UNIDAD IZTAPALAPA
División de Ciencias Biológicas y de la Salud Departamento de Hidrobiología.
REPORTE DE SERVICIO SOCIAL
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"Biodisponibilidad de C r y Hg en agua y niveles de concentración en el sedimento de la presa José Antonio Alzate en el Estado de Mhxico " cd
Que presenta: Rafael Torres Zeta
Para obtener el Titulo de la Licenciatura
c
en HidrobiologíaAsesores:
Biol. Edmundo Ducoing Chaho J. del Lab. de Impacto Ambiental (UAM-I)
Titular "A", Investigador de T. C.
M.
en E. Pedro Ávila Pérez J. del Departanlento de Estudios del Ambiente (ININ)Titular "C"', Investigador de T.C.
Lugar de realización:
Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) Gerencia de Ciencias Ambientales
Departamento de Estudios del Ambiente
DEPARTAMENTO DE HIDROHIOLOGÍA
l
""""""""""""""""""
TORRES ZETA RAFAEL
MAT. 88240044 LIC. HIDROBIOLOGÍA
TEL: (9 17 13) 5-25-67
TRIMESTRE: 96-1
"Biodisponibilidad de C r y
Hg
en agua y niveles de concentración en la presa José Antonio Alzate en el estado de .M&ico"ASESORES:
BIOL. EDMUNDO DUCOING CHAHÓ
J. DEL LAB. DE IMP. AMBIENTAL @AM-I) TITULAR "A", INVESTIGADOR DE T.C.
M EN E. PEDRO AVILA PERÉZ
J. DEL DPTO. DE ESTUDIOS DEL AMBIENTE (ININ) TITULAR "C', INVESTIGADOR DE T.C.
LUGAR DE REALIZACION:
Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) Gerencia de Ciencias Ambientales
Dpto. de Estudios del Ambiente
Inicio : 2 de Mayo de 1996, Terrninacion : Mano de 1997, Clave: H02
Dr. JOSÉ LUIS ARREDONDO FIGUEROA DIRECTOR
P R E S E N T E :
DIVISIÓN DE CIENCIAS BIOL~GICAS Y DE LA SALUD
El que suscribe Biol. Edmundo Ducoing Chahó, miembro del personal académico de esta Universidad, por medio de la presente, hago de conocimiento que el alumno:
TORRES ZETA RAFAEL MAT. 88240044 LIC. HIDROBIOLOC;~
quien participo en el proyecto “BIODISPONIBZLIDAD DE Cr Y H g EN AGUA Y NIVELES EN EL ESTADO DE MÉXICO~?, y cuyo desarrollo se llevo a cabo en el Instituto Nacional de
Investigaciones Nucleares PNIN), dentro de la Gerencia de Ciencias Ambientales, concluyo
satisfactoriamente con el trabajo planeado, cumpliendo así con los objetivos establecidos en dicho proyecto.
DE CONCENTRACI~N EN EL SEDIMENTO EN LA PRESA JOSÉ ANTONIO ALZATE
Por lo que estoy totalmente de acuerdo con el contenido del informe final presentado ante
mí por el alumno: TORRES ZETA, además de haber estado enterado siempre del desarrollo de este trabajo.
Atentamente
“CASA ABIERTA
-
AL TIEMPO”””””””
BIOL ED
_.”””””
J. DEL LAB. DE IMPACTO AMB. @AM-I) TITULAR “A”, INV. DE TIEMPO COMPLETO.
UNIDAD IZTAPALAPA
Av. Michoacán y La Purísima, Col. Vicentina, Iztapalapa, D.F. 09340, Tel.: 724.46-00 Telefax: (5) 686-89-99
<. DIV. DE CIENCIAS BIOL~GICAS Y DE LA SALUD
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. P R E S E N T E : ‘.%
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El que suscribe M en E. Pedro Avila Pérez, Jefe del Departamento de Estudios del tL Ambiente del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ), por medio de la presente
--j hago de su conocimiento que el pasante de la carrera en IKidrobiología TORRES ZETA
RAFAEL, quien participo con el tema: “BIODZSPONZBZLIDAD DE Cr Y H g EN AGUA Y
i: ALZATE EN EL ESTADO DE MÉMCO” formando este parte del proyecto EA-OS7
.“ desarrollado dentro de este Departamento, cumplió satisfactoriamente con el trabajo de Tesina
7 planeado desde su incorporación a este instituto, este trabajo es para poder obtener el titulo a c.. nivel licenciatura según lo establecido por el Reglamento de la Universidad Autónoma
“i
Metropolitana unidad Iztapalapa.. ,
NIVELES DE CONCENTRACZ~N EN EL SEDIMENTO DE LA PRESA JOSÉ ANTONIO
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->- a
Cabe mencionar que al fbngir como asesor externo, estuve siempre informado de todas las actividades llevadas a cabo durante la elaboración de dicho proyecto, empezando desde su
desarrollo en Enero 15 de 1996, hasta su finalización en Marzo del año en curso. Por lo que manifiesto que estoy totalmente de acuerdo con el contenido de: su reporte final presentado ante
m i .
A T E N T A M E N T E
A PÉREZ
J. DEL DPTO. DE ESTUDIOS DEL AMBIENTE (ININ)
P R E S E N T E .
DIVISIÓN DE CIENCIAS BIOL~GICAS Y DE L,Q SALUD
El que suscribe
M
en E. Pedro Avila Pérez, Jefe del Departamento de Estudios del Ambiente del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ). Por medio de este conducto hago de su conocimiento (que el pasante de la carrera en Hidrobiologia Torres Zeta Rafael, quien ingreso en Enero de 1996 a este Departamento, en calidad de Becario para desarrollar el trabajo "Especiacion Química de Cr y Hg en sedimento mediante Ekpectrometria de Absorción Atómica" en la presa José Antonio Alzate en el Estado de México, para poderobtener el titulo a nivel licenciatura.
En el trabajo planeado para desarrollar dicho proyecto, fie necesario hacer unas modificaciones principalmente en su metodología, así como en los objetivos establecidos, las razones principales por las cuales se llevaron a cabo estos cambios fie: la falta de acceso al equipo, problemas en el empleo del método para poder cuantificar Hg al utilizar temperaturas muy altas.
Debido a ello se planteo una metodología y objetivos nuevos, para el desarrollo del trabajo se utilizo la técnica de Análisis por Activación Neutronica, se mantuvieron los mismos elementos a analizar llevándlose a cabo tanto en sedimento como en agua de la misma presa Alzate. El nombre del nuevo tema desarrollado es
"Biodisponibilidad de C r y Hg en agua y niveles de concentración en el sedimento en la presa José Antonio Alzate en el Estado de Mpxi'co
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J. DEL DPTO. DE ESTLJDIOS DEL AMBIENTE (ININ)
del ambiente, Gerencia de Ciencias Ambientales, del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ), bajo la asesoría del M. en E. Pedro Avila Pérez, así como la asesoría en la aplicación de la técnica de análisis por activación de la Q.F.B. Carmen L6pez Reyes de este instituto.
su ejemplo de rectitud, superación, y lucha hacia las cosas que más amamos.
A mis hermanos: Lalo, Marú, 14 braham, netor, Leti y Arturo por su apoyo1 y cariño
de siempre.
A
mis sobrinos por que son la alegría, la f é y , el alma de todos nosotros.A
ti que siempre has sido míguía, la luz, y la fé, que me han impulsadoA quienes me han heredado el tesoro mas valioso
quepuede darsele a un hijo: Amor
A quienes sin es escatimar esfuerzo alguno, han sacrljicado
gran parte de su vida para formarme y educarme
A quienes la ilusión de su existencia ha
sido convertirme en persona de,provecho
A quienes nunca podré pagar todos sus desvelos ni aun
AI
M.
enE.
