Niveles de radionúclidos naturales y metales pesados en suelos urbanos de la ciudad de Cienfuegos, Cuba

Heavy metal and natural radionuclide levels in urban soils from Cienfuegos city, Cuba

Oscar Díaz Rizo¹, Eduardo Quintana Miranda¹, Carlos M. Alonso Hernández², Héctor Cartas Águila², Katia D´Alessandro Rodríguez¹, Neivy López Pino¹, Juana O. Arado López¹

¹Instituto Superior de Tecnologías y Ciencias Aplicadas (InSTEC) ]]> Ave. Salvador Allende y Luaces, La Habana, Cuba
²Centro de Estudios Ambientales de Cienfuegos, AP 5. Ciudad Nuclear, Cienfuegos, Cuba

odrizo@instec.cu

RESUMEN

Se determinan las concentraciones de metales pesados y radionúclidos naturales en suelos superficiales (0-10 cm) de la ciudad de Cienfuegos, Cuba, mediante las técnicas de fluorescencia de rayos X y espectrometría gamma respectivamente. Los resultados de la medición de metales pesados mostraron que las concentraciones promedio de Ni, Cu, Zn y Pb en los suelos estudiados son superiores a los valores correspondientes de fondo. El cálculo del Índice de Polución Integral permitió determinar que estos suelos presentan una contaminación severa por metales pesados. Las concentraciones de , y en los suelos urbanos de Cienfuegos se encuentran en los intervalos de 8.3-32.7, 3.7-10.7 y 129-356 , con promedios de 22.6, 6.3 y 272 respectivamente, valores que son similares a los reportados para la zona Centro-Sur de Cuba. La tasa de dosis absorbida en aire y la dosis equivalente efectiva anual que recibe la población local producto de la radiación natural es inferior a los límites establecidos internacionalmente. Se determinaron correlaciones positivas significativas de -Cu y -Zn, indicando la posible presencia de una fuente de contaminación por estos elementos en la zona.

Key words: metales pesados, Cuba, áreas urbanas, suelos, radiactividad natural, control de la contaminación.

ABSTRACT

Concentrations of heavy metals and natural radionuclides in topsoil (0-10cm) from Cienfuegos city, Cuba, were determined by using X-ray fluorescence analysis and gamma ray spectrometry, respectively. The measured results of heavy metals show that the mean concentrations of Ni, Cu, Zn and Pb in the studied soil samples are higher than their corresponding background values. The calculated results of integrated pollution index of heavy metals indicate that the studied soils present severely heavy metal contamination. The concentrations of , and in the studied soil samples range from 8.3 to 32.7, 3.7 to 10.7 and 129 to 356 with an average of 22.6, 6.3 and 272 , respectively, which are similar than the average concentrations reported for South-central Cuban soils. The air absorbed dose rate and the annual effective dose equivalent received by the local residents due to the natural radionuclides in soil are lesser than the worldwide established limits. A significantly positive -Cu and -Zn correlations were determined, indicating the possible existence of a source of pollution due to the presence of these elements in the area.

Palabras claves: heavy metals, Cuba, urban areas, soils, natural radioactivity, pollution control.

INTRODUCCIÓN

El estudio del contenido de metales pesados y el riesgo que estos inducen es un aspecto importante dentro del manejo ambiental de un ecosistema, así como en la protección de la salud de la población [1-3]. El origen de la composición inorgánica de los suelos puede ser tanto natural como antropogénico. Es conocido que elementos trazas como el zinc, cromo, cobalto y hierro son beneficiosos para las plantas y los seres vivos, pero, a partir de determinados valores de concentración, pueden inducir efectos tóxicos. Otros elementos, como el plomo, cadmio, mercurio, etc., son bien conocidos por sus efectos negativos en la salud humana, en particular en la salud de los niños, producto de su elevado poder de absorción de metales pesados, pues son capaces de inducir serias afectaciones a los sistemas nervioso central y urinario, así como favorecer el desarrollo de muchas enfermedades [4-7].

