Content of trace metals in groundwater from western region of Maracaibo Lake, Venezuela

Johan Mesa¹, Alfonso Bravo², José Morales³, Ligbel Sánchez³, Paola Valle¹, Elizabeth Gutiérrez³ e Hilda Ledo³

¹Laboratorio de Análisis Químico y Electroquímica, Facultad de Ingeniería.

²Laboratorio de Investigación y Desarrollo en Nutrición, Facultad de Medicina.

³Laboratorio de Química Ambiental, Facultad Experimental de Ciencias. Universidad del Zulia. Maracaibo 4011, Venezuela. Tel/fax: 58-261-7598736. arbravo@universia.edu.ve

Abstract

Underground aquifers are a fundamental source of water for both domestic and agricultural activities in some regions of the Lake Maracaibo Basin, Venezuela. In this study the contents of cadmium (Cd), copper (Cu), iron (Fe), nickel (Ni), lead (Pb), vanadium (V) and zinc (Zn) were determined in 46 samples of water from shallow wells in three locations of the Western region of the Lake: an urban area (Sierra Maestra) and two rural area (Pompey and Viateca). The samples were collected for several months during a monitoring year. The elements were quantified by Atomic Absorption Spectrometry both FAAS and GFAAS. Significant differences were found in the levels of metals for all locations. Toxic metals such as cadmium and vanadium were detected at higher concentrations in water from Sierra Maestra being their values above the allowed limits, both national and international, for drinking water. Other implications such as the influence of human activities and its contribution to our results are discussed.

Key words: Groundwater, trace metals, aquifers, Maracaibo Lake.

Contenido de metales trazas en aguas subterráneas de la región occidental del Lago de Maracaibo, Venezuela

Resumen

Los acuíferos subterráneos son una fuente primordial del agua que se utiliza en actividades domésticas y agrícolas en algunas regiones de la cuenca del Lago de Maracaibo, Venezuela. En el presente estudio, se analizó el contenido de cadmio (Cd), cobre (Cu), hierro (Fe), níquel (Ni), plomo (Pb), vanadio (V) y zinc (Zn) en 46 muestras de aguas subterráneas obtenidas de pozos someros ubicados en tres localidades de la región occidental del Lago de Maracaibo: una urbana (Sierra Maestra) y dos áreas rurales (Pompey y Viateca). Las muestras se colectaron en varios meses durante un año de monitoreo. Los metales fueron cuantificados mediante Espectrometría de Absorción Atómica. Se encontraron diferencias significativas en el contenido de Cd, V y Zn en aguas subterráneas de las tres localidades. Las concentraciones de elementos tóxicos como el Cd y V fueron mayores en aguas subterráneas de Sierra Maestra, detectándose en la totalidad de la muestras de esta localidad valores que sobrepasaron los límites permisibles para agua potable, según normativas nacionales e internacionales. Se discuten otras implicaciones sobre la calidad del agua en los acuíferos del área en estudio y los procesos que pueden llegar a modificarla, tales como la contaminación por actividades humanas.

Palabras clave: Aguas subterráneas, metales trazas, acuíferos, Lago de Maracaibo.

Recibido el 30 de Junio de 2006 En forma revisada el 30 de Julio de 2007

Introducción

El agua es un recurso natural único, escaso, finito e indispensable para la vida. Aunque es el elemento más frecuente en la Tierra, únicamente 2,53% del total es agua dulce y el resto es agua salada. Los recursos de agua dulce utilizables apenas representan menos de 0,1% del agua del planeta, sin embargo, el consumo de agua per. cápita aumenta, la población crece y en consecuencia el porcentaje de agua objeto de apropiación se ha elevado en los últimos años [1].

Una fuente importante del agua dulce que el hombre utiliza en las actividades de agricultura, industria y minería proviene de los acuíferos subterráneos. Además, la mayor proporción del agua para los servicios de agua potable rural y urbano tiene este origen [2]. Las aguas subterráneas son parte del programa de reciclaje más antiguo -el ciclo hidrológico [3].

Los acuíferos subterráneos poseen distintos grados de vulnerabilidad y constituyen un bien ambiental que es necesario conservar [4]. La contaminación debido a las actividades antropogénicas también llega a los acuíferos, cambiando la composición de sus aguas, las cuales pueden mostrar una gama de concentraciones de los diferentes componentes dependiendo de la mineralogía del acuífero, de los cambios de la facies, de las trayectorias del flujo y del tiempo de residencia. Los niveles de algunos químicos específicos no permisibles dependen del uso de las aguas, por lo que el estándar para agua potable tiene concentraciones recomendables más pequeñas que el estándar para el agua empleada en agricultura. Las aguas con niveles que exceden dichos límites deberán ser calificadas como contaminadas [5].

