DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE COBRE EN EL ARROYO LA PALMA Y EL LAGO DE ZIRAHUÉN MICHOACÁN, MÉXICO.

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1 DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE COBRE EN EL ARROYO LA PALMA Y EL LAGO DE ZIRAHUÉN MICHOACÁN, MÉXICO. G. Lariza AYALA R., Arturo CHACÓN T., Gerardo RUÍZ S., M. Beatriz RENDÓN L. y Catalina ROSAS M. Instituto de Investigaciones sobre los Recursos Naturales de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (INIRENA-UMSNH); Av. San Juanito Itzícuaro s/n, Col. San Juanito Itzícuaro, C.P , Morelia, Michoacán, México. ayalari@yahoo.com Palabras clave: Lago de Zirahuén México, cobre, metales pesados, toxicidad. RESUMEN En la actualidad los sistemas acuáticos del país enfrentan serios problemas de contaminación, los cuales producen daños en los ecosistemas. Estos ecosistemas son sumamente frágiles y han sufrido transformaciones muy notables, por el vertido de los desechos domésticos, rurales e industriales los cuales contienen diversos contaminantes entre los que destaca los metales. Una de las actividades de la región involucra el trabajo con cobre, para la creación de diferentes productos artesanales, que originan desechos que son vertidos al drenaje, el cual está encausado directamente al río, en donde por consecuencia de la dirección natural de la corriente, llegan al lago alterando la calidad de sus parámetros ambientales. La eficiencia en el proceso de utilización de cobre en la localidad de Santa Clara es de un 99%, por lo que esta actividad representa, como única fuente puntual, un riesgo mínimo como fuente de contaminación para el lago, pues de acuerdo a estudios geológicos en la región no existen depósitos de este metal. Se encontró que el cobre se concentra en los sedimentos tanto del arroyo como del lago. El cobre es capturado por los sedimentos del río, sin embargo, existe una gran dispersión de este metal por los canales de riego que se construyen a través de su cauce y que sirven para el riego de los productos regionales. Del ingreso total del cobre al arroyo la Palma, al sistema acuático ingresa solamente el 60% el cual se deposita en el sedimento de las inmediaciones del ingreso del arroyo al lago. 1

2 INTRODUCCIÓN La mayoría de las civilizaciones humanas se han desarrollado junto a grandes lagos o ríos, los cuales son utilizados como suministro de agua potable, para la extracción de múltiples recursos e incluso para la transportación. Sin embargo, los depósitos acuáticos han sido también receptores de aguas de desecho generadas por las ciudades y poblados. Al principio la propia capacidad de regeneración biológica del agua (autodepuración) permitió que los microorganismos acuáticos incorporaran los elementos orgánicos contaminantes a los ciclos biogeoquímicos de la materia. Más tarde, el aumento de la cantidad de vertidos y de los desechos inorgánicos impidió este fenómeno natural, con la consecuencia progresiva de la contaminación del agua, disminución de su calidad para el consumo humano y la desaparición de sus organismos. En la actualidad los lagos del país enfrentan serios problemas de contaminación, los cuales producen daños en los organismos que los habitan. Estos ecosistemas son sumamente frágiles y han sufrido transformaciones muy notables, por el vertido de los desechos municipales e industriales los cuales contienen diversos contaminantes entre los que destaca la presencia de metales. La mayoría de los metales biológicamente activos o potencialmente tóxicos son miembros de la familia de los elementos conocidos como de transición; son altamente reactivos y por lo tanto fácilmente acumulables en sedimentos y organismos en el ambiente acuático. Dentro de los metales se encuentran muchos que forman parte de los sistemas biológicos, pero que al aumentar sus niveles o al cambiar su forma química pueden convertirse en tóxicos, tal es el caso del cromo, cobalto, zinc, fierro, vanadio y cobre. Los metales en el agua pueden encontrarse en forma disuelta, en forma coloidal o bien adheridos a materiales en suspensión como la materia orgánica. Aunado a ello algunos procesos biológicos en el ambiente pueden servir de base para movilizar metales, que de otra manera se hubieran perdido en el fondo de los ríos o lagos en este sentido la acción bacteriana tiene un importante papel en la movilización de metales pesados hacia el medio acuático. En Santa Clara del Cobre se fabrican artesanías de cobre (cazos principalmente), durante el proceso de elaboración de artesanías se requiere de una notable cantidad de insumos, principalmente agua y químicos, generando una serie de desechos y subproductos en forma sólida, líquida y gaseosa. El manejo de los mismos se ha realizado en su mayoría de una manera inapropiada pues al arrojarlos al río, se promueven diversos procesos contaminantes, lo anterior aunado a instalaciones inadecuadas de drenaje, ha ocasionado problemas de contaminación. En diferentes trabajos limnológicos que se han realizado con anterioridad, al realizar una evaluación de metales se encontraron concentraciones de cobre en el lago de Zirahuén, es por ello que el presente trabajo tiene como objeto la descripción de la fabricación de artesanías, desde la obtención de materia prima, 2

