ine muestreo metales ides en suelos

5/16/2018 INE Muestreo Metales Ides en Suelos - slidepdf.com

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S



S y :

Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales

Instituto Nacional de Ecología

Tania Volke Sepúlveda,

Juan A. Velasco Trejo y

David A. de la Rosa Pérez



Instituto Nacional de Ecología (INE-S)Periférico sur 5000. Col. Insurgentes Cuicuilco,

C.P. 04530. México, D.F. www.ine.gob.mx

Primera edición: mayo de 2005

C

: Raúl Marcó del Pont LalliDñ : Álvaro Figueroa

F : Claudio Contreras Koob

D.R. ©

ISBN: 968-817-492-0Impreso y hecho en México



ÍNDICE

Capítulo primero

1. E 11

1.1. Composición y propiedades del suelo 11

1.2. Tipos de suelos y su distribución en México 16

Capítulo segundo

2. L 19

2.1. Principales fuentes de contaminación 20

2.2. La minería y la contaminación de suelos en México 23

2.3. Elementos potencialmente tóxicos 31

Capítulo tercero

3. M 37

3.1. Objetivos de un muestreo 38

3.2. Tipos de muestreo 39

3.3. Muestras representativas 42

3.4. Planeación de un muestreo 45

3.5. Características de una muestra 51

3.6. Ejemplos de muestreo 54



Capítulo cuarto

4. T 57

EPT

4.1. Factores que inciden en los procesos de remediación 58

4.2. Clasificación de tecnologías de remediación 62

4.3. Tecnologías fisicoquímicas 66

4.4. Tecnologías biológicas 89

Capítulo quinto

C 117

Anexo

G EPT 121



C

1. Categorías de suelos encontradas en México de acuerdo a 17

la clasificación internacional de suelos FAO/UNESCO/ISRIC

2. Interrelaciones de la actividad minera con el ambiente 22

3. Volumen (t) de la producción de metales y minerales 24

seleccionados (Au, Ag, Pb, Cu, Zn, C, Fe, S, Barita, Fluorita),

de 1997 a 2002, en los estados con mayor rendimiento

4. Número de distritos mineros y zonas mineralizadas por estado 27

5. Distribución de sitios abandonados por entidad federativa 30

de acuerdo con su prioridad

6. Principales residuos peligrosos encontrados en sitios 31

abandonados

7. Principales características de los metales y no metales 33

8. Tipos de errores de muestreo y técnicas para su minimización 44

9. Cantidad de muestra requerida en función del análisis 52

a realizar

10. Profundidad recomendada para la toma de muestras 53

en función del objetivo del muestreo

11. Ventajas y desventajas de las tecnologías de remediación 64

in situ y ex situ

12. Ejemplos de la aplicación a gran escala del lavado de 71

suelos contaminados con metales en los Estados Unidos

13. Principales ventajas y limitaciones del lavado de suelo 72

14. Principales ventajas y limitaciones de la electrorremediación 88

15. Especies hiper-acumuladoras que pueden usarse para 113

la fito-extracción de metales

16. Ventajas y limitaciones de la fitorremediación 115



F

1. Esquema general de las fracciones que componen un suelo 13

2. Perfil general de un suelo 15

3. Localización de los metales, no metales y metaloides 32

en la tabla periódica

4. Metales clasificados como clase A (duros), clase B (suaves) 34

y frontera (metales intermedios).

5. Tipos de muestreo 41

6. Instrumentos comúnmente usados para el muestreo de suelos 49

7. Muestreo sistemático polar (muestras simples) 55

para delimitar una zona contaminada

8. Muestreo sistemático con toma de muestras compuestas 56

a diferentes profundidades

9. Factores interrelacionados entre sí que inciden 58

en la remediación de un suelo

10. Esquema básico del proceso de incorporación con cemento 79

con mezclado en tambor11. Esquema básico del mecanismo de aglutinación con asfalto 79

12. Esquema básico del proceso de vitrificación en campo (on site) 81

13. Esquema básico del proceso de vitrificación en planta (off site) 82

14. Electrorremediación in situ de un suelo contaminado. 85

15. Interacciones entre metales y microorganismos 91

16. Proceso integral para la biorremediación de suelos 103

contaminados con metales17. Biolixiviación de un mineral que contiene cobre 104

18. Proceso de biooxidación de flujo continuo para el 105

pretratamiento de arsenopirita para recuperar oro

19. Esquema general de la descontaminación de iones metálicos 108

en un proceso natural de fitorremediación

20. Proceso general de fito-extracción 110



El suelo 11

1. El suelo

El suelo es un cuerpo natural, no consolidado, compuesto por

sólidos (material mineral y orgánico), líquidos y gases, que se

caracteriza por tener horizontes o capas diferenciales, resultado

de las adiciones, pérdidas, transferencias y transformaciones de

energía y materia a través del tiempo, y cuyo espesor puede irdesde la superficie terrestre hasta varios metros de profundidad

(Sposito 1989).

1.1. C

El suelo constituye un recurso natural de gran importancia, que des-

empeña funciones en la superficie terrestre como reactor natural y hábitat de organismos, así como soporte de infraestructura y fuente

de materiales no renovables (Sposito 1989, UNESUR 2004).

Reactor natural. El suelo es un elemento filtrante, amortiguador y

transformador, que regula los ciclos del agua y los biogeoquímicos.

Tiene la propiedad de retener sustancias mecánicamente o fijarlas

por adsorción, contribuyendo a la protección de aguas subterráneas

y superficiales contra la penetración de agentes nocivos. El suelo,

Capítulo primero



12 Suelos contaminados

además, promueve fenómenos de evotranspiración o transpiración

del aire a través de la superficie.