Pedro Avila Pérez por ser el guía en el desarrollo de este trabajo, por su muestras de amistad, por sus enseñanzas y motivaciones paraseguir adelante.
A la Q.F.B. Graciela Zarazúa Ortega, por sus consejos y apoyo de siempre durante el tiempo de elaboración de este trabajo.
A la Q. en
A.
Irma Araceli Velázquez por su amistad, por su fé y confianza. Así como a la Bióloga Hilda Frías Palos por sus muestras de cariño,apoyo y humildad siempre mostrada.
Al Biol. Edmundo Ducoing Chaho por la asesoria academica prestada para la elaboracion de este tralbajo.
De manera muy especial a la Q.F.B. Carmen López Reyes, y a la Matemática Amparo Cuapio, quienes con su tiempo,, conocimiento, y paciencia
me brindaron una asesoría siempre desinteresada.
A todas aquellas personas que de alguna manera estuvieron involucradas en la realización de este trabajo. Así como al Instituto Nacional de Investigaciones
I. RESUMEN.
1. INTRODUCCI~N.
2. JUSTIFICACI~N Y NATURALEZA DEL PROYECTO.
3. ANTECEDENTES.
3. l . Sobre la Técnica de análisis por Activación 'Neutronica 3.2. Sobre el área de estudio
3.3. Sobre metales pesados 3.3. l. Mercurio
(Hg)
3.3.2. Cromo(Cr)
4. OBJETIVO GENERAL.
4. l. Objetivos Particulares 4.2. Metas Alcanzadas 5. METERIAL Y MÉTODO.
5. l . Trabajo de campo
5.2. Trabajo de laboratorio y tratamiento de muestras de agua y sedimento 5.2. l . Tratamiento de agua
5.2.2. Tratamiento de los sedimentos 5.3. Preparación de patrones
5.4. Procesamiento Análitico de las muestras
5.4. l . Preparación de las muestras previo a la irradiación 5.4.2. Irradiación
5.4.3. Tratamiento del material irradiado y decaimiento 5.4.4. Análisis y cuantificación de las muestras.
6.1. Medición de parámetros ambientales y físicoquímicos del agua.
6.2. Resultados en Agua. 6.3. Resultados en Sedimento. 7. D I S C U S I ~ N .
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
9. ACTIVIDADES REALIZADAS.
’’
BIODISPONIBILIDAD DECr
Y Hg EN AGUA Y NIVELES DEALZATE EN EL ESTADO DE: M É X I C O ~ ~
CONCENTRACI~N EN EL SEDIMENTO DE LA PRESA JOSÉ ANTONIO
I. INTRODUCCI~N
Los ecosistemas acuáticos, principalmente las lagunas costeras y los estuarios están sometidos desde hace varios años a la presión que: el hombre ejerce sobre ellos al depositar directa ó indirectamente sus desechos tanto urbanos como industriales contribuyendo de esta forma al detrimento de sus valores ecológicos (Ponce & Botello, 1991). Debido a ello, el problema de la contami:nación tanto en lagos y ríos es considerado de interés, puesto que las descargas de aguas residuales con alto contenido de desechos orgánicos e inorgánicos, dañan la salud pública, modifican el ecosistema en los lugares aledaños a sus puntos de descarga y alteran la homeostacia de todo el sistema hidrológico conforme avanza su cauce (Avila, 1995).
Las actividades humanas han contribuido al incremento de los niveles de algunos contaminantes con potencialidades tóxicas, especialmente en lugares aledaños a cuerpos de agua, donde sus principales fuentes de contaminación provienen de diversas actividades petroleras, pesqueras, agrícolas e industriales y subsecuentemente se distribuyen a lo largo de ríos, lagos, lagunas y, presas donde son transferidos y acumulados, dañando la vida silvestre ( Ponce & Botello, 199 1).
La contaminación por metales está asociada usualmente con las descargas municipales e industriales que van directamente hacia los ríos, estuarios y al aire. Sin embargo, se relacionan también con la lixiviación de dlesechos, descargas sólidas y por el intemperismo de las rocas que aportan materiales al sistema fluvial (Villanueva et al.,
1988). Debido a la capacidad que tienen los metales para formar complejos con la materia orgánica y su fácil incorporación a las cadenas alimenticias, donde pueden ocurrir procesos de bioacumulación, bioconcentración, biomagnificación y biotransformación, son considerados uno de los probllemas de mayor importancia como contaminantes del medio acuático (Avila & Zarazúa, 1993; Boyd, 1990).
Debido algunos procesos fisicoquímicos, la mayor parte de los metales introducidos a un sistema acuático son depositados en el sedimento (Ávila & Zarazúa, 1993), por lo que juegan un papel importante en la contaminación del agua no solo por su
volumen y peso, si no también por el papel que representan como portadores y catalizadores de pesticidas, residuos orgánicos, nutrientes y organismos patógenos (Sharpley & Seyers, 1979). Además los sedimentos represen.tan un posible acarreo y cwso de la contaminación debido a la estrecha relación que tienen hacia la columna de agua ó por los cambios a condiciones ambientales tales como ,su pH, potencial redox ó la presencia de materia orgánica (Vaithiyanathan & Ramanathan, 1993).
Según Gibbs (1973), los metales en un medio acuoso pueden asociarse al sedimento mediante los siguientes mecanismos:
l . Adsorción electrostática e intercambio iónico. 2. Precipitación.
3. Coprecipitación con hidróxidos como el Fe y óxidos de Mn. 4. Acomplejamiento con especies orgánicas.
5. Incorporación a la red cristalina de los minerales presentes en el sedimento.
Una gran parte de los metales disueltos en el medio acuoso, en condiciones fisicoquímicas normales (pH, temperatura, conductividad., etc.) sufren modificaciones (Kayser et al., 1978); las superficies sólidas juegan un papel muy importante en el comportamiento de estos metales (Farmer & Linton, 1984), el cual esta relacionado con la accesibilidad del metal hacia la superficie, o sea, la extensión de la cobertura y la solubilidad del metal superficial o especiación superficial.
Las consecuencias biológicas de la contaminación metálica dependen del resultado de una posible identificación de especies químicas que los metales puedan formar. Para ello es necesario caracterizar el cuerpo de agua y/o los sedilmentos; el procedimiento para lo anterior, consiste en realizar un conjunto de extracciones secuenciales, para la caracterización; por ejemplo de sedimentos, el cual fue empleado por Engler et al., en
1977; sin embargo el método más empleado para estimar la reactividad metálica en varios tipos de partículas enriquecidas de metales absorbidos es el de Tessier et al., (1979).
En los últimos años, los efluentes industriales han sido responsables de diversos
. eventos de contaminación aguda y crónica en humanos. Tales son los casos de Minamata
en Japón en los años sesentas cuando cerca de 3500 casos documentados de pobladores se intoxicaron con metil mercurio, o en Irán en 1972, donde estimaciones indican que murieron entre 5000 y 50,000 personas (Forstner & Wittmam 198 1, Freedman 1989).
Acontecimientos similares de contaminación aguda y crónica involucrando otros metales como el Cd, Cr, As, Fe, y Zn son encontrados en la literatura (McEldowney e? al.,
1994).
La toxicidad de los metales es parcialmente dependiente de la forma en la cual se presenta y la facilidad con la cual es acumulado. A, nivel celular los metales tóxicos pueden presentar formas análogas a los metales esenciales y por lo tanto actuar de manera tóxica.
La presa José Antonio Alzate se encuentra ubicada sobre el río Lerma en el tramo comprendido entre la carretera Toluca-Naucalpan y la población de Ixtlahuaca, aproximadamente a 25 K m . al norte de la ciudad de Toluca. Actualmente esta presa esta
funcionando como una laguna de oxidación de las descargas que provienen del río Lerma, función que no le corresponde, por lo que presenta una alta alteración en el estado trofico (Avila et al., 1995).
