Ejercicio interlaboratorio de bioensayos marinos para la evaluación de la calidad ambiental de sedimentos costeros. I. Descripción del ejercicio y calidad de los sedimentos

Interlaboratory assessment of marine bioassays to evaluate the environmental quality of coastal sediments in Spain. I. Exercise description and sediment quality

MC Casado-Martínez¹*, JL Buceta², JM Forja¹, TA DelValls¹

¹ Departamento de Química Física, Facultad de Ciencias del Mar y Ambientales, Polígono Río San Pedro s/n, 11510 Puerto Real, Cádiz, España. * E-mail: mcarmen.casado@uca.es

Recibido en noviembre de 2004;
aceptado en septiembre de 2005.

Resumen

El presente trabajo resume la organización del ejercicio interlaboratorio para distintos ensayos de toxicidad realizados sobre sedimentos de puertos españoles así como los resultados de la caracterización fisicoquímica de las muestras utilizadas. El ejercicio, que incluyó cuatro bioensayos (un ensayo comercial para la evaluación inicial de la toxicidad de los sedimentos, un ensayo para evaluar la toxicidad de los lixiviados y dos ensayos sobre la fase sólida) se desarrolló en dos fases. En la Fase I se distribuyeron a cada uno de los distintos laboratorios participantes seis muestras de sedimentos dragados en diferentes puertos alrededor de la costa española (Barcelona, Bilbao, Cádiz, Cartagena y Huelva) cuya toxicidad fue evaluada mediante los ensayos seleccionados. La Fase II, que incluyó seis nuevas muestras de sedimento (provenientes de los puertos de Algeciras, Bilbao, Cádiz y Huelva), incluyó sólo dos ensayos para los que se habían identificado distintos factores de confusión durante la primera fase del ejercicio. Los resultados de la caracterización química de las muestras arrojaron, en la mayoría de los sedimentos, altas concentraciones de determinados elementos metálicos, principalmente Cu, Hg y en menor medida As y Cd, y de los compuestos bifenilos policlorados medidos. De acuerdo con las concentraciones encontradas y las guías de calidad de sedimentos usadas en España para la gestión de dragados portuarios, cinco de las seis muestras de sedimentos que se usaron en cada fase del ejercicio se considerarían materiales con concentraciones altas de contaminantes y, por ende, su vertido al mar no sería permitido.

Palabras clave: material de dragado, variabilidad interlaboratorio, contaminación.

Abstract

Key words: sediment, round robin, ring test, toxicity, contamination.

Introducción

La Comisión Europea, siguiendo el ejemplo de otras iniciativas de agencias internacionales para el control de los procesos de dragado, incluyó los materiales resultantes de éstos en la Decisión 2000/532/EC, modificada por la Decisión 2001/118CE, como residuos que pueden ser considerados peligrosos si presentan altas concentraciones de contaminantes químicos. En España, aunque la legislación no incluye aún una directiva para regular la caracterización de los procesos de dragado, se han venido utilizando un conjunto de recomendaciones publicadas en 1994 por distintos organismos y entes relacionados (CEDEX 1994). De forma muy resumida estas recomendaciones incluyen la caracterización de los sedimentos a dragar en los casos en los que no se disponga de información suficiente para autorizar o descartar el vertido libre. Esta caracterización incluye la determinación de algunos parámetros normales del sedimento como el tamaño de grano, el contenido en materia orgánica o la determinación de la contaminación microbiológica, así como la cuantificación de determinados contaminantes de interés en la fracción menor a 63 μm. Los resultados de estos análisis se comparan con las correspondientes guías máximas de calidad de sedimentos, denominadas niveles de acción 1 y 2 (NA 1 y NA2; tabla 1), y los sedimentos son así clasificados en las tres categorías de gestión existentes: categoría I para los materiales con concentraciones inferiores al NA 1, categoría II para los materiales que presentan concentraciones entre NA 1 y el NA 2, y categoría III para los sedimentos con concentraciones superiores a NA 2. De este modo, los materiales de categoría I podrían ser vertidos al mar siguiendo un proceso de autorización normal de vertido, los materiales de categoría III necesitarían de un proceso especial de autorización para su gestión y no podrían ser vertidos al mar, y los materiales de categoría II necesitarían de un proceso de caracterización más exhaustivo para poder descartar posibles efectos adversos en el medio acuático y en consecuencia poder autorizar su vertido al mar.

