Metales pesados totales y arsénico en el agua para riego de Puebla y Veracruz, México

Total heavy metals and arsenic in irrigation water of Puebla and Veracruz, Mexico

Óscar Raúl MANCILLA–VILLA^1*, Héctor Manuel ORTEGA–ESCOBAR¹, Carlos RAMÍREZ–AYALA¹, Ebandro USCANGA–MORTERA², Rosalía RAMOS–BELLO³ y Amada Laura REYES–ORTIGOZA³

¹ Postgrado de Hidrociencias, Colegio de Postgraduados, Campus Montecillo, carretera México Texcoco, km 36.5. C.P. 56230, Texcoco, México.

² Botánica, Colegio de Postgraduados, Campus Montecillo, carretera México Texcoco, km 36.5. C.P. 56230, Texcoco, México. Correo electrónico: vios@colpos.mx

Recibido julio 2010,
aceptado noviembre 2011

RESUMEN

Los altos niveles de concentración de metales pesados en agua utilizada para riego representan un problema importante para la agricultura y la salud humana, así como para la biodiversidad, por tal motivo se realizó el presente trabajo con relación a la calidad del agua en los estados de Puebla y Veracruz, México. El estudio se llevó a cabo de noviembre de 2009 a marzo de 2010, se tomaron 91 muestras de agua duplicadas. Se analizaron el potencial hidrógeno (pH), la conductividad eléctrica (CE), As y metales pesados totales: Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb y Zn. Los metales pesados se determinaron mediante el uso de un ICP ("Inductively Coupled Plasma") Pekin Elmer Optima 5300, utilizándose la metodología recomendada por la EPA (Environmental Protection Agency) y APHA (American Public Health Association). Se comparó la calidad del agua superficial con los criterios de la NOM–001–ECOL–1996, de EPA (1986), de SEDUE (1989) y la modificación a la NOM–127–SSA1–1994. Los resultados mostraron valores bajos en la concentración de metales pesados en agua para riego agrícola y uso urbano, no así, para el criterio de consumo humano, pues 50 % de las muestras tomadas presentaron concentraciones por encima de los límites permisibles para Cd, 20 % para Hg y 2 % para Pb (SSA 2000). Se concluyó que el agua superficial no representa riesgos para riego agrícola. La mayor concentración y dispersión la presentó el As con valores de 0.0 a 0.78 mg L^–1, mientras que la menor con 0.0 a 0.03 mg L^–1, fue para el Hg. Las descargas de agua residual hacia los ríos, contaminan gravemente y llevan a sobrepasar los límites permisibles para Cd, Hg y Pb en agua para uso y consumo humano.

Palabras clave: metales pesados, agua superficial, límites permisibles.

ABSTRACT

Keywords: heavy metals, surface water, allowable limits.

INTRODUCCIÓN

La problemática de los metales pesados como plomo, níquel, cadmio y manganeso, presentes en el agua residual utilizada para riego, radica principalmente en que pueden ser acumulados en los suelos agrícolas. Resultan peligrosos por su carácter no biodegradable, la toxicidad que ejercen sobre los diferentes cultivos y su biodisponibilidad (Mahler, 2003, García y Dorronsoro 2005, Corinne et al. 2006), además de los mencionados incluyen: mercurio, arsénico y cromo (Lucho et al. 2005).

Los metales pesados y el As se encuentran generalmente como componentes naturales de la corteza terrestre, en forma de minerales, sales u otros compuestos, pueden ser absorbidos por las plantas y así incorporarse a las cadenas tróficas (Rooney et al. 2006, Zhao et al. 2006); pasar a la atmósfera por volatilización y movilizarse hacia el agua superficial o subterránea. No son degradados fácilmente de forma natural o biológica ya que no tienen funciones metabólicas específicas para los seres vivos (Abollino et al. 2002).

En lugares donde se ha utilizado agua residual para el riego agrícola, se reporta una tendencia creciente en las concentraciones de metales pesados, (García et al. 2000, Hettiarchchi y Pierzynski 2002). Existe una amplia investigación sobre el riesgo de los metales pesados en la salud y el ambiente (Spain et al. 2003).

