EVALUACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS POLICÍCLICOS EN LAS AGUAS DE LA RESERVA DE LA BIOSFERA BARRANCA DE METZTITLÁN

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1 EVALUACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS POLICÍCLICOS EN LAS AGUAS DE LA RESERVA DE LA BIOSFERA BARRANCA DE METZTITLÁN Jorge GARCÍA 1, Alberto Jose GORDILLO-MARTINEZ 1, Griselda PULIDO-FLORES 2, Scott MONKS 2, José Roberto VILLAGÓMEZ IBARRA 1 y Otilio Arturo ACEVEDO SANDOVAL 3 1 Centro de Investigaciones Químicas, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Carretera Pachuca-Tulancingo Km. 4.5 C.P (gordillo@uaeh.edu.mx). 2 Centro de Investigaciones Biológicas, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Apartado Postal 1-69 C.P Centro de Investigaciones en Ciencias de la Tierra, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Carretera Pachuca-Tulancingo Km. 4.5 C.P Palabras clave: PAH, antraceno, fluoreno, pireno, fenantreno. RESUMEN Los Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (PAH) poseen propiedades carcinogénicas y mutagénicas (Neft 1979). La quema de combustibles fósiles y material orgánico contribuye con el incremento de estas sustancias químicas en el ambiente. En el presente trabajo se analizaron la concentraciones de PAH en agua y sedimento en tres puntos del Río Metztitlán y en la Laguna de Metztitlán, Reserva de la Biosfera Barranca de Metztitlán, Hidalgo, utilizando la técnica de Cromatografía de Gases con detector de Espectrometría de Masas (CGC/EM). Lo cual permitió establecer las condiciones óptimas de operación del CGC/EM para la determinación estas sustancias. Para el manejo y tratamiento de las muestra se empleó la técnica de extracción en fase sólida y posteriormente concentración por arrastre de vapor. Los resultados obtenidos demuestran la presencia de naftaleno, antraceno, fluoreno, pireno, criseno y fenantreno, asociados principalmente al sedimento. Los PAH presentaron la máxima concentración en las muestras colectadas durante la época de estiaje. Dichas concentraciones fluctuaron entre 2.1 y 61.7 μg Kg -1 en muestras de sedimento. Las muestras de agua analizadas se detectaron concentraciones en un intervalo de 1.1 y 21.9 μg L -1. INTRODUCCIÓN Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH, por sus siglas en inglés) se generan como productos al quemar combustibles fósiles y material orgánico (Neft 1979). Las principales fuentes incluyen emisiones de la quema de carbón y madera, emisiones de automóviles, plantas generadoras de energía y quema de desperdicios (Harrison et al. 1996). A nivel mundial hay estudios que 1

2 revelan su presencia en aire (Wild y Jones 1995), agua (Botello y Calva 1998), suelos (Bzduzek y Christensen 2004) y alimentos (Mottier et al. 2000). En la década de 1980, la Comunidad Europea puso especial interés y atención hacia la calidad de las aguas al emitir una lista de contaminantes orgánicos, que coincide con la lista de la Agencia de Protección del Medio Ambiente (EPA, por sus siglas en inglés) de los Estados Unidos de América, misma que consta de 129 agentes (Soniassy et al. 1994) y en la que se encuentran incluidos 16 tipos de PAH. Actualmente en México, La Comisión Nacional del Agua establece límites máximos permitidos para agua potable de acenafteno y fluoranteno, 0.02 y 0.04 mg/l respectivamente, en agua (CNA 1998). Un análisis de contaminantes orgánicos en agua a niveles de trazas requiere forzosamente el empleo de instrumentación analítica avanzada, que permita alcanzar los niveles de detección y la cuantificación más bajos posibles, tratando de que éstos sean inferiores a los que marque la normatividad. A este fin, el EPA incluye el análisis de los PAH en el método 8100, que indica el procedimiento para la determinación de compuestos orgánicos en agua potable mediante Cromatografía de Gases (EPA Method 8100). La Laguna de Metztitlán está ubicada en el centro del Estado en el municipio de Metztitlán, dentro de la Reserva de la Biosfera Barranca de Metztitlán, Hidalgo. La laguna recibe las aguas del Río Metztitlán, en el cual se realizan descargas de varios municipales dentro y fuera de la reserva. Su captación es de 650 millones de m 3 y su elevación es de 1253 msnm. MATERIALES Y MÉTODOS Metodología general La metodología para determinar PAH en el presente trabajo de investigación se basa en la establecida por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA Method 8100). Misma que fundamenta la cuantificación de PAH en la utilización de la Cromatografía de Gases como método de identificación y cuantificación de estos compuestos contaminantes. Muestreo El procedimiento para realizar el muestreo en la Laguna de Metztitlán consistió en trazar una rejilla sobre la misma, después de haber obtenido las dimensiones, esta rejilla se divide en dos partes, la primera de un tercio y resto en dos tercios, para la ubicación correcta y la localización de los puntos de muestreo, una vez hecho lo anterior se obtuvieron las muestras de agua, sedimento y peces en los 10 puntos seleccionados en La Laguna. 2