En el tramo comprendido entre el nacimiento del río Lerma y la presa, se encuentran ubicados importantes desarrollos industriales con un numero aproximado de 2,500 industrias. Los resultados de la Red Nacional de Monitoreo establecen que la calidad del agua es de alta contaminación, principalmente en el tramo comprendido entre la carretera Mexico-Toluca y la presa Alzate (Gobierno del Estado de México, 1993). Entre 1992 y 1993 el Gobierno del Estado de México, por conducto de la Secretaría de Ecología y la Dirección General de Estudios y Proyectos Ecológicos, realizo un diagnostico preliminar ambiental de la presa y en este programa no se caracterizo la distribución de metales pesados, ni su movilidad y biodlisponibilidad en los sedimentos.
El propósito de este trabajo es realizar un estudio de la biodisponibilidad del Cr y Hg en el agua y sus niveles de concentración en el sedimento de la Presa José Antonio Alzate para estimar el riesgo sobre los ecosistemas aledhños a la presa.
2. JUSTIFICACIÓN Y NATURALEZA DEL PROYECTO
Durante los últimos años ha aumentado el interés en evaluar las distintas fuentes de contaminación del agua, siendo la industrial una de las más contaminantes. Las descargas naturales y domésticas, así como materiales derivados del ciclo de vida de plantas y animales acuáticos, contribuyen en gran medida con aportes substanciales de materia orgánica de origen biológico (Cortes & Botello, 1988). Sin embargo los métodos actuales de evaluación necesitan descubrir la presencia de clases específicas de compuestos orgánicos e inorgánicos que puedan ser relacionados cuantitativamente con las fuentes que los producen.
El presente trabajo esta enfocado a la problemática ambiental en la que actualmente se encuentran la mayoría de los ecosistemas acuáticos en nuestro país, y en particular el que presenta la Presa José Antonio Alzate, la cual forma parte integral del sistema hidráulico del Alto Lerma.
Los ecosistemas acuáticos tradicionalmente han sido el vehículo y deposito fmal característico de un sinnúmero de contaminantes que :ingresan por diferentes vías (Martínez, 1991). El Río Lerma-Santiago, durante las ultimals dos décadas ha recibido una gran cantidad de desechos industriales y urbanos, desde su origen hasta la presa J.A. Álzate, creando grandes problemas de contaminación y alteración en sus ecosistemas; siendo está presa el único cuerpo de agua que forma el río en su recorrido por el norte del Estado de México, lo que determina que dicho embalse refleje las condiciones actuales del grave deterioro del Alto-Lerma (Avila, 1995).
En particular la contaminación por metales derivados de actividades industriales y humanas son tal vez uno de los principales problemas ambientales sobre los que esta siendo afectada la Presa J.
A.
Álzate. Su grave deterioro en forma general ha contribuido al impacto no sólo del ecosistema de la presa, si no también de los poblados conurbados, ocasionando en forma indirecta problemas graves de salud p6blica.Actualmente los resultados preliminares realizaldos por el Laboratorio de Fluorescencia de Rayos-X del
ININ,
en colaboración con el Laboratorio de Electroquímica y Especiación de metales de la [JAM-A sobre la contaminación por metales en la Presa J.A.
Álzate, han mostrado una alta concentración demetales pesados tanto en el agua como en el sedimento, por esta razón es necesario realizar un estudio para evaluar la biodisponibilidad, toxicidad y transporte de estos metales y poder estimar el riesgo sobre los ecosiste:mas aledaños a la presa (Fuentes,
1 994).
Este trabajo es parte, de un proyecto desarrollado por el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) y la Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Azcapotzalco (UAM-A), con el
fin
de determinar el alto índice de contaminación por metales pesados en el sistema Hidráulico del Alto-Lema.3. ANTECEDENTES
3.1. Sobre la Técnica de Análisis por Activación Neutrónica
Los métodos analíticos empleados para la determinación de elementos traza han adquirido una gran importancia en la ultima década, por que se ha visto que el reconocer a un elemento en particular como tóxico o esencial en la biosfera no es fácil por técnicas que de alguna forma se han improvisado para la investigación (Edgington et al., 1976). El análisis por activación neutrónica es una técnica que ha tenido un considerable desarrollo e investigación durante los últimos 20 años por lo que es considerada de gran interés para el estudio de problemas surgidos con la contarninación ambiental por ser un método con limites de detención muy bajos que permite conocer proporciones muy pequeñas en un nivel de g / g , ng/g pg/g, de la mayoría de los elementos de la tabla periódica.
Para llevar acabo el análisis por activación es necesario disponer de un medio de producción de neutrones para la irradiación de las muestras a analizar. Una fuente de neutrones es por consiguiente un dispositivo más o menos complicado donde se origina una reacción nuclear que produce neutrones como partícula secundaria de la reacción.
Los equipos experimentales productores de neutrolnes, varían enormemente en todos los aspectos: complejidad, costo, tamaño, flujo de neutrones obtenidos, energía de los mismos y van desde el reactor nuclear hasta la simple fuente de neutrones de laboratorio.
La mayoría de los reactores nucleares contienen básicamente los siguientes componentes:
a). El combustible.
b). La fuente de neutrones. c). El núcleo del reactor.
d). El moderador, para frenar los neutrones.
e). El refrigerante del combustible empleado para extraer el calor generado por la fisión.
f). El sistema de transporte del refrigerante.
8). La barra de seguridad y el sistema de control para regular la reacción en cadena.
h). El edificio del reactor.
Cuando un elemento se bombardea con un flujo de neutrones de una energía determinada se produce una reacción nuclear característica, con una cierta probabilidad dada por su sección transversal y se produce un radionúclido de características propias y bien determinadas. Pudiéndola resumir en la siguiente ecuación :
A 1
A+l
N E Z +no N E Z y
A=
Peso atómico. Z= No. de átomos.En análisis por activación con neutrones, se utiliza para la realización del análisis cuantitativo la medida de la actividad del nuclido radiactivo producido directamente por la reacción nuclear, una vez identificado mediante sus características típicas, que le hace inconfundible de cualquier otro radioisótopo como son : su periodo de semidesintegración, tipo y energía de las radiaciones que emite. Por ejemplo, para el caso del sodio, su isótopo natural se radiactiva por medio de la reacción (n,y), se puede representar de la siguiente manera:
Na23 (n,y) Na24
-
15 hr. Mg24 f i S S (n,y) M i S 6-
2.58hr FeS6p-
9 YP-,
Ydonde el isótopo de sodio de masa atómica 23, captura un neutrón térmico formándose de ésta manera un núcleo compuesto, que conduce instantáneamente al estado excitado de 24
Na.
El 24Na formado es un isótopo radiactivo que tambiién emite radiación gamma de energía característica cuya detección mediante el equipo adecuado, resulta muy útil para determinar la concentración de ese elemento en una muestra (Travesí, 1975).
Sin
embargo hay casos en los cuales el análisis no ste realiza apartir del producto directo de la reacción nuclear si no mediante la medida de un radionúclido hijo del producto de la reacción. Estos casos se presentan cuando el :núclido producido, no decae aun núclido estable si no que origina la formación de uno o varios núclidos radiactivos, que presentan mejores características para su medida, vida media más largo, un tipo o energía de la radiación más conveniente.
J. Por ejemplo el caso más sencillo el cual mediante la activación del elemento A se produce
el elemento radiactivo B (padre) que decae a un tercer elemento C (hijo) el cual decae a un elemento D estable; B y C decaen con sus propios esquemas característicos de desintegración y sus correspondientes constantes radiactivas que les hace únicos y perfectamente distinguibles e identificables.
