Pinus halepensis Mill. como indicador de contaminación atmosférica en una zona industrial urbana

Pinus halepensis Mill. as environmental pollution indicator in an urban industrial zone

Fernando Rafael Astorga Bustillos ¹, Manuel Sosa Cerecedo², Eduardo Florencio Herrera Peraza³, Myriam Verónica Moreno López³, Melitón Tena Vega⁴ y Alfredo Campos Trujillo³*

¹ Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Chihuahua.

² Departamento de Energías Renovables y Protección del Medio Ambiente, Centro de Investigación de Materiales Avanzados S.C.

⁴ Campo Experimental Madera. CIR-NOC, INIFAP.

Fecha de recepción: 8 de marzo de 2010.
Fecha de aceptación: 10 de octubre de 2011.

RESUMEN

Uno de los principales contaminantes atmosféricos son las partículas suspendidas totales (PST). Su monitoreo puede realizarse mediante aparatos o seres vivos, entre los primeros están los equipos de alto volumen (HV), que son excelentes pero muy caros; por lo que es más barato usar follaje para la estimación de las concentraciones de PST. El objetivo de esta investigación fue estudiar la relación entre las PST y el material particulado retenido (MPR) en hojas de pino Alepo ( Pinus halepensis ) y determinar la posible utilización de la especie como biomonitor pasivo de la calidad del aire. El estudio se realizó en una zona industrial (Nombre de Dios) de Chihuahua, México, en el periodo noviembre de 2007 a mayo de 2008. Se determinaron concentraciones de PST de acuerdo al método EPA I0-2.1 con muestreos de 24 horas, cada 6 días. Para el MPR en el follaje de los pinos se hizo una recolecta mensual de las hojas. Los resultados mostraron una alta correlación (0.901) entre la concentración de PST y MPR. El modelo de regresión tuvo una R² = 0.812, por lo que se considera al MPR como un predictor aceptable de las PST. La utilización de hojas de Pinus halepensis como biomonitor pasivo de PST es una alternativa viable en comparación al muestreo activo con HV, especialmente en estudios de mediano y largo plazo. Esta metodología es práctica y puede aplicarse en pequeñas poblaciones y sitios remotos, donde no exista suministro de energía eléctrica.

Palabras clave: Biomonitoreo, indicador ambiental, material particulado retenido, muestreo de alto volumen, particulas suspendidas totales, Pinus halepensis Mill.

Particulate matter (TSP) is one of the main pollutants in the air; its monitoring can be carried out by using mechanical equipment or living organisms (biomonitoring). The monitoring of TSP with high volume samplers (HV) is very precise but very expensive. A more economic alternative is the use of foliage as a biomonitor in the estimation of TSP concentrations. The objective of this research was to study the relationship between TSP concentrations and the particulate material retained (PMR) in Aleppo pine needles, with the aim of using this pine species as a passive biomonitor for air quality. The study was conducted on an industrial zone (Nombre de Dios) in Chihuahua, Mexico, from November 2007 till May 2008. TSP concentrations were determined according to EPA method I0-2.1. The monitoring was carried out for 24-hr in 6 days cycles. The PMR was determined by sampling and washing pine's needles once per month. The results showed a strong correlation (0,901) between the concentration of TSP and PMR. The regression model gave an R² of 0,812, so we can ascertain that PMR can be considered as an acceptable predictor for measuring TSP. In conclusion the use of Aleppo pine leaves as a passive biomonitor of TSP is a viable alternative compared to active sampling using HV equipment, especially in medium and long term studies monitoring air quality. This methodology is practical and can be applied in small towns and remote sites whithout electricity supply.

Key words: Biomonitoring, environmental indicator, particulate matter retained, high volume sampling, total suspended particles, Pinus halepensis Mill.

INTRODUCCIÓN

En la tropósfera los contaminantes más importantes del aire son las partículas suspendidas, los óxidos de nitrógeno, el monóxido de carbono, el dióxido de azufre, los hidrocarburos y el ozono. Estos afectan el proceso de fotosíntesis de la vegetación, causan decrecimiento en las cosechas, y dañan los materiales de las fachadas de edificios y los plásticos, lo que da como resultado grandes pérdidas económicas cada año (Vollenweider y Günthardt-Goerg, 2005). Así mismo, el sistema respiratorio se ha relacionado con los efectos adversos de la contaminación atmosférica (Pope III y Dockery, 2006). El término "partículas" engloba tanto las que están en suspensión, como las sedimentables (diámetro > 20 µm) que se caracterizan por tener un corto tiempo de residencia (algunas horas).

