1. Introducción
En la Ciudad de México y área conurbada se liberan al ambiente partículas que contienen metales pesados y óxidos de hierro, manganeso, aluminio y silicio que son fácilmente transportadas por el viento, se depositan en diversas superficies como el suelo, y pueden ser inhaladas o ingeridas causando daños a la salud (Sabath y Robles-Osorio, 2012; WHO, 2014; Aguilera et al., 2020).
Las partículas contaminantes que más dañan a la salud humana, y causan cáncer, son menores a 10 micras (PM10, PM2.5, PM0.1). Su dispersión fuera de la Ciudad de México y área conurbada se retrasa debido a las características climáticas, geológicas, de relieve y dirección de los vientos en la cuenca (Vallejo et al., 2003).
Sus fuentes son naturales, como las emisiones volcánicas, y antrópicas derivadas de las actividades de 23 millones de habitantes, 40 000 industrias y la circulación de 4 millones de vehículos (Molina et al., 2010; Ramírez y Martínez, 2018).
Las estrategias de disminución de la contaminación requieren de monitoreos del contenido de metales pesados en muestras ambientales como los realizados por Vallejo et al. (2003) y Molina et al. (2010) en partículas aéreas; Cejudo et al. (2015), Ihl et al. (2015) en suelos y en plantas.
Sin embargo, el monitoreo de la contaminación por metales pesados no se realiza en ningún país del mundo. Esto sucede porque el muestreo de suelos, el tratamiento de la muestra (secado, tamizado y digestión) y los análisis químicos son costosos, consumen mucho tiempo y se generan residuos peligrosos.
Por otro lado, las investigaciones recientes han demostrado que el uso del color puede ser considerado una técnica rápida para inferir la contaminación por metales pesados en polvo urbano (Cortés et al., 2015; García et al., 2019; Marín et al., 2019), así como también en la cantidad de materia orgánica edáfica (Dobos et al., 1990; Schulze et al., 1993; Bautista et al., 2003; Domínguez et al., 2012) y contenido de óxidos de Fe en el suelo (Curi y Franzmeier, 1984; Madeira et al., 1997; Acevedo-Sandoval et al., 2004; Levin et al., 2005; Viscarra et al., 2008; Kumaravel et al., 2009).
El uso del color como técnica rápida considera que bajo cualquier combustión los óxidos de hierro y la materia orgánica se transforman en magnetita y carbón, ambos son de color negro. La magnetita va acompañada de metales pesados (Bautista et al., 2014; Cortés et al., 2015; García et al., 2019).
El uso del color del suelo como técnica de diagnóstico rápido permitiría seleccionar las muestras de suelo más contaminadas por metales pesados que luego tendrían que pasar por las técnicas de análisis químico convencional (Espectroscopía de Absorción Atómica, ICP-Masas, Microscopía Electrónica de Barrido, entre otros).
El objetivo de este estudio fue la evaluación del color en muestras de suelo de la Ciudad de México y área conurbada como una técnica rápida en el monitoreo de la contaminación del suelo urbano por metales pesados.
2. Materiales y métodos
2.1. ZONA DE ESTUDIO, MUESTREO Y TRATAMIENTO DE LAS MUESTRAS
El estudio se realizó en la Ciudad de México y área conurbada (Figura 1). La altitud promedio es de 2240 msnm. Geológicamente, está ubicada sobre depósitos volcánicos en el norte, oeste, sur y sureste, y lacustres en la zona central, noreste y sureste (Díaz-Rodríguez, 2006) por lo que es una cuenca rodeada de volcanes (Vallejo et al., 2003).}
El diseño del muestreo de suelo fue sistemático y abarcó un área de 1 600 km2 dividida en una rejilla de 10 x 10. Se recolectaron 89 muestras durante la estación seca (marzo-abril) con la finalidad de que el tiempo de pretratamiento (secado) fuera el menor.
La colecta de las muestras fue con un tubo de policloruro de vinilo de 100 cm3 que se introdujo al suelo.