Varios autores han mostrado el riesgo de contaminación por metales pesados en el agua (Yang et al. 1996, Ramos et al. 1999, Topalián et al. 1999, Santos et al. 2002, Taboada–Castro et al. 2002, Lee y Moon 2003, Montes–Botella y Tenorio 2003, Smolders et al. 2003, Lucho et al. 2005, Mapanda et al. 2005, Tahri et al. 2005, Malla et al. 2007, Prieto et al. 2007); en la acumulación de metales pesados en los suelos agrícolas (Fytianos et al. 2001, Ho y Egashira 2001, Moor et al. 2001, Ramos–Bello et al. 2001, Lin 2002, Moral et al. 2002, Davor 2003) y en el riesgo potencial para la salud humana debido a la acumulación de metales pesados en las plantas (Zhou et al. 2000, Long et al. 2003, Wang et al. 2003, Qi–Tang et al. 2004, Ismail et al. 2005).

En los valles agrícolas de Puebla y la zona centro–norte del estado de Veracruz, desde hace mas de 100 años se ha empleado para riego directo, agua superficial contaminada con agua residual, a consecuencia de esto, se han acumulado metales pesados en los suelos agrícolas irrigados con agua residual (Silva et al. 2002).

Algunos autores reportan presencia de Cd, Ni y Pb, en agua, suelo y en plantas (Ávila y Zarazúa 1993; Villanueva y Botello 1992, Prieto–Méndez et al. 2009). Se reportan estudios donde se analizaron los efectos de diferentes suelos que habían sido sometidos a riegos con agua–lodo residual y la influencia de éstos en el crecimiento vegetal y la biodisponibilidad de Ni, Cd y Pb (Perdomo 2005, Mahdy et al. 2007).

MATERIALES Y MÉTODOS

El área de estudio se encuentra en el estado de Puebla y la parte centro–norte del estado de Veracruz, México (Fig. 1). El agua muestreada es utilizada para riego agrícola, recreación y uso doméstico; los ríos, manantiales y embalses muestreados en Puebla fueron: Atoyac, Izúcar, Salado y Chiautla. En Veracruz: Blanco, San Miguel, Chocamam, Coscomatepec, Pescados, Alseseca, Tlapacoyan, Filobobos, Nautla, Tecolutla, Cazones, Tuxpan, Tempoal, Pánuco, Tampico, Nogales, Ojo de Agua, Puente de Dios, El Carmen y Pancho Pozas. Las coordenadas geográficas del cuadrante del área de estudio son: 22º 00' latitud norte y 97º 00' longitud oeste, hasta 18º 00' latitud norte y 99º 00' longitud oeste. Los sitios de muestreo se encuentran en altitudes desde 0 m hasta los 3 000 m.

En la figura 1, se presenta la zona de estudio donde se realizó el recorrido de campo que se llevó a cabo para colectar las muestras de agua, dicha expedición se inició en los límites de Puebla con Tlaxcala, y continuó por la parte sur de Puebla, posteriormente se recorrió la parte centro–norte de Veracruz y finalmente se terminó en la Presa de Necaxa en Puebla.

La investigación de campo se realizó durante noviembre de 2009. Las estaciones de muestreo se establecieron en 91 sitios, en cada uno se colectaron 2 muestras duplicadas (182 en total) en recipientes de polietileno de alta densidad de 0.2 L, se les agregó ácido nítrico concentrado a pH<2, se colocaron en hieleras para transportarlas con base en los lineamientos de EPA (1983) y APHA (1995).

Los parámetros químicos que se midieron fueron: pH y CE al momento de tomar la muestra de acuerdo con APHA (1995), con el conductímetro/potenciómetro modelo: Excel 20/Phmetro–mV–Conductímetro. Los metales pesados totales se determinaron con la técnica de espectrometría de emisión atómica, mediante plasma de acoplamiento inductivo con el ICP, modelo Perkin Elmer 5300 Optima, en el laboratorio de Ciencias Ambientales del Colegio de Postgraduados, Campus Montecillo; los metales pesados analizados fueron Pb, Hg, Zn, Cd, Cu, Cr, Ni y As. Los límites de cuantificación fueron los siguientes: 5.0, 0.024, 8.0, 1.5, 3.0, 5.0, 15.0 y 0.05 (µg L^–1), para los metales respectivos.

Los valores de recuperación obtenidos en las muestras fortificadas, en agua desionizada, para el análisis de los metales fueron los siguientes: As 109.1 %, Cr 99.46 %, Cu 99.25 %, Hg 106.15 %, Zn 98.21 %, Cd 100.35 %, Pb 96.93 % y Ni 98.24 %; dichos valores se encuentran dentro del rango recomendado y cercanos a 100 % (EPA, 1996).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En el Cuadro II, se presenta la ubicación geográfica, la altitud y los nombres de las estaciones de muestreo que fueron consideradas en la presente investigación. Es importante mencionar que las estaciones se localizan en un rango de altitud que va desde el nivel del mar hasta los 3000 m. Se consideraron los ríos y embalses que representan importancia para el riego agrícola y recreación en Puebla y Veracruz. La información de los resultados se manejó en conjunto para las 91 estaciones de muestreo, se resaltan las concentraciones de metales que sobrepasan los límites permisibles.