3 hasta el producto final que sale a la venta, así como la identificación de las concentraciones de cobre que esta actividad pueda llegar a generar. Se realizaron análisis de las concentraciones de cobre en el río La Palma a través de todo su cauce hasta su desembocadura en el Lago de Zirahuén y en diferentes puntos del lago para identificar las vías de dispersión por los componentes, tanto bióticos como abióticos, de ambos sistemas con lo que se pueden determinar los flujos de este metal. Finalmente con los resultados obtenidos se pueden establecer modelos de flujo de este metal, que proporcionen las bases científicas para evaluaciones toxicológicas de los lagos michoacanos, que respalden estrategias regionales de manejo y conservación de los recursos naturales. Para lo que se requiere una cultura que promueva acciones educativas y de investigación en el contexto ambiental, donde se reconozca y evalúe objetivamente los daños ocasionados por no tratar, ni disponer adecuadamente los desechos contaminantes. Así mismo es importante conocer la tecnología de vanguardia y las opciones más factibles y adaptables a la economía e infraestructura de la región para el tratamiento de tales desechos. MÉTODO Se realizó la revisión de la información bibliográfica además de visitas de campo para obtener información sobre los aspectos socioeconómicos y culturales que representa la actividad artesanal de Santa Clara del Cobre. Para el trabajo de campo se establecieron 8 estaciones de muestreo, tres de las cuales se ubican en el cauce del arroyo La Palma desde Santa Clara hasta su desembocadura en el lago y cinco más dentro del vaso lacustre (Tabla I). Tabla I Sitios de muestreo en el arroyo La Palma y el lago de Zirahuén No. Referencia Ubicación Este Norte 27 Profunda Copándaro La Palma Agua Verde Zirahuén Río 1 Puente de Madera Río Río 3 Escuela Secundaria