Hábitat de organismos y reserva genética. El suelo constituye, jun-

to con el agua, el aire y la luz solar, el fundamento de la vida en los

ecosistemas terrestres, alberga una gran diversidad de organismos y

microorganismos.

Soporte físico de infraestructura. Por sus características físicas, quími-

cas y mecánicas, el suelo posee propiedades de soporte para el desarrollo

de actividades forestales, recreativas y agropecuarias, además de socio-

económicas como vivienda, industria y carreteras, entre otras.

Fuente de materiales no renovables. El suelo es un yacimiento dematerias primas, como minerales no metálicos de interés para la

construcción (piedra, mármol, caliza, yeso, arena), minerales metá-

licos (blenda, galena, siderita, pirita) y combustibles fósiles como el

petróleo.

El suelo es una mezcla compleja de materiales inorgánicos (fracción

mineral, formada principalmente de arcillas, limo y arena), materia

orgánica, agua/aire y organismos vivos (figura 1). A continuaciónse describe brevemente cada una de estas fracciones (Sposito 1989,

Miller 1994).

Fracción mineral. Los componentes minerales constituyen la mayor

parte de la estructura de un suelo (figura 1). En orden de abundan-

cia, los elementos más comúnmente encontrados en los minerales

son: O > Si > Al > Fe > C > Ca > K > Na > Mg > Ti. Los minerales

se dividen en primarios y secundarios; los primeros se encuentranconstituidos principalmente por O y Si y forman silicatos de estruc-

turas Si-O (grava y arena). Los minerales secundarios, provenientes

de procesos de disolución y precipitación, son de suma importancia

debido a su superficie de reacción, y a que sirven como depósitos de

agua, nutrientes y materia orgánica, lo que le confiere la parte activa

de un suelo (arcillas).



El suelo 13

Los suelos se clasifican, en función a su tamaño de partícula, en

cuatro principales componentes: arcilla (tamaño de partícula menor

a 0.002 mm), limo (0.002-0.05 mm), arena (0.05-2 mm) y grava

(partículas mayores a 2 mm). Las cantidades relativas de cada tipo

de partícula mineral determinan la textura de un suelo y tienen un

impacto directo sobre sus propiedades físicas, químicas y biológicas

(Miller 1994, Van Deuren et al . 2002).

F 1. E

Fracción orgánica. La fracción orgánica de los suelos está constitui-

da por desechos vegetales y animales, además de cantidades variables

de materia orgánica amorfa llamada humus. La fracción orgánica en

un suelo puede ser muy variable: un suelo árido puede contener cerca

de 0.5%, mientras que una turba puede tener alrededor de 95%; sin

Poros: aire(20-30%)

}O

2

CO2

Materia orgánica(0.5-5%)

Poros: aire(20-30%)

Fracción mineral(~ 45%)




embargo, la mayoría de los suelos, en general, tiene un contenido de

materia orgánica entre 0.5 y 5%.

Fracción agua/gases. Los espacios, o poros, que hay entre partí-

culas sólidas (orgánicas e inorgánicas) del suelo, contienen diversas

cantidades de dos componentes inorgánicos clave: el agua y el aire.

El agua es el principal componente líquido de los suelos y contiene

sustancias minerales, oxígeno (O2) y bióxido de carbono (CO

2) en

disolución, mientras que la fase gaseosa en los suelos está constituida

por aire. Dependiendo del contenido de humedad del suelo, los poros

se encontrarán ocupados por agua o por aire (figura 1).

En general, la composición química y la estructura física del sueloestán determinadas por el tipo de material geológico del que se origina,

por la cubierta vegetal, por el tiempo en que ha actuado la meteori-

zación (desintegración por la acción de agentes atmosféricos), por la

topografía y por los cambios artificiales resultantes de las actividades

humanas (Sposito 1989).

Los componentes de los suelos maduros se encuentran dispuestos

en una serie de zonas llamadas horizontes (figura 2). El arreglo de estoshorizontes en un suelo se conoce como un perfil edáfico o perfil del

suelo. Cada horizonte se caracteriza por tener diferentes propiedades

como color, textura, estructura, espesor y composición (tipo de mi-

nerales y elementos químicos presentes), además de su consistencia

y reacción. Todas estas propiedades son utilizadas para definir los

tipos de horizontes, de los cuales se han identificado a la fecha seis,

simbolizados con las letras mayúsculas O, A, E, B, C y R (Miller 1994,Jaramillo 2001).

La mayoría de los suelos maduros posee, al menos, tres de los ho-

rizontes (A, B y C), pero suelos recientes o poco desarrollados pueden

carecer de ellos. Algunos suelos tienen una capa orgánica (horizonte

O) compuesta principalmente por hojas, desechos animales, hongos y

otros materiales orgánicos parcialmente descompuestos. El horizonte



El suelo 15

A, comúnmente es una mezcla porosa de materia orgánica descom-

puesta (humus), organismos vivos y algunas partículas minerales. Elhorizonte E, es una capa mineral de color claro, en la que ocurren

pérdidas de arcillas, minerales y cationes por lixiviación, generándose

una acumulación de arena y limo. Los horizontes B (subsuelo) y C

(material perental parcialmente descompuesto), son los que contie-

nen la mayor parte de la materia inorgánica del suelo. El horizonte

B contiene depósitos de arcillas y minerales (aluminio, óxidos de

F 2. P . E ,

Horizonte O

Horizonte E

Horizonte A

Horizonte B

Horizonte C

Horizonte R

Estrato superficial: detritos orgánicos, hojas, materiaorgánica parcialmente descompuesta

Suelo superficial: materia orgánica parcialmentedescompuesta (humus), raíces, organismos vivos y minerales

Zona de lavado (infiltración): capa mineral que re-presenta lixiviación de minerales, arcillas y cationes,además de acumulación de partículas de arena y limo

Subsuelo: zona de acumulación: capa mineral dondese acumulan arcillas, óxidos de hierro y aluminio,compuestos húmicos y los cationes lixiviados delhorzonte A

Material parental parcilamente descompuesto (rego-lita): zona poco afectada por procesos pedogenéticos,compuesta por sedimentos y fragmentos de roca.