Varios marcos de evaluación nacionales e internacionales para la gestión de materiales de dragado requieren la tradicional caracterización química y, además, la realización de ensayos de toxicidad para la evaluación de posibles efectos biológicos adversos (Environment Australia 2002, RIKZ 2001). En cualquier caso, y como para cualquier otra técnica analítica, si estas técnicas se quieren incorporar en programas reguladores no sólo se necesitan metodologías estandarizadas, sino que el proceso de validación necesario debe incluir además de esta estandarización el estudio de otras características como la precisión intralaboratorio o la variabilidad interlaboratorio. Esta última se considera una medida de la reproducibilidad del método cuando se realiza en distintos laboratorios siguiendo la misma metodología, con el mismo organismo y sobre las mismas muestras (USEPA 1994). Los principales factores que contribuyen a la variabilidad del método y que deberían tenerse en cuenta para la interpretación práctica de los resultados son: (1) los relacionados con el organismo de ensayo (edad, condición, mantenimiento o sensibilidad), (2) los relacionados con el desarrollo del ensayo (diferencias en el material o en la calidad del agua sobrenadante) y (3) los relacionados con el personal que desarrolla los ensayos, como por ejemplo su experiencia.

Para este ejercicio interlaboratorio se incluyeron cuatro bioensayos seleccionados de acuerdo con la experiencia de los laboratorios y con resultados previos en la caracterización de materiales de dragado y/o sedimentos contaminados (DelValls et al. 2003). Debido a su estandarización y amplio uso en la evaluación de muestras ambientales, se seleccionó el aparato comercial Microtox^® como herramienta para la evaluación inicial de la toxicidad, siguiendo el protocolo para el ensayo sobre fase sólida (SPT). Se incluyeron también el ensayo de supervivencia con crustáceos anfípodos, el ensayo sobre la fase sólida de enterramiento y mortalidad con juveniles de almeja y el ensayo con estadios larvarios de erizo de mar de 48 h de duración sobre el lixiviado de los sedimentos. Los objetivos principales para el desarrollo del ejercicio fueron:

]]> • Determinar las diferencias en las respuestas registradas por los distintos laboratorios, es decir, evaluar la precisión de cada uno de los bioensayos para caracterizar la toxicidad de materiales de dragado cuando los ensayos se realizan por un operador diferente y en laboratorios diferentes.

• Identificar los factores de confusión principales que afectan el desarrollo y la interpretación de los resultados cuando éstos se realizan en laboratorios con y sin experiencia previa en este tipo de bioensayos.

• Discutir las posibles causas de la variabilidad inter-laboratorio con la intención de mejorar la estandarización de protocolos y el uso de los bioensayos como herramienta complementaria a las guías químicas para la caracterización de materiales de dragado y su gestión.

• Discutir el uso de las guías biológicas propuestas previamente para considerar las muestras como tóxicas o no tóxicas según cada ensayo.

Organización del ejercicio interlaboratorio

Todos los laboratorios participaron voluntariamente y de acuerdo a su experiencia previa en la aplicación de los ensayos, por lo tanto el número de participantes fue diferente en cada caso. Algunos de los participantes han usado este tipo de ensayos para el análisis rutinario de la toxicidad de sedimentos desde hace varios años pero otros sólo los han incorporado recientemente. Los resultados de cada laboratorio fueron identificados con un número para respetar el anonimato.

Los puertos y las estaciones de muestreo fueron seleccionadas por el CEDEX y la Universidad de Cádiz (DelValls et al. 2003). La Universidad de Cádiz distribuyó una alícuota de cada muestra (identificada de la A a F) a los laboratorios participantes y un protocolo donde se describían los parámetros y las condiciones necesarias para el desarrollo de los ensayos de toxicidad. Los cambios introducidos por cada laboratorio al protocolo original recibido se enviaron con los resultados.

Debido a distintos factores de confusión encontrados durante el primer ejercicio (descritos en Casado-Martínez et al. 2006a, b) se realizó una segunda fase en marzo de 2004, en la que sólo se incluyeron los ensayos con Microtox^® y con estadios larvarios de erizo de mar. La organización de esta fase (II) fue similar a la previa (Fase I) pero las muestras se recogieron en distintas estaciones. Con las muestras se envió un protocolo más completo con especial énfasis en los factores de confusión encontrados durante la Fase I y que se discutieron, previamente a la Fase II, con los laboratorios participantes.