Como contaminantes de particular interés en las aguas subterráneas aparecen diferentes elementos denominados minoritarios o trazas [6]. Debido a que muchos de ellos presentan densidades mayores a 5 g/cm³, también se les conoce como metales pesados [7]. Estos metales son no biodegradables, se acumulan en la naturaleza y sus emisiones elevadas en conjunto con la deposición en el tiempo, pueden conducir a un enriquecimiento anormal, causando contaminación [8]. Los daños por metales pesados en los acuíferos serían permanentes, puesto que sus rocas se recargan muy lentamente. Por otra parte, la severidad del envenenamiento causado por la ingestión de metales pesados varía entre los metales [9].

En Venezuela, son escasos los estudios recientes sobre la cuantificación de posibles contaminantes y otros analitos en aguas subterráneas [10-12. Es importante señalar que las regiones con formaciones acuíferas más extensas se localizan en la Costa Occidental del Lago de Maracaibo, la Mesa de Guanipa y la parte Occidental del río Apure [13].

En el presente trabajo se planteó la determinación de los niveles de algunos elementos traza (Cd, Cu, Fe, Ni, Pb, V, Zn) en muestras de aguas subterráneas de la región occidental del Lago de Maracaibo, con el propósito de establecer los valores correspondientes para cada analito en esta localidad. La evaluación del contenido de estos metales permitirá además evaluar la calidad de las aguas subterráneas en estudio, estableciendo el riesgo potencial de su consumo y utilización en varias actividades humanas. Adicionalmente los resultados obtenidos podrán ser utilizados como línea base para futuras investigaciones de aguas subterráneas.

Parte Experimental

Zona de muestreo

Las muestras de aguas subterráneas fueron colectadas durante el periodo de un año en tres localidades: una urbana (Sierra Maestra), ubicada en el Municipio San Francisco, y dos rurales, ubicadas a 80 Km (Pompey) y 115 Km (Viateca) al suroeste de la ciudad de Maracaibo, Estado Zulia, Venezuela (Figura 1). En estas localidades, los acuíferos son una importante fuente de agua para uso doméstico, alimentación de animales y actividades agrícolas. Se demarcó un área plana para la distribución de los puntos de muestreo.

Toma de las muestras

El agua fue extraída desde los pozos, utilizando un sistema de bombeo de teflón. Un total de 46 muestras fueron colectadas en botellas de polietileno químicamente limpias con capacidad para 1 L, e inmediatamente se preservaron con HNO₃ al 1% [14]. Posteriormente, se filtraron y se almacenaron a 4°C hasta su análisis.

Reactivos y soluciones

Se usaron reactivos de alta pureza y agua purificada Milli-Q, desionizada y luego filtrada a través de membranas Whatman de 0,2 µm. Los estándares de calibración para espectrofotometría de absorción atómica (EAA) fueron preparados por diluciones seriadas de soluciones stock conteniendo 1.000 mg/L de Cd, Cu, Fe, Ni, Pb, V y Zn. Los reactivos químicos empleados fueron provistos por Fisher Scientific Co., Riedel-de Haën y Merck. Todos los estándares para la calibración y las muestras se preservaron de la misma manera.

Instrumentos y condiciones de operación

Las muestras fueron analizadas en un espectrofotómetro de absorción atómica bajo la modalidad de llama y con horno de grafito, en un equipo Perkin Elmer, Modelo 3110, provisto de lámparas de cátodo hueco según el elemento a ensayar, así como, módulo de grafito HGA-600 y muestreador automatizado AS-60. Los parámetros operacionales para la EAA son mostrados en la Tabla 1. Las muestras fueron corridas por triplicado. Los resultados se expresaron en mg/L (ppm). La exactitud y precisión del método se verificaron previamente utilizando soluciones de materiales estándares certificados (Trace Elements in EstuarineWater CRM 505 No. 048 y Reference Water TMDA-54.2).

Análisis estadístico

Los datos obtenidos fueron analizados con el programa STATISTICA (Statsoft^®). Se verificó la normalidad de los resultados con el test “W” de Shapiro-Wilks y se calcularon los promedios, error estándar, valor mínimo y máximo para cada elemento traza. Con la finalidad de determinar posibles variaciones en los niveles de metales entre los puntos de muestreo, fueron aplicados el Análisis de Varianza (ANOVA) de una vía y el test de Duncan. La significancia estadística se estableció a un intervalo de confianza del 95% (p<0,05).