3 En Río Metztitlán se ubicaron tres puntos de colecta de agua y sedimentos con base en las zonas nucleo de la reserva: 1.- Puente Venados (N 20º ; O 98º ); 2.- Jilotla (N 20º ; O 98º ); 3.- La Presa, (N 20º ; O 98º ). Técnica La recolección de las muestras, conservación y manejo se realizaron de acuerdo a lo que se establece en la Norma Oficial Mexicana (NOM-001-ECOL- 1996). En Los transectos del río se tomaron muestras de agua a 1 metro de profundidad. Para la extracción de PAH de las muestras se empleó la técnica de extracción en fase sólida (SPE) en su modalidad de discos y tubos SPE. La elución de los compuestos orgánicos se realizó con cloruro de metileno y la concentración utilizando un rotavapor. El extracto obtenido se inyectó mediante una alícuota en una columna capilar de gel de sílice para PAH en un equípo de Cromatografía de Gases/Espectrofotometría de Masas (CGC/EM). Los componentes que se eluyen del CGC/EM se identificaron por comparación e interpretación de los espectros de masas, así como por los valores de tiempo de retención con aquéllos asignados en una base de datos. De los cuales se obtuvieron a través de los espectros de masa de referencia en las mismas condiciones empleadas con estándares conocidos. Las concentraciones de cada uno de los analitos identificados, se analizaron al correlacionar respuestas del ion de cuantificación con el valor de la señal generada por el compuesto adicionado como estándar interno. También, en la misma operación, se evaluó la señal, o señales, de los analitos subrogados, que son adicionados a las muestras en concentraciones conocidas como la del estándar interno (Glaser et al. 1981). Los espectros de masas de cada analito se compararon con los espectros de la base de datos (Wiley Library 1996) para su asignación. Además, se recurrió al Merck (1996) para la asignación de las señales de los cromatogramas obtenidos en el presente estudio así como de los espectros de masas. RESULTADOS Las condiciones óptimas del análisis por CGC/EM para PAH se describen en la Tabla I. Tabla I. Condiciones de operación del CGC/EM Cromatógrafo de gases Hewlett Packard Serie II Detector Detector de ionización por flama Columna Supelco PTE-5, poli 5% difenil 95% dimetilsiloxano 3

4 Programa de temperatura Tiempo de corrida Gas Volumen de la inyección Intervalo de masas 30 m x 0.25 mm D.I. x 0.25 μm film 40 C-4 min, rampa 10 C/min hasta 300 C 45 minutos He 1 ml/min 1 μl, splitless m/z Los cromatogramas obtenidos de la separación de los 15 tipos de PAH, incluyendo el estándar interno y el subrogado, se presentan en la Tabla II. Tabla II. Tiempos de retención de los 15 tipos de PAH, estándar interno y subrogados Compuesto Tiempo de retención Naftaleno 7.76 Acenaftileno Acenafteno d10 (estándar subrogado) Antraceno Fluoreno Fenantreno Fenantreno d10 (estándar interno) Pireno Fluoranteno Benzo (a) antraceno Criseno Benzo (k) fluoranteno Benzo (a) pireno Benzo (b)fluoranteno Indeno [1,2,3-cd] pireno Dibenzo (a,h) antraceno Benzo (g,h,i)perileno