Las muestras de sedimento distribuidas en la Fase I del ejercicio (abril de 2003) se recogieron en cinco puertos localizados alrededor de la costa española (fig. 1). Las muestras incluían un sedimento control (muestra A) proveniente de una zona intermareal de la Bahía de Cádiz que, de acuerdo con estudios previos (DelValls et al. 1997), está libre de contaminación y no presenta toxicidad. Los sedimentos identificados como muestra B también provenían de la Bahía de Cádiz pero de la zona interior del puerto, posiblemente con contaminación de tipo orgánico. La muestra C se recogió en el puerto de Huelva donde se han encontrado previamente niveles altos de distintos compuestos metálicos (Riba et al. 2004). Las muestras D y E provenían de los puertos de Bilbao y Barcelona, respectivamente, cuya fuente de contaminación principal es el transporte marítimo. La muestra F eran sedimentos provenientes del puerto de Cartagena, afectado por actividades mineras de importancia histórica.

Para la Fase II del ejercicio de intercalibración, las muestras A' y B' se recogieron aproximadamente en el mismo lugar que el año anterior. Las muestras C' y D' fueron recogidas en el puerto de Huelva y la F' en el puerto de Bilbao (fig. 1). Los sedimentos de la muestra E' provenían del estuario del Río Guadarranque, en la zona de la Bahía de Algeciras y afectado principalmente por contaminación de tipo orgánico.

Las muestras de los sedimentos se recogieron con una draga tipo Van Veen y se agruparon en contenedores de polipropileno refrigerados (50 L). Las muestras de sedimento fueron homogeneizadas y tamizadas a través de una malla de 0.5 mm para retirar organismos y restos de ellos que pudieran interferir en los ensayos, dividiéndolas en alícuotas de distinto tamaño según el número y tipo de ensayos que fuese a realizar el laboratorio de destino. Antes de los ensayos, las muestras se conservaron herméticamente cerradas en oscuridad y a 4°C. Estas condiciones de conservación se alteraron durante el envío de las muestras, que se realizó en neveras refrigeradas y duró alrededor de 24 h.

Caracterización de los sedimentos

La caracterización de los sedimentos usados para los ensayos de toxicidad siguió las recomendaciones españolas usadas actualmente para materiales de dragado (CEDEX 1994). Esta caracterización incluyó algunos parámetros normales del sedimento (distribución de tamaños de grano o contenido en materia orgánica) y la cuantificación de As, Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb y Zn, y algunos compuestos de tipo orgánico como la suma de determinados bifenilos policlorados (PCBs) e hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAHs) en la fracción menor a 63 μm, previamente secada a 40°C. La distribución de los tamaños de grano se realizó según la UNE 103 101, y el contenido en materia orgánica se estimó por el método de pérdida por ignición (LOI) a 550°C y posterior determinación gravimétrica, como se recomienda para dragados de pequeños volúmenes (CEDEX 1994).

Las especies metálicas se determinaron previa digestión ácida en horno microondas en frascos de Teflón. Para la determinación del Hg se utilizó la técnica de generación de vapor frío y para la del As la generación de hidruros, ambos cuantificados mediante espectrometría de absorción atómica. Las concentraciones de Cd, Pb, Cu, Zn y Cr se determinaron mediante espectrometría de absorción atómica con llama o en horno de grafito dependiendo de las concentraciones en los sedimentos. Los PCBs e PAHs se cuantificaron, previa extracción con ciclohexano y diclorometano, mediante tratamiento con ultrasonido y concentración y limpieza por columna cromatográfica. La determinación de PCBs (suma de 7 compuestos) se realizó por cromatografía de gases acoplada a un detector por captura de electrones (de acuerdo con USEPA, método 8080) y los PAHs (suma de 16 compuestos) se determinaron mediante cromatografía líquida de alta resolución con detección por fluorescencia (de acuerdo con la USEPA, método 8310). Todos los análisis se comprobaron con materiales de referencia (Material Certificado de Referencia NRC-CNCR 277 BCR para metales y NRC-CNRC HS-1 para compuestos orgánicos) y estaban dentro del rango de aceptabilidad.