Resultados

Niveles de metales pesados En la Tabla 2 aparecen los valores obtenidos para las concentraciones de metales trazas en las muestras de aguas subterráneas de las tres localidades ubicadas en la región occidental del Lago de Maracaibo. La distribución del contenido de los metales decreció en el siguiente orden: Fe>Cd>Zn>V>Pb>Cu>Ni (Sierra Maestra), Zn>Fe>Cu>Pb>Cd>V>Ni (Pompey) y Zn>Fe>Cu> Cd>Pb>Ni>V (Viateca).

El análisis de los datos mediante el ANOVA demostró que las grandes variaciones observadas en los niveles de Cd (p=0,00021), V (p<0,00001) y Zn (p=0,01488), obedecen a diferencias intrínsecas o propias entre los puntos de muestreo. El test de Duncan arrojó que el contenido de Cd fue significativamente mayor en las muestras de agua subterránea de Sierra Maestra, en comparación con las aguas de Pompey (p=0,00035) y de Viateca (p=0,00018). La concentración de V también fue significativamente mayor en las aguas de Sierra Maestra, en comparación con Pompey (p=0,00012) y Viateca (p=0,00025). El nivel del Zn fue significativamente mayor en las aguas de Viateca, en comparación con las muestras de Sierra Maestra (p=0,02193), pero similares a las de Pompey (p=0,15364). No hubo diferencias estadísticas para el contenido de Cu, Fe, Ni y Pb entre las tres localidades en estudio.

En la Figura 2 se observa el comportamiento de los metales trazas en las aguas subterráneas durante el período anual del muestreo en la localidad de Sierra Maestra. Los metales Cd, Cu y Ni se encontraron a mayor concentración en el mes de noviembre, mientras que los picos máximos para V, Fe, Pb y Zn se detectaron durante febrero, principios de mayo, principios de junio y finales de junio, respectivamente.

Las aguas subterráneas de Pompey presentaron importantes fluctuaciones durante el año de muestreo (Figura 3), con niveles máximos a finales de junio (Ni y Zn), finales de julio (Fe y Pb), principio de octubre (Cd y Cu) y en noviembre (V). Por otra parte, en la Figura 4 se observa que en las muestras de Viateca, el contenido más elevado de Cd y V se registró en enero, con picos máximos de Fe y Ni a finales de mayo, y de Cu, Pb, Zn a finales del mes de octubre.

Calidad de las aguas

La Tabla 3 resume los resultados sobre la determinación de los niveles de metales trazas en los acuíferos en estudio, así como también la comparación con los valores aceptables para el agua potable según las normativa Venezolana [15], OMS [16], en aguas destinadas a usos variados [17-18] y otros reportes internacionales para aguas subterráneas [19-22].

La totalidad de las muestras de agua de Sierra Maestra y 56% de las muestras de aguas de Pompey y Viateca excedieron los valores de Cd reportados para el agua potable (0,003 ppm), mientras que todas las muestras de Sierra Maestra, 31% de Pompey y 25% de las muestras de Viateca sobrepasaron el valor recomendado para este metal en aguas destinadas a uso agropecuario, según la normativa Venezolana (0,005 ppm). En todas las estaciones y muestras, los niveles de este metal traza sobrepasaron los valores límites para aguas subterráneas, de acuerdo a la normativa de la EPA (0,0001 ppm).

En el 19% de las muestras de Viateca se encontraron niveles por encima del límite permisible de Fe en agua potable, según la normativa Venezolana (1 ppm). El 57% de las muestras de Sierra Maestra, el 63% de Pompey y un 69% de las muestras de Viateca violaron las normas para agua potable de acuerdo a la OMS y el nivel máximo de contaminación para aguas subterráneas, según la US-EPA (0,30 ppm). En Viateca, el 19% de las aguas también excedieron el valor referencia para uso agropecuario, según las normas Venezolanas (1 ppm).

El 86% de las aguas en los pozos de Sierra Maestra, el 63% de Pompey y el 31% de las muestras de Viateca sobrepasaron el nivel máximo de Pb para agua potable de acuerdo con la normativa Venezolana y la OMS (0,01 ppm). En el 14% de las aguas procedentes de Sierra Maestra y en 13% de las muestras de Pompey se encontraron niveles del metal superiores a los señalados en la normativa Venezolana para aguas destinadas a usos agropecuarios (0,05 ppm). La totalidad de las muestras de Sierra Maestra, el 94% de las muestras de Pompey y el 56% de las muestras de Viateca excedieron el valor límite para aguas subterráneas, de acuerdo a la normativa de la EPA (0,001 ppm).