El monitoreo de la calidad del aire se realiza con aparatos o con seres vivos. Cuando se emplean plantas o animales se denomina biomonitoreo (Berrow, 1984). Hacerlo en áreas urbanas y rurales es un problema debido al alto costo de operación. Si se realiza con equipos de alto volumen (HV) es excelente, pero muy caro, a diferencia del uso de follaje que resulta más barato (Lehndorff y Schwark, 2008). Al respecto, existen diversos trabajos de investigación con diferentes tipos de plantas (Aboal et al ., 2001; Gombert et al ., 2006; Tretiach et al ., 2007; Alcalá et al ., 2008), y se ha determinado que las hojas de pino son el material más utilizado, junto con los musgos, para este propósito (Piccardo et al ., 2005).

La vegetación arbórea, además de embellecer los escenarios citadinos, mejora la calidad del aire significativamente, ya que remueve las partículas suspendidas en el ambiente, lo cual es un servicio ecológico importante. La capacidad de retención de contaminantes en sus copas es posible usarla como un indicador de calidad ambiental. A pesar de que las acículas de pino son útiles para tal fin, la interpretación cuantitativa de los datos es complicada por la falta de estudios comparativos (Hellström et al ., 2004). Pocos autores hacen estudios simultáneos con monitores pasivos y activos, por ejemplo con equipo de HV (Klánová et al ., 2009; Martínez-Carrillo et al ., 2010).

Una ventaja de las coníferas sobre las especies de hoja ancha es que acumulan contaminantes atmosféricos por varios años (Di Guardo et al., 2003). Si se consideran como limitante los periodos de monitoreo, el empleo de Pinus halepensis Mill. ofrece una alternativa al esquema convencional, por la amplia distribución geográfica del taxón, el bajo costo del método y su alta resolución espacial (Lehndorff y Schwark, 2004). También puede aplicarse en zonas rurales o minero-industriales, donde no existen estaciones permanentes de monitoreo y se desconocen los niveles de concentración y de contaminación por partículas y polvo sedimentable.

El objetivo del presente trabajo fue estudiar la relación entre las concentraciones de partículas suspendidas totales (PST) en la atmósfera y el material particulado retenido (MPR) en hojas de Pinus halepensis; para la posible utilización de la especie como biomonitor pasivo de la calidad del aire, con respecto a las partículas suspendidas en áreas urbanas.

MATERIALES Y MÉTODOS

Área de estudio

La investigación se realizó en la ciudad de Chihuahua, ubicada en el norte de México (28^o 40' 21.49" N, 106^o 04' 51.64" O) a 1,418 msnm. Cuenta con una población de 819, 543 habitantes (INEGI, 2010). Presenta una temperatura media anual de 18.2 ^oC, precipitación media anual de 409 mm y humedad relativa del 49%.

El muestreo se realizó en la zona industrial Nombre de Dios (Figura 1). Las principales actividades del lugar son: la fabricación de cemento, de rines de aluminio, elaboración de harina de maíz, panificaciones industriales, producción de concreto asfáltico, premezclados de concreto hidráulico y la explotación de bancos de material pétreo. Así mismo, existen vialidades con intenso tránsito de vehículos pesados y ligeros.

Monitoreo pasivo

Para el monitoreo pasivo de MPR se seleccionaron tres individuos de Pinus halepensis, en cada uno se recolectaron aproximadamente 70 g de hojas por mes, de noviembre de 2007 a mayo de 2008, a una altura de 2 m y alrededor del árbol. Las muestras se colocaron, transportaron y almacenaron en bolsas de papel, para su posterior análisis en laboratorio en donde se lavaron con agua destilada para remover las partículas atrapadas sobre la superficie de las acículas, y se determinaron los sólidos suspendidos totales de acuerdo al método estándar 2540 (APHA, 1995). Esta variable se determinó con una balanza Sartoriuos, modelo BP211D con precisión de 0.01 mg. El peso seco se obtuvo a partir de las hojas, las cuales fueron secadas en una estufa Felisa, modelo FE-241 a una temperatura de 60 ^oC por 48 horas, a continuación se colocaron en un desecador, hasta alcanzar un peso constante. La concentración de MPR se calculó dividiendo el peso de los sólidos totales entre el peso del follaje seco (g kg^-1).

Monitoreo activo

La determinación de PST se realizó mediante un muestreador HV marca Graseby Andersen, con un flujo de operación de 1.1 a 1.7 m³ h^-1. La calibración del equipo se hizo en campo con un calibrador de platos de orificios marca Andersen y un manómetro digital Druck DPI705. Como medio de captura se utilizaron filtros de fibra de vidrio de 20.32 x 27.94 cm marca Whatman G653. Estos se pusieron en un desecador por 24 h y después se mantuvieron en una cámara de acondicionado (de construcción propia), en un periodo igual a una humedad relativa de 45 ± 5% y una temperatura de 24 ± 2 ^oC. Su peso se registró con una micro balanza Sartoriuos BP211D con sensibilidad de 0.01 mg. La determinación gravimétrica de las concentraciones de partículas suspendidas en el aire se efectuó con el método EPA IO-2.1 (EPA, 1999). Los muestreos se realizaron por 24 h y cada 6 días se repitió el proceso, de noviembre de 2007 a mayo de 2008.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Se obtuvieron 19 muestras de hojas y 35 de filtros. El análisis estadístico se hizo mediante la regresión y correlación de los promedios mensuales de las concentraciones de PST (Cuadro 1). Los estadísticos descriptivos de las concentraciones en ambos muestreos se presentan en el Cuadro 2.