5 Los límites de detección del método empleado se presentan en la Tabla III. Tabla III. Limites de detección de los PAH. PAH L.D. (μg/l) Acenafteno d Antraceno 0,81 Acenaftileno 0, 97 Benzo[a]antraceno 1.12 Benzo[a]pireno 1.07 Benzo[b]fluoranteno 0.83 Benzo[k]fluoranteno 1.41 Benzo[ghi]perileno 0.36 Dibenzo[a,h]antraceno 0.55 Fenantreno d Fenantreno 0,76 Fluoranteno 0,48 Fluoreno 0,99 Indeno[1,2,3-cd]pireno 1.53 Criseno 1.28 Naftaleno 1.57 Pireno 1.92 DISCUSIÓN En el monitoreo de la calidad ambiental, la cromatografía de gases es una técnica de las más empleadas, y cuando se acopla a un detector de masas, representa una herramienta fundamental en la determinación de sustancias orgánicas en agua, debido a su alta especificidad y sensibilidad (Glaser et al. 1981). En las muestras del Río Metztitlán, se registró las concentraciones de algunos PAH, observándose una disminución de estas sustancias químicas en el sedimento y el agua durante los meses de julio a octubre, época de mayor precipitación pluvial en el área de estudio (Tablas IV y V). 5

6 Tabla IV. Concentración de algunos PAH en muestras de sedimento colectados durante el periodo abril-octubre 2005 del Río Metztitlán ÉPOCA SITIO Naftaleno Antraceno Fluoreno Pireno Criseno Fenantreno μg Kg -1 < L. D. < L. D < L. D. < L. D Jilotla < L. D. P. Venados 21.9 < L. D. < L. D < L. D. < L. D. < L. D. < L. D < L. D. < L. D Jilotla < L. D. P. Venados 17.9 < L. D. < L. D. 8.3 < L. D. < L. D. < L. D < L. D. < L. D. 7.4 Jilotla < L. D. < L. D. P. Venados 12.9 < L. D. < L. D. 5.3 < L. D. < L. D. < L. D. < L. D. 8.1 < L. D. < L. D. 5.9 Jilotla < L. D. < L. D. P. Venados 7.1 < L. D. < L. D. 5.0 < L. D. < L. D. <L.D.: Menor al límite de detección (Ver Tabla III). ABRIL MAY-JUN JUL-AGO SEP-OCT Tabla V. Concentración de algunos PAH en muestras de agua colectadas durante el periodo abril-octubre 2005 del Río Metztitlán. ÉPOCA SITIO Naftaleno Antraceno Fluoreno Pireno Criseno Fenantreno μg L -1 < L. D < L. D. < L. D Jilotla < L. D. P. Venados 21.9 < L. D. < L. D < L. D < L. D < L. D. < L. D. 2.1 Jilotla < L. D. P. Venados 10.4 < L. D. < L. D < L. D. 1.1 < L. D < L. D. < L. D. 1.2 Jilotla < L. D. < L. D. P. Venados 1.4 < L. D. < L. D. 2.8 < L. D. 1.0 < L. D. < L. D. 1.7 < L. D. < L. D. 1.8 Jilotla < L. D. < L. D. P. Venados 2.4 < L. D. < L. D. 1.1 < L. D. < L. D <L.D.: Menor al límite de detección (Ver Tabla III). ABRIL MAY-JUN JUL-AGO SEP-OCT De las muestras analizadas, se detectó la presencia de naftaleno en sedimento y agua del Río Metztitlán en las localidades de Jilotla y Puente Venados. Mientras que, el antraceno se registró en el sedimento y agua en Jilotla y en agua de. El Fluoreno se detectó en sedimento y agua de Jilotla y. Por su parte, el Pireno se registró en sedimento y 6