El proceso se puede representar de la siguiente maner'a:
A (n,y ) B decae. C decae D Padre Hijo
___,
Estable:ca4* (n,y> ~a~~
p
-
~c~~p-
Ti49 (estable) 8.8 min. 57 min.-La deducción matemática de la formación de u n 1 isótopo radiactivo, que se presenta a continuación, esta basada en la irradiación de un elemento monoisotópico; el número inicial de átomos es N, y NL representa el número de átomos del isótopo formado por la reacción (n,y).
El número de átomos del isótopo que se forma por unidad de tiempo, (FA), es proporcional al flujo neutrónico
(4)
y al número de átolmos del isótopo estable (N)donde la constante de proporcionalidad es la sección eficaz de captura neutrónica ts del
elemento, por lo tanto:
Cuando el isótopo formado es radiactivo, se desintegra en forma proporcional a su número de átomos, siguiendo una constante de decaimiento característica que se
representa como h.
De acuerdo con lo anterior la velocidad de formación por unidad de tiempo de un isótopo radiactivo, esta dada por la diferencia entre su velocidad de formación y la de su desintegración:
dNA =FA- hNA dt
al sustituir FA por su valor en la ecuación (2) queda:
dNA = o c b N - h N A dt
Al integrar esta ecuación diferencial, entre los limites t= O y t= t y calcular la constante de desintegración que resulta, tomando en cuenta las condiciones iniciales T= O y N,= O queda:
N A = b N o ( 1 - e -ht
1
h
Esta última ecuación nos permite conocer el número (de átomos radiactivos en un tiempo de irradiación (t) dado.
La radiactividad (A) de un isótopo radiactivo en el tiempo t se defrne matemáticamente como:
por l o que la expresión (5) puede simplificarse hasta obtener la siguiente expresión:
en donde:
A
es la radiactividad producida por el isótopo L expresado en Becquerels (1 Bq = 1 desintegración/ segundo).N
es el número de átomos bombardeados presentes en la mu’estra.G es la sección eficaz de captura neutrónica característica del isótopo de interés, expresada en barns (1 barn = cm2).
4
es el flujo de neutrones, expresado por el inverso de centímetro cuadrado por segundo (cm-2s”),h es la constante de desintegración radiactiva del isótopo fonmado, expresada como unidades de tiempo a la inversa.
t es el tiempo de irradiación.
La constante de desintegración radiactiva de un isótopo radiactivo en particular se relaciona con el tiempo de vida media (t1,2) de la siguiente manera:
h
=u
f112
Ahora bien, el número de átomos N del elemento estable que existe en la muestra bombardeada, viene dada por:
N = 6.023 X P %
M en donde:
6.023 X es el número de Avogadro.
P
es el peso del elemento existente en la muestra irradiada, expresado en gramos.YO es la abundancia isótopica del isótopo que sufre la reacción nuclear, expresada en tanto por uno.
M
es la masa atómica del elemento considerado.La radiactividad producida inmediatamente después de la irradiación de las muestras se calcula mediante la ECUACIóN GENERAL DE ACTIVACIóN, que se expresa como sigue:
A = 6.023 X P
b
YO o (1-
e'h') (10) MLa expresión ( 1
-
e-") se llama factor de saturación. Al aumentar el valor de t y tender hacia el infííito, el valor de la exponencial e-'t tiende a cero y el factor puede alcanzar un valor máximo de l.Para calcular la radiactividad del isótopo producido, después de un tiempo de decaimiento (td) se utiliza la siguiente expresión:
en donde:
Ad es la radiactividad producida del isótopo
NL
dlespués de un tiempo de decaimiento.A
es la radiactividad producida del isótopo radiactivoNL
al fializar la irradiación.fd es el tiempo de decaimiento.
Los factores que influyen en el valor de la radiactividad puede dividirse en dos : aquellos que son independientes del analista (sección e:fícaz de captura neutrónica, abundancia isotópica) y aquellos que pueden ser variados por el analista (flujo neutrónico, tiempo de irradiación, tiempo de decaimiento, tiempo de conteo y cantidad de muestra) (Travesí, 1975).
Los métodos de Análisis por activación se dividen en tres :
1. Método absoluto
2. Método del comparador
3. Método del patrón interno
dividiéndose el análisis a su vez de dos maneras: el instrumental y el empleo de separaciones radioquímicas.
En general el análisis por activación se podría definir como un método analítico basado en la producción y la medida de la radiactivida.d inducida en las muestras mediante bombardeo de las mismas con partículas nucleares, dando productos radiactivos específicos de los componentes de la muestra y a la vez realizar un análisis cuantitativo de los mismos.
El análisis por activación neutrónica consta fundamentalmente de dos etapas principales :
a). Producción de la actividad mediante la irradiación de la
b). L a medida e identificación de la misma mediante los detectores muestra.
adecuados.
Los espectrómetros gamma utilizados actualmente en los análisis por activación consisten en un detector de centelleo NaI
(TI)
o un detector semiconductor de Ge HP, que registra el número de rayos emitidos y sus energías. Los detectores son de radiación gamma de alta resolución, rodeados de un blindaje adecuado que permite tener un bajofondo de radiación y electrónica de bajo ruido y alta estabilidad para efectuar conteo de larga duración a muestras de muy baja actividad (Martinez, 1990).
Los rayos emitidos son clasificados e integrados automáticamente en grupos de acuerdo a sus energías, mediante el uso de un diferencial multicanal. Los resultados del análisis pueden observarse en un osciloscopio, en cintas impresas o en gráficas, otros analizadores consisten de una tarjeta convertidora que se adapta a una computadora y ésta realiza todas las funciones de pantalla y control. Los componentes de un espectrómetro gamma tipico están representados a manera de bloques en la Figura 1.
Detector Amplificador Multicanal Computadora
\ I / ,-
f.
3
Termo
LN2
I
Alto Voltaje
Fig. 1. Componentes de un espectrómetro gamma utilizado en el análisis por activación neutrónica.
En la forma de los espectros gamma intervienen muchos factores tales como la energía de la radiación, el tamaño del cristal, los materiales que rodean al detector, especialmente el blindaje, el tipo de radiaciones distintas de los fotones gamma emitidos por las muestras. Para interpretar correctamente los, espectros gamma o dicho más correctamente los espectros de altura de impulsos resultantes de la medida de la radiación gamma, es necesario un conocimiento teórico de todos los factores que influyen en la forma de los espectros. Para ellos es esencial el conoclimiento de los hechos básicos que regulan l a interacción de l a radiación gamma con la materia, dado que la forma del espectro gamma, esta fundamentalmente influida por el proceso por el cual el fotón cede total o parcialmente su energía al detector.
Un fotón gamma cuando interacciona con la materia, puede ceder totalmente o parcialmente su energía al detector mediante tres procesos distintos: a). Efecto foto- eléctrico, b). Efecto Compton y c). Producción de pares. Todos estos sucesos son únicos e individuales, y son funciones continuas de la energía del fotón, es decir dependen de la energía del fotón.
a). Efecto fotoeléctrico. La primera forma por la que el fotón puede ceder energía al detector es mediante el efecto fotoeléctrico. 'Cuando se produce el efecto fotoeléctrico el fotón cede totalmente su energía a los átomos del cristal y desaparece como fotón. Se puede decir que el fotón golpea a un electrón de las capas orbitales del átomo lanzándolo de su trayectoria y cediéndole toda su energía cinética. Como resultado de este proceso queda una vacante en una capa electrónica del átomo, generalmente la capa
K
mas interna, y los electrones de capas electrónicas más exteriores caen a ocupar esta vacante, emitiendo su energía en forma de rayos-X.b). Efecto Compton. En el efecto Compton, el fottjn incidente sufre un choque elástico con un electrón libre del cristal cediendo parcialmente su energía al electrón. El fotón sale rebotado en dirección distinta de la que llevaba originalmente con una energía menor y cede el resto de la energía al electrón. Al fotón rechazado por un efecto Compton le pueden suceder dos cosas: a). que Sufi-a nuevos efectos Compton, degradándose su energía cada vez más, hasta que sufre un efecto fotoeléctrico final, y por lo tanto ceda totalmente su energía al cristal mediante una combinación de efectos Compton y fotoeléctrico, o b). que después de s u h una serie de colisiones Compton, un fotón degradado en energía escape del cristal.
c). Producción de Pares. El proceso de producción de: pares se produce únicamente cuando la energía del fotón incidente es superior a 1.02 MeV, que es la energía equivalente a la masa en reposo del par electrón-positrón (Travesí, 1975).