Presenta acumulación de sílice, carbonatos y yesoMaterial parental: capa compuesta por rocas y por lotanto difícil de penetrar, excepto por fracturas




aluminio y carbonato de calcio) que recibe de las capas más superfi-

ciales por efecto de escurrimientos; el horizonte C en su mayor parte,

es roca disgregada en forma de mezclas variables de arena, arcilla y

grava, que contiene un mínimo de material orgánico; este horizonte,

normalmente descansa sobre un lecho de roca (material parental)

denominado con la letra R, el cual no es considerado como suelo

(Miller 1994, Jaramillo 2001).

.. T M

El territorio mexicano abarca 1,953,162 km2 y está distribuido, casi porpartes iguales, a ambos lados del trópico de cáncer. El perímetro del

país es de 15,518 km, de los cuales 11,208 km son litorales y 4,310 km

fronteras. (INEGI 1997). Debido a la compleja historia geológica de la

superficie terrestre que México ocupa, y a los diferentes factores am-

bientales, fisiográficos, climáticos y biológicos, el país presenta una gran

diversidad de suelos.

La clasificación internacional de los suelos, de acuerdo al sistemaFAO/UNESCO/ISRIC de 1988, divide a los suelos en unidades o cate-

gorías de acuerdo a ciertas características generales, como su mor-

fología y composición, con énfasis en las propiedades que se pueden

ver, sentir o medir; por ejemplo, la profundidad, el color, la textura,

la estructura y la composición química; así como las características

de los horizontes, junto con el grosor, número y naturaleza de las

capas, entre otros factores (S 2004a). De acuerdo con estaclasificación de suelos, actualmente, existen 28 unidades principales y

153 subunidades. De estas 28 categorías reconocidas en el mundo, en

México se encuentran presentes 25, y 10 de ellas conforman el 74% de

la superficie nacional. Las tres categorías dominantes en el territorio,

en términos de superficie, son los Leptosoles, Regosoles y Calcisoles

(cuadro 1) (S 2004a).



El suelo 17

C 1. C M

FAO/UNESCO/ISRIC

* CIC: capacidad de intercambio catiónicoFuente: S 2004a.

C

Leptosoles

Regosoles

Calcisoles

Feozems

Vertisoles

Arenosoles

Cambisoles

Luvisoles

Gleysoles

Alisoles

OtrasTotal

C

Suelos muy delgados (espesor < 30 cm)

sobre roca dura

Suelos en formación a partir de material

consolidado (roca madre)

Suelos con alto contenido de calcio (CaCO3)Suelos saturados de bases, hasta 125 cm

Muy fértiles. Presentan una superficie oscura

Suelos con alto contenido de arcilla (> 35%)

hasta ˜50 cm

Suelos con alto contenido de arena hasta

˜125 cm

Suelos poco desarrollados de color claro,

presentan cambios de estructura o consisten-

cia por intemperización

Suelos con arcillas, saturados en bases (alta

CIC)*, en cualquier clima, excepto tropical

y subtropical

Suelos con saturación de agua permanente

Suelos con alto contenido de aluminio,

sólo se encuentran en climas tropicales y

subtropicales

S

km2

467,978 23.9

361,335 18.5

355,475 18.2

189,457 9.7

162,112 8.3

121,096 6.2

91,799 4.7

46,876 2.4

29,297 1.5

29,297 1.5

98,440 5.0 1,953,162 100.0



La contaminación de suelos 19

2. La contaminación de suelos por metales y metaloides

Desde tiempos remotos, los seres humanos han utilizado recursos

líticos para su desarrollo, fragmentos de rocas o minerales media-

namente trabajados como herramientas y armas; posteriormente,

con la evolución continua y el conocimiento de diversos procesos,

inventaron la metalurgia. Resumiendo los principales logros minero-metalúrgicos (y tecnológicos asociados) de la humanidad, pueden

incluirse varias eras: (i) piedra (Paleolítico, Mesolítico, Neolítico);

(ii) cobre (6000 a.C.); (iii) bronce (2500 a.C.); (iv) hierro (1000 a.C.);

(v) carbón (1600 d.C.); (vi) revolución industrial (1750-1850 d.C.);

(vii) petróleo (1850 d.C.); (viii) eléctrica (1875 d.C.) y (ix) atómica

(1945 d.C.).

Actualmente, el desarrollo de nuevas tecnologías de toda índoledepende de los elementos que se obtienen por actividades minero-

metalúrgicas o del reciclaje de otros materiales, ya que muchos de los

componentes de los nuevos equipos (computadoras, instrumentos ana-

líticos y teléfonos celulares, entre otros) están fabricados de metales

como el hierro, cobre, cadmio, oro, plomo, plata y otros elementos

como el silicio (Gocht et al . 1988).

Capítulo segundo




La excavación de minas, la remoción de minerales y el proceso y

la extracción de metales puede causar daños ambientales y, en casos

extremos, destruir el ecosistema; por ejemplo, se pueden dañar tierras

de cultivo, favorecer la erosión y contaminar cuerpos de agua con sales

solubles de elementos potencialmente tóxicos (EPT), como As, Se, Pb,

Cd y óxidos de S, entre otros. Asimismo, el material subterráneo puede

generar volúmenes de residuos hasta ocho veces superiores al original.