2.2. ANÁLISIS QUÍMICOS
Las muestras se secaron durante dos semanas bajo la sombra y a temperatura ambiente; se molieron y se tamizaron con malla de 2 mm; la porción tamizada se dividió en dos partes, una de ellas se utilizó para realizar las mediciones de color y la otra para los análisis geoquímicos.
Las porciones destinadas a los análisis geoquímicos se molieron de nuevo con un mortero de ágata para aumentar la homogeneidad de la muestra (Fitton, 1997; Wei y Yang, 2010; Khodeir et al., 2012; Chen et al., 2014). Las muestras de suelo se comprimieron en un dado de 1 cm de diámetro sin tratamiento químico o agentes aglutinantes y se obtuvieron pastillas que se colocaron en un porta-muestras y se sellaron con una película de poliéster (Mylar).
Las concentraciones de los metales (Cr, Cu, Ni, Pb, V y Zn) y de los compuestos óxidos metálicos del suelo (Na2O, MgO, MnO, Al2O3, SiO2, K2O, CaO, TiO2 y Fe2O3) y no metálicos (P2O5) se cuantificaron con la técnica de fluorescencia de rayos X de energía dispersa (ED-FRX) en el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados de Mérida, Yucatán. La técnica es cuantitativa, rápida, no destructiva ni contaminante con un límite de detección de 1 mg/kg (Lozano y Bernal, 2005; Beckhoff et al., 2006). Como control de medición se consideró el estándar con clave de identificación IGLsy-1, el cual corresponde a una sienita de nefelina con un alto contenido de Al y Si (Lozano y Bernal, 2005; Beckhoff et al., 2006; Paltridge et al., 2012).
Las características y ambientes de operación del espectrómetro ED-XRF fueron las siguientes: marca Jordan Valley EX-6600, equipado con un detector Si (Li), área activa de 20 mm2, resolución de 140 eV a 5.9 keV, operado a un máximo de 54 keV y 4 800 μA, en condiciones de vacío atmosférico, utilizando una tarjeta secundaria intercambiable y tiempo de medición de 300 s. Cada medición fue repetida cinco veces para obtener un promedio de concentración (Ihl et al., 2015).
2.3. DETERMINACIÓN DEL COLOR
El color del suelo se determinó de manera cualitativa por comparación con las tablas Munsell (Munsell Color, 2000). La muestra seca se colocó en el porta-muestras, y en un ambiente externo y con luz del día se sobrepusieron a la muestra, las cartas del color hasta encontrar el matiz o tono adecuado. Los suelos se agruparon de acuerdo con el color definido por los valores Hue, Value y Croma.
El color se determinó de manera cuantitativa con un equipo Konica Minolta modelo CR400m, los resultados, en términos del sistema de color X, Y, Z se convirtieron al sistema R, G, B decimal mediante el programa Color Slide Rule y se calcularon los índices de color Hue (IH), Rojez (IR) y Saturación (IS) según Levin et al., (2005) de la manera siguiente:
En done R, G y B son los valores proporcionados por el sistema decimal RGB: R = Rojo; G = Verde; B = Azul.
2.4. ANÁLISIS DE DATOS
La influencia de los metales pesados en los índices de color se evaluó mediante un análisis de correlación simple.
Los cinco grupos de color del suelo identificados a partir de la comparación con las tablas Munsell, se validaron mediante dos análisis discriminantes: por un lado, con los valores de los contenidos de metales pesados y óxidos, y por otro, con los valores de los índices de color en donde se clasificaron mediante funciones lineales, que combinan las variables más influyentes y asignan los elementos a los grupos predefinidos, lo que permitió validar o no la formación de los grupos de suelo (Lévy et al., 2003). También se midió la influencia del conjunto de los metales pesados en cada índice de color al interior de cada grupo de color de suelo a través de análisis de regresión múltiple.
En ambos análisis las variables dependientes fueron los índices de color IH, IR e IS y las variables independientes fueron las concentraciones de Cr, Ni, Cu, Zn, Pb, V y los porcentajes de los óxidos Na2O, MgO, Al2O3, SiO2, P2O5, K2O, CaO, TiO2, MnO, Fe2O3.