3.2. Sobre el área de estudio
A principios del presente siglo, la Cuenca del Alto L e m a era considerada una de las zonas más fértiles y productivas del país. Una sobre explotación de sus acuíferos provocó una desaparición de sus manantiales y abatimiento cada vez mayor del nivel fieático. Actualmente el río presenta condiciones sépticas en casi todo su recorrido, con la desaparición de toda forma acuática superior y con el desarrollo de muchos
microorganismos patógenos que contribuyen a la proliferación de numerosas enfermedades.
En la actualidad es considerada la segunda :más contaminada del país, siendo superada solamente por la cuenca del Río Pánuco que recibe agua residual de la ciudad de México (Secretaría de Ecología, 1994).
La cuenca del Río Lerma Santiago tiene una superficie total de 129, 632 K m 2 . La
porción del territorio del Estado de México que pertenece a esta región hidrológica se denomina Cuenca del Alto L e m a y comprende desde el nacimiento del Río L e m a en Almoloya del Río hasta la Presa Solís, cerca de AciLm'baro en Guanajuato. La cuenca del Alto Lerma en el Estado de México recibe importantes descargas de agua residual provenientes de 29 municipios, siendo los más importantes Toluca, Lerma, Ocoyoacac, Santiago Tianguistenco, Pastejé y Atlacomulco (Secretaría de Recursos Hidráulicos, 1990; Montes de Oca et al., 1991).
Las aguas residuales, industriales y domésticas que son vertidas al Río Lerma, junto con la sobre explotación del acuífero y la1 reducción de los volúmenes de aescurrimiento, han anulado la capacidad de autodepuralción, ocasionando un cambio
en el ciclo hidrológico y un desequilibrio en el ambiente (Montes de Oca et al., 1991). El Río L e m a durante su recorrido atraviesa la Presa José Antonio Alzate, cuya ubicación esta localizada dentro de las coordenadas geográficas 19" 24' 59" y 19" 27' 55'' de latitud norte y los 99" 37' 50" y 97" 42' 15" de longitud oeste (Fig. 2), la cual tiene una capacidad de ahnacenamiento de 4 1,200 O00 m3, su profundidad varia de cero en su comienzo hasta aproximadamente 19 metros en la cortina cuya cota de vertedero es de 2565.5 metros, dicha presa junto con el Río L e m a son los cuerpos de agua más afectados en el Estado de México (Secretaría de Recursos Hidráulicos, 1990; Montes de Oca et al., 1991).
La Presa Alzate fue construida en los años de 1960-1962, con el objeto de controlar las avenidas (Arámburu & Calderón, 1979). La presa se encuentra localizada sobre el cauce del Río Lerma en el tramo comprendido entre la carretera Toluca- Naucalpan, y el poblado de Ixtlahuaca; aproximadame:nte a 25 kilómetros al norte de la ciudad de Toluca (Avila, 1995).
En el tramo comprendido entre el nacimiento del Río Lerma y la presa José Antonio Álzate se encuentran ubicados importantes 'desarrollos industriales. Los giros predominantes en esta zona son en orden de importancia: la industrial alimenticia, textil
química, autopartes y peletería, las empresas vierten elementos tóxicos al agua tales como metales pesados, fenoles y colorantes, entre otros (Secretaría de Ecologia, 1996).
Es importante mencionar que parte de las aguas' residuales industriales de la ciudad de Toluca, son tratadas por la planta
E.P.C.C.A.,
la cual les elimina una gran cantidad de materia orgánica, sin embargo no elimina compuestos altamente peligrosos del Río L e m a y llegando a la Presa Alzate, donde se lleva ;acabo el proceso de oxidación de la materia orgánica tanto residual como la adicionada por las poblaciones en el trayecto del río (Avila, 1995)..+- como metales pesados, hidrocarburos etc., continuando su viaje a través
3.3. Sobre metales pesados.
Los metales son aquellos elementos químicos que presentan ciertas propiedades comunes, a saber: conductividad eléctrica y térmica altas, maleabilidad, ductibilidad y brillo. Se encuentran en forma aislada ó combinados fo:mando minerales, ó bien se encuentran disueltos en el agua de los océanos (Garcia, 1993,).
Los metales pesados llamados así por tener una densidad mayor de 5 g/cm3, pueden ser emitidos como contaminantes de manera natural apartir de las actividades volcánicas, los procesos de erosión, los escapes de depósitos profundos y superficiales, etc. En el medio acuoso, los metales disueltos son fácilmente absorbidos por la biota acuática; es decir, tienen una alta biodisponibilidad (Garcia, 1993).
Es importante tener en cuenta las propiedades químic:as de un metal tales como su estructura, relación periódica, capacidad de coordinación, etc., para el estudio de sus mecanismos químicos y su interacción con las sustancias existentes en el medio donde se encuentra.
3.3.1. Mercurio (Hg).
El mercurio es un elemento tóxico, que regularmente esta presente en el medio en
, el orden de algunas partes por millón. Los procesos de contaminación por mercurio en el
ambiente pueden deberse a contaminación natural o contamimación debida a la acción del hombre. La presencia de mercurio natural implica un ciclo general, en el cual el mercurio es transportado a los océanos como resultado de la erosión de la tierra, Sin embargo la
presencia del mercurio debida a la acción del hombre, es el resultado de su explotación, utilización y tecnología relacionada con é1, siendo liberado en el ambiente en muchas formas químicas (Araico, 1977).
Las descargas de mercurio más importantes s'e pueden agrupar en descargas de mercurio inorgánico y descargas de mercurio ligado a compuestos orgánicos.
a). Mercurio inorgánico: Mercurio metálico
(Hg")
y mercurio inorgánico (Hg2'), incluyendo sulfato de mercurio (HgS).b). Mercurio ligado a compuestos orgánicos: Alquihercurio (F¿Hg+), incluyendo metil mercurio (CH3Hg') usado para la preparación de abono para semillas en la agricultura. Los compuestos del mercurio aromático (ArHg'), incluyendo fenilmercurio (C6HSHg') usado en la industria de la pulpa del papel.
Dependiendo de sus condiciones biológicas, físicas y químicas en el ambiente estos compuestos del mercurio son convertidos a diferentes formas químicas (Jensen & Jernelov, 1972).
Existen dos ciclos conocidos para el mercurio el ciclo global en el cual hay una circulación atmosférica de mercurio elemental y el ciclo ligado a compuestos orgánicos en el cual la circulación atmosférica es de dimetil mercurio, siendo este último el más importante por que produce niveles altos de mercurio en los organismos vivos (Araico,
1977).