Por otro lado, las industrias especializadas en el proceso de metales

(siderurgias y metalúrgicas) pueden emitir partículas de dimensiones

micrométricas, que son fácilmente transportables por el viento a gran-

des distancias y causar problemas en la salud de poblaciones (Csuros

y Csuros 2002). Con base en lo anterior, en las siguientes secciones

se describen los principales procesos que generan la contaminación

de suelos por EPT y la situación particular de México en este sentido.

También se presenta la clasificación general de este tipo de elementos

(metales y metaloides), con base en sus propiedades y características.

2.1. P

El enriquecimiento de minerales consiste en su separación de la gan-

ga terrosa1 que los acompaña. Los procesos para su recuperación se

dividen en pirometalurgia (proceso en seco y a través de calor) e hi-

drometalurgia (proceso húmedo). Los primeros, incluyen operaciones

como calcinación, tostación, fusión, volatilización, electrólisis ígnea y

metalotermia; mientras los procesos hidrometalúrgicos abarcan ope-raciones como lixiviación, purificación y/o concentración y flotación/

1. Una mena está formada de dos partes: (i) el mineral, que es la especie de interés quese encuentra en estado sólido con una composición química definida y (ii) la ganga,que es la parte sin interés económico (UNAP 2004, http://www.unap.cl/museomin/basededatos/conceptos.htm).




precipitación. La flotación de minerales es el principal proceso para su

concentración y busca enriquecer las especies minerales útiles de una

mena mediante la eliminación de las especies o materiales sin valor;

es una de las técnicas más antiguas para la recuperación de metales,

superado únicamente por la fundición de yacimientos de alta ley (Sa-

lager 1992). Durante el proceso, diversos reactivos químicos, como

surfactantes catiónicos y xantatos, producen espumas que reducen la

tensión superficial haciendo flotar algunos minerales, cuyas superficies

son acondicionadas a formas hidrofóbicas.

Como en ningún proceso de concentración se logra una recuperación

de 100%, los desechos mineros (colas o jales) siempre contienen residuos

del mineral, permitiendo su eventual recuperación a futuro. Sin embargo,

era común que muchas empresas descartaran sus desechos en ríos o los

dispusieran en grandes pilas. La composición de estos residuos puede ser

muy diversa en su naturaleza química y mineralógica (Sánchez 1995).

El impacto de la minería sobre el ambiente y la salud se relaciona

con la composición del mineral, el tipo de explotación, el proceso de

beneficio, la escala de las operaciones y las características del entorno.La composición de los residuos puede variar de acuerdo con las con-

diciones particulares de cada mina (Gutiérrez 2003). En el cuadro 2 se

describen las fases del proceso minero y las afectaciones ambientales

de cada etapa, entre las que destacan la deforestación, la disposición

de residuos al aire, agua y suelo, daños a otros recursos naturales,

además de la generación de ruido, entre otros.

Los menores impactos ambientales entre las actividades mineras,se observan en los procesos de flotación simple con un agente espu-

mante; sin embargo, el impacto aumenta a medida que se incrementa

el uso de reactivos para favorecer la flotación, y es mucho mayor en

los procesos de lixiviación (Gutiérrez 2003).

Algunas otras fuentes, subestimadas, que generan la contaminación

por metales y metaloides son (Csuros y Csuros 2002):




C 2. I

E

Prospección

Exploración

Explotación

y beneficio

Fundición y refinación

D

Estudios de gravimetría, geología

superficial, densidad, etc.

Barrenación, obras y perforacio-

nes, construcción de caminos,

instalación de campamentos

Descapote: eliminación de suelo

y vegetaciónConstrucción y obras diversas

(tiros, socavones, patios de

depósito)

Alto consumo de agua

Acumulación de material sin

valor en terreros

Transporte del material con valor

hacia molinos

Extracción y concentración de

minerales

Reducción del tamaño del mine-

ral por trituración y molienda

Tratamientos previos a una

fusión primaria o electro-depo-

sitación

Obtención de metales y susaleaciones con el uso de hornos

industriales. Eliminación de

impurezas en los metales para al-

canzar una alta ley de contenido

I

Procedimientos que no generan

impactos ambientales

significativos

Destrucción de la vegetación

Destrucción de la capa del suelo

y la vegetaciónAfectación a cuerpos de agua

Generación de terreros inestables

Generación de jales o colas:*

residuos minerales sin valor

Escurrimientos y arrastres de

residuos

Oxidación de minerales insolu-

bles y formación de sustancias

solubles con alto contenido de

metales (drenaje ácido)

Descarga de lixiviados que con-

tienen iones metálicos y reactivos

tóxicos

La trituración y molienda pueden

provocar ruido, vibración y emisión

de polvo (efectos de bajo impacto)

Generación de aguas residuales,residuos peligrosos, emisiones a

la atmósfera

Fuente: Gutiérrez 2003, Gutiérrez y Moreno 1997.

* Residuos de los procesos de flotación que, generalmente, contienen metales en formas inso-lubles, sales básicas o ácidas y vestigios solubles de elementos derivados de la oxidación de jales,como As y Se, entre otros (Gutiérrez 2003).




. Drenaje pluvial: en muchas ocasiones el drenaje pluvial de las ciu-

dades puede contener muchos metales, dependiendo del tipo de

camino y material de construcción de los mismos, de la cantidad

de tráfico, planeación urbanística y uso de suelo.

. Descargas y drenajes industriales: actualmente en México, existe

normatividad que regula las descargas de industrias; sin embargo,

ciertas industrias pueden generar residuos con concentraciones

mayores de metales por las características de sus procesos.

