Biomonitoreo de la contaminación atmosférica en La Habana durante la campaña 2004-2005
Biomonitoring of the atmospheric pollution in Havana during 2004-2005 survey
Estévez Alvarez Juan1, Montero Alvarez Alfredo1, López Sánchez Diana1, Pupo González Iván1, Hernández Torres Débora1, Pérez Arriba Oraina1, Iglesias Brito Hugo2, Wolterbeek Bert3
1Centro de Aplicaciones Tecnológicas y Desarrollo Nuclear (CEADEN). Calle 30 No 502 e/ 5ta y 7ma, Miramar, Playa. La Habana
2Instituto de Ecología y Sistemática (IES). Carretera de Varona Km 3 ½. Capdevila, Boyeros. La Habana
3Interfacultair Reactor Institute (IRI). Delft, The Netherlands
RESUMEN
Para evaluar la calidad del aire en La Habana se utilizó como bioindicador una especie de liquen epífi to (physcia alba sp.) que crece sobre Palma real (Roystonea regia). Se colectó un total de 225 muestras de líquenes en 181 sitios seleccionados de acuerdo con las condiciones de contaminación por tráfi co y actividades industriales. Se determinaron las concentraciones de 15 elementos (Na, Mg, Al, Ca, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sr, Cd and Pb), empleando espectrofotometría de absorción atómica, fluorescencia de rayos X por refl exión total y voltametría de redisolución anódica. Se aplicaron métodos estadísticos (componentes principales) a los resultados analíticos y se obtuvieron y seleccionaron varios factores. Por último se presentan mapas con los perfiles de distribución elementales y de factores y su posible correlación con distintas fuentes de contaminación.
]]> Palabras claves: metales pesados, líquenes, vigilancia de la polución atmosférica, análisis por fluorescencia de rayos X, espectroscopía de absorción, voltametría.ABSTRACT
An epiphytic lichen (physcia alba sp.) grown over Royal Palm (Roystonea regia) tree was used as bioindicator of air quality in Havana City. A total of 225 lichen samples were collected in 181 selected sites according to traffic and industrial conditions. The concentrations of 15 elements (Na, Mg, Al, Ca, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sr, Cd and Pb) were determined by Atomic Absorption Spectrophotometry, Total Reflection X-Ray Fluorescence and Anodic Stripping Voltammetry. Principal Component Analysis was applied to analytical results and some factors were obtained. Finally, maps with lichen elemental contents and factors’ patterns are presented. Several possible pollution sources were identified.
Key words: heavy metals, lichens, air pollution monitoring, X-ray fluorescence analysis, absorption spectroscopy, voltametry.
Introducción
La atmósfera constituye uno de los componentes del medio ambiente más vulnerable a la acción directa del hombre, lo cual ha ocasionado el incremento de las concentraciones de un grupo de elementos traza entre los que se encuentran los metales pesados.
Determinadas especies biológicas son capaces de acumular o tolerar en su estructura niveles elevados de metales pesados de la atmósfera [1], lo cual permite, mediante el análisis de estos elementos, conocer el estado de contaminación de esta. Su bajo costo, la posibilidad de aplicación a grandes áreas, la obtención de mapas de distribución, información sobre tipos de fuentes de emisión y su localización, así como el transporte de media y larga distancia de determinados elementos, hacen del biomonitoreo una efi caz estrategia para estimar los niveles de contaminación del aire.
Los líquenes se han utilizado en estudios de contaminación atmosférica, principalmente en los Estados Unidos y en Europa [2], siendo escasas las investigaciones en Latinoamérica [3]. Estos organismos son constituyentes importantes de la vegetación de varios ecosistemas del mundo e incluyen alrededor de 13 500 especies [4]. Se han publicado numerosos trabajos sobre la acumulación de metales pesados aerotransportados en líquenes [2, 5-18]. En Cuba no existe prácticamente información sobre el contenido de metales pesados en la atmósfera. A partir del 2000 se han realizado estudios preliminares de la aplicabilidad de líquenes en calidad de biomonitores de la contaminación atmosférica por metales pesados en zonas de La Habana [19].
