Distribución espacial de As en suelo superficial de áreas urbanas y rurales de Concepción del Oro, Zacatecas Virginia Ramírez Hernández 1, Leticia Carrizales Yáñez 2, Javier Castro Larragoitia 3, Fernando Díaz-Barriga Martínez 2 e Israel Razo Soto 3* 1. Programa Multidisciplinario de Posgrado en Ciencias Ambientales, Universidad Autónoma de San Luis Potosí 2. Facultad de Medicina. Universidad Autónoma de San Luis Potosí. 3. Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de San Luis Potosí. *Autor a quien enviar correspondencia. Email: israel.razo@uaslp.mx RESUMEN La problemática ambiental asociada a las actividades minero-metalúrgicas tiene su origen en su naturaleza extractiva y los residuos que producen. Entre sus impactos ambientales destacan la destrucción de hábitat y la consecuente pérdida de biodiversidad del sitio; alteración y/o contaminación de agua superficial, agua subterránea y suelo; emisiones de gases y partículas a la atmósfera; y la generación de drenaje ácido. Debido a la severidad de sus consecuencias y el riesgo que representan para la salud, la caracterización de la contaminación de suelo en sitios minero-metalúrgicos es de especial interés. El presente trabajo tuvo como objetivo evaluar el impacto en suelo superficial causado por la dispersión de los residuos generados por las actividades de extracción, concentración, y fundición de menas polimetálicas realizadas históricamente en Concepción del Oro, Zacatecas. Este sitio se localiza en el extremo NE del estado de Zacatecas, lugar en el que se han realizado actividades minero-metalúrgicas desde el siglo XVII, y que generaron diferentes tipos de residuos como son presas de jales, terreros y escorias de fundición, los cuales fueron depositados sin ninguna medida para prevenir su dispersión. La mayoría de los residuos están ubicados los alrededores del área urbana y en los márgenes o cercanías del Arroyo Principal, el cual drena el área urbana para después dirigirse hacia el área rural al E del poblado de Concepción del Oro, por lo que la metodología comprendió la determinación de concentraciones totales recuperables de As en 116 muestras de suelo superficial proveniente de las áreas urbana y rural. A partir de las concentraciones de los elementos analizados, se generaron mapas de isoconcentración para determinar los patrones de dispersión. Los resultados obtenidos demuestran que el inadecuado manejo de residuos ha permitido su dispersión por transporte fluvial y eólico hacia el área urbana y rural, aunque también muestran una posible contribución de la mineralización en las concentraciones de As en suelo. Las elevadas concentraciones de As registradas en los suelos superficiales de las áreas urbana y rural del Distrito Minero Concepción del Oro indican potenciales riesgos para la salud y ecológicos en el sitio, que deberán ser confirmados mediante estudios especializados. INTRODUCCIÓN Uno de los efectos más significativos de las actividades minero-metalúrgicas es la contaminación ambiental por elementos potencialmente tóxicos (EPT), la cual puede afectar aire, agua, suelo y biota. Sin embargo, el suelo es considerado el primer receptor de EPT en sitios mineros (Aslibekian y Moles, 2003). Estudios realizados alrededor del mundo confirman que las concentraciones de EPT en suelos son generalmente elevadas en sitios minero-metalúrgicos históricos y recientes (Guo-li y col., 2008, Rashed, 2010, Taylor y col., 2010). En nuestro país, se han reportado casos de contaminación de suelo por EPT en sitios minero-metalúrgicos de los Estados de Zacatecas (Ogura y col., 2003), San Luis Potosí 11