. Drenaje doméstico: transporta metales desechados por el metabo-

lismo y lixiviados de los materiales de construcción de las tuberías

(Cu, Pb, Zn, Cd, Fe, Mn, Cr, Ni, Co, Bo y As). Los tratamientosconvencionales para aguas residuales, remueven hasta 50% de los

metales contenidos, dejando una carga considerable de metales

en el agua tratada, además de concentrar los metales removidos

en los lodos de tratamiento.

. Rellenos sanitarios: el lixiviado que se produce en los rellenos sa-

nitarios normalmente contiene metales como Cu, Zn, Pb y Hg.

. Quema de combustibles fósiles: es la principal fuente de metaleshacia la atmósfera y fuente potencial de contaminación de cuerpos

superficiales de agua.

2.2. L M

México es uno de los países de Latinoamérica que se encuentra

localizado en una región volcánica rica en minerales. La tradiciónminera en el país se remonta a la época prehispánica, con la explota-

ción de yacimientos ubicados principalmente en las zonas de Taxco,

Pachuca, Guanajuato y Querétaro. Dicha actividad adquirió una

gran relevancia económica y social hasta el periodo de la colonia,

convirtiéndose entonces en el motor del crecimiento económico

y modernización de la Corona española. La minería suministró




insumos a la industria de la construcción, metalurgia, siderurgia y

química por más de tres siglos, ayudando a generar infraestructura y

polos de desarrollo en el país. A nivel mundial, el auge de la minería

mexicana se tradujo en un importante flujo de metales preciosos,

especialmente plata, hacia los circuitos comerciales europeos. Ac-

tualmente, la posición de la minería dentro de las industrias de

sector primario es significativa aún cuando enfrenta problemas de

mercados deprimidos (C 1994, Gutiérrez 2003).

C 3. V (t) (Au, Ag, Pb, Cu, Zn, C, Fe, S, Barita, Fluorita), 1997

2002,

E 1997 1998 1999 2000 2001 2002

BC 15 18 36 70 16 0

Coah 4,068,705 4,177,409 2,694,646 4 103,969 3,701,755 3,432,254

Chih 237,907 253,308 220,347 251,914 213,517 195,584

Dgo 51,470 33,650 38,750 50,151 44,714 28,646

Gto 30,325 30,868 13,538 13,702 42,153 59,970

Gro 17,073 17,519 15,723 6,314 53,864 14,942

Hgo 84,486 84,612 106,139 112,337 94,647 94,647

Jal 733,057 882,141 999,192 828,645 162 118

Mex 24,636 29,926 24,323 36,629 39,321 35,928

Mich 1,569,537 1,372,208 1,683,628 1,826,415 1,718,480 951,238

Qro 7,660 3,886 7,689 152 1,900 12SLP 467,297 492,583 471,377 562,306 540,300 560,092

Sin 5,167 3,865 4,905 4,231 684 288

Son 492,097 382,448 415,408 357,075 318,819 293,475

Zac 189,042 190,311 155,696 165,609 179,611 258,290

Fuente: cuadro elaborado a partir de datos publicados en las series de estadísticasdel INEGI 2003.




La explotación minera en el país se realiza básicamente en dos

modalidades: (i) explotación y beneficio de metales (preciosos e indus-

triales) y (ii) explotación de piedras preciosas y minerales industriales,

como los ópalos y caolines, respectivamente. También es común laexplotación de rocas para la elaboración de artesanías y construcciones

(canteras y sillajes). En el cuadro 3 se muestra el volumen de la pro-

ducción, entre 1997 y 2002, de metales y minerales en los estados con

mayor rendimiento (Baja California, Coahuila, Chihuahua, Durango,

Guanajuato, Guerrero, Hidalgo, Jalisco, México, Michoacán, Querétaro,

San Luis Potosí, Sinaloa, Sonora y Zacatecas).

Entre los estados que destacan por su contribución con la produc-ción de metales y minerales siderúrgicos, se encuentran Coahuila,

Jalisco y Michoacán. En el cuadro 4 se describen los principales me-

tales y minerales que se extraen en las regiones mineras de México,

así como el número de distritos mineros y zonas mineralizadas en

cada estado.

El ejemplo más común de la contaminación de suelos por acti-

vidades mineras en México es la generada durante el beneficio deloro y la plata, realizado comúnmente por amalgamación con Hg y por

cianuración. En ninguno de los dos casos, es posible la recuperación

total de los compuestos y/o elementos adicionados, por lo que es co-

mún encontrarlos en los residuos del proceso (jales) en forma soluble.

Durante el proceso de cianuración, se incrementa el pH por la adición

de hidróxido de calcio; al generarse hidróxido de sodio (en el caso de

beneficio con plata) como producto de la reacción, también se formacianuro de sodio.

En México, la separación del mineral de los materiales sin valor

se lleva a cabo básicamente a través de dos métodos: la flotación y

la hidrometalurgia. Como se mencionó, los impactos ambientales

ocasionados por los métodos de flotación aumentan proporcional-

mente al incremento del uso de reactivos para favorecer el proceso.




Los EPT más comunes derivados de estos procesos, en el caso de

México, son Pb, Cd, Zn, As, Se y Hg (Gutiérrez y Moreno 1997,

Gutiérrez 2003).

Por otra parte, de acuerdo con la ubicación del yacimiento, la

minería en el país se realiza a cielo abierto (cuando los minerales se

encuentran en zonas más o menos superficiales) o bien, opera de forma

subterránea. Debido a lo anterior, los volúmenes de descapote varían

mucho, desde relaciones desperdicio/mineral de 1:1 hasta 6:1. En el

caso de minas no metálicas, como las de sal en Guerrero Negro o de

yeso en Baja California, existen diferencias notables con respecto a las

minas en las que se extraen metales. La peligrosidad de los residuos

generados en este tipo de minas se debe más a los grandes volúmenes

manejados y a su dispersión, que a la toxicidad de sus componentes

(Gutiérrez y Moreno 1997).