En la figura 2, se presenta el pH y la conductividad eléctrica medidos en los ríos, manantiales y embalses de Puebla y Veracruz, los valores de estos parámetros fueron corregidos por los factores de temperatura respectivos.

El pH de la solución tiene un efecto sobre la biodisponibilidad de la mayoría de los metales pesados al afectar el equilibrio entre la especiación metálica, solubilidad, adsorción e intercambio de iones en el suelo (Riechaman 2002). En soluciones ácidas se produce una competencia de los iones H⁺ con los cationes metálicos por los sitios de intercambio (Kheboian y Bauer 1987). Al aumentar el pH, los metales pesados son removidos de la solución del suelo y adsorbidos por los coloides disminuyendo su biodisponibilidad (Basta y Tabatabai 1992). Por lo tanto, en suelos agrícolas con cargas variables, la retención de los cationes metálicos aumenta en la medida que el pH sea más alto y se reduce al acidificarse el suelo o el agua.

En el agua analizada se encontraron valores de pH neutros y alcalinos, lo que sugiere que los metales pesados están menos disponibles, puesto que un porcentaje importante se ha precipitado como hidróxidos insolubles, carbonatos y complejos orgánicos (Silveira et al. 2003). Sin embargo, el Hg el Cd y el Pb que sobrepasaron los límites máximos permisibles en agua para consumo humano, posiblemente se encuentran asociados con partículas suspendidas del agua, que al igual que el As, Mo, Se y Cr, tienden a estar menos disponibles a pH alcalinos (Manzione and Merrill 1989).

En la figura 2, se observa que el 90 % de las muestras presentaron un pH entre 6.9 y 9, el rango de límites permisibles está entre 5 y 10 unidades para este parámetro, mientras que la conductividad eléctrica mostró, en el 85 % de las muestras, valores menores a 2000 µS cm^–1, lo que indica que el agua analizada, bajo el criterio de estos dos parámetros y desde el punto de vista agrícola, es recomendable de acuerdo con Ayers y Westcot (1987), con algunas restricciones para el 15 % de las muestras que presentaron elevados valores de CE, debido a que proceden de agua influenciada por agua marina y agua subterránea salina.

Al comparar los valores obtenidos con los límites máximos permisibles establecidos por la NOM–001–ECOL–1996 (ECOL, 1997), sólo uno de los ocho metales pesados analizados, rebasa dichos límites, tal es el caso del mercurio. Para el promedio diario de los usos urbano y protección de vida acuática, 3 de las 91 muestras están por encima de 0.01 mg L^–1. Para el criterio de EPA (1986), se encontró que 1, 30, 15 y 20 % de las muestras analizadas supera el límite permisible para As, Pb, Cd y Hg, respectivamente.

Las estaciones de muestreo que superaron los límites permisibles para uso urbano en la concentración de mercurio fueron, el Río Tepeyahualco con 0.0138 mg L^–1, el Arroyo de Salinas Zapotitlán con 0.0180 mg L^–1 y el Río Salado con 0.0318 mg L^–1, por lo que el agua de estos sitios representa riesgo en el uso urbano.

Con respecto al agua para uso de riego, las concentraciones de As y los metales determinados, están por debajo de los límites máximos permisibles, por lo que el agua puede ser utilizada sin riesgo en el riego agrícola de acuerdo con la NOM–001–ECOL–1996 (ECOL, 1997). Sin embargo, de acuerdo con la EPA (1986), se debe tener restricción de uso para el agua que superó los límites de concentración de As, Pb, Cd y Hg. En cuanto al criterio de SEDUE (1989), para el uso en riego agrícola, 13 de las 91 muestras de agua superaron el límite de 0.01 mg L^–1 de Cd. Mientras que las concentraciones para los otros metales se presentaron por debajo del límite máximo permisible, para riego, recreación y uso industrial.

