XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental

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V-096 - INFLUENCIA DE LA DIAGENESIS SOBRE LA DISTRIBUCION ESPACIAL Y GEOQUIMICA DE LOS METALES EN SEDIMENTOS DE LA

PRESA J.A. ALZATE, MEXICO Anne-Laure S. Bussy Beaurain Doctora en Ciencias Ambientales. Profesor de Química y Ciencias Ambientales en la Universidad Autonoma Metropolitana Azcapotzalco, México. Icela D. Barceló Quintal(1) Hugo E. Solís Correa Carmen González Cortés Dirección(1): Universidad Autónoma Metropolitana - Unidad Azcapotzalco - Av. San Pablo N° 180, Col. Reynosa Tamaulipas, Azcapotzalco, D.F. - México - C.P. 02200 - Tel: (52) 53.18.93.60 - Fax: (52) 53.18.9540 - e-mail: ibarcelo@mati.net.mx RESUMEN

Se estudió la influencia de los contaminantes orgánicos del río Lerma sobre los metales asociados a sedimentos teniendo una actividad diagenética, mediante un experimento en el laboratorio. Se constituyeron dos sistemas experimentales, con condiciones iguales y sedimentos de composición diferentes, ambos provenientes de la presa J.A. Alzate. Se encontró que los cambios fisicoquímicos generados por las reacciones producidas por la diagénesis, causan modificación en la distribución geoquímica y espacial tanto del plomo como del manganeso a través de las columnas de sedimento. El efecto es más fuerte a medida que exista mayor cantidad de materia orgánica biodegradable, la cual llega finalmente a liberar a los diferentes metales hacia la columna de agua. PALABRAS-CLAVE: Sedimentos, Contaminación, Diagénesis, Manganeso, Plomo. INTRODUCCION

La presa J.A. Alzate es un embalse que se construyó para la gestión de las aguas del río Lerma al principio de su curso, en el Estado de México, México. Las principales metas de esta obras eran la prevención de las inundaciones y el uso del agua para el riego de los cultivos vecinos, ya que el régimen del río era bastante errático (S.A.R.H., 1978). Poco antes de llegar a la presa J.A. Alzate, el río Lerma atraviesa una importante zona industrial, donde las plantas toman agua del río y descargan sus desechos en el mismo. Un importante porcentaje de estas industrias es de carácter metal-mecánico (C.N.A., 1998), lo que genera una contaminación del agua del río por metales que a su vez pasan a la presa. Además, varias plantas de tratamiento de las aguas negras de la ciudad de Toluca descargan también en el río Lerma, lo que introduce una contaminación de naturaleza orgánica, fácilmente biodegradable en los dos cuerpos acuáticos. En la presa J.A. Alzate, los contaminantes metálicos se concentran preferencialmente en los sedimentos (Barceló, 2000). El material orgánico sedimenta y se mezcla a los sedimentos ya existentes, donde la población microbiológica autóctona lo degrada al mismo tiempo que al material orgánico de origen natural, como por ejemplo, los ácidos húmicos o el detritus. Las reacciones de biodegradación de la materia orgánica representan las primeras etapas de la diagénesis de los sedimentos. La cantidad de materia orgánica disponible en el sedimento para su biodegradación es uno de los parámetros que determinan la magnitud de las reacciones de la diagénesis (Bussy, 1996). Como consecuencias de estas reacciones, los parámetros fisicoquímicos del medio se alteran; en particular, se puede observar una disminución del pH y del potencial de oxido-reducción, lo que puede generar una movilización de los metales asociados a los sedimentos (Azcue et al., 1996).

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En este trabajo, se propone hacer un estudio de la influencia de los contaminantes de origen doméstico del río Lerma sobre la movilización de los metales asociados a los sedimentos, mediante un experimento en el laboratorio. Se examinó un metal constitutivo de la matriz de los sedimentos, el manganeso, y a un metal considerado como contaminante, el plomo. METODOLOGIA

Se comparó la evolución temporal de dos sedimentos, uno proveniente de la entrada del río Lerma a la presa J.A. Alzate (que se denominará, zona río), donde se encuentran grandes cantidades de materia orgánica biodegradable, y otro de la zona de mayor sedimentación de la presa (que se denominará, zona presa), aproximadamente a 1.5 kilómetros después de la primera (figura 1).

R í o L e r m as a l i d a

R í o L e r m ae n tr a d a

9 9 ° 4 2 ” 1 5 ” L W

1 9 ° 2 7 ” 5 5 ” L N

Z o n a s d e m u e s t r e o

Á re a s a lta m e n t e p o b la d a s

Z o n a B

Z o n a A

9 9 ° 3 7 ” 5 0 ” L W

Figura 1: Zonas de muestreo en la presa J.A. Alzate.