Otra fuente importante de contaminación por EPT en México es la

actividad industrial. Desde el inicio de la industrialización y hasta la

actualidad, este tipo de actividades genera diversos tipos de residuos

peligrosos que, ante la falta de una regulación jurídica adecuada quelos identificara como tales, se dispusieron en sitios inadecuados como

terrenos aledaños a las plantas industriales especialmente adquiridos

para ese propósito, patios de las propias instalaciones industriales o

bien, se depositaron indiscriminadamente en barrancas, ríos, basure-

ros, terrenos baldíos y cañadas, entre otros (S 2004b).

Durante 1995, la Procuraduría Federal de Protección al Ambien-

te (P), con ayuda de sus delegaciones estatales, comenzó laidentificación de los sitios abandonados contaminados con residuos

peligrosos a nivel nacional. En 1997, el listado preliminar nacional de

sitios abandonados contaminados con residuos peligrosos constaba

de 59 sitios en 16 entidades federativas; para 1999, se contaba con el

inventario correspondiente a 17 estados, en los cuales se localizaron

105 sitios sin responsable identificado (cuadro 5).




C 4 . N ú

. S

E

D

Z

B

C

1 0

4

C

o a h

1 1

5

C

h i h

3 5

3 2

D

g o

3 4

1 3

G

t o

8

4

G

r o

6

1 8

H

g o

3

1 5 r e g i o n e s m i n e r a s

J a l

1 5

2 ( 4

r e g i o n e s m i n e r a s )

M

e x

5

6 ( 7


M

i c h

1 1

1 9 ( 1 3 r e g i o n e s m i n e r a s )

Q

r o

1 3

2 ( 7


M

A u , A

g , P b , Z n , C u , W , M n , c u a r

z o , b a r i t a , ó n i x c a l c á r e o , c e n i z a v o l c á -

n i c a

p é t r e a , z e o l i t a , r o c a c a l i z a , m

a g n e t i t a

F e , C

r , S m , Z n , C u , A g , A u , M g , N a , b a r i t a , ó x i d o s d e P b y Z

n , g a l e n a ,

fl u o r

i t a , c u a r z o , p i r i t a , c a r b ó n , y e s o

A u , A

g , P b , Z n , C u , F e , m á r m o l ,

fl u o r i t a , y e s o , p i r i t a , m a l a q u i t a ,

ó x i d o s d e F e , c a o l í n

A u , A

g , P b , C u , Z n , c u a r z o , a n d e

s i t a s , p i z a r r a s , g r a n i t o , m á r m o l

A u , A

g , C u , P b , Z n , c u a r z o , c a l c i t a , c a l c o p i r i t a , p i r i t a , a r c i l l a s , c l o r i t a ,

g a l e n

a , g r a n i t o , s u l f u r o s

A u , A

g , P b , C u , Z n , F e , A l , C d , B

a , S n , W , C r , S b , c a l i z a , y e s o

, d o l o m i t a

A u , A

g , P b , C u , Z n , M n , c a l h i d r

a t a d a , b i t u m e n , m á r m o l , c a

l i z a , c a o -

l í n , p

ó m e z , c a r b ó n , a r e n a , s í l i c a

A u , A

g , P b , C u , Z n , M n , F e , S n , c a n t e r a , ó p a l o , d i a t o m i t a , c a

o l í n ,

g r a n i t o , b a r i t a , c a l i z a , y e s o , a r c i l l a , m á r m o l , f o s f o r i t a

A u , A

g , P b , C u , Z n , C d , c a n t e r a ,

g r a v a , a r e n a , c e n i z a v o l c á n i c a p é t r e a ,

t e p e t a t e , c a l i z a , s í l i c a

A u , A

g , C u , P b , M o , W , B a , F e , M

n , c a o l í n , c u a r z o

A g , P

b , Z n , A u , C u , s u l f u r o s , m á

r m o l , ó p a l o , c a n t e r a , c a o l í n

( C o n t i n ú a )




C 4 . N ú

. S

E

D

Z

S L P

1 3


S i n

1 3

1 3

S o n

2 0

1 0 + 1 r e g i ó n c a r b o n í f e r a

( 1 3 r e g i o n e s m i n e r a s )

Z

a c

1 4


M

F e , A

u , A g , Z n , C u , P b , H g , a r e n a , c a l i z a , c u a r z o , p i r i t a

A u , A

g , C u , P b , M o , F e , Z n , N i , C

o , P t , R u , I r , c u a r z o

A u , A

g , C u , F e , c a r b ó n

A u , A

g , C u , P b , Z n , F e , c a n t e r a

F

u e n t e : e l a

b o r a

d a a p a r t i r d e

d a t o s p u

b l i c a d o s e n

l a s s e r i e s M o n o g r á fi c a s g e o

l ó g i c o

- m i n e r a s

d e

l o s e s t a d o s

( C 1 9 9 2 ,

1 9 9 3 ,

1 9 9 4 ,

1 9 9 9 ) .




Los sitios inventariados, se encuentran catalogados por priorida-

des, con base en sus características (magnitud, tipo y concentración

de contaminantes) y niveles potenciales de afectación a la salud y al

ambiente (S 2004b):

Prioridad A. Sitios con alto nivel de afectación y riesgo a la salud

humana y al ecosistema en virtud de la presencia de los siguientes

factores: tamaño del sitio, ubicación, naturaleza y cantidad de residuos.

Son sitios que requieren de acciones urgentes y a corto plazo a fin de

minimizar y eliminar sus efectos.

Prioridad B. Sitios con afectación moderada debido a la presencia

de alguno de los factores como: tamaño, ubicación, naturaleza o canti-dad de residuos; requieren, a corto plazo, medidas de control que eviten

la dispersión de los contaminantes y el contacto con la población, a

fin de proceder a su restauración a mediano plazo.