Diversos métodos analíticos se han empleado para cuantificar metales pesados y otros elementos químicos en los biomonitores como espectrofotometría de absorción atómica (EAA) con llama y con horno de grafito, misión con plasma acoplado por inducción (EPAI) [14], EPAI acoplado a espectrometría de masas (EPAIEM), análisis por activación neutrónica (AAN) [16], fluorescencia de rayos X por refl exión total (FRXRT) [13] y polarografía [20]. Las técnicas de EPAI, EPAI-MS y AAN son las mejores desde el punto de vista analítico, pero son las más costosas.
El objetivo del trabajo fue evaluar de forma indirecta, aunque confiable e integral, la calidad del ecosistema atmosférico en La Habana mediante el biomonitoreo con líquenes y su posible relación con fuentes de contaminación. Con este fin se utilizó una metodología que combina el tratamiento de las muestras con el análisis por EAA, VRA y FRXRT, de modo que se logra una exactitud y sensibilidad adecuadas para determinar los elementos químicos de interés. La aplicación simultánea de estos métodos para el caso de algunos metales pesados y el empleo de materiales certificados de referencia permitió garantizar el aseguramiento de la calidad de los resultados analíticos, de acuerdo con publicación anterior [21].
]]> Materiales y métodosDiseño del muestreo
Teniendo en cuenta las dimensiones de la provincia se diseñó una red de muestreo formada por una cuadrícula de 72 celdas de 2,5 x 2,5 Km cada una y de 5 x 5 Km para las zonas periféricas. Esto fue adaptado posteriormente durante la campaña de colecta en función de la existencia misma de líquenes en los diferentes lugares. El estudio comprendió 14 municipios, exceptuando el de Centro Habana por la ausencia del biomonitor.
Muestreo
El muestreo se extendió durante 16 meses, tiempo en el cual las condiciones climáticas variaron poco, caracterizándose el período por ser muy seco. La humedad relativa de los líquenes recolectados osciló en un intervalo estrecho.
La especie de liquen seleccionada en este trabajo fue Physcia alba, debido a que es la de mayor distribución en la ciudad. Esta especie es de biotipo subfolioso y su separación del substrato se hace difícil. Por ello se decidió recolectar los líquenes sobre palmas reales de la especie palma real Roystonea regia (HBK) O. F. Cook, ya que este fi toforo de amplia distribución posee una corteza extremadamente dura y lisa, lo que minimiza los efectos de contaminación por el substrato.
La toma de las muestras se realizó a una altura entre 0,5 y 2,0 m del suelo. Para efectuar esta operación se utilizó una cuchilla de acero inoxidable afilada y se colocaron en cartuchos de papel para su transportación al laboratorio.
Las coordenadas geográficas de los sitios de muestreo se tomaron con ayuda de un GPS marca Garmin 12. Se registran además, un grupo de datos como fecha, condiciones climáticas, cobertura, cercanía o no a fuentes de contaminación, uso del suelo, etc.
En total se colectaron 225 muestras de líquenes en 181 puntos de muestreo distribuidos como muestra la figura 1. En 10 de los sitios (5,5% del total) se recogieron 4-5 muestras en Palmas cercanas para conocer las varianzas locales con el objetivo de compararlas con la varianza total y la de los métodos analíticos.
]]> Materiales utilizadosTodos los reactivos utilizados fueron de calidad“Puro para Análisis”.
En todos los casos se utilizó agua destilada en cuarzo y doblemente desionizada con una conductividad menor a 0,05 mS/cm (grado 2).
Las soluciones de los iones metálicos se prepararon a partir de soluciones patrones de calidad Spectrosol de la firma Merck.
El nitrógeno gaseoso utilizado para desoxigenar las soluciones durante las mediciones polarográficas se purificó, usando 2 trampas en serie.
Preparación de las muestras para el análisis químico
En el laboratorio las muestras se pesaron, separando una porción conocida (alrededor de 0,5 g con precisión de 0,0001 g) para determinar el porcentaje de humedad que se realiza mediante su secado a peso constante por calentamiento en estufa a 40 ºC. Los valores obtenidos de humedad oscilaron entre 6 y 10%.