Por otra parte, investigaciones previas han demostrado la necesidad de profundizar en el estudio de los denominados “materiales radiactivos de origen natural” (NORM) [8]. Es bien conocido que la radiactividad natural y la exposición externa asociada a la misma, dependen fundamentalmente de las condiciones geológicas del área de estudio, y aparecen a diferentes niveles, en dependencia de la composición litológica del área de interés y de la composición de la roca que originó ese suelo. Por otra parte, se ha comprobado que los niveles de radiactividad natural en los suelos urbanos se han visto afectados por las emisiones de diferentes actividades humanas. Por ejemplo, la industria nuclear y los ensayos de armamento nuclear [8-9], la producción y refinación de petróleo [10-12], la producción de cemento [13], etc.

Tras el triunfo de la Revolución, la ciudad de Cienfuegos ha experimentando un proceso de crecimiento y urbanización, acompañado por el fomento de una gran actividad industrial (termoeléctricas, refinerías de crudo, plantas de cemento y fertilizantes, etc.), convirtiéndola en una de las ciudades más industrializadas del país. Hoy día, con nuevas inversiones que se vienen realizando, Cienfuegos está avocado a convertirse en el polo petroquímico más importante del país. Por esta razón, se han realizado diversos estudios para evaluar el impacto de la urbanización y la industria a los ecosistemas próximos a la ciudad [14-16]. Por otra parte, la designación de Cienfuegos como posible emplazamiento de la CEN de Juraguá en los años 80 del siglo xx, favoreció la realización de estudios radiológicos del medio ambiente aledaño, fundamentalmente de sus suelos [17-18] y sedimentos de la bahía [19]. Ya más reciente, se realizó un estudio radiológico amplio de los suelos agrícolas de la zona Centro-Sur de Cuba, que incluyó a la provincia de Cienfuegos [20]. A pesar de ello, no existen antecedentes de estudio radiológico y de concentración de metales pesados en los suelos urbanos de la ciudad de Cienfuegos. En tal sentido, el objetivo fundamental de la presente investigación fue determinar los niveles de metales pesados y radionúclidos naturales presentes en los suelos urbanos de la ciudad, atendiendo a su posible impacto a la salud de la población.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se colectaron suelos superficiales (0-10 cm) en 7 estaciones del área metropolitana de la ciudad de Cienfuegos (Figura 1), tomadas todas en una misma jornada. Con el fin de evaluar las concentraciones del fondo del área, adicionalmente se tomaron muestras a 10-20 cm de profundidad en las estaciones 1, 2 y 3, ubicadas en la periferia del área de estudio. En todos los casos se tomaron muestras compuestas, consistentes en cuatro submuestras (aproximadamente 1×1 ), empleando para ello una espátula plástica y bolsas de nylon para su resguardo. Ya en el laboratorio, todas las muestras fueron secadas a 50ºC y sometidas a un proceso de remoción manual de piezas de metal y de plástico, así como de residuos orgánicos. Posteriormente fueron maceradas en un mortero de agate, tamizadas a 125 mm y nuevamente secadas a 60ºC hasta peso constante.

Las concentraciones de los metales pesados se estimaron mediante la técnica de fluorescencia de rayos X (FRX), utilizando como patrones los Materiales de Referencia Certificada (MRC) IAEA-SL-1 “Lake Sediment”, IAEA-Soil-5, IAEA-356 “Polluted Marine Sediment”, BCR-2 “Basalt Columbia River”,SGR-1 “Green River Shale” y BCSS-1. Tanto las muestras de suelos como los MRC fueron mezclados con celulosa de calidad analítica (en proporción 4:1) y prensadas a 15 T en forma de tabletas de 25 mm de diámetro y 4-5 mm de espesor. Todas la tabletas fueron medidas en un detector de Si (Li) Canberra (150 eV de resolución energética a 5.9 keV, con ventana de Be de 12.0 mm de espesor) acoplado a un analizador multicanal. Como fuente de excitación se empleó una fuente de (1.1 GBq) de geometría de anillo. Todos los espectros de rayos X se procesaron mediante el código WinAxil [21]. Los límites de detección se determinaron de acuerdo con Padilla et al. [22] (en unidades de concentración) como LD = 3 s/mt, donde m es la sensibilidad del espectrómetro en conteos.seg-1 por unidad de concentración,  es la desviación estándar del área de fondo en la zona de la línea espectral correspondiente a 1.17 veces el ancho a la semialtura y t es el tiempo de medición (6 horas).