Resultados

Los resultados de los análisis químicos y otros parámetros del sedimento se incluyen en las tablas 2 y 3. Las concentraciones químicas encontradas en los sedimentos se compararon con los valores límites (NA 1 y NA 2) usados para la caracterización de materiales de dragado en España (CEDEX 1994) y se clasificaron de acuerdo a las distintas opciones de gestión (tabla 4). La muestra A, que podría ser considerada un control negativo de toxicidad (DelValls et al. 1997), era un sedimento arenoso con bajo contenido en materia orgánica. Como se esperaba, las concentraciones de compuestos químicos fueron bajas y en ningún caso superan los niveles de acción. El resto de las muestras presentaron un alto porcentaje de finos de 5760% (muestras B, E y F) a 90% (estación C). Los sedimentos también tuvieron un alto contenido en materia orgánica que varió entre 10% (muestras C y F) y 17% (muestra E). De acuerdo con estos resultados todos los sedimentos excepto los de la estación A no serían aptos para su vertido al mar. Las muestras B y D excedieron el NA 2 para los PCBs. La muestra C estuvo principalmente afectada por contaminación de tipo metálica y superó los NA 2 correspondientes a las especies metálicas As y Cu, y en las otras dos muestras, E y F, se registró una mezcla de compuestos de tipo orgánico (PCBs) e inorgánico (Hg y Cu y también Cd para la muestra E) que excedían los correspondientes NA 2. Sólo los sedimentos de la estación D presentaban una concentración importante de PAHs.

Del análisis de los sedimentos distribuidos en la Fase II del ejercicio se obtuvieron resultados similares: con excepción de la muestra A', el resto de los sedimentos fueron clasificados en la Categoría III ya que la concentración de determinados compuestos excedió los correspondientes NA 2. Las muestras del puerto de Huelva (C' y D') estuvieron principalmente afectadas por As, Cd y Cu. Las muestras E' y F' se clasificaron como no aptas para su vertido al mar debido a sus altas concentraciones de PCBs, aunque también presentaron importantes concentraciones de PAHs y de As y Hg, que superaban los NA 1. El contenido en material orgánico de los sedimentos también fue elevado, entre 6% y 15%. Las muestras C' y D' mostraron una carga química similar aunque esta última tenía un porcentaje de finos mayor y el doble contenido en materia orgánica que la primera.

Discusión

De acuerdo con las características fisicoquímicas determinadas en los sedimentos analizados, son de esperarse niveles bajos de toxicidad para la muestra A, lo que permitiría vertirla al mar sin mayor problema tras un proceso normal de autorización; sin embargo, las otras cinco muestras serían clasificadas como categoría III, cuyo vertido en principio se prohibe por ser consideradas potencialmente tóxicas. No obstante estar afectadas por distintos tipos de contaminación, para poder vertirlas al mar todas requerirían de un procedimiento de autorización especial. Además, estas cinco muestras eran sedimentos finos con alto contenido en materia orgánica. Los resultados para la serie de muestras de la Fase II fueron similares y su clasificación en categorías de gestión resultó igual: todas las muestras excepto el sedimento arenoso (A') fueron clasificadas como categoría III, es decir, con efectos adversos potenciales.

Agradecimientos

Este estudio se realizó como parte de un proyecto de investigación conjunto entre el CEDEX y la Universidad de Cádiz. Parte del trabajo fue subvencionado por el Programa Nacional del Ministerio Español de Ciencia y Tecnología (REN2002 01699/TECNO). MC Casado-Martínez agradece la financiación del Ministerio Español de Educación y Ciencia en el programa de becas de Formación de Personal Investigador (FPI). Nuestro agradecimiento a las autoridades portuarias y al personal de los puertos de Cádiz, Huelva, Barcelona y Cartagena por su ayuda durante el muestreo de los sedimentos, así como al personal de AZTI por su ayuda durante los muestreos de sedimentos en el puerto de Bilbao y a A Luque por sus comentarios para la preparación del manuscrito final.

Referencias

Casado-Martínez MC, Campisi T, Díaz A, Lo Re R, Obispo R, Postma JF, Riba I, Sneekes AC, Buceta JL, DelValls TA. 2006a. Interlaboratory assessment of marine bioassays to evaluate the environmental quality of coastal sediments in Spain. II. Bioluminescence inhibition test for rapid sediment toxicity assessment. Cienc. Mar. (this issue).

Casado-Martínez MC, Fernández N, Lloret J, Marín L, Martínez-Gómez C, Riba I, Saco-Álvarez L, DelValls TA. 2006b. Interlaboratory assessment of marine bioassays to evaluate the environmental quality of coastal sediments in Spain. III. Bioassay using embryos of the marine sea urchin Paracentrotus lividus. Cienc. Mar. (this issue).

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