Vegetation, mining tailings and potentially toxic elements of a jal from Pachuca, Hidalgo, México

E. Hernández–Acosta¹; E. Mondragón–Romero¹; D. Cristobal–Acevedo¹; J. E. Rubiños–Panta²; E. Robledo–Santoyo¹

¹ Universidad Autónoma Chapingo, km. 38.5 Carr. México–Texcoco. Chapingo, Estado de México. C. P. 56230. MÉXICO. Correo–e: elizaliac@yalioo.com.inx.

² Colegio de Posgraduados. Carretera México–Texcoco, km. 36. Montecillo, Estado de México. C. P. 56230. MÉXICO.

RESUMEN

Se estudió un jal de mina en Pachuca Hidalgo, con la caracterización física y química de residuos mineros, el contenido de elementos potencialmente tóxicos (cadmio, cobre, manganeso, níquel, plomo y zinc) y parámetros de vegetación. Se definieron nueve sitios de muestreo en el jal, en muestras compuestas se determinaron las características físicas, químicas y el contenido de elementos potencialmente tóxicos. Se utilizó el método de cuadrados para identificar especies vegetales y en muestras de tejido vegetal de cada especie se determinó el contenido de elementos potencialmente tóxicos. Los residuos mineros presentaron textura franco–arenosa, pH medianamente alcalino y bajo contenido de materia orgánica. El Zn (45 mg·kg^–') y el Pb (14 mg·kg^–1) fueron los elementos con mayor concentración. Se identificaron 25 especies de plantas, Haplopappus venetus fue la más dominante. Solanum corymbosum presentó mayor acumulación de Cu (6 mg·kg^–1), Brickelia veronicifolia de Pb (5 mg·kg^–1) y Zn (20 mg·kg^–1), Atriplex suberecta de Cd (1 mg·kg^–1), Cynodon dactylon de Mn (69 mg·kg^–1) y Bouteloua curtipendula de Ni (4 mg·kg^–1). Se sugiere el uso de éstas especies en la rehabilitación de jales mineros.

Palabras clave: contaminación, minas, plantas, rehabilitación de jales.

ABSTRACT

The present study took place on a mine jal from Pachuca, Hidalgo. Such jal had the physical and chemical characterization of mining waste, the contents of potentially toxic elements (cadmium, copper, manganese, nickel, plumb, and zinc) and the vegetation parameters. Nine sampling sites were defined in the jal. The physical and chemical characteristics and the content of potentially toxic elements were determined in compound samples. The method of squares was used in order to identify plant species and in plant tissue samples of each species, the content of potentially toxic elements was determined. The mining wastes showed a franc–sandy texture and with a pH moderately alkaline and a low content of organic matter. The Zn (45 mg·kg^–1) and the Pb (14 mg·kg^–1) were the elements with a higher concentration. Twenty–five species of plants were identified and from these, Haplopappus venetus was the dominant species. Solanum corymbosum showed the highest accumulation of Cu (6 mg·kg^–1) Brickelia veronicifolia of Pb (5 mg·kg^–1) and Zn (20 mg·kg^–1), Atriplex suberecta of Cd (1 mg·kg^–1), Cynodon dactylon of Mn (69 mg·kg^–1) and Bouteloua curtipendula of Ni (4 mg·kg^–1). It is recommended to use these species in the rehabilitation of mining jales.

Keywords: pollution, mines, plants, rehabilitation of jales.

INTRODUCCIÓN

La minería es una de las actividades económicas de mayor tradición en México, practicada desde la época prehispánica y fuente de la expansión regional desde la Colonia. En el desarrollo del país fue un factor importante de modernización y avance, al suministrar insumos a prácticamente todas las industrias, entre las que destacan las de la construcción, metalúrgica, siderúrgica, química y electrónica. La actividad minera en México se realiza principalmente en los estados del norte, con clima predominantemente árido y en menor proporción en el centro del país. Los residuos, producto de la actividad minera son usualmente depositados a cielo abierto, en donde sufren procesos de intemperismo (SEMARNAT–BCS, 2001; Volke et al., 2005).