7 agua de Puente Venados y Jilotla. El Criseno, únicamente se registró en Jilotla alcanzando su mayor concentración en el sedimento con respecto al agua. El Fenantreno se registró en el agua de Puente Venados, mientras que en se registró en el sedimento y el agua. Es importante señalar que las concentraciones más altas de PAH se registraron durante el mes de abril, y observándose una disminución en las concentraciones de forma gradual en los siguientes meses. Este comportamiento de las concentraciones de los PAH se correlacionan con las condiciones ambientales de sequía (abril a junio) y lluvia (julio a octubre) en la zona de estudio. Hecho que se observó porque se realizó muestro en ambos periodos. En las muestras de la Laguna de Metztitlán, se registró las concentraciones de algunos PAH en lastablas VI y VII. Tabla VI. Concentración de algunos PAH en muestras de sedimento colectadas durante el periodo agosto-octubre de 2005 de la Laguna de Metztitlán. Época Naftaleno Antraceno Fluoreno Pireno Criseno Fenantreno μg Kg -1 Agosto 15.4 < L. D < L. D Septiembre < L. D. 1.2 Octubre 1.08 < L. D. 1.7 < L. D. < L. D. < L. D. <L.D.: Menor al límite de detección (Ver Tabla IV). Tabla VII. Concentración de algunos PAH en muestras de agua colectadas durante el periodo agosto-octubre de 2005 en La Laguna Metztitlán. Epoca PAH Naftaleno Antraceno Fluoreno Pireno Criseno Fenantreno μg L -1 Agosto < L. D. 1.1 Septiembre < L. D. < L. D. Octubre < L. D. < L. D. 1.1 < L. D. < L. D. < L. D. <L.D.: Menor al límite de detección (Ver Tabla IV). En la Laguna de Metztitlán, se encontró la presencia de naftaleno, fluoreno, pireno, y fenantreno asociados principalmente al sedimento. Las concentraciones de PAH, al igual que en el Río Metztitlán, presentan niveles más bajas en la época de mayor precipitación (Fig. 1 y 2). 7

8 Figura 1. Concentración de PAH presentes en muestras de sedimento colectadas en la Laguna de Metztitlán CONCENTRACIÓN EN μg/kg Octubre Septiembre Naftaleno Antraceno Fluoreno Pireno ANALITO Criseno Fenantreno Agosto Figura 2. Concentración de PAH presentes en muestras de agua colectadas en la Laguna de Metztitlán. Josephson (1994) indicó que los PAH generalmente se localizan en sedimentos de ríos, debido a la afinidad que presentan los PAH por la materia orgánica existente en el fondo de los cuerpos de agua. Los resultados de este estudio coinciden con lo anteriormente señalado. 8

9 El origen de los PAH en los cuerpos de agua de la Reserva de la Biosfera Barranca de Metztitlán so de tipo industrial, hecho que lo contrasta con la actividad agrícola en la región. Hasta el momento no es posible señalar cual es la fuente de origen de los PAH. Sin embargo, es posible que estos contaminantes se hayan transportado por agua o a través de la atmósfera, como señaló Calva et al. (2001). AGRADECIMIENTOS Al CONACYT, por haber ortagado la beca número a Jorge García. REFERENCIAS Botello A. V. y Calva L. G. B. (1998) Polyclyc aromatic hydrocarbons in sediments from Pueblo Viejo, Tamiahua and Tampamachoco lagoons in southern Gulf of Mexico. Bull Environ. Contam. & Toxicol. 60, Bzduzek P. A. y Christensen E. R. (2004) Source apportionment of sediment PAHs in Lake Calumet, Chicago: application of factor analysis with nonnegative constraints. Environ. Sci. Technol. 38, Calva L. G., Torres-A. R. y Botello A. V. (2001) Transporte atmosférico de hdrocarburos fósiles. Caso: Laguna Sontecomapan, Veracruz. ContactoS 39, CNA Comisión Nacional del Agua. (1998) Gerencia de Recaudación y Control. Ley Federal de Derechos en Materia de Agua. México, Febrero, EPA Method 8100 Polynuclear aromatic hydrocarbons. Glaser J. A., Foerst D. L., McKee G. D., Quave S. A. y Budde W. L. (1981). Trace analyses for wastewaters. Environ. Sci. Technol. 15, Harrison R. M., Smith D. J. T. y Luhana L. (1996) Source apportionment of atmospheric polycyclic aromatic hydrocarbon concentrations collected from an urban location in Birmingham, UK. Environ. Sci. Technol. 30, Josephson J. (1994) Polynuclear aromatic hydrocarbons. Environ. Sci. Technol. 15, The Merck Index. (1996) An Encyclopedia of Chemicals, Drugs, and Biologicals. Twelfth edición. Susan Budavari (Editor). P Merck Research Laboratories, Division of Merck & C., Inc.. Whitehouse Station, NJ, 1741p. Mottier P., Parisod V. y Turesky R. (2000) Quantitative determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in barbecued meat sausages by gas chromatography coupled to mass spectrometry. J. Agric. Food Chem. 48, Neft J. M. (1979) Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in the Aquatic Environment: Sources, Fates, and Biological Effects; Applied Science Publishers: London. NOM, Norma Oficial Mexicana. (1997) NOM-001-ECOL-1996 Que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de 9

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