4 Se efectuaron 6 muestreos a lo largo del año, considerando que el lago de Zirahuén presenta una estratificación térmica durante los meses de marzo - octubre (Campos, et al. 1997). Además de los periodos de estiaje y de lluvia en donde la velocidad y cantidad de agua que ingresa al lago por el afluente es mayor. Considerando además, que la actividad artesanal aumenta durante los meses de enero-julio debido a que el Concurso Internacional de Cobre Martillado se lleva a cabo durante la segunda semana del mes de agosto. Se tomaron muestras de agua y sedimento tanto en el río como en el lago. Además, en el lago de muestras de fitoplancton, zooplancton, plantas acuáticas y peces ( Chirostoma estor var. copandaro y Cyprinus carpio). Las concentraciones de cobre se determinaron mediante la técnica de espectrofotometría de absorción atómica. En esta técnica la muestra es aspirada en una llama atomizada. Se dirige un rayo de luz a través de una llama a un monocromador y sobre un detector que mide la cantidad de luz absorbida por el elemento atomizado en la llama. Considerando que cada metal tiene su propia longitud de onda de absorción, se utiliza una lámpara compuesta de dicho elemento como fuente luminosa. La cantidad de energía absorbida en la llama a una longitud de onda característica es proporcional a la concentración del elemento en la muestra (APHA, 1997). Se determinaron factores de bio-concentración, proceso por el cual una substancia es absorbida del agua por cualquier medio y es concentrada en el cuerpo. Bioacumulación, proceso por el cual una sustancia es tomada por un organismo tanto del agua como a través del alimento. RESULTADOS En la actualidad el cobre que se trabaja en Santa Clara proviene de las ciudades de México, Guadalajara y en menor proporción de Morelia. En general, los desperdicios constituyen la materia prima para realizar este trabajo. Para iniciar el proceso de trabajo se excava un pozo, cuyas medidas varían dependiendo de la cantidad de cobre que se trabajará, se agrega leña encendida. Cuando el fuego está bien encendido, se agrega el cobre, ya derretido se le quita el exceso de ceniza y carbón, se deja enfriar lentamente, cabe señalar que el cobre se moldea aún caliente, por lo que el enfriamiento no es total. Todavía al rojo vivo se martilla con un marro para que tome una forma circular y plana para que se pueda moldear mejor y se comienza a dar la forma deseada con un martillo. Ya terminada la pieza se le da un lavado de con una fibra delgada y ácido sulfúrico. Cuando el artículo lleva un acabado de color verde, se le da un baño de ácido nítrico con una brocha. Es importante señalar esta actividad se encuentra sujeta a la disponibilidad de cobre, de leña y carbón en el mercado. 4

5 Las concentraciones de cobre en el arroyo la Palma, tienen un rango de a 2.87 mg/l, con un promedio de mg/l en agua y en sedimento las concentraciones de cobre se detectan en niveles de a mg/kg con una media de mg/kg, Considerando las variaciones meteorológicas que ocurren en un ciclo anual se agruparon los valores por estaciones del año, observando que para el sistema lacustre, las concentraciones más altas se presentan en primavera y disminuyen hasta llegar a las concentraciones más bajas en invierno, sin embargo en el río las concentraciones más altas se registraron en verano, que corresponde a la temporada de lluvias y el arroyo incrementa en 75 cm más su profundidad y por consiguiente aumenta el flujo de 350 L/s hasta 520 L/s, disminuyendo para llegar a los valores mínimos encontrados en primavera (Fig. 1 y Tabla II). 2 Cu (mg/l) primavera verano otoño invierno Sitios de muestreo Figura 1. Variación temporal en la concentración de cobre en el lago de Zirahuén. Tabla II. Variaciones temporales en la concentración de cobre en columna de agua Estación Primavera Verano Otoño Invierno Desviación estandar La Palma Zirahuén Profunda Copándaro Agua Verde Río Río Río

6 En el medio acuoso se registró la concentración de cobre menor en el sitio 54 (Rincón de Agua Verde) con un valor de mg/l y la máxima 1.85 mg/l se localizó en la estación 58 (La palma) sitio en el cual desembocan las aguas del río al lago. Respecto al sedimento el valor máximo ( mg/kg), se registró en la estación La Palma, sitio ubicado a 10 m de la desembocadura del arroyo del mismo nombre. De manera similar que para las muestras de agua, en sedimento, el sitio que reportó la concentración mínima (23.29 mg/kg) fue la estación ubicada en Rincón de Agua Verde. El promedio de los sitios de muestreo en vaso fue de mg/k. En la figura 2 se muestra un mapa de distribución de las concentraciones de cobre encontradas en el sedimento del lago obtenido mediante un programa de Arc View Ver 3.2A (ESRI, 1998) en donde se toma como base un mapa del cuerpo de agua georeferenciado y se ingresan datos de los sitios muestreados, profundidades máximas y un patrón general de corrientes que con los valores de los resultados, en este caso la concentración de Cu, se obtiene una interpolación predictiva del flujo o dispersión geográfica de las concentraciones de Cu encontradas en sedimento. Cabe señalar que debido a que en las muestras de agua no existen rangos tan amplios, esta proyección solamente se realizó para sedimento Fig. 2. Dispersión de las concentraciones de cobre (mg/k) en sedimento del Lago de Zirahuén 6