Los minerales se extraen y se concentran al utilizar métodos físicos, posteriormente se separa la fracción económicamente redituable por gravimetría. Los materiales con baja concentración de metal se retiran en forma de lodos que contienen altas cantidades de elementos potencialmente tóxicos (EPT). Los lodos son depositados en tinas que en México se denominan presas de jales, estos materiales son difícil de eliminar, ya que pueden permanecer durante décadas en el suelo e incorporarse en la cadena trófica (PROFEPA, 2000). Los EPT producen intoxicaciones y malformaciones en mamíferos (Kabata–Pendias y Mukherjee, 2007). Algunos elementos que se encuentran en los jales de mina son: zinc, cadmio, plomo, níquel, selenio, molibdeno, telurio y arsénico (Remon et al., 2005).

El estado de Hidalgo es rico en yacimientos de oro, plata, cobre, zinc y mercurio, que se envían a otras entidades de México y al extranjero, para su industrialización. En el estado las compañías mineras Real del Monte y Pachuca, S.A. y Minera Autlán son las más importantes (COREMI, 1992). La ciudad de Pachuca, Hgo., tiene jales de mina que resultaron de la acumulación de más de 200 años; el método de beneficio empleado en este distrito minero para la extracción del Au y Ag fue principalmente por amalgamación con Hg y por cianuración. Muchos habitantes de la ciudad no perciben el problema ambiental; considerando que las condiciones meteorológicas (vientos que alcanzan velocidades de 65 kph y que se presentan hasta nueve meses al año) favorecen la dispersión de partículas finas que se encuentran en la superficie de los jales (COREMI, 1992; Romero et al., 2008).

Existen algunos reportes que señalan la problemática ambiental que representa para el hombre los residuos de minería; Cortinas de Nava (2008), señala que en condiciones normales de operación de los depósitos o presas de jales mineros, y como consecuencia de tormentas y derrames de líquidos en las presas, puede ocurrir la contaminación de los cuerpos de abastecimiento de agua con el posible deterioro de su calidad, sobre todo si los jales tienen pH o contenido de metales que pueden volver el agua temporal o permanentemente no apta para el consumo.

El objetivo del presente trabajo fue realizar una caracterización física y química de residuos mineros y de especies vegetales, del jal de mina Dos Carlos, en la ciudad de Pachuca, Hgo., México.

MATERIALES Y MÉTODOS

Área de estudio. El jal se conoce con el nombre Dos Carlos, se ubica en las coordenadas 20° 06' latitud norte y 98° 43' longitud oeste a una altitud de 2,437 m. Tiene un área de 23 ha, una altura promedio de 20 m y un volumen de 14,333,492 t; donde es posible obtener 0.17 g·t^–1 de oro y 37.72 g·t^–1 de plata (COREMI, 1992).

Preparación y análisis físico y químico de residuos mineros y muestras vegetales. Se trabajaron muestras compuestas (de 1 kg), cada submuestra que formó la muestra compuesta, fue de un mismo volumen (de 150 a 200 g) y representó el mismo horizonte del sitio muestreado, por lo que se mezclaron submuestras obtenidas a la misma profundidad. De acuerdo con las metodologías establecidas en la Norma Oficial Mexicana NOM–021–RECNAT–2000, en laboratorio se determinaron las propiedades físicas del suelo: densidad aparente (método de la probeta) y textura (método de Bouyoucos). Las variables químicas analizadas fueron: pH (potenciómetro relación suelo:agua 1:2), porcentaje de materia orgánica (método de Walkley y Black), nitrógeno inorgánico (extraído con cloruro de potasio 2N y determinado por arrastre de vapor), fósforo (método de Olsen), cationes intercambiables K, Ca, Na y Mg (extraídos con acetato de amonio 1N, pH 7.0) y concentraciones extractables de elementos potencialmente tóxicos (extraídos con DTPA): cadmio, cobre, manganeso, níquel, plomo y zinc; cuantificados por espectrofotometría de absorción atómica.

Para el análisis químico del tejido vegetal, se colectaron diez ejemplares de cada especie, los cuales fueron identificados botánicamente en el Herbario del Departamento de Preparatoria Agrícola de la Universidad Autónoma Chapingo, donde quedaron depositados para su consulta. Posteriormente se realizó un listado florístico del área y se obtuvo la concentración de los elementos potencialmente tóxicos cadmio, cobre, manganeso, níquel, plomo y zinc en las especies vegetales recolectadas. Cada planta se separó en follaje y raíz, después se secaron en una estufa a una temperatura de 70 °C, se molieron y pesaron con un tamiz de malla 60. Estas muestras se sometieron a una digestión con una mezcla de ácido perclórico y sulfúrico en proporción 1:4 y se cuantificó: cadmio, cobre, manganeso, níquel, plomo y zinc por espectrometría de absorción atómica.