La regresión lineal múltiple establece la relación de la variable dependiente Y con respecto de múltiples variables independientes X (X1, X2... Xn) en un espacio multidimensional. Se determinaron los valores de las variables con mayor poder explicativo mediante los coeficientes de correlación β2... βn (Vallejo, 2011).
En donde: Y = variable dependiente; a = parámetro de regresión; β1 = incremento de Y en unidades al aumentar X; Xi = variables explicativas; e = error de la predicción.
Para comparar los contenidos de los metales pesados por los grupos de color de los suelos se utilizó el análisis de varianza no paramétrico de comparación de medianas Kruskal-Wallis (Statgraphics®, 2010). Se aplicó una prueba de rango múltiple para determinar qué grupos de suelo por color son significativamente diferentes con un nivel de confianza del 95.0%. Se diseñó un mapa con las diferentes zonas donde se ubicaron los cinco grupos de color del suelo y los tipos de rocas subyacentes con el programa ArcGIS 9.0 (ESRI, 2004).
3. Resultados
3.1. FORMACIÓN Y VALIDACIÓN DE LOS GRUPOS POR COLOR DEL SUELO
Se formaron cinco grupos por color del suelo. Los grupos I Gris rojizo oscuro y II Gris oscuro presentaron coloraciones oscuras, mientras que los suelos del grupo III Gris olivo, grupo IV Gris y el grupo V Gris rosáceo presentaron las coloraciones claras (Tabla 1, Figura 2).
Grupo de color | Muestras (n) | Hue | Value | Croma | Notación |
---|---|---|---|---|---|
I Gris rojizo oscuro | 8 | 5YR | 4 | 2 | 5YR 4/2 |
II Gris oscuro | 38 | 7.5YR | 4 | 1 | 7.5YR 4/1 |
III Gris olivo | 23 | 5Y | 5 | 2 | 5Y 5/2 |
IV Gris | 14 | 5YR | 5 | 1 | 5YR 5/1 |
V Gris rosáceo | 6 | 7.5YR | 6 | 2 | 7.5YR 6/2 |
La validación de los grupos por color del suelo utilizando los índices tuvo una clasificación correcta del 100 % de las muestras en todos los grupos de suelo (p < 0.05) (Tabla 2). La validación de los grupos por color del suelo utilizando las concentraciones de los metales pesados tuvieron un 67 % de las muestras correctamente asignadas, siendo los grupos I y II los de mayor porcentaje de correcta asignación, con 88% y 68%, respectivamente (Tabla 3). En análisis multivariados los porcentajes arriba del 50% son aceptables (Lévy et al., 2003). La medición del color con un colorímetro es más rápida, cuantitativa y precisa, mientras que con las tablas Munsell es más tardada, cualitativa y menos precisa pero el análisis es más económico. La validación al 100% de los grupos con los índices de color indica que las mediciones colorimétricas son confiables con ambos métodos.
Color real | Muestras (n) |
Color estimado a partir de los índices de color IH, IR, IS | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
I Gris rojizo obscuro |
II Gris obscuro |
III Gris olivo |
IV Gris |
V Gris rosáceo |
||
I Gris rojizo oscuro | 8 | 8 (100 %) | 0 (0 %) | 0 (0 %) | 0 (0 %) | 0 (0 %) |
II Gris oscuro | 38 | 0 (0 %) | 38 (100 %) | 0 (0 %) | 0 (0 %) | 0 (0 %) |
III Gris olivo | 23 | 0 (0 %) | 0 (0 %) | 23 (100 %) | 0 (0 %) | 0 (0 %) |