La otra porción se trituró y homogenizó en un molino de ágata eléctrico hasta un tamaño de grano menor a 100 mm, y se conservó en una desecadora.
De 2 a 3 gramos de muestra se calcinaron en mufla a 500 °C por un período de 3 horas y el residuo obtenido se disolvió con ataques consecutivos y combinados de HF, HNO3 y HClO4 concentrados. Se calentó hasta humos densos, repitiendo la operación 2 veces. El residuo se disolvió en HNO3 ~ 0,1 mol/L hasta un volumen de enrase de 25 ml.
Determinaciones analíticas
]]> El análisis por EAA se realizó en un equipo PYE UNICAM Modelo SP9-800. Se determinaron las concentraciones de Na, Mg, Al, Ca, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sr, Cd y Pb. Las mediciones polarográficas se realizaron en un analizador polarográfi co PA4, usando la variante de Voltametría de Redisolución Anódica (VRA) y en modo diferencial de pulso. Se determinaron los contenidos de Cu, Zn, Cd y Pb. Además, se utilizó el método de fluorescencia de rayos X por reflexión total (FRXRT) para determinar Ca, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sr y Pb.La cuantificación se realizó mediante curvas de calibración, siguiendo estrictamente la Norma ISO 8466 [22]. Los límites de detección se calcularon de acuerdo con Vogelgesang [23].
Mapas de concentración
Debido a la gran cantidad de elementos a determinar se llevó a cabo un análisis factorial mediante el programa SPSS, que permite reducir el número de variables para poder lograr una mejor interpretación de los resultados, obteniéndose los llamados componentes principales, representados por elementos con cierta correlación entre sí [24].
A partir de los valores de estos factores se realizaron los mapas de distribución por sitios de muestreo, permitiendo una mejor representación espacial de los contenidos de los metales estudiados. Los mapas se confeccionaron con el programa SURFER versión 7.0 y se utilizó además, el programa MAPINFO versión 6.5 para la conversión de las coordenadas geográficas a planas.
Resultados y discusión
En relación a la calidad de los resultados analíticos se puede consultar un trabajo anterior de los autores [21], donde se presentan los resultados del análisis de tres muestras de referencia certificadas (MRC) biológicas. En este se evalúan los parámetros metrológicos de veracidad, precisión, límites de detección e incertidumbre, concluyéndose lo siguiente:
No existen diferencias significativas entre los valores obtenidos por los diferentes métodos (EAA, FRXRT y VRA) para 95% de confiabilidad.
La veracidad (sesgo) y la precisión (repetibilidad) de las determinaciones por los tres métodos fueron por lo general menores al 10%; solamente en los casos donde los contenidos estuvieron próximos a los límites de detección (LD) de cada método el sesgo estuvo por encima del 10%, ocurriendo lo mismo para la precisión.
Los valores de límite de detección obtenidos fueron, en algunos casos, superiores a los valores certificados (o informativos) reportados para las MRC; no obstante, resultaron inferiores a los contenidos de estos elementos ]]> en las muestras de líquenes recolectadas.
Por estas razones los métodos utilizados se pueden aplicar de forma confiable al análisis de los elementos de interés en los líquenes.
Análisis de las muestras
Los contenidos de los elementos Ca, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Sr y Cd determinados de forma simultánea por FRXRT, EAA y VRA en las 225 muestras de líquenes colectadas se compararon entre sí. Como se observa en la tabla 1 se obtuvieron adecuadas correlaciones para la mayoría de los elementos, incluso para los casos de Cu y Zn, que se analizaron por los tres métodos. Estos resultados también se aprecian, para el caso de Cu y Zn, en la figura 2. Las pendientes fueron cercanas a la unidad, lo que demuestra la concordancia entre los resultados analíticos obtenidos por las diferentes técnicas. Para el Cd, los valores por EAA fueron superiores a los de VRA y en correspondencia, la pendiente fue más baja (0,66). Esta diferencia se debe posiblemente a un efecto matriz en la determinación de Cd por EAA, siendo los contenidos de este elemento los más bajos en los líquenes y en muchos casos, cercanos al límite de detección por EAA. Esta diferencia se explica por la presencia de altos contenidos de Na y K en las muestras, sobre todo de este último, donde hay valores que alcanzan 1%.