En la actualidad se encuentran numerosos métoldos para la determinación de trazas de mercurio aunque se observa que la mayor dificultad en su uso no está relacionado con los limites de detección que a menudo son suficientes, si no con la elección del procedimiento de disolución de la muestra y la separación del mercurio de sus interferentes (Laam, 1972). En el estudio de la con.taminación ambiental es de gran relevancia utilizar métodos rápidos y poco costosos disponibles para la investigación de diferentes tipos de muestras ( agua de mar, agua dulce, sedimentos marinos, plancton, esqueletos de peces, peces, came de aves y mamíferos, aire, sangre, rocas etc.) (Guinn,
1972). Un método de análisis muy usado, es el de Análisispor Activación Neutrónica. Se ha establecido que en análisis por activación mediante un flujo alto de neutrones térmicos, esencialmente es un método analítico capaz de medir adecuadamente niveles de mercurio menores a los p,p,m. En la naturaleza el mercurio consiste de siete nuclidos
estables; por reacción al ser expuesto a un flujo por neutrones térmicos (n, y) forma cinco radionúclidos. En virtud de que estos cinco radionliclidos son emisores gamma, cada uno ofiece la posibilidad de usarse en la determinación instrumental de análisis por activación neutrónica para mercurio (Guinn, 1972). En la Tabla siguiente (Tabla 1) se indican estos siete núclidos estables, sus abundancia,s, sus isótopos por neutrones térmicos (n,y), sus productos, y sus vidas medias de sus cinco productos radiactivos.
Tabla 1.Características nucleares de los isótopos del mercuuio de interés en análisis por activación neutrónica
Tabla tomada de : Guinn. V. P.,l972. Determination of mercury by instrunlental neutron activation analysis., International Atomic Energy Agency., Vienna Technical Reports series No 137., pp: 87-97. hr: horas, min :
minutos, d : días.
3.3.2. Cromo (Cr).
En el grado de oxidación +6 el cromo da origen a los cromatos amarillos y a los bicromatos de color rojo anaranjado. Los primeros correspondientes al ion CrOt‘ los segundos derivan del ion CrO:-. El paso de una a otra1 forma está en función de la acidez del medio; en medio ácido son estables los bicromatos , mientras que por alcalinización se pasa a los cromatos, y viceversa.
-L
Tabla 2. Características nucleares de los isótopos del cromo de interés en Análisis por Activación.
Núclido estable Abundancia Reacción Producto Vida media del
(“A)
producto5 0 ~ r
41.9 m
(v-n)
4.3 1% 4 9 ~ r
27.8 d (n,r)
4.3 1%
d : dias. m : meses
Muchos estudios tratan particularmente con metales en sistemas de agua natural (por ejemplo: metales asociados con materia suspendida ó sedimento de fondo) concerniente a la concentración de metales totales.
El análisis por activación neutrónica es una técnica que ha tenido un considerable refinamiento e investigación durante los últimos 20 años. Pero desde 1958, Blanchard et
al., presentaron resultados sobre la aplicación del análisis por activación a la determinación de trazas de elementos metálicos en agua potable de ocho ciudades americanas, empleando una separación radioquímica y (espectrometría gamma de centelleo con un analizador de 20 canales.
En 1959, Fukai & Meinke emplearon l a activación neutrónica para la determinación de una serie de elementos traza en agua de mar, sedimentos marinos y organismos marinos. Pero en 1965, Schultz & Turekian, realizaron tal vez uno de los estudios más completos al investigar la distribución geográfica y vertical de varios elementos traza en agua de mares y océanos, mediante el empleo de análisis por activación neutrónica.
En 1972, Guinn determinó mercurio mediante Análisis por Activación Neutrónica en tejido de peces de agua salada utilizando un detector de Ge(Li).
Gibbs en 1973, estudio el transporte de metales traza por los ríos Amazonas y Yukon donde las diferentes fases analíticas fueron: en soluciones, intercambio de iones, materiales orgánicos, contenido metálico y sólidos cristalinos.
Gardiner (1974), analizó la adsorción del cadmio en lodos, arcilla, silica, y material del manto, utilizando métodos radioquímicos y empleando concentraciones de Cd en mg/l.
Harrison & LaFleur en 1975, llevaron a cabo la evaluación de muestras de agua natural preconcentradas por liofilización mediante Análisis por Activación Neutrónica. El estudio lo llevaron a cabo para 21 elementos incluyendo algunos considerados como volátiles, las soluciones fueron preparadas, congeladas y contadas. El resultado confirmo que menos del 95% de todos los elementos estudiados incluyendo a los volátiles (Hg y I) fueron retenidos en el residuo.
En 1976 Brezonik et al., realizaron análisis de metales traza partiendo de una variedad de compuestos orgánicos representativos de los diferentes tipos de sustancias orgánicas que se encuentran en las aguas naturales, el fundamento para el análisis fue voltametría por corriente módica. En el mismo año Benes et a1.,(1976) estudiaron la interacción entre el manto y 18 elementos en agua de un lago, llegando a la conclusión que la asociación entre el manto y los elementos traza, dependen hasta cierto punto del factor de concentración y pH. La asociación es probable que sea muy baja para halógenos y iones alcalinos. Las tierras alcalinas y particularmente los metales tivalentes son
asociados con el manto en un grado alto.
Posteriormente Litman et al., (1 975) observaron la perdida de mercurio ionic0 durante la digestión y liofilización de muestras ambientales. Ellos llegaron a la conclusión de que las tasas de adsorción altas entre material de polietileno y superficies de teflón fueron medidas para l a perdida de concentración de mercurio1 como H g ( ~ 0 ~ ) ~ de menos de 1 ng/ml.
Un método semiautomático de análisis por activación neutrónica con aplicaciones a estudios ambientales para determinar 27 elementos traza, fue llevado a cabo por Edgington & Lucas Jr. (19761, para peces en el Lago Erie Michigan y Superior. Encontrando que el contenido de los elementos traza son bien marcados para las diferentes especies de los varios sitios de colecta especialmemte para cadmio, arsénico y cromo habiendo grandes variabilidades.
En este mismo año Neitzert, emprendió un estudio sistemático con el fin de determinar los elementos mas relevantes en agua bajo condiciones normales mediante análisis por activación neutrónica no destructiva. Las muestras fueron tratadas como muestras de agua natural estandarizadas de diferente tipo, secadas, congeladas e irradiadas en cuarzo con un flujo de neutrones de 1014 cm‘2 durante un día. Determinando el contenido de elementos traza: As, Au, Br, Ca, Cd, Co, Cu, Eu, Fe, Hg, K, La, Mo, Na, Ni, Sb, Sc, Se, U y Zn así como sus posibles interferencias.
Mas tarde Luten (1976), determina 12 elementos en muestras de agua de lluvia mediante análisis por activación neutrónica aplicada para Mn, Na, C1, V y Al. El bromo y
el Iodo fueron separados por un cambio de isótopos entre el agua irradiada y la solución de Br2 en respuesta al I2 en CC4. Además llevo a cabo una extracción con APDCMIBK usado para la separación de los isótopos de vida media de Co, V, Cr, Zn y In.
En 1977, Lenvik & Steinnes llevaron a cabo me:diante un método radioquímico de análisis por activación la determinación simultáneia de arsénico, cadmio, cobalto, mercurio, molibdeno y zinc en agua dulce. El método fue basado en una separación mediante intercambio anionic0 en ácido clorhídrico seguida de una simple precipitación. Los limites de denninación se basaron en el análisis die muestras de 5 ml. seguida de una preconcentración. El detector utilizado fue del tipo de NAI(T1). En este mismo año Florence & Batley, usaron diferentes métodos para evaluar las diferentes formas químicas de un metal en agua natural.
Rowan & Kalff, (1993), analizaron sedimento superficial (O a 2 cm.) para 189 sitios en el Lago Quebec y 52 en el Lago Ontario anali.zando Al, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb y Zn, mediante Espectrometría de Absorción Atómica.