donde –es el valor experimental, –el valor certificado y s la desviación estándar de . Sobre la base de este criterio, la similitud entre el valor certificado y el resultado analítico determinado se divide en tres categorías: SR ≤ 25% = excelente; 25 < SR ≤ 50% = aceptable, SR > 50% = inaceptable. El estudio de cinco réplicas del MRC IAEA Soil-7 se presenta en la Tabla 1. Como se aprecia, todos los metales (Co, Ni, Cu, Zn y Pb) determinados por FRX son “excelentes” (SR ≤ 25%) y los resultados analíticos obtenidos muestran una muy buena correlación (R = 0.999) entre los valores medidos y los certificados.

La concentración de los radionúclidos naturales , y se determinaron en submuestras de los suelos de interés, empleando para ello un sistema de espectrometría gamma de bajo fondo, compuesto por un detector coaxial intrínseco de germanio hiperpuro, blindado en un castillete de plomo y acoplado a un analizador multicanal. Antes de las mediciones, cada muestra fue sellada durante 28 días con vista a asegurar el establecimiento del equilibrio secular entre los núcleo de  y . La actividad del se determinó  mediante la medición de los cuantos gamma de energías 295, 352 y 609 keV de sus hijos y . El contenido de se determinó mediante las líneas 238, 583 y 911 keV correspondientes a sus hijos , y respectivamente. La calibración en eficiencia se realizó mediante el empleo del patrón Standard U-Ore (CANMET) y de la solución certificada QCY44 de la Amershand. La calidad de las mediciones se verificó mediante el estudio de diferentes MRC del OIEA y del National Bureau of Standards de los EE.UU. Las incertidumbres de las actividades determinadas se calcularon a partir del error de las mediciones a nivel de una desviación estándar.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los resultados estadísticos descriptivos de las concentraciones de Ni, Cu, Zn y Pb en los suelos superficiales (0-10 cm) de la ciudad de Cienfuegos, así como los valores promedios de concentración de fondo (10-20 cm) se presentan en la Tabla 1. Como se observa las concentraciones de Ni, Cu, Zn y Pb se encuentran en un intervalo de 24-115, 5-213, 33-726 y 4-893 , con valores promedios de 47, 82, 277 y 225 respectivamente. En todos los casos, los promedios geométricos son inferiores a los aritméticos. Los promedios aritméticos, promedios geométricos y medianas de las concentraciones determinadas en los suelos superficiales son cercanos (caso del Ni) o superiores (Cu, Zn y Pb) que sus correspondientes concentraciones de fondo. La razón entre los promedios aritméticos de las concentraciones y sus respectivas concentraciones de fondo, descienden como Pb > Zn > Cu > Ni. Las máximas concentraciones de Ni, Cu, Zn y Pb superan a las concentraciones promedio de fondo en 3.3, 8.2, 15.6 y 99.8 veces respectivamente. Las desviaciones estándares y coeficientes de variación pueden reflejar el grado de dispersión de la distribución de metales pesados y el efecto que induce la actividad humana en las concentraciones de los metales pesados en un área determinada [24]. Como se observa en la Tabla 2, los coeficientes de variación  de los metales determinados son bastante elevados, fundamentalmente para Pb, Zn y Cu, los cuales son de 139, 87 y 87 respectivamente. Los valores máximos de concentración, los coeficientes de variación y las desviaciones estándares, respecto a las concentraciones de fondo determinadas, muestran que los contenidos de Cu, Zn y Pb de los suelos superficiales de la ciudad de Cienfuegos, han sido intensamente afectados producto de la actividad antropogénica, como podrían ser las emisiones industriales.