IV Gris | 14 | 0 (0 %) | 0 (0 %) | 0 (0 %) | 14 (100 %) | 0 (0 %) |
V Gris rosáceo | 6 | 0 (0 %) | 0 (0 %) | 0 (0 %) | 0 (0 %) | 6 (100 %) |
Grupos | Muestras (n) |
Color estimado a partir de las concentraciones de los metales pesados |
||||
---|---|---|---|---|---|---|
I Gris rojizo obscuro |
II Gris obscuro |
III Gris olivo |
IV Gris |
V Gris rosáceo |
||
I Gris rojizo oscuro | 8 | 7 (88 %) | 0 (0 %) | 1 (12 %) | 0 (0 %) | 0 (0 %) |
II Gris oscuro | 38 | 3 (8 %) | 26 (68 %) | 6 (16 %) | 1 (3 %) | 2 (5 %) |
III Gris olivo | 23 | 0 (0 %) | 5 (22 %) | 15 (65 %) | 1 (4 %) | 2 (9 %) |
IV Gris | 14 | 0 (0 %) | 2 (14 %) | 1 (7 %) | 9 (64 %) | 2 (14 %) |
V Gris rosáceo | 6 | 0 (0 %) | 0 (0 %) | 1 (17 %) | 2 (33 %) | 3 (50 %) |
3.2. REGRESIONES LINEALES MÚLTIPLES ENTRE LOS ÍNDICES DE COLOR DEL SUELO Y LAS CONCENTRACIONES DE METALES PESADOS
La relación ente los metales pesados con los tres índices de color fue alta y significativa en los grupos de color I Gris rojizo obscuro, IV Gris y V Gris rosáceo (r2 > 0.75, p < 0.05). Con el índice Hue (IH) los metales pesados mejor representados en los cinco grupos de suelos fueron el Cr, Cu y Pb, en menor proporción Ni, V, así como MnO y Fe2O3 (Tabla 4); con el índice de rojez (IR) fueron el Cr, Ni, Pb y Cu, en menor proporción el V, MnO y Fe2O3 y Zn (Tabla 5); y con el índice de saturación (IS) fueron el Cr, Cu, Ni y Pb, en menor proporción el V y Zn así como MnO y Fe203 (Tabla 6). En total los metales pesados representados en los cinco grupos de suelos con los tres índices de color tuvieron el siguiente orden: Cr=Pb>Gu>Ni=V>MnO>Fe2Os>Zn.
Grupos | Ecuación de regresión | r2 | Valor p |
---|---|---|---|
I Gris rojizo oscuro | IH = -159.06 - 0.08*Cr - 0.28*Ni + 0.19*Cu + 0.10*Zn - 0.03*Pb + 1.20*V + 294.09*MnO | 1 | 0 |
II Gris oscuro | IH = 1.38 + 0.05*Cr - 0.02*Cu + 0.53*Fe2O3 +0.003*Pb | 0.21 | 0.09 |
III Gris olivo | IH = 11.38 - 0.01*Cr + 0.001*Cu - 31.28*MnO +0.004*Ni - 0.004*Pb | 0.16 | 0.69 |
IV Gris | IH = 7.8 - 0.04*Cr + 0.01*Cu - 0.59*Fe2O3 + 21.91*MnO - 0.004*Pb + 0.05*V | 0.83 | 0.04 |
V Gris rosáceo | IH = 19.28 - 0.04*Cr - 0.01*Cu - 0.01*Ni - 0.002*Pb - 0.04*V | 1 | 0 |
Grupos | Ecuación de regresión | r2 | Valor p |
---|---|---|---|
I Gris rojizo oscuro | IR = -0.05 + 0.00008*Cr - 0.0003*Ni - 0.0001*Cu + 0.0001*Zn - 0.00002*Pb + 0.0004*V + 0.06*MnO | 1 | 0 |
II Gris oscuro | IR = 0.008 + 0.02*MnO - 0.000008*Cr -0.000004*Cu - 0.001*Fe2O3 - 0.000006*Ni +0.000003*Pb | 0.33 | 0.04 |
III Gris olivo | IR = 0.003 - 0.000001*Cr + 0.000002*Cu +0.000004*Ni - 0.000002*Pb | 0.08 | 0.4 |
IV Gris | IR = -0.005 - 0.000006*Cr + 0.0004*Fe2O3 +0.000002*Ni - 0.000002*Pb + 0.00006*V | 0.75 | 0.04 |
V Gris rosáceo | IR = -0.02 + 0.0001*Cr - 0.00002*Cu +0.00001*Ni + 0.000003*Pb + 0.00008*V | 1 | 0 |
Grupos | Ecuación de regresión | r2 | Valor p |
---|---|---|---|
I Gris rojizo oscuro | IS= -0.42 + 0.005*Cr - 0.01*Ni - 0.007*Cu + 0.004*Zn - 0.0005*Pb + 0.003*V + 0.36*MnO | 1 | 0 |
II Gris oscuro | IS = 0.29 - 0.001*Cr - 0.01*Fe2O3 +0.0001*Pb + 0.001*V | 0.34 | 0 |