(Carrizales y col., 2006; Razo y col., 2004), Hidalgo (Ongley y col., 2007) y Chihuahua (Gutiérrez-Ruiz y col., 2007). No obstante, debido a la intensa actividad minero-metalúrgica que se ha desarrollado en México en los últimos 400 años, es posible suponer que el número de casos reportados no refleja de manera adecuada la magnitud de la problemática ambiental relacionada con la contaminación de sitios minero-metalúrgicos, sobre todo si se considera que hace apenas una década que inició una regulación ambiental más estricta de la minería en el territorio nacional. Otro aspecto importante de la contaminación ambiental por EPT surge cuando una población se encuentra cercana a los residuos de una operación minero-metalúrgica o a los medios del ambiente impactados por estos. Esta situación se presenta en muchos de los sitios con histórica actividad minera, debido a que cuando se descubría un yacimiento mineral de interés económico, generalmente se establecían asentamientos humanos en las inmediaciones de las minas, dando lugar a la fundación de pueblos y ciudades. Uno de estos casos, es la ciudad de Concepción del Oro, cabecera del municipio del mismo nombre, localizada en el margen NE del Estado de Zacatecas. Desde el siglo XVII, en este sitio se explotó un yacimiento polimetálico tipo Skarn de Cu-Au, además de que en el mismo sitio se realizó la refinación de los metales extraídos por un proceso pirometalúrgico. Como resultado de la intensa actividad minero-metalúrgica, se generaron diferentes tipos de residuos entre los que se pueden identificar claramente jales, terreros y escorias de fundición, pero además se localizaron otro tipo de residuos de origen aún desconocido y que se han identificado como residuos rojos por la coloración que presentan. Una característica común de todos los residuos identificados en el sitio es que se depositaron en las inmediaciones del área urbana de Concepción del Oro y en áreas muy cercanas al Arroyo Principal, que es la escorrentía tipo intermitente más importante que drena la microcuenca en dirección SW-NE, y que descarga en una área rural ubicada en un extenso valle al NE de la ciudad. Otra característica común de los residuos es que fueron depositados sin un control que evitara su dispersión hídrica y eólica. Considerando que los depósitos de residuos abandonados en Concepción del Oro son potenciales fuentes de contaminación y que las actividades de extracción, concentración, y fundición de menas polimetálicas seguramente contribuyeron en la contaminación de suelo del sitio, el presente trabajo tuvo como objetivo evaluar la distribución de As en suelo superficial de Concepción del Oro, para delimitar las áreas urbanas y rurales impactadas e identificar fuentes y mecanismos de dispersión de estos elementos. METODOLOGÍA El área de estudio comprende dos secciones: un área urbana y un área rural. La delimitación del área urbana se realizó considerando la orografía del sitio, para lo cual se identificó el parteaguas de la pequeña microcuenca en donde se localiza la ciudad de Concepción del Oro y posteriormente se eligió la curva de nivel que delimitaba el área de fácil acceso a las partes más altas de la microcuenca. El criterio de delimitación del área rural fue incluir la trayectoria del Arroyo Principal y su planicie de inundación, de tal forma que está área se delimitó con un polígono regular de aproximadamente 4.5 km por cada lado. El muestreo de suelo superficial se realizó en base a un diseño sistemático aleatorio mediante la construcción de una cuadrícula con unidades de 500 m x 500 m, seleccionando como punto de muestreo el centro de cada unidad, obteniéndose así una densidad de muestreo de 4 muestras/km 2. Esta muestreo se complementó con un muestreo dirigido o también denominado a juicio de experto, mediante el cual se colectaron muestras en puntos de potencial exposición humana, como son patios de escuelas y casas, áreas recreativas y áreas de cultivo. En total se obtuvieron 116 muestras, de las cuales 95 corresponden al muestreo sistemático y 21 al muestreo dirigido. Todas las muestras fueron colectadas de los primeros 5 12