El sedimento superficial fue colectado por medio de una draga. También se colectó agua en el mismo sitio. Estos sedimentos son considerados jóvenes, ya que recién sedimentados, fueron homogeneizados por zona y, junto con el agua, sirvieron para construir en el laboratorio dos sistemas experimentales agua/sedimentos, que simulan lo que se puede encontrar en la presa (sistema “río” y sistema “presa”, figura 2). Después de dos meses de evolución, la columna de agua fue retirada y las columnas compactadas de sedimento fueron cortadas en diferentes estratos. Cada estrato fue analizado para la materia orgánica particular mediante la perdida de peso a 5500°C, hecha por duplicado, con una desviación experimental promedio del 3%.

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Después de una digestión ácida (HNO3 y HF concentrados, Merck, analítico) en un horno de microondas (CEM) de las diferentes muestras de sedimentos, se determinó la concentración total de Mn y Pb mediante absorción atómica (extracción hecha en triplicado con una desviación experimental promedio de 5% para los dos metales, y una desviación analítica promedio de 4%).

Figura 2: Condiciones experimentales.

La secuencia de extracciones químicas concebida por Barceló (2000) a partir de los esquemas de Tessier et al. (1979) y de Calmano y Förstner (1983), se aplicó a las dos muestras de sedimentos, antes de su uso para el experimento, para identificar la distribución geoquímica original de los metales en los sedimentos jóvenes (tabla 1).

Tabla 1: Esquema de extracciones secuenciales. Fracción Reactivos Propiedades de los metales extraídos

F1 BaCl2, 1M, pH 7 Metales Intercambiables F2 CH3COOH/CH3COONa, 1 M, pH: 5 Metales Acido-solubles

F3 NH2OH, HCl, 0.1 M, en HNO3 pH: 2 Metales asociados a oxihidróxidos de Mn y de Fe

F4 NH4oxalato/a. Oxalico, 0.2 M/0.2 M, pH: 3 Metales asociados a otras fases férricas

F5 H2O2 concentrado, en HNO3, pH: 2 Metales asociados a la materia orgánica y a los sulfuros

F6 HNO3 y HF concentrados Metales residuales, asociados a la matriz cristalina del sedimento

RESULTADOS Y DISCUSION

Los perfiles de materia orgánica obtenidos para los dos sitios, indican una mayor abundancia de materia orgánica biodegradable a la entrada de la presa (sistema río, figura 3). Las descargas domésticas que entran al río Lerma explican esta riqueza del sedimento del sistema “Río”. Los contaminantes biodegradables que se pueden detectar en este sedimento se encuentran degradados en los sedimentos más viejos de la zona B, colectados para el sistema “Presa”. La degradación de este material parece variar de manera aleatoria en función de la profundidad, probablemente por la heterogeneidad de la distribución de la población microbiológica dentro de los sistemas experimentales, y por la heterogeneidad del material sedimentario de origen. El hecho de que las variaciones sean más importantes en el sistema “Río” confirma esta aseveración, ya que se observaron varios elementos

Sistema “presa”

Sistema “río”

Columna de sedimento

Aire

Hoja de aluminio

Columna de agua

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orgánicos macroscópicos en el sedimento del río (restos de plantas superiores, fibras antropogénicas...), y nada de ellos se encontró en el sedimento colectado en el sistema “Presa”.

0

10

20

30

40

50

11.5 12.0 12.5 13.0

Materia orgánica (% )Pr

ofun

dida

d (c

m)

"Presa"

0

10

20

30

40

50

16.5 18.1 19.7 21.3

Materia orgánica (% )

Prof

undi

dad

(cm

)

"Río"

Figura 3: Perfiles de la perdida de peso a 550 °C de los sistemas “Presa” y “Río”

línea discontinua verde: sedimento original, línea continua azul: después de 5 semanas. La concentración total de los dos metales en los sedimentos colectados para el sistema “Presa” es superior a la medida encontrada en los sedimentos del sistema “Río”, lo que indica una anterior ocurrencia de fuerte contaminación por manganeso y plomo conducida por el río Lerma hacia la presa J.A. Alzate, y, que actualmente los aportes contaminantes de estos metales han diminuido. La distribución geoquímica relativa de los dos metales no cambia de un sedimento al otro (figura 4), y el manganeso parece tener poca afinidad por la materia orgánica y los sulfuros (fracción F5), mientras que el plomo presenta sus menores concentraciones en las fracciones F1 y F3 (metales intercambiables y fácilmente reducibles, respectivamente). Este comportamiento similar en los dos sedimentos en cuanto a los metales estudiados, indica su origen común.

0

60

120

180

[Mn]

(mg/

kg)

F1 F2 F3 F4 F5 F6

Fracción

Sedimento río

Sedimento presa

0

2

4

6

[Pb]

(mg/

kg)

F1 F2 F3 F4 F5 F6

Fracción

Sedimento río

Sedimento presa

Figura 4: Distribución geoquímica del manganeso y del plomo en los sedimentos de las dos zonas.

Considerando los sedimentos de origen, se puede concebir que el material del sistema “Río” es más joven, mientras el sedimento del sistema “Presa” representa un material primero envejecido, degradado y mezclado con el material nativo de la presa, todavía más viejo y degradado. Así, la diagénesis puede ser responsable del movimiento del manganeso que se observa en las fracciones relativamente estables (F2, F3, F5 y F6) hacía la más lábil (F1).