III Gris olivo | IS = 0.07 - 0.0003*Zn + 0.001*Ni +0.0006*Cu + 1.28*MnO | 0.34 | 0.09 |
IV Gris | IS = -0.08 + 0.0008*Cr + 0.0006*Cu +0.05*Fe2O3 - 0.65*MnO + 0.003*Ni + 0.00005*Pb - 0.0006*Zn | 0.95 | 0 |
V Gris rosáceo | IS = -0.03 + 0.001*Cr - 0.0002*Cu +0.0002*Ni + 0.0001*Pb + 0.001*V | 1 | 0 |
3.3. FORMACIÓN Y VALIDACIÓN DE LOS GRUPOS POR COLOR DEL SUELO
Las concentraciones mayores (p<0.05) de los metales Cr, Cu, Pb y Zn se encontraron en los grupos I y II de color oscuro; y las concentraciones medias en el grupo III de coloración intermedia entre color oscuro y claro (Figuras 2 y 3). Los porcentajes mayores del Fe2O3, MnO, y TiO2 se encontraron en los grupos oscuros I y II de color oscuro (Figuras 2 y 4); y los mayores porcentajes de los óxidos Al2O3, MgO y SiO2 se encontraron principalmente en los grupos III, IV y V de coloraciones claras (Figuras 2 y 4). En los grupos I y II la presencia de los metales Cr, Cu, Zn, Fe, Mn y Ti les confieren las coloraciones más oscuras, Domínguez et al. (2012) reporta que los metales de transición producen coloraciones oscuras.
3.4. LOCALIZACIÓN GEOGRÁFICA DE LAS MUESTRAS DE SUELO POR COLOR
Las muestras de suelo del grupo I Gris rojizo obscuro se ubican principalmente en la zona Lacustre en el centro-este de la ciudad, en las delegaciones Iztacalco e Iztapalapa y en las zonas conurbadas de Cd. Netzahualcóyotl, Chimalhuacán y La Paz (Figura 1). Este grupo en general tiene las mayores concentraciones de Cu, Pb, Zn, Fe2O3, MnO y TiO2. Las muestras de suelo del grupo II Gris oscuro están ubicadas principalmente en la zona Lacustre en las alcaldías Gustavo A. Madero, Venustiano Carranza, Coyoacán, Iztapalapa, Xochimilco y Tláhuac, así como en Cd. Netzahualcóyotl, Chimalhuacán, La Paz Tlalnepantla y Ecatepec (Figura 1). Este grupo en general tiene las más altas concentraciones de Cr, y concentraciones altas de Cu, Pb, Zn, Fe2O3, MnO y TiO2. Las muestras de suelo del grupo III Gris olivo se localizan principalmente en zonas conurbadas de Atizapán de Zaragoza, Naucalpan y en Tlalnepantla; así como en las alcaldías de Cuauhtémoc, Azcapotzalco, Gustavo A. Madero y Miguel Hidalgo (Figura 1). Este grupo en general tiene las concentraciones más altas de SiO2 y concentraciones medias de Cr, Cu, Pb, Zn y Al2O3. Las muestras de suelo de los grupos IV y V se localizan en la periferia de la ciudad, son las muestras con menores concentraciones de metales pesados.
4. Discusión
Las muestras de suelo urbano de los grupos I (gris rojizo oscuro) y II (gris oscuro), y en algunos casos el grupo III (gris olivo), alcanzaron las concentraciones mayores de Cu, Pb y Zn en este estudio, de la misma manera que lo reportado para el polvo urbano en Ensenada Baja California (Cortés et al., 2015). Estos metales pesados se consideran producto de la contaminación antrópica al estar muy por arriba de los valores de fondo, como por ejemplo los 20 mg/kg de plomo, 36 mg/kg de zinc, 41 mg/kg de cromo y 7 mg/kg de cobre (Ihl et al., 2015).