Para los análisis estadísticos posteriores se seleccionan los valores obtenidos para Cd por VRA; esto además se sustenta por los datos de exactitud alcanzados para este elemento por VRA en el análisis de las MRC [20]. De igual forma se hace para Pb, pero en este caso la selección se realiza teniendo en cuenta los mejores LD logrados por VRA. Para el resto de los elementos se escogen los contenidos obtenidos por EAA.
En la tabla 2 se aprecian los intervalos de concentración para los elementos estudiados. Como se observa las mayores concentraciones se obtienen para Ca, Al, Fe y Mg y las menores para Cd y Co. Los coeficientes de variación para Ni, V, Ca y Cr fueron los mas altos y superaron la cifra de 60%. Esto puede estar relacionado con la existencia de sitios puntuales de contaminación debido a la presencia de industrias siderúrgicas, refinería y de materiales de la construcción.
Por otra parte las varianzas locales obtenidas para las concentraciones de los elementos oscilaron como promedio, entre 10 y 17%, siendo la media de 13,8%, ligeramente superiores a los valores de precisión de los ]]> métodos analíticos. Además, la varianza total tuvo un promedio de 54%.
La calidad del muestreo, reportado como la relación de la varianza total y la local (denominada relación señal vs ruido) resultó de 3,9 como promedio, lo cual refleja lo satisfactorio del muestreo, y la adecuada utilización
de esta especie de líquenes como biomonitor de los metales estudiados.
Análisis estadístico y obtención de los mapas de distribución
En la tabla 3 se observan las cargas de los componentes obtenidos con ayuda del programa SPSS (Método de Componentes Principales y Rotación de Varimax), donde se presentan solo los factores que tienen valores mayores de 0,40. Con ayuda de los componentes extraídos y lo reportado en la bibliografía [25] se puede lograr una mejor identificación y compresión de las posibles fuentes de contaminación. En la figura 3 se presentan los perfiles de distribución de los factores. En el primero se agrupan los elementos Cd, Mn, Zn y Fe. Se conoce que los elementos Cd y Zn están estrechamente vinculados a vertederos de basuras fundamentalmente, mientras que los elementos Mn y Fe pueden estar relacionados con el polvo y con industrias ferrosas. En este caso existen dos fuentes (basurero industrial de La Habana y la fábrica Antillana de Acero), muy cercanas entre sí y que hacen imposible la separación de estos 2 componentes. El factor 3 se relaciona con la industria del cemento y por esta razón la mayor concentración se obtiene en las zonas norte y este de la ciudad, donde existen numerosas instalaciones de producción de materias primas para el cemento y otros productos. El factor 4, que incluye al Pb, refl eja una mayor distribución en las zonas de mayor circulación de vehículos en La Habana y en lugares donde existieron pequeñas fábricas de recuperación de baterías de automóviles. Aunque en la actualidad se utilizan gasolinas libres de Pb no se descarta que las emisiones de este elemento en el pasado se encuentren ahora circulando entre el suelo y la atmósfera. El factor 5 vinculado a refinerías (crudos pesados) presenta coincidentemente su mayor concentración en las cercanías de la refinería de la ciudad (bahía de La Habana); además se vincula con la mayor industria de acero del país, ubicada en el Cotorro. Para los otros factores obtenidos no existe aún una explicación plausible.
Un análisis más profundo requerirá del conocimiento de la ubicación de todas las posibles fuentes de contaminación, lo cual está previsto ejecutar posteriormente.
Conclusiones
La representación espacial de los componentes extraídos refleja muy bien las diferencias entre las áreas urbanas de La Habana, debido fundamentalmente, a la existencia de fuentes de contaminación puntuales e importantes. El uso de la técnica de biomonitoreo permite evaluar correctamente estas diferencias, significando una ventaja sobre el método instrumental (colección de material particulado).
]]> AgradecimientosEl trabajo se llevó a cabo en los marcos del Proyecto Regional para América Latina (ARCAL) LX (RLA7010) (2002-2005), financiado por el Organismo Internacional de Energía Atómica.
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