Todas las muestras de Sierra Maestra excedieron los valores de V en agua potable según la OMS y los niveles de riesgo para la salud de acuerdo con la EPA en aguas subterráneas de los Estados Unidos (0,02 ppm).

Discusión

En el presente estudio se determinó el contenido de Cd, Cu, Fe, Ni, Pb, V y Zn en muestras de aguas subterráneas de la región occidental del Lago de Maracaibo, con el propósito de caracterizar estos acuíferos y evaluar su calidad, así como también para conocer el riesgo potencial referente al consumo y utilización en diversas labores humanas. No existen trabajos previos donde se hayan cuantificado estos metales en aguas provenientes de los acuíferos subterráneos de la localidad, por lo que la información aportada tiene importancia como referencia inicial, la cual puede servir para comparación en futuras investigaciones.

Al analizar el contenido de Cd, se observó que las aguas subterráneas de Sierra Maestra tenían concentraciones más altas de este metal tóxico, en comparación con las aguas de Pompey y Viateca. Todas las muestras de Sierra Maestra estaban por encima de los valores permisibles para agua potable y de uso agropecuario. Asimismo, en más de la mitad de las muestras de las otras dos localidades también se detectó un contenido de Cd superior a las recomendaciones de la OMS. Estos hallazgos generan preocupación debido a la capacidad residual que este metal presenta a lo largo del tiempo y su asociación con diferentes alteraciones de la salud humana [23].

Por otra parte, las altas concentraciones de Cd en estas aguas reflejarían su posible escasa movilización, ya que a valores de pH muy bajos el Cd y otros metales pueden tener un transporte significativo [24]. Estudios previos con estas mismas muestras de aguas subterráneas han reportado valores de pH entre 4,3 y 7,4 [10].

En cuanto al Fe, a pesar de la discrepancia entre la normativa Venezolana y la OMS sobre el contenido aceptable de este metal en agua potable, más de la mitad de las muestras en las tres localidades en estudio se consideraron no aptas para en consumo humano. Los valores más altos fueron detectados en las aguas de Viateca. La gran mayoría de las muestras, sin embargo, se consideraron dentro de los límites recomendados para uso en actividades agropecuarias. Se conoce que los minerales arenosos afectan la calidad del agua subterránea incrementando los niveles de este metal [25].

Aun cuando los niveles de Pb fueron estadísticamente similares entre las tres estaciones de muestreo, el valor promedio más elevado y el mayor número de muestras que excedieron la normativa para agua potable se detectaron en los acuíferos de Sierra Maestra, mientras que la concentración máxima se encontró en Pompey (0,074 ppm). Contrario a que casi todas las muestras de aguas analizadas se pudieran considerar aceptables para uso agrícola, los resultados del presente estudio son motivo de preocupación dado los efectos toxicológicos asociados a la exposición a trazas de este metal pesado [23].

El V también se encontró a muy elevadas concentraciones en los acuíferos de Sierra Maestra, en comparación con las aguas de Pompey y Viateca. Todas las muestras de esta primera estación y únicamente las aguas subterráneas de la zona sobrepasaron los valores considerados permisibles en agua potable, según normativas de la OMS y la EPA. Son escasas las investigaciones donde se aporten valores de referencia para el vanadio en muestras de aguas subterráneas [22]. Altas concentraciones de V se encuentran en el ambiente, a consecuencia del indiscriminado uso industrial. Los compuestos del vanadio, conocidos por su genotoxicidad, son usados extensivamente en la industria moderna y es completamente común la exposición ocupacional a elevadas dosis de este elemento [26].

Finalmente, es importante mencionar que en este estudio fueron detectados niveles de Cu, Ni y Zn dentro de los limites recomendados en la mayoría de las muestras de aguas subterráneas.

Conclusiones

De acuerdo a los resultados obtenidos y a las condiciones bajo las cuales se realizó el presente estudio, se puede concluir que los acuíferos subterráneos evaluados presentan alteraciones en el contenido de algunos metales trazas, en especial de los elementos más tóxicos (Cd, Pb, V), que los vuelven de calidad dudosa. Esta situación promueve la búsqueda de las fuentes de contaminación, a fin de iniciar labores para proteger las zonas más vulnerables de la región Occidental del Lago de Maracaibo.

Agradecimientos

Los autores agradecen al Consejo de Desarrollo Científico y Humanístico de la Universidad del Zulia (CONDES) por el financiamiento recibido para este trabajo.

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