La pregunta clave en cualquier estudio de biomonitoreo es si las muestras son compatibles con las concentraciones reales de PM (material particulado, por sus siglas en inglés) en el aire. Morris et al . (1995) consignan una buena correlación entre la capacidad de captura y la fracción total de PM₁₀ (partículas de tamaño respirable) capturada diariamente en filtros. Para el presente estudio, las series de tiempo de las variables MPR y PST (Figura 2) mostraron la existencia de una relación entre ellas, ya que las dos tenían la misma tendencia a incrementar o decrecer mensualmente. El análisis de correlación indicó una relación alta, puesto que el valor de correlación de Pearson fue de 0.901 (P= 0.006).

Se realizó un análisis de regresión para explicar la relación entre ambas variables (ecuación 1).

Donde:

y_i = Valor promedio mensual de la concentración de partículas suspendidas totales en aire ambiente (PST) para i-ésima observación.

X_i = Valor de la concentración de material particulado retenido (MPR) en las hojas de pino para i-ésima observación.

]]> b_o = Valor hipotético de la concentración de PST, cuando el valor de MPR es igual a cero (intercepto).

b_xy = Cambio en el valor de la concentración de PST por cada unidad de incremento de MPR (coeficiente de regresión o pendiente).

e_i = Error aleatorio para la i-ésima observación.

La línea de regresión ajustada se muestra en la Figura 3, que corresponde a la ecuación 2:

Con base en el análisis de varianza de la regresión (Cuadro 3) el modelo presentó una F calculada mayor a la de tablas, por lo que se rechazó H₀ y se concluye que la variable independiente MPR tiene relación con las concentraciones de PST. El valor de R² (0.812) implica que las concentraciones de MPR en las hojas de pino predicen razonablemente las concentraciones promedio mensuales de PST en la atmósfera, en áreas industrializadas. El porcentaje restante puede responder a otras variables como los efectos climáticos de corto plazo.

Los resultados concuerdan con los de un estudio de Tillandsia usneoides (L.) L., en un área industrial de la Región Central de México (Martínez-Carrillo et al ., 2010), cuyos autores señalan que los biomonitoreos tienen buena concordancia con aquéllos que se realizan simultáneamente con filtros. De igual manera, se coincidió con que estos no sustituyen a los muestreos con equipos, pero proporcionan una buena estimación de la calidad del aire.

En lo relativo a la duración de los períodos de muestreo, Muxworthy et al . (2001) asumieron que los efectos climáticos pueden sesgar la composición de las partículas en los filtros recolectados semanalmente. De acuerdo a los resultados, y a otros autores (Urbat et al ., 2004; Klánová et al ., 2009), el uso de hojas de pino es más adecuado para las evaluaciones de calidad del aire de largo plazo, ya que el lavado por lluvia y la abrasión por el viento no son significativos en la alteración del estado de acumulación; por lo tanto, los contaminantes se integran por meses o años y es factible generar promedios de sus niveles. Además, la carga de contaminantes atmosféricos en una región específica, promediada en períodos de 1 a 3 años, es más relevante para estimar los riesgos a la salud humana.

CONCLUSIONES

La utilización de hojas de Pinus halepensis como biomonitor pasivo es una alternativa viable para sustituir las metodologías de muestreo activo de partículas atmosféricas, con equipos de alto volumen, especialmente en estudios de mediano y largo plazo. Esta metodología es más práctica y puede aplicarse en pequeñas poblaciones y sitios remotos, donde no existe suministro de energía eléctrica. Por otro lado, debido a que los costos son inferiores es pertinente utilizarla, ya que los presupuestos son cada vez más reducidos.

Es recomendable extender los monitoreos a otras áreas: zonas residenciales y sitios remotos, para determinar la efectividad de ésta metodología en espacios con bajas concentraciones de contaminantes.

AGRADECIMIENTOS

Al M.I. Oscar Raúl Herrera Lagunas, de la Universidad Autónoma de Chihuahua por el apoyo brindado. Al M.C. Elías Ramírez Espinoza, al Ing. Jorge Iván Carrillo Flores y al M.C. Ramón Gómez Vargas del Laboratorio de Calidad del Aire. Así mismo, al Ing. Alejandro Benavides Montoya, a la Q. Silvia Violeta Miranda Navarro y a la Ing. Alma Delia Rubio Gómez del Laboratorio de Análisis Químico, del Centro de Investigación en Materiales Avanzados.

REFERENCIAS

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