Las concentraciones de As y Cu obtenidas, tanto para riego agrícola, para uso doméstico como para consumo humano, están por debajo del límite permisible que establece la modificación de la NOM–127–SSA1–1994 (SSA 2000), sin embargo, para el Hg cerca del 20% de las estaciones rebasan los 0.001 mg L^–1; para el Cd prácticamente 50 % de las muestras analizadas excede los 0.005 mg L^–1, que es el límite permisible para este elemento, en cuanto al Pb, sólo 2 % de los puntos de muestreo rebasa el límite permisible de 0.025 mg L^–1.

Aunque el límite permisible para consumo humano no fue un objetivo fundamental de la investigación, es importante mencionarlo y tomar en cuenta los valores encontrados para los metales que superaron la concentración permitida, tanto para investigaciones futuras, como para la toma de decisiones en cuanto al uso que tenga el agua de los ríos que fueron analizados.

Gómez–Álvarez et al. (2004), encontraron valores superiores a los límites máximos permisibles para Pb en un afluente proveniente de una zona minera, aledaña al Río San Pedro, la concentración fue de 0.30 mg L^–1, mientras que para el muestreo del presente estudio, el valor máximo de concentración para el mismo metal fue de 0.03 mg L^–1. Esta gran diferencia de concentración se debe a que en zonas mineras los afluentes son contaminados con mayores cantidades de metales pesados por medio del agua residual, en contraste, la zona objeto de estudio no presenta actividad minera, pero sí, actividad agrícola, actividad industrial y urbanización.

La distribución del contenido de As y metales pesados en el agua, se presenta en la figura 4, donde se puede observar que el 75 % de las concentraciones de los iones determinados, mostraron valores por debajo de 0.01 mg L^–1, por su parte 25 % de las concentraciones de As, Ni y Zn, fueron iguales o menores de 0.005 mg L^–1.

Para los ríos, manantiales y embalses estudiados en el presente trabajo, aún no existen riesgos importantes que perjudiquen a la salud humana principalmente; excepto en algunos casos de exceso de As, Pb, Cd y Hg, encontrados en el agua de ríos cercanos a las descargas de agua residual.

La atribución de las concentraciones de metales pesados antes mencionadas, se le hace a la actividad agrícola principalmente de la zona cañera y a las descargas residuales de los ingenios azucareros, así como a las descargas de aguas urbano–industriales. Además del intemperismo de las rocas con las que está en contacto el agua, características similares fueron encontradas en el agua del Río Hondo en Quintana Roo, donde Buenfil–Rojas y Flores–Cuevas (2007) discutieron valores altos de 7 y 3.5 mg L^–1, en la concentración de Cd y Hg, respectivamente. Concluyeron que el agua de dicho río excede los límites permisibles (EPA 1986), por lo que el nivel de contaminación afecta a los usuarios de este cuerpo de agua.

Por su parte, Pis–Ramírez (1999) realizó un estudio sobre metales pesados en el agua del embalse Palmarito en Cuba, donde encontró que las concentraciones de Pb fueron de 0.05 mg L^–1, para Cd de 0.01 mg L^–1 y el Hg no fue detectado. En el presente estudio, las concentraciones promedio de los metales respectivos fueron 0.008, 0.01 y 0.005 mg L^–1, dichos valores constatan que el agua es recomendable para uso agrícola.

CONCLUSIONES

El pH y la conductividad eléctrica de la mayoría del agua analizada, no limitan su uso para riego agrícola o uso urbano, por lo que se recomienda su empleo, en cuanto a estos dos parámetros para 85 % de los cuerpos de agua y con restricciones para 15 % del agua estudiada.

El contenido de metales pesados en los ríos, embalses y manantiales de Puebla y Veracruz está por debajo de los límites máximos permisibles por la NOM–001–ECOL–1996. Con base en los resultados se recomienda su uso sin restricciones para riego agrícola y uso urbano, con excepción de 3.26 % de las muestras de agua que exceden la concentración de Hg de 0.01 mg L^–1 y se restringe su uso para riego agrícola.

En cuanto al criterio de SEDUE (1989), no existe problema en el uso del agua muestreada para uso en recreación, como fuente de agua potable y en riego; excepto para 14.28 % de las muestras de agua que superan el límite permisible de Cd para el uso en riego agrícola.

De acuerdo a los límites permisibles de la EPA (1986), 1, 30, 15 y 20 % de los cuerpos de agua analizados exceden las concentraciones de As, Pb, Cd y Hg, respectivamente.

El Hg presentó las concentraciones y dispersiones de los datos más bajas, mientras que las más altas fueron para el As.

AGRADECIMIENTOS

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT), por la beca de posgrado que se le otorgó a Oscar Raúl Mancilla Villa, para hacer posible la realización del presente trabajo.

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