarrubias y Peña (2017) y Buendía et al. (2010) señalan que P. laevigata es especie acumuladora de Pb y Cu. P. laevigata establecida en las islas de vegetación sobre depósitos mineros de Zimapán, Hidalgo, es capaz de bioacumular Pb y Cu en su follaje, además de desarrollarse en condiciones de contaminación, lo que la posibilita como candidata en programas de revegetación de sitios contaminados.