Actualmente en el Laboratorio de Fluorescencia de Rayos-X (FR-X) del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ), en colaboración con el Laboratorio de Electroquímica y Especiación de Metales de la (Jniversidad Autónoma Metropolitana unidad Azcapotzalco PJAM”),
han
llevado a cabo algunos trabajos para determinar el alto índice de contaminación por metales en la cuenca del alto Lerma. Así como la implementación de la metodología de Especiación Química de Metales en sedimento.Hasta el momento no se cuenta con estudios publicados que analicen las concentraciones de estos metales en agua y sedimento em la presa J. A. Alzate mediante la técnica de Análisis por Activación Neutrónica. Solo se cuenta con un trabajo realizado
por Padilla, (1994) quien implementó un método de análisis de Pb y Zn en sedimento por Especiación Química mediante Espectrometría de Fluorescencia de Rayos-X. Un año
más tarde Avila (1995), realizó un estudio para determinar la concentración de los metales pesados Cr, Fe, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb y Hg en agua, sedimento, y lirio acuático (Eichhornia crasskes), utilizando las técnicas de Fluorescencia de Rayos-X, y Espectrometría de Emisión por Plasma. Así como los estudios realizados en este mismo año por Avila & Zarazúa (1995), donde evaluaron la concentracion de metales pesados en sedimento y Avila et al., (1995), llevaron a cabo un estudio de la distribución de Cd y Pb en el sedimento de tres zonas de la presa utilizando la técnica de Especiacion Química de Tessier et al., (1979).
4. OBJETIVO GENERAL
*
Evaluar la biodisponibilidad, y el riesgo asociado a la presencia de Cr y Hg en el agua y el sedimento de la la presa José Antonio Alzate.4.1. OBJETIVOS PARTICULARES
*
Aplicar la técnica de Análisis por Activación Neutrónica para evaluar la concentración del Cr y Hg en el agua y los sedimentos de la presaJ. A. Álzate.
* Conocer la distribución del Cr
y Hg en el agua y los sedimentos de la presa J.A.
Alzate.*
Conocer la biodisponibilidad del Cr y Hg en agua de la presa h z a t e a través del análisis de la concentración de los metales en la fracciónsoluble.
4.2. METAS ALCANZADAS.
Se alcanzaron metas como:
-
Se realizaron pruebas para obtener una mayor eficiencia en la liofilización de muestras de agua.-
Se comparo la eficiencia de varias técnicas de análisis (Análisis por activación, Fluorescencia de Rayos-X y voltametría por pulsos anodicos) para cuantificar metales tanto en agua como en sedimento.-
Pocos son los estudios que se han realizado en la presa Alzate, siendo esta la primera vez en el que se lleva a cabo un trabajo utilizando la técnica de Análisis por Activación neutrónica para cuantificar metales pesados, en este caso cromo y mercurio.La sección experimental se puede resumir en el siguiente diagrama :
MUESTRE0
+
TRATAMIENTO DE AGUA TRATAMIENTO DE SEDIMENTO
-
t
LIOFILIZACXON
x
MOLIDO Y TAMIZADOt
PROCESAMIENTO ANAL~TICO DE LAS MUESTRAS
(Preparación de muestras previo a la irradiación)
v
IRRADIACI~N , TRATAMIENTO DEL MATERIAL IRRADIADO Y
ANALISIS Y CUANTIFICACI~N DE LAS MUESTRAS
PR0C:ESAMIENTO DE DATOS Y ANALISIS ESTADíSTICO
5. MATERIAL Y MÉTODO
5.1. Trabajo de campo.
Las muestras de sedimento fueron obtenidas en la Presa José Antonio Alzate ubicada al norte del Estado de México en Marzo de 1996, al principio de la época de estiaje cuando el nivel de agua en la presa era aproximadamente de metro y medio en las zonas menos profundas y de 7 mts serca de la cortina. Las zonas de muestreo se seleccionaron de acuerdo a las condiciones hidrológicas de la presa como se observa en la Figura 2, dichas estaciones son indicadas como puntos; A, B, C,
D,
E, y F. Cabe mencionar que este muestreo realizado es solo parte de un estudio de ciclo completo, donde aun están planeados algunos muestreos más en la presa.Las muestras para determinar metales en sedimento se colectaron por medio de una draga manual ó pala de Ponar de acero inoxidable tipo Petersen. Todas las muestras fueron depositadas en bolsas de polietileno con capacidad de cinco kilogramos las cuales fueron colocados en hielo para su transporte al laboratorio.
Las muestras de agua se obtuvieron a profundidades medias empleando una botella rnuestradora tipo Niskins. Posteriormente fueron colocadas en botellas de polietileno debidamente etiquetadas para cada zona de muestreo. Todas las botellas fueron lavadas
con detergente neutro marca SIGMA y enjuagadas con agua desionizada.
Se tomaron datos de pH, temperatura tanto ambiental como del agua, conductividad y profundidad. Así mismo se recogieron muestras de agua con la misma botella muestreadora para determinar algunos parámetros fisicoquímicos de la calidad del agua como: bicarbonatos, nitratos, sulfatos, DBO Y DQO..
5.2. Trabajo de Laboratorio y Tratamiento de muestras de agua y sedimento
El tratamiento de las muestras tanto de agua como de sedimento se llevaron a cabo en el Laboratorio de Fluorescencia de Rayos-X del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares. El número total de muestras fueron : cinco para agua y seis muestras de sedimento. El trabajo se dividió en dos partes 5.2. l. Tratamiento de agua, y 5.2.2. Tratamiento de los sedimentos.
FIG. 2. Ubicac
\\
Río Lerma
S
Río Lerma
geográficas 19
longitud oeste,
O 24’ 50” y-19 O 27’ 55” de latitud norte y los 99 O 37’ 50” y
así como las estaciones de muestre0 indicadas como los puntos A,
:ion de-la presa José Antonio Alzate localizada dentro de las 97
B,
coordenadas
o 42’ 15” de
C, D, E y F.
5.2.1. Tratamiento de agua.
Tódas las muestras de agua se pasaron a través de un filtro de membrana de 0.45
m,
de tamaño de poro, en un sistema de filtración millipore, para obtener la fracción soluble. Las muestras se preservaron con ácido nítrico (HNO3) concentrado en unaproporción de 5 ml por litro guardándose bajo refkigeración.
De cada una de las muestras se tomó una porción de 400 ml para ser sometidos a una preconcentración, llevándose a cabo mediante un proceso de liofilización, método que consiste en la perdida de agua de muestras orgánicas a bajas temperaturas (-25 "C) y *bajas presiones, sin que se alteren sus propiedades físicoquímicas. Las muestras inicialmente fueron congeladas en su totalidad con nitrógeno líquido y colocadas en la unidad de presión durante un periodo aproximado de 72 horas. Al fmal del proceso se obtuvo un promedio de 37.6 m1 para cada muestra.
5.2.2. Tratamiento de los sedimentos
Las muestras fueron preparadas por zonas de muestreo y sometidas a centrifugación durante media hora a 2,500 r.p.m. para remover el agua contenida en el sedimento, el líquido sobrenadante fue extraído y preservado en refrigeración.
El sedimento de cada zona de muestreo se secó a temperatura ambiente, debido a que el mercurio que se encuentra en concentraciones muy pequeñas, al aplicar un procedimiento *de calentamiento se produce la volatilización de dicho elemento a temperaturas no mayores a los 60
"C
(Herrera & Pérez, 1993).Después del secado se siguió el procedimiento descrito por Avila y Z a r h a (1994), donde las muestras fueron molidas en un mortero de ágata, tamizadas bajo una malla de 200 pm de apertura de tamiz (80 mesh) y, homogeneizadas en un mezclador automático SPEX 8000 con velocidad de vibración regulable y prefijado de tiempo de operación, durante media hora para garantizar una muestra representativa de cada zona.