cm de suelo en un área de aproximadamente 1 m 2 con ayuda de un cucharon de acero inoxidable y fueron tamizadas en el sitio de muestreo utilizando un tamiz de acero inoxidable de malla < 2 mm. Cada muestra se almacenó en una bolsa de plástico debidamente etiquetada. Las coordenadas UTM de cada punto de muestreo se registraron utilizando un GPS marca Garmin modelo etrex. Posteriormente se llevó a cabo una digestión ácida de las muestras de suelo en un horno de microondas marca CEM modelo MDS-2000. La digestión aplicada a las muestras de suelo, sedimento y polvo es equivalente al método de digestión EPA 3051a para la determinación de las concentraciones totales recuperables de EPT a partir de matrices sólidas (USEPA, 1998). El análisis de As se realizó por la técnica de Espectrofotometría de Absorción Atómica en el modo de Generador de Hidruros (EAA-GH) utilizando un equipo marca Perkin Elmer modelo Aanalyst 200 acoplado a un sistema de inyección de flujo (FIAS) marca Perkin Elmer. Como control de calidad interno de los procedimientos de digestión y analíticos, por cada lote de 50 muestras, se digirió y analizó una cantidad similar del Material Estándar de Referencia (SRM) 2710a certificado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de los Estados Unidos (NIST). En todos los casos en que se analizó el SRM, se obtuvieron recuperaciones superiores al 90%. El control de calidad también incluyó el análisis de blancos de reactivos y duplicados del 10% del total de las muestras. Además, para la preparación de soluciones, diluciones y aforos, siempre se utilizó agua desionizada y el material utilizado fue previamente lavado en HNO 3 al 10% durante una noche y enjuagado tres veces con agua desionizada antes de utilizarse. Para la generación del mapa de iso-concentración, se empleó la herramienta de análisis geoestadístico del programa ArcGis 9.3 (ESRI, EU) aplicando el método de interpolación kriging ordinario. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la Tabla 1 se muestran las estadísticas descriptivas de los resultados de concentración de As obtenidos en el análisis de las muestras de suelo superficial del área de estudio. Tabla 1. Estadísticas descriptivas de las concentraciones de As en la fracción <2mm del suelo superficial del sitio minero-metalúrgico Concepción del Oro. Desviación Mínimo Máximo Media Mediana Elemento N estándar mg/kg As 116 14 1391 177 96 206 Las concentraciones de As variaron de 14 a 1391 mg/kg, donde la concentración más alta registrada claramente indica un severo impacto en los suelos del área de estudio. Cuando las concentraciones de As se compararon contra los valores de referencia establecidos por la Norma Oficial Mexicana NOM-147-SEMARNAT/SSA1-2004, que establece los criterios de remediación de suelo contaminado por metales, el 97% de las muestras de suelo analizadas presentaron concentraciones de As superiores al límite permitido para suelo de uso residencial (22 mg/kg). Sin embargo, es importante mencionar que también se registraron concentraciones superiores a 22 mg/kg en los suelos colectados en un área considerada no impactada por su ubicación con respecto a las potenciales fuentes de contaminación, en donde es poco probable que exista una afectación por dispersión hídrica o eólica de los residuos. Esto sugiere que probablemente las concentraciones basales de As en el suelo del área rural del sitio sean superiores al valor de referencia preestablecido por la normativa correspondiente. Debido a que el protocolo de muestreo no fue diseñado para determinar las 13
concentraciones basales de As en el área de estudio, se deberá realizar un estudio específico para confirmar que las concentraciones naturales de As en el suelo del área de estudio son mayores que el valor de referencia establecido por la normativa nacional. La distribución espacial de As en el suelo superficial del sitio se presenta en la Figura 1, en donde se puede apreciar claramente que la principal fuente de contaminación corresponde a los depósitos de jales, pero además se observa que en la parte alta del cerro La Chiringa, ubicado al S de las presas de jales, se presentaron elevadas concentraciones de As que no podrían asociarse a la dispersión de jales debido a la topografía, por lo que es probable que estas elevadas concentraciones se deban a la presencia de afloramientos de la mineralización presente en el área. Estos afloramientos pudieron identificarse debido a que en la parte superior del cerro La Chiranga se observaron pequeñas obras de exploración o explotación, también conocidas como catas. Por lo tanto, es probable que las más altas concentraciones observadas en el área de