Los resultados de la caracterización físico–química de los residuos mineros se interpretaron con la NOM–021–RECNAT–2000; y la interpretación del contenido extractable de EPT en los residuos y en el tejido vegetal se realizó con la misma norma y de acuerdo con Romero et al. (2008), Page et al. (1981) y Carrillo–González (2005).

RESULTADOS

Características físicas y químicas del jal de mina.

De acuerdo con la NOM–021–RECNAT–2000, los residuos del jal presentaron: densidad aparente alta, textura franco arenosa, pH neutro a medianamente alcalino, contenidos: muy bajo de materia orgánica, medio de nitrógeno inorgánico, bajo de fósforo, alto de calcio, de muy bajo a alto en magnesio y de bajo a alto en potasio (Cuadro 1).

Concentración de EPT presentes en el jal. De acuerdo con la NOM–021–RECNAT–2000, los contenidos de EPT en los residuos mineros del jal fueron los siguientes: adecuado para cobre, manganeso y zinc, y normal para cadmio, plomo y níquel. El EPT extractable que presentó mayor concentración fue el zinc con un contenido promedio de 45.640 mg·kg^–1, seguido del plomo con 14.710 mg·kg^–1. El menor contenido lo presentaron el cadmio con 0.981 mg·kg^–1 y el níquel con 0.168 mg·kg^–1 (Cuadro 2).

Determinación taxonómica y concentración de EPT en plantas crecidas en el jal. Se determinaron 25 especies vegetales pertenecientes a siete familias, siendo las más representativas Asteraceae con nueve especies y Poaceae con siete especies (Cuadro 3). Las especies que concentraron mayor cantidad de EPT fueron: Solanum corymbosum (cobre), Brickelia veronicifolia (plomo y zinc), Atriplex suberecta (cadmio), Cynodon dactylon (manganeso) y Bouteloua curtipendula (níquel) Cuadro 3.

DISCUSIÓN

Características físicas y químicas del jal de mina. La densidad aparente que presenta el jal en estudio, corresponde a suelos arenosos, Puga et al. (2006) evaluaron concentraciones totales de arsénico y zinc en presas de jales de San Francisco del Oro Chihuahua, México, donde obtuvieron una textura areno–arcillosa.

Los residuos mineros del jal presentaron pH de neutro a medianamente alcalino, estudios realizados en otros jales de México han referido valores de pH similares. Así, Carrillo–González (2005) encontró pH alcalino en jales de mina del estado de Zacatecas y pH de ligeramente ácido a neutro en jales de mina de Temascaltepec, Estado de México. Por otro lado, Ramos–Arroyo y Siebe–Grabach (2006) estudiaron jales de cianuración en el Distrito Minero de Guanajuato y encontraron valores de pH medianamente alcalinos.

El contenido de materia orgánica fue muy bajo en la mayoría de los sitios, lo que se relaciona con baja porosidad y con densidad aparente mayor, reflejándose en un ambiente impropio para la penetración radical y, por ende, en una baja fertilidad natural (Castellanos et al., 2000). Resultados similares fueron obtenidos por Ramos–Arroyo y Siebe–Grabach (2006) quienes encontraron variaciones entre jales de 0.36 y 1.34 %, considerándose en el intervalo de muy bajo a bajo. Carrillo–González (2005) en un jal de Temascaltepec, Estado de México encontró que el contenido de materia orgánica varió de bajo (0.6 %) a alto (5.4 %), presentándose el mayor contenido en la cima del jal y el menor en las laderas.

El general los contenidos de nitrógeno, fósforo, potasio, calcio y magnesio fueron bajos. La importancia de nutrimentos como el nitrógeno, fósforo y potasio radica en mayor medida en que son elementos esenciales para el desarrollo de las plantas y que las necesidades de estos elementos dependen directamente del tipo de especie vegetal que se desarrolla en el sitio (Castellanos et al., 2000). Por lo anterior, se concluye que los residuos mineros del jal no presentan contenidos adecuados de elementos esenciales para favorecer el desarrollo de especies vegetales.