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A esta observación sobre la modificación de la distribución geoquímica del manganeso, se adjunta una movilización del mismo metal asociado al sedimento (Figura 5). La amplitud de estos movimientos es más importante en el sistema “Río” que en el sistema “Presa”. Sin embargo, no se encuentra una correlación entre las pérdidas de peso a 550ºC (figura 3) y las concentraciones de manganeso medidas en los dos sistemas (figura 5). La distribución espacial del manganeso a través de las columnas presenta una tendencia general del metal a dejar el fondo para acumularse en la superficie. Otra vez, esta tendencia es más clara en el sistema “Río” que en el sistema “Presa”. Además, en los dos sistemas, la zona donde se encuentran las concentraciones más altas, es una capa delgada de sedimento más claro que el resto de la columna, que es la interfase agua/sedimento. Esta última observación implica una posible liberación del manganeso hacia el agua. El envejecimiento del sedimento parece favorecer una acumulación de plomo en la fracción F4, que representa en su mayoría al plomo asociado a las fases férricas, mientras disminuyen las concentraciones de las fracciones F2 y F6. Por tanto, eso confirma que las asociaciones del manganeso y del plomo con los sedimentos son de diferente naturaleza, así como lo son sus comportamientos frente a las mismas modificaciones de pH y del potencial redox del medio.

0

10

20

30

40

50

250 350 450[Mn] (mg/kg)

Prof

undi

dad

(cm

)

0

10

20

30

40

50

250 350 450[Mn] (mg/kg)

Prof

undi

dad

(cm

)

Figura 5: Perfiles de las concentraciones en manganeso de los sistemas “presa” y “río”

(en mg/kg de material seco) línea discontinua verde: sedimento original, línea continua azul: después de 5 semanas.

0

10

20

30

40

50

1 4 7 10[Pb] (mg/kg)

Prof

undi

dad

(cm

)

0

10

20

30

40

50

1 4 7 10[Pb] (mg/kg)

Prof

undi

dad

(cm

)

Figura 6: Perfiles de las concentraciones en plomo de los sistemas “presa” y “río”

(en mg/kg de material seco) línea discontinua verde: sedimento original, línea continua azul: después de 5 semanas.

“Río”“Presa”

“Río”

“Presa”

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En cuanto a las variaciones espaciales de las concentraciones en las columnas (figura 6), se puede repetir lo anteriormente dicho del manganeso para el caso del plomo: variaciones más amplias y tendencia más marcada en el sistema “Río”, esta tendencia es una disminución de las concentraciones del fondo. Para el plomo, parece más obvia la pérdida de metal por el sedimento hacia la fase acuosa. CONCLUSIONES

Este trabajo permitió definir la existencia de una influencia de los procesos diagenéticos sobre los metales asociados con los sedimentos “activos”. Esta influencia consiste en una modificación de la distribución geoquímica de los dos metales, así como en una movilización de los metales a través de las columnas de sedimentos. Eso genera la aparición de zonas poco o muy contaminadas en los sistemas experimentales. En particular, las concentraciones más altas se encuentran en la capa superficial, interfase agua/sedimento, mientras que las concentración de los metales disminuyen con la profundidad. Finalmente, los metales llegan a liberarse hacia la columna de agua, por lo cual la diagénesis provoca una contaminación metálica no despreciable del agua, y estos sedimentos biológicamente activos representan una fuente de contaminación metálica. Por último, la cantidad de materia orgánica biodegradable es un factor importante respecto a las consecuencias producidas por la diagénesis sobre los metales asociados a los sedimentos, aunque su relación no sea cuantificable. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. AZCUE, J.M., ROSA, F., MUDROCH, A. Distribution of major and trace elements in sediments and pore water of Lake Erie, J. Great Lakes Res., 22, 389-402, 1996.

2. BARCELÓ, I. Estudio de la movilidad de Ca, Cd, Cu, Fe, Mn, Pb y Zn en sedimentos de la presa José Antonio Alzate en el Estado de México. Tesis Doctoral, Facultad de Ingeniería, UAEM, México., 2000.

3. BUSSY, A.L. Mobilité des métaux dans un système fluvial urbain. Tesis doctoral, Université Paris XII-Val de Marne, Francia, 1996.

4. CALMANO, W., FÖRSTNER, U. Chemical extraction of heavy metals in polluted river sediment in Central Europe. Sci. Tot. Environ., 28, 77-90, 1983.

5. C.N.A., Comisión Nacional del Agua del Edo. de México. Inventario de descargas de aguas residuales en el Estado de México. Departamento de Saneamiento y Calidad del Agua, 1998.

6. S.A.R.H., Secretaría de Agricultura y Recursos Hidráulicos. Programa de monitoreo del río Lerma, reporte del Secretaría de Agricultura y Recursos Hidráulicos y del Instituto de Ingeniería UNAM, 1978.

7. TESSIER, A., CAMPBELL, P.G.C., BISSON, M. Sequential extraction procedure for the speciation of particulate metals. Anal. Chem., 51, 844-851, 1979.