estudio se deban a dos fuentes diferentes: (1) la dispersión de jales; y (2) anomalías geoquímicas naturales ocasionadas por la presencia de una mineralización superficial. Figura 1. Distribución espacial de As en la fracción < 2 mm del suelo superficial. Por otra parte, los residuos rojos, que se localizan en las cercanía del sitio conocido como La Curva, parecen contribuir también en la contaminación del suelo, aunque esta dispersión no se aprecia en el mapa por un efecto de la interpolación, sin embargo, se señala con un punto rojo la ubicación de la muestras que presentó la concentración más elevada de As en esta área (515 mg/kg) y que se localiza aguas abajo de estos residuos. 14
Con respecto a las otras potenciales fuentes de contaminación presentes, puede observarse que su contribución es menor, como es el caso de la fundición de Cu que operó en el área urbana, así como el de las operaciones mineras y de los terreros que se localizan en al W del poblado de Concepción del Oro. Aunque las concentraciones de As en suelos urbanos resultaron ser superiores al valor de referencia que establece la NOM-147-SEMARNAT/SSA1-2004, cuando se comparan contra las concentraciones reportadas en áreas urbanas impactadas por actividades metalúrgicas similares que operaron en otros sitios (Carrizales y col., 2006) son menores a lo esperado. Las concentraciones de As en las emisiones de plantas pirometalúrgicas dependen sobre todo de las características del mineral procesado, pero en el caso de Concepción del Oro, no se debe descartar que las relativamente bajas concentraciones de As encontradas en las inmediaciones de la antigua fundición, se deban a un efecto de lavado de los suelos ya que ésta área se encuentra en el curso superior de la microcuenca, en donde se presentan los mayores efectos erosivos de las corrientes de agua que se forman durante eventos de lluvia torrencial (Prieto, 2004). Por lo tanto, es probable que los suelos que fueron contaminados por las emisiones de la fundición hayan sido transportados hacia el valle a través del Arroyo Principal durante los más de 40 años que han ocurrido desde que se detuvo la actividad pirometalúrgica. La importante influencia de la erosión hídrica en el transporte de As se aprecia claramente en el patrón de dispersión asociado a la trayectoria del Arroyo Principal y de otros arroyos intermitentes que drenan el área de los depósitos de jales. También se observa que la dispersión de As a través del Arroyo Principal ha provocado el impacto de una importante extensión del área rural que se evaluó en el valle. Al parecer, la dispersión de As desde el arroyo hacia el suelo adyacente se debe a que al llegar a la planicie del área rural, el agua de los arroyos inunda los alrededores, depositando en los suelos las partículas suspendidas. Cabe mencionar que en el área rural que ha sido impactada por este mecanismo de dispersión, se presentan algunas localidades, entre ellas la comunidad Estación Margarita, por lo que la afectación de estos suelos implica un potencial riesgo para la salud, además de que se han impactado algunos suelos agrícolas. De acuerdo a lo observado en el mapa de iso-concentración, la erosión eólica de los jales es otro mecanismo de dispersión que contribuye en la contaminación del suelo por As. El gradiente de concentración que se observa hacia el W de las presas de jales, coincide con la dirección predominante del viento, de tal forma que las partículas finas de los jales son transportados por el viento hacia el área urbana, para después depositarse sobre el suelo, preferentemente en el margen N del área urbana. CONCLUSIONES Los resultados obtenidos aportan una clara evidencia del impacto en los suelos del área de estudio. Si bien la presencia de As podría deberse en parte a una condición natural de los suelos, las concentraciones más elevadas encontradas confirman que las actividades históricas de minería y metalurgia, así como la inadecuada disposición de sus residuos, particularmente de los jales, han contribuido significativamente en la contaminación de los suelos urbanos y rurales de Concepción del Oro. Las concentraciones de As registradas en el área de referencia superaron el valor de referencia que establece la NOM-147-SEMARNAT/SSA1-2004, lo cual sugiere un enriquecimiento natural de As en los suelos del área de estudio, incluyendo los suelos del cerro La Chiranga. Sin duda, estos resultados enfatizan la importancia de determinar las concentraciones basales de metales en suelos de sitios mineros, pues éstos, debido a las condiciones particulares del sitio, podrían presentar de manera natural elevadas concentraciones con respecto a los valores de referencia predeterminados por la normativa nacional. 15