Prioridad C. Sitios con un bajo nivel de afectación para la población

o el ambiente; requieren de un plan de seguimiento de las condiciones

presentes a fin de prevenir situaciones que pudieran incrementar el

grado de afectación.Algunos de estos sitios inventariados se encuentran contaminados

por más de un tipo de residuo. Los metales pesados ocupan el primer

lugar (61 sitios) entre los residuos peligrosos encontrados (cuadro 6).

A su vez, el Pb es el más común de los metales pesados, presentándose

en 23 de estos sitios. Los residuos biológico-infecciosos ocupan el

segundo lugar (17.6%) y las escorias el tercero (13.5%), destacando

las provenientes del sector del hierro y acero.Como puede verse, la contaminación de suelos por metales es

un problema persistente en muchos sitios del territorio. Dos de

los contaminantes más frecuentes en las zonas mineras del país

son el As y el Pb, además del Cd en algunas de ellas. Estos EPT,

comúnmente, se encuentran en residuos como jales mineros y

escorias de fundición, cuyo volumen supera las 80,000 ton (sola-




C 5. D

E T P

A B C

Baja California 2 2 0 0Coahuila 1 0 1 0

Chihuahua 2 2 0 0

México 17 6 7 4

Guanajuato 6 2 2 2

Hidalgo 12 4 5 3

Jalisco 3 2 1 0

Morelos 2 0 1 1

Nuevo León 5 1 3 1Puebla 2 0 2 0

Querétaro 16 0 2 14

San Luis Potosí 8 7 0 1

Sonora 2 1 1 0

Tamaulipas 3 2 0 1

Tlaxcala 3 0 0 3

Veracruz 12 5 3 4

Zacatecas 9 4 5 0

Total 105 38 33 34

Fuente: S 2004b.

mente en sitios registrados en los que se ha calculado el volumen)

(S 2004b).




C 6. P

T N

T

Metales (Cr, Pb, Hg, Zn), As, cianuro, baterías 61 35.9

automotrices gastadas

Biológico-infecciosos 30 17.6

Escorias de fundición (Pb, Cd, As) 23 13.5

Grasas, aceites gastados 19 11.2Solventes químicos 14 8.2

Químicos inorgánicos 12 7.1

Hidrocarburos 11 6.5

Fuente: S 2004b.

2.3. E

2.3.1. Propiedades de metales, metaloides y no metales

Los elementos de la tabla periódica se encuentran divididos por

una marcada línea, en metales (izquierda) y no metales (derecha).

La mayoría de los elementos que limitan con esta línea divisoria son

metaloides o semi-metales (figura 3). Los metales son sustancias con

características de brillo y que son buenos conductores de calor y elec-

tricidad; con excepción del mercurio, todos los metales son sólidos

a temperatura ambiente. Son más o menos maleables (formación

de láminas) y dúctiles (formación de alambres). La mayoría posee

propiedades de dureza, con excepción de los alcalinos, que son muy

suaves. Químicamente, estos tienden a perder electrones para formar

iones positivos (cationes) (figura 3) (Csuros y Csuros 2002).




Un no metal es un elemento que no exhibe las características de un

metal. La mayoría de los no metales son gases o sólidos. Los metaloides

o semi metales son elementos que presentan propiedades de ambos

grupos. En muchos aspectos, los metaloides se comportan como nometales, química y físicamente. Sin embargo, en su propiedad física

más importante, la conductividad eléctrica, se parecen a los metales.

Los metaloides tienden a ser semiconductores, pero conducen la elec-

tricidad en menor grado que los metales (Csuros y Csuros 2002). En

el cuadro 7 se muestran las diferencias entre las características de los

metales y no metales.

Aunque el término metal pesado es usado comúnmente en mate-

ria de contaminación ambiental, su uso en éste y otros contextos ha

causado confusión. Una de las definiciones más comunes se aplica a

metales con una densidad (gravedad específica) mayor a 5 g/cm3. Sin

embargo, dentro de esta clasificación también caen elementos (no

metales) con propiedades químicas muy diferentes, además de que

la gravedad específica no es significativa en cuanto a la reactividad,

toxicidad o ecotoxicidad de un metal. El término también se ha de-

F 3. L ,

+ electronegativo

- electronegativo

Metales

Metaloides

No metales

- metálico

+ metálico

+ oxidante

- oxidante

Metales No metales




C 7. P

M

Buenos conductores de electricidad

Dúctiles

Maleables y lustrosos

Sólidos

Puntos de fusión altos

Buenos conductores de calor

Reaccionan con ácidos

Forman óxidos básicos: reacción

con ácidos

Forman cationes

Forman haluros* iónicos

N

Malos conductores de electricidad

No dúctiles

No maleables

Sólidos, líquidos o gases

Puntos de fusión bajos

Malos conductores de calor

No reaccionan con ácidos

Forman óxidos ácidos: reacción con bases

Forman aniones

Forman haluros covalentes

Propiedades físicas

Propiedades químicas

* Formas mono-aniónicas (una carga negativa) de un átomo de un halógeno, espe-cíficamente fluoruro (F-), cloruro (Cl-), bromuro (Br-) y yoduro (I-).Fuente: Csuros y Csuros 2002.

finido con base en otras propiedades fisicoquímicas (peso y número

atómico, reacción con otros elementos) y toxicológicas, por lo que

resulta inconsistente. Otra clasificación más aceptada, se basa en la

acidez de Lewis y se enfoca en las propiedades químicas de los meta-

les, de manera que los metales pesados se clasifican como elementos

de clase A (duros), clase B (suaves) y de frontera. Esta clasificación

se basa en la forma en la que se unen los metales en sus complejos y

determina las posibilidades para la formación de los mismos (figura

4) (Duffus 2001).