7 Para el caso de fitoplancton (0.53 mg/l) y zooplancton (0.56 mg/l) el valor máximo de cobre se presenta en la estación 58 (la Palma) y de igual manera que como ocurre con el agua (0.37 mg/l) y el sedimento ( mg/k) los valores disminuyen conforme más distancia existe entre con el sitio en el que ingresa el arroyo la palma (Fig. 3) Cu (mg/l) Fitoplancton Zooplancton 0 Est 58 Est 8 Est 27 Est 25 Est 54 Estaciones de muestreo Figura 3. Concentración de cobre en plancton Se colectaron muestras de Potamogeton spp en la estación 54 (Agua Verde) y 58 (la Palma) en donde se puede observar, el mismo comportamiento que en el caso del plancton, los organismos que más cobre presentan son los colectado en la estación de La Palma (58). Además del análisis general se realizó un análisis de la concentración de cobre por fracción en raíz (14.84μg/K), tallo (12.15 μg/k) y hojas (10.97 μg/k). Se observa claramente que en ambos sitios la raíz presenta la mayor cantidad de cobre y las hojas contienen una porción menor. 25 Cu (mg/g) No Organismo Agua verde La palma Figura 4. Concentración de cobre en Potamogeton en dos sitios de muestreo en el lago de Zirahuén 7

8 En lo que respecta a los peces se observa detalladamente que los valores obtenidos de las concentraciones de cobre en el pez blanco Chirostoma estor var copandaro (3.53 mg/g) son menores a los encontrados en la carpa Ciprinus carpio (4.30 mg/g). Así mismo se realizó una comparación entre los valores encontrados en cada una de las partes del cuerpo que se analizó en donde se observan valores altos en las branquias, y el músculo presenta las concentraciones más bajas en pez blanco, sin embargo, en el caso de la carpa, los valores encontrados difieren un poco de los de la especie anterior, las cantidades de Cu más altas se encuentran en el intestino, seguido por las branquias y las concentraciones menores son en músculo (Fig.5) 5 4 Cu (mg/g) Pez blanco Carpa 0 Branquias Intestino Musculo Figura 5. Comparación entre las concentraciones de cobre por porción corporal en dos especies de peces del lago de Zirahuén CONLUSIONES Y RECOMENDACIONES La eficiencia en el proceso de utilización de cobre en la localidad de Santa Clara es de un 99%, por lo que esta actividad representa un riesgo mínimo como fuente de contaminación para el lago. Sin embargo, los químicos que acompañan la fabricación de artesanías para los diferentes acabados, sí representan un riesgo pues alteran las propiedades fisicoquímicas del sistema lo que puede ocasionar la liberación o formación de nuevas sustancias que incluyan cobre y algunos otros metales convirtiéndolos en tóxicos para la biomasa. Durante el desarrollo del presente trabajo solamente se detecto una única fuente puntual de ingreso de cobre al lago, por las corrientes del arroyo La palma pues de acuerdo a estudios geológicos en la región los depósitos cupríferos más cercanos se encontraron en Inguarán. También la única parte del sistema en 8