El principal mecanismo de dispersión física que se identificó en el sitio es la erosión hídrica de residuos y de los propios suelos contaminados. De esta manera, se encontró una amplia distribución de As en los suelos superficiales del área rural a más de 8 kilómetros de las principales fuentes. El transporte eólico también ha contribuido en la dispersión de As desde las presas de jales hacía el área urbana. La presencia de elevadas concentraciones de As en suelos de uso residencial o recreativo, implican potenciales riesgos para la salud de la población, por lo que se deberán realizar los estudios pertinentes para confirmar si existe una exposición de la población a este elemento tóxico que pudiera generar efectos adversos a la salud. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al Fondo Mixto Gobierno del Estado de Zacatecas CONACYT por el apoyo financiero otorgado a través del proyecto ZAC-2007-CO1-81904. Virginia Ramírez agradece la beca otorgada por CONACyT para realizar estudios de maestría. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Aslibekian, O., y Moles, R. (2003). Environmental risk assessment of metals contaminated soils at silvermines abandonaded mine site, Co Tipperaty, Ireland. Environmental Geochemistry and Health, 25, 247-266. Carrizales, L., Razo, I., Téllez-Hernández, J.I., Torres-Nerio, R., Torres, A., Batres, L.E., Cubillas, A., y Díaz-Barriga, F. (2006). Exposure to arsenic and lead of children living near a copper-smelter in San Luis Potosi, Mexico. Importance of soil contamination for exposure of children. Environmental Research. 101: 1-10 Guo-li, L., Da-xue, L. y Quan-ming, L. (2008) Heavy metals contamination characteristics in soil of different mining activity zones. Transactions of nonferrous metals society of China.18, 207-211. Gutiérrez-Ruiz, M., Romero, F.M. y González-Hernández, G. (2007). Suelos y sedimentos afectados por la dispersión de jales inactivos de sulfuros metálicos en la zona minera de Santa Bárbara, Chihuahua, México. Revista Mexicana de Ciencias Geológicas, 24: 170-184. Rashed, M.N. (2010). Monitoring of contaminated toxic and heavy metals, from mine tailings through age accumulation, in soil and some wild plants at Southeast Egypt. Journal of Hazardous Materials. 178. 739-746. Taylor, M.P., Mackay, A.K., Hudson-Edwards, K.A. y Holz, E. (2010). Soil Cd, Cu, Pb, and Zn contaminants around Mount Isa city, Queensland, Australia: Potential sources and risks to human health. Applied Geochemistry. 25. 841-855. Ogura, T., Ramírez-Ortíz, J., Arroyo-Villaseñor, Z., Hernández-Martínez, S., Palafox- Hernández, J., García de Alba, L., y otros. (2003). Zacatecas (Mexico) companies extract Hg from surface soil contaminated by ancient mining industries. Water, Air and Soil Pollution, 148, 167-177. Ongley, L.K., Sherman, L., Armienta, A., Concilio, A. y Ferguson-Salinas, C. (2007). Arsenic in the soils of Zimapán, Mexico. Environmental Pollution, 145, 793-799. Prieto Bolivar, C.J. (2004). El agua: sus formas, efectos, abastecimientos, usos, daños, control y conservación. 2a Edición. Ecoe Ediciones. Bogotá. 275 pp. Razo, I., Carrizales, L., Castro, J., Díaz-Barriga, F., & Monroy, M. (2004). Arsenic and heavy metal pollution of soil, water and sediments in a semi-arid climate mining area in Mexico. Water, Air and Soil Pollution, 152, 129-152. USEPA (United States Environmental Protection Agency) (1998). Method 3105a. Microwave assisted acid digestion of sediments, sludges, soils and oils. United States Environmental Protection Agency. 24 pp. 16