Los valores de curtosis para todos los metales pesados estudiados son superiores a cero, lo que indica que las distribuciones de estos metales pesados son más empinadas que la normal. Los valores de sesgo son superiores a la unidad, lo que muestra que estos metales se inclinan hacia las menores concentraciones [25].
Con el fin de estudiar el grado de contaminación de los suelos y estimar el posible impacto a la salud humana, se calculó el índice de polución integral (IPI) [26] para cada una de las estaciones en estudio. El IPI se define como el valor medio de todos los índices de polución (IP) de los metales pesados determinados:

donde n –es el número de metales considerados en el ensayo e IP se define como la razón entre la concentración del metal (Ci) en el suelo en estudio, respecto al promedio geométrico de la concentración de fondo del metal correspondiente (CFi):

Como concentraciones de fondo (en ) se utilizaron los resultados de la medición de los suelos a 10-20 cm de profundad en las estaciones 1, 2 y 3. Atendiendo a su valor de IPI, los suelos superficiales se clasificaron como de bajo grado de contaminación (IPI ≤ 1.0), de mediano grado de contaminación (1.0 < IPI ≤  2.0) o de alto grado de contaminación (IPI > 2.0).

Como se aprecia (Tabla 3) los suelos superficiales de la zona metropolitana de la ciudad de Cienfuegos tienen un elevado grado de contaminación, con baja contaminación en las áreas periféricas de la misma. La mayor incidencia en el grado de contaminación lo aportan los contenidos de Pb, Zn y Cu, pues el contenido de Ni solo aporta en las áreas aledañas a la estación 5 (= 2.6), área, que como evidencia su IPI ( = 25.7) es la zona de mayor contaminación de la ciudad. En esa área se encontraba la antigua Estación de Carga Comercial por Ferrocarril de la ciudad, así como dos plantas termoeléctricas (de fabricación checa y japonesa) y se localiza la Fábrica de Cemento. Las estaciones 6 y 7 ( = 8.1, = 9.4) se encuentran en el centro de la ciudad, donde el tráfico vehicular es mucho más intenso.

Los resultados estadísticos descriptivos de las concentraciones de radionúclidos naturales en los suelos superficiales de la ciudad de Cienfuegos se presentan en la Tabla 4. Como se observa las concentraciones de actividad para , y tienen un intervalo de 8.3-60 con un promedio de 21.6 para el 226Ra, 3.7-11 con un promedio de 6.8 para el y de 129-356 con un promedio de 285 para el respectivamente. Estas concentraciones promedios son muy similares a las obtenidas para los suelos agrícolas de la región Centro-Sur de Cuba (27 ± 18, 5.7 ± 3.8 y 317 ± 143 respectivamente [20]). La concentración de aporta entre el 90 y 92% de la actividad gamma total, lo que indica que la actividad específica del es el mayor contribuyente a la actividad total de todas las muestras de suelo.

Los resultados se evaluaron en términos de radiotoxicidad mediante el indicador conocido como Actividad Radioequivalente (), el cual se determina mediante la expresión [27]:

donde , y son las concentraciones de actividad de , y en respectivamente. Los valores de la Tabla 4 indican que en los suelos superficiales de Cienfuegos se encuentra en el intervalo comprendido entre 23.5 y 72.7 con un promedio de 53.3 , valores muy inferiores al límite recomendado de 370 [8]. Para la evaluación de la exposición externa inducida por la radiación natural, se calculó la tasa de dosis absorbida a 1m sobre el terreno según la expresión [28]:

Los valores calculados muestran que la tasa de dosis absorbida en aire se encuentra en el intervalo de
11.4 -35.2 con un valor medio de 26.0 , los cuales son inferiores al valor límite recomendado de
51 [8].

Para estimar la dosis equivalente efectiva anual (E) que reciben los residentes de la localidad producto de la radiación natural presente en el suelo, se utilizó la expresión:

donde D es la tasa de dosis absorbida, T es el tiempo en horas de un año (8760 horas) y Q(0.7 ), y Focup (0.2) son el factor de conversión para dosis absorbida en aire a dosis efectiva en aire y el factor ocupacional propuestos por la UNSCEAR [8] respectivamente. La dosis equivalente efectiva anual resultó de 0.032 ± 0.010 , la cual es inferior a la dosis externa promedio anual mundial de 0.07 [8].