Concentración de EPT presentes en el jal. Al comparar los resultados con la NOM–021–RECNAT–2000, el cadmio rebasó el contenido considerado como normal, sin llegar a una concentración peligrosa, en tanto que el plomo y níquel se encontraron dentro del contenido normal. Romero et al. (2008), realizaron un estudio geoquímico en jales de las regiones mineras de Nacozari–Sonora; sus resultados mostraron concentraciones bajas de zinc (91 mg·kg^–1), similares a las obtenidas en este estudio. También encontraron concentraciones altas de cobre (535 mg·kg^–1), superiores a las obtenidas en este trabajo y concentraciones bajas de plomo (<20 mg·kg^–1); menores a las obtenidas en este estudio (4.3 a 34.4 mg·kg^–1).

Determinación taxonómica de plantas crecidas en el jal. La familia que mayor número de especies presentó en el jal fue Asteraceae, a lo cual Díaz et al. (2005), atribuyen a que es una de las familias con mayor número de especies en el mundo y que además presenta uno de los mecanismos de dispersión más eficientes, ya que sus semillas son principalmente anemócoras. De las especies determinadas, el COREMI (1992) señala al género Opuntia, como vegetación natural propia de la Sierra de Pachuca y del Distrito de Pachuca Real del Monte.

Díaz et al. (2005) en jales de Zacatecas encontraron 44 especies pertenecientes a 19 familias, siendo Asteraceae, Poaceae y Solanaceae las que se presentaron comúnmente. Los mismos autores en un jal de mina de Temascaltepec, México identificaron 29 especies vegetales pertenecientes a 12 familias, siendo Asteraceae, Leguminosae y Poaceae las de mayor riqueza de especies. La mayor parte son malezas y especies de sucesión secundaria.

En bancos de material abandonados, Muñoz et al. (2006) registraron 50 especies vegetales representadas en nueve familias, siendo las especies dominantes de las familias Poaceae, Asteraceae y Leguminosae. Entre las especies que fueron identificadas en el presente estudio y que han sido mencionadas por otros investigadores, se encuentran Brickellia veronicifolia, Zaluzania triloba, Solanum elaeagnifolium, Stipa tenuissima, Bouteloua curtipendula, Haplopappus venetus y Cynodon dactylon (Remon et al., 2005; Díaz et al., 2005; Puga et al., 2006; Muñoz et al., 2006).

Acumulación de EPT en la vegetación. En cuanto a la cantidad de EPT que acumularon las especies, se encontró que Solanum corymbosum mostró mayor cantidad de Cu, Brickellia veronicifolia de Pb y Zn, Atriplex suberecta de Cd, Cynodon dactylon de Mn y Bouteloua curtipendula de Ni. A pesar del contenido de EPT en su biomasa, estas especies de plantas no presentaron daños físicos en su apariencia, al respecto Hernández (2001) señala que las plantas tienen habilidad de desarrollar resistencia contra daños ocasionados por metales pesados, por un carácter fijado genéticamente, pero modificable por adaptación. Por esta propiedad, estas especies pueden utilizarse en la remediación de suelos contaminados.

En relación a especies vegetales estudiadas en jales de mina, Puga et al. (2006) encontraron que Cynodon dactylon presentó concentraciones fitotóxicas de As y Zn en jales de Chihuahua. Smith et al. (1998) y Kalandadze (2003) identificaron especies de Cynodon acumuladoras de Zn, útiles en la remediación de suelos, ya que presenta una respuesta de correlación directa entre el grado de exposición al EPT y su tolerancia. Las especies Atriplex confertifolia y Atriplex patula fueron indicadas por Wu (1994), como hiperacumuladoras de selenio. Por otro lado, Felipe y Pozuelo (2005) señalan que especies del género Haplopappus pueden utilizarse como remediadoras de sitios contaminados con selenio.

CONCLUSIÓN

Las propiedades físicas y químicas de los residuos de mina permiten el establecimiento de especies vegetales capaces de reducir la disposición de elementos potencialmente tóxicos en el suelo y en el aire, al favorecer la acumulación de los mismos en sus tejidos. Se sugiere la revegetación total del jal de mina con las especies vegetales descritas en el presente trabajo.

Los autores agradecen el apoyo otorgado por la Dirección General de Investigación y Posgrado de la Universidad Autónoma Chapingo, por el financiamiento del proyecto.

LITERATURA CITADA

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