La presencia del Fe2O3 en las muestras de suelo urbano de los grupos I, II y III les proporciona las coloraciones oscuras, y se explica por la relación encontrada entre el índice de rojez y el Fe2O3, por lo que se infiere la presencia de maghemita o magnetita (Bautista et al., 2014).
El índice de rojez del color del suelo ha sido utilizado para estimar la intensidad de meteorización del suelo y los contenidos de Fe2O3 (Barrón y Torrent 1986; Levin et al., 2005; Viscarra Rossel et al., 2008); sin embargo, al parecer en este estudio la relación podría ser con la magnetita y/o maghemita que son producto de la combustión de combustibles fósiles y por lo tanto de carácter antrópico, por los mayores porcentajes de Fe2O3, TiO2 y MnO los contenidos en partículas producto de la combustión (Abbott, 1987; Bautista et al., 2014). Para estudios futuros es conveniente medir los parámetros magnéticos y si los valores de la susceptibilidad magnética y de la magnetización remanente isotermal de saturación son también altos, entonces el mineral será magnetita y/o maghemita y, por lo tanto, serán partículas antrópicas contaminantes (Aguilar-Reyes et al., 2013; Bautista et al., 2014; Sánchez-Duque et al.,2015).
En las muestras de suelo urbano de los grupos IV y V las coloraciones claras están asociadas con la predominancia del Al2O3, MgO y SiO2 y con bajas concentraciones de TiO2, MnO y Fe2O3. Además, en estos grupos se presentaron los valores más bajos del índice de rojez. De la misma manera, Domínguez et al. (2012) reportaron la relación entre las coloraciones claras del suelo y la presencia de SiO2 y Al2O3, asociados a aluminosilicatos y cuarzo, principalmente.
El uso de combustibles fósiles genera ceniza y gases. La ceniza de color negro estaría formada por partículas que contienen óxidos de hierro transformados a magnetita y maghemita (coloraciones obscuras) (Bautista et al., 2014), así como metales pesados usados como antidetonantes (Mn) (Bueno-Brito et al., 2005) o que son parte de las impurezas del combustible (metales pesados, principalmente Pb, Zn, Cu, V) (Ihl et al., 2015). Sin embargo, la materia orgánica humificada también es de color negro o pardo obscuro, así como los óxidos de manganeso de color negro (pirolusita), ambos pudieran interferir o confundir cuando se utilice el color como indicador de contaminación por metales pesados en los suelos.
La pirolusita es el mineral de manganeso del color gris a negro que se encuentra naturalmente en las rocas que circundan a la ciudad de México, pero también el manganeso es utilizado como antidetonante en la gasolina (1 metil-4-fe-nil-1,2,5,6-tetrahidropiridina) y es un componente del acero (Bueno-Brito et al., 2005) y se encuentra en el polvo urbano de la Ciudad de México (Aguilera et al., 2020), así que también tiene un origen antrópico.
5. Conclusiones
La principal conclusión de este trabajo fue: el color del suelo urbano puede ser utilizado como técnica de análisis rápido, de bajo costo y con la precisión suficiente para identificar muestras de suelo contaminadas con metales pesados. Es importante hacer notar que este indicador es solamente para suelos urbanos o Tecnosols.
En primera instancia, utilizando el color como técnica rápida para la identificación de metales pesados en el suelo urbano de la Ciudad de México las clases serían: suelos contaminados gris rojizo oscuro 5YR 4/2 y gris oscuro 7.5YR 4/1, contaminación intermedia suelos grises olivo 5Y 5/2; y suelos poco contaminados los grises 5YR 5/1 y grises rosáceos 7.5YR 6/2.
Los índices de color del suelo urbano solo se validaron, mediante regresiones múltiples, para los suelos de colores gris rojizo oscuro y gris oscuro debido, probablemente, a la interferencia de componentes naturales, como los minerales de hierro y manganeso y a la materia orgánica humificada.