9 donde se concentra cobre la constituyen los sedimentos debido a una gran acumulación en los mismos. El cobre se va capturando en los sedimentos del río con forme este desciende hacía el lago, sin embargo, existe una gran dispersión de este metal por los canales de riego que se construyen a través de su cauce y que sirven para el riego de los productos regionales. Del ingreso total del cobre al arroyo, al sistema acuático ingresa solamente el 60% el cual se deposita en el sedimento de las inmediaciones del ingreso del arroyo al lago. Sin embargo, existen diferentes riesgos latentes en la cuenca que pueden ser los causantes de la liberación del cobre hacia la columna de agua: Por agricultura Por ganadería Por descarga de aguas residuales El uso de fertilizantes químicos en la agricultura que por infiltración pueden llegar al sistema lacustre; la erosión que causa la ganadería además de la remoción directa de sedimento y la deposición de heces fecales por el ganado; y la cantidad de materia orgánica, compuestos químicos y otros elementos que contiene las aguas residuales alteran la temperatura, el ph, el oxígeno disuelto y en general los parámetros físicos y químicos del lago afectando ya sea la precipitación y captura del cobre por los sedimentos o favoreciendo la formación de nuevos componentes que permitan su liberación hacia la columna de agua. Las recomendaciones que se derivan de este trabajo incluyen: Optimizar el procedimiento del uso de cobre en Santa Clara, pues aunque es un proceso altamente eficiente se debe tener cuidado con los compuestos químicos que se utilizan durante el mismo. La construcción de pozos de absorción de cobre permitiría evitar el ingreso de este metal al arroyo Aún cuando la construcción de una planta de tratamiento de aguas se tiene ya proyectada, será necesario evaluar detalladamente las características del tipo de construcción que se realizará para tener un eficiente tratamiento del agua que será descargada al arroyo y reforzar aquellas características que permiten la captura de iones metálicos. Realizar más estudios de toxicidad que permitan diseñar estrategias de manejo en caso de una liberación o ingreso de grandes cantidades de cobre hacía el sistema. Es necesario para posteriores trabajos, más estudios en sedimentos y la zona de interfase, pues esos son determinantes en la captura y liberación del cobre El estudio en laboratorio con la ayuda de mesocosmos permitirá conocer más el comportamiento del cobre en el sistema y así poder desarrollar estrategias de manejo y conservación del sistema lacustre, sin alterar la actividad que se desarrolla en Santa Clara. 9

10 REFERENCIAS Campos M.A., Gutiérrez H.A., Hernández D.I., Limnología física del lago de Zirahuén, Michoacán, México. Tesis Profesional, Facultad de Biología, U.M.S.N.H. México. 97 pp. Chacón T.A. y Muzquíz I.E El lago de Zirahuén, Mich., México. Reconocimiento de una cuenca michoacana. Biología Acuática No.2. Secretaría de Difusión Universitaria, U.M.S.N.H. México. 30 pp. Fraboulet S., Mullis R., Flores-Rodríguez J., Mouchel J.M., Revitt M., Garnier-Zarli E., Thévenot D.R The use of metal bioindicators to asses de impact of combined sewer overflow on the river Seine. González-Fierro A., Vázquez-Botello A., Villanueva-Fragoso S. y Ponce-Velez G Presencia de metales en sedimentos recientes y organismos de la laguna de Sontecomapan, Veracruz, México. Hidrobiológica 4(1-2): pp Hansen A.M Metales pesados en el sistema Lerma-Chapala: distribución y migración. Ingeniería Hidráulica en México. Vol 7(2/3). pp Kolak J.J:, Long D.T. y Beals T.M Antropogenic inventories and historical and present accumulation rates of copper in Great Lakes sediments. Applied Geochemistry. Vol pp. Langston W.J. y Bebianno M.J Metal Metabolism in Aquatic Environments. Ed. Chapman y Hall. Gran Bretaña. 385 pp. Lugo de la Fuente J., Hernández S.G., Maín L.E Heavy metal concentration in the sediments of de Upper Lerma Basin, Mexico pp. En: Munawar M., Lawrebce S.G., Munawar I.F. y Malley D.F. Aquatic Ecosystems of Mexico: Status and Scope. Ed. Backhuys Publishers, Canada 435 pp. Rosas-Monge C La Cuenca del Lago de Zirahuén: los avances del deterioro. Tesis de Maestría en Ciencias. Facultad de Biología. U.M.S.N.H. México.187 pp. Shi Bo, Allen H.E., Grassi M.T. y Ma H Modelling copper partitioning in surface waters. Wat. Res. Vol. 32, No. 12, pp Gran Bretaña. Uribe S.J.A La explotación del Cobre en la Nueva España. Ciencia Nicolaita, U.M.S.N.H., Vol. 4 (45-60). Warren L.A., Outridge P.M., Zimmerman A.P Geochemical partitioning and bioavailability of copper to aquatic plants in an artificial oxide-organic sediment pp. 10