5.3. Preparación de Patrones
El análisis por activación neutrónica
(NAA,
siglas en inglés) suele realizarse en la mayoría de los casos por el método del comparador ó patrón, consistente en un peso conocido del elemento o elementos a determinar que se irradian junto con la muestra desconocida y se somete a los mismos procesos de ella. Finalmente se mide su actividad en el mismo instrumento de medida y con la misma geometría. Entonces basta con hacer una simple comparación de las actividades del mismo elemento en la misma línea analítica de la muestra desconocida y el patrón para conocer la concentración buscada (Herrera & Pérez, 1993).Para el sedimento se utilizaron dos patrones certificados de comparación, los cuales fueron :
A).- CRM
320. Certified Reference Material from Community Bureau of Reference- BCR. Trace elements in river sediment.En la siguiente tabla (Tabla 3), se muestran :las concentraciones de los elementos que fueron utilizados en el análisis cuantitativo.
Tabla 3. Concentración de los elementos contenidos en el material de referencia '- RCM-20.
Hg 1.03
1]
B).-
IAENSOIL 7. Certified Reference Material. from Internacional Atomic Energy Agency. Suelo.En la Tabla 4, se muestran las concentraciones de los elementos utilizados en el análisis cuantitativo para este patrón de referencia.
Tabla 4. Concentración de los elementos contenidos en el material de referencia IAENSOIL 7.
I
Hg 0.04]I
En el caso del agua se preparó un patrón de mercurio, así como de cromo. El estandard para mercurio se preparó con 1 gr. de Hg contenido en una ampolleta marca
MERCK aforado a 1000 m1 con agua bidestilada obteniéndose así una solución de 1000
m g L a partir del cual se obtuvo un patrón de referencia de 50 ppm, utilizando agua bidestilada para su preparación.
analizado y cuantificado.
El patrón de cromo y cobalto se preparó de la siguiente forma: Se pesaron 10.06
pg. de cobalto y 19.5 pg. de cromo aforándose a un volumen de 10 y 25 m l .
respectivamente con agua bidestilada obteniéndose una solución en pg/L tanto para el cromo como para el cobalto.
5.4. Procesamiento Analítico de las Muestras.
El método analítico de las muestras de agua y sedimento se llevó a cabo en el
Laboratorio de Análisis por Activación Neutrónica del Instituto Nacional de
Investigaciones Nucleares, dividiéndose en cuatro partes: 6.1. Preparación de las muestras previo a la irradiación, 6.2. Irradiación, 6.3. Tratamiento del material irradiado, 6.4. Análisis y cuantljcación de las muestras.
5.4.1. Preparación de las muestras previo a la irradiación.
Las muestras de sedimento fueron debidamente pesadas en una balanza analítica tomándose las precauciones necesarias para evitar alguna contaminación con material extraño. La cantidad de sedimento representativo para cada zona de muestre0 y patrones utilizados fueron los siguientes : zana
A:
0.137225 gr, zona B: 0.083855 gr., zonaC:
0.07204 gr., zonaD:
0.083485 gr., zona E: 0.08939 gr., zona F: 0.07848 gr., patrón certificado CRM-320: 0.07487 gr., y patrón IAEA/SOII,-7: 0.092442 gr.Todas las muestras líquidas previo a la irradiación fileron llevadas a un pH = 2, para evitar algún tipo de contaminación bacteriana. Para cada muestra líquida incluyendo el patrón de referencia se tomo 1 ml. de muestra para el análisis.
Las muestras una vez pesadas y medidas se empaquetaron en ampollas de cuarzo
Y y fueron selladas herméticamente mediante la llama de un soplete con mezcla de
acetileno-oxígeno en el Laboratorio de Vidrio del mismo instituto. Este tipo de encapsulado sólo se lleva a cabo en muestras para cuantificar mercurio. El empleo de este material es necesario para evitar perdidas por volatización de este
elemento. En 1972, Westermark & Ljusggrenk comprobaron que en la determinación de mercurio en materiales biológicos hay perdida en las muestras irradiadas a temperaturas entre 55 y 150 “C, que son posibles de alcanzar por calentamiento. 5
Para el análisis de cromo y cobalto las muestras líquidas se empaquetaron en cápsulas de polietileno debidamente selladas. El sellado se efectuó en forma simple por calentamiento, mediante la llama de un mechero y a presión del cuerpo. Este tipo de material es utilizado frecuentemente para irradiaciones de duración moderada.
5.4.2. Irradiación.
Para las irradiaciones se emplearon cápsulas estándar de aluminio, de forma cilíndrica, con una solapa en la parte superior, destinada a permitir su cierre. En el interior de l a cápsula se acondicionaron las ampollas de cuarzo conteniendo a las muestras tanto de agua como de sedimento, así como al material de referencia.
Las muestras líquidas restantes contenidas en los tubos de polietileno, se empaquetaron en bolsas de plástico debidamente selladas y lavadas con agua bidestilada. Cada muestra junto con su material de comparación heron colocados en el interior de las cápsulas estándar de aluminio.
Una vez preparadas las muestras y patrones, se sometieron a un bombardeo con un
flujo de neutrones térmicos en el reactor TRIGA MARK I11 del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ), Centro Nuclear “Nabor Carrillo”, que es un reactor para investigación del tipo piscina, fabricado por l a General Atomic Co. Este utiliza elementos combustibles de uranio enriquecido al 20 y al 70%, homogéneamente combinado con hidruro de circonio como moderador.
Dentro del núcleo del reactor se cuenta con varias exposiciones experimentales de irradiación :
-
El dedal central, que tiene el mayor flujo de neutrones, es útil cuando requiere aumentar la sensibilidad del análisis.-
El tubo seco, permite irradiar muestras sin tomar demasiadas precauciones para asegurar su hermeticidad (Travesí, 1975; López, 1990).La mayoría de los elementos al ser bombardeados por neutrones térmicos producen isótopos radiactivos por reacción (n,y) con secciones eficaces relativamente altas del orden de 0.1 a varios miles de barns. Esto hace que las reacciones (n,y) sean especialmente ventajosas para la determinación de elementos trazas dadas las altas sensibilidades que se pueden obtener para la mayoría de los elementos (Travesí, 1975).
Las irradiaciones se llevaron a cabo de la siguiente forma: Las muestras contenidas en las ampollas de cuarzo fueron sometidas a un tiempo de irradiación de 25 horas con 21 minutos a un flujo de neutrones térmicos de 9 x 1 0l2 n. cm-" S-*.
El resto de las muestras contenidas en los tubos de polietileno fueron irradiadas durante 3 horas a un flujo de neutrones de 9 x lo'* n.cm S . Todas las muestras se
llevaron a cabo en un sistema de irradiación SIFCA.
-2 -1
El periodo de exposición a la irradiación dependió de la sección eficaz del elemento, de la sensibilidad deseada y del periodo de vida media de los isótopos producidos. Así por ejemplo si se trata de determinar elementos con periodo corto, se realiza una irradiación de corta duración que conduce a la formación de pequeñas cantidades de los radionúclidos de periodo de semidesintegración mayores que el elemento que se va ha determinar (Herrera & Pérez, 1993).
5.4.3. Tratamiento del material irradiado y decaimiento.
Los sistemas de apertura de cápsulas irradiadas, al igual que el material constituyente de las mismas, estuvieron condicionados por los requerimientos posteriores a la irradiación. Para la recuperación del material irradiado cerca del núcleo del reactor, se llevaron a cabo operaciones que insumían varios minutos, por lo que su extracción debía esperarse el tiempo suficiente como para que la actividad del producto de activación decayera a niveles compatibles con la seguridad radiólogica, y así poder ser trasladadas al laboratorio para su posterior tratamiento incluyendo la operación de apertura.