Con vistas a buscar alguna interrelación entre los parámetros obtenidos para los metales pesados y los radionúclidos naturales se realizó la correlación de Pearson (Tabla 5), utilizando como variables las concentraciones de actividad de , y , la dosis absorbida en aire, las concentraciones de los metales pesados y el índice de polución integral determinados para todas las muestras. Como se aprecia, la tasa de dosis absorbida en aire (D) es significativamente positiva con las concentraciones de , y y sus correspondientes coeficientes de correlación decrecen como > > , indicando que la dosis absorbida en aire está controlada fundamentalmente por las concentraciones de y . Llama la atención la buena correlación obtenida entre la concentración de y el índice de polución integral de los metales pesados (0.70), lo que debe estar dado por las significativas correlaciones obtenidas entre el contenido de con las concentraciones de Cu y Zn (0.78 y 0.79 respectivamente). Atendiendo a que la concentración máxima de excede en 2 veces la concentración promedio obtenida para el fondo (10-20 cm, Tabla 4), esto podría indicar que, en algunas de las estaciones estudiadas, no todo el contenido de sería natural, sino que cierta fracción del mismo debe provenir de fuentes que inducen contaminación por Cu y Zn.  

Como se aprecia, se obtienen correlaciones significativas (P < 0.01) para los pares de metales Cu-Zn (0.91) y Zn-Pb (0.86), así como buenas correlaciones (P < 0.05) para los pares Cu-Pb (0.66) y Ni-Zn (0.50), provocando correlaciones significativas de los contenidos de metales con el IPI, las cuales decrecen como Pb-IPI > Zn-IPI > Cu-IPI > Ni-IPI. Esto indica que los contenidos de Pb, Zn y Cu son, de los metales estudiados, los mayores contribuyentes de la contaminación determinada en los suelos superficiales de la zona metropolitana de la ciudad de Cienfuegos. Por otra parte, elevados coeficientes de correlación entre metales pesados indican que estos provienen de las mismas fuentes y que se comportan de manera similar durante su transportación [24, 29].

Los metales Pb, Zn y Cu se consideran “metales urbanos” dado el uso indiscriminado de combustible plomado por muchos años, y que el Cu y el Zn se utilizan ampliamente en diferentes partes y componentes de automóviles, lubricantes, sistemas de frenado, etc. [1]. Por otra parte, es bien conocido que el Cu está presente en diferentes pigmentos que se utilizan en la industria del plástico, el Zn puede estar asociado a la presencia de metales galvanizados, medicamentos y cosméticos, emanaciones de industrias de la construcción, residuos de demoliciones, etc. y el Pb con pinturas basadas en plomo, partes de baterías y de galvanizados. Teniendo en cuenta que en nuestro país no se utiliza gasolina plomada desde finales de los años 90 del siglo pasado, es muy posible que una parte considerable del contenido determinado de Pb esté dado por la acumulación de este metal producto de la contaminación originada en décadas pasadas [30]. Por otra parte, la correlación significativa determinada entre las concentraciones de y Cu y Zn, sin que se observara correlación entre el y el Pb, indica la posible presencia de otras fuentes de contaminación por Cu y Zn que no están asociadas al empleo de plomo. Por tanto, las emisiones vehiculares pueden ser parte de la contaminación presente en los suelos de la ciudad de Cienfuegos, sumándose a las que se originan en otras actividades industriales que se realizan en dicha ciudad (termoeléctricas, refinación de petróleo, fabricación de cemento y fertilizantes, etc.).

CONCLUSIONES

Los estudios realizados por fluorescencia de rayos X y espectrometría gamma de los suelos urbanos de Cienfuegos permitieron determinar que: 1) presentan una elevada contaminación por Pb, Zn y Cu; 2) tienen concentraciones de radionúclidos naturales similares a las reportadas para la zona Centro-Sur de Cuba; 3) la tasa de dosis absorbida en aire y la dosis equivalente efectiva anual que recibe la población local, producto de la radiación natural de los suelos, son inferiores a los límites establecidos internacionalmente y 4) existen correlaciones significativas entre -Cu y -Zn, indicando la posible existencia de alguna fuente contaminante de estos elementos en la zona. En tal sentido, se recomienda ampliar el presente estudio, en aras de identificar las posibles fuentes de contaminación por metales pesados que existen en la ciudad, así como identificar la existencia de alguna fuente que sea emisora de .

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Recibido: 9 de abril de 2013
Aceptado: 24 de octubre de 2013