F 4. M A (), B ()

( ). E B

, Cu(I) Cu(II)

Pb(II) Pb(IV), . E A

, Fe(III) Fe(II)

Los iones de clase A normalmente forman complejos con ligandos

similares que no se polarizan y las uniones más comunes en estos

complejos son iónicas. Los metales clase B se unen preferencialmente a

ligandos suaves polarizables para dar uniones más covalentes (Duffus2001, Csuros y Csuros 2002).

2.3.2. Efectos de EPT sobre algunas funciones biológicas

Para que un ión de alguno(s) de los elementos arriba mencionados

tenga un efecto fisiológico o tóxico sobre un organismo, primero debe

entrar a la célula. Los cationes metálicos divalentes (Mn2+, Fe2+, Co2+,Ni2+, Cu2+ y Zn2+) son estructuralmente muy similares entre sí; todos

ellos tienen diámetros iónicos entre 138 y 160 pm y una doble carga

positiva. De esta manera, por su semejanza estructural, ciertos cationes

metálicos divalentes pueden desplazar a otros con funciones fisioló-

Clase A

Clase B

Frontera




gicas importantes en la célula. Por ejemplo, si el Zn2+ es reemplazado

por Ni2+, o el Be2+ por Mg2+ en enzimas, éstas se desactivan y pierden

su función. La sustitución de Ca2+ por otros metales en proteínas de

la membrana provoca desórdenes funcionales (Nies 1999).

Los cationes de varios metales (Ca, Fe, Cu, Na, K, Mg, Zn, Mn y

Cr) juegan un papel importante como elementos traza en reacciones

bioquímicas y en el metabolismo humano. Otros elementos, como Al,

Si, As y Ni también se encuentran en el cuerpo, pero su función exac-

ta no se ha determinado. Ciertos metales funcionan como “venenos”

metabólicos, ya que pueden reaccionar e inhibir una serie de sistemas

enzimáticos; algunos iones de estos elementos (Hg2+, Cd2+ y Ag+)forman complejos tóxicos inespecíficos en la célula, lo que produce

efectos tóxicos para cualquier función biológica. Elementos como el

Hg, As, Sn, Tl y Pb, pueden formar iones órgano-metálicos liposolu-

bles capaces de penetrar membranas y acumularse en las células. Aun,

elementos sin propiedades tóxicas en baja concentración, como Zn2+

o Ni2+ y, especialmente Cu2+, son tóxicos en concentraciones mayores

(Nies 1999, Csuros y Csuros 2002).En relación con lo anterior, cationes tri- o tetra-valentes de otros

metales (Sn, Ce, Ga, Zr y ), debido a su baja solubilidad, no poseen

influencia biológica. Del resto de los metales, el Fe, Mo y Mn son ele-

mentos traza importantes con baja toxicidad; el Zn, Ni, Cu, V, Co, W y

Cr son tóxicos con importancia biológica moderada; y elementos como

As, Ag, Sb, Cd, Hg, Pb y U, no tienen importancia biológica significativa

como elementos traza y se consideran tóxicos (Nies 1999).Como puede verse, algunos metales no implican peligro para los

sistemas biológicos; en cambio, algunos no metales y metaloides, como

el Se y el As, respectivamente, son potencialmente tóxicos, dependien-

do de su concentración. Por esta razón, un término más adecuado,

y por lo tanto adoptado en el presente documento, para denominar

a los elementos de importancia ambiental y/o toxicológica es el de




elementos potencialmente tóxicos (EPT). En el Anexo se describe

brevemente la forma química, especiación y funciones biológicas de

algunos de los EPT de mayor importancia ambiental (As, Be, Cd, Cu,

Cr, Hg, Pb, Se, Tl, V y Zn), que se encuentran regulados en México y

comúnmente presentes en sitios contaminados.

Es importante mencionar que si este tipo de elementos se en-

cuentran biodisponibles y se movilizan hacia poblaciones cercanas,

pueden ocasionar problemas de intoxicación. En este sentido, la

forma química de un elemento, tiene influencia directa en su solu-

bilidad, movilidad y toxicidad en el suelo; ésta, a su vez, depende

de la fuente de contaminación y de la química del suelo en el sitio

contaminado (Nies 1999). De esta manera, para poder evaluar la

utilización de una alternativa de remediación para un sitio en par-

ticular, es indispensable llevar a cabo la caracterización del sitio con

el objeto de determinar el tipo y concentración del (los) contami-

nante(s) presente(s). En la siguiente sección, se presentan y describen

algunas de las consideraciones más importantes para llevar a cabo

la caracterización de un sitio contaminado.



Muestreo y caracterización de un sitio 37

3. Muestreo y caracterización de un sitio

Para el buen desarrollo de una investigación, así como para la ob-tención de resultados confiables a partir de un diseño experimentalpara la remediación de un suelo contaminado, es necesario, en primerlugar, llevar a cabo su caracterización. La caracterización de un sitio,

implica actividades de muestreo y análisis que tienen como finalidaddeterminar la extensión y naturaleza de la contaminación; asimismo,provee las bases para adquirir la información técnica necesaria paradesarrollar, proyectar, analizar y seleccionar las técnicas de limpiezamás apropiadas. La caracterización se realiza en etapas y, debido a quesu principal objetivo es la toma de decisiones basadas en informaciónexistente, el primer paso es definir los objetivos del estudio (sección

3.1). La mayoría de las metodologías de caracterización incluye lassiguientes etapas (US EPA 1991, Álvarez-Manilla et al . 2002):

i Determinación de las condiciones del sitio antes de la conta-minación.

ii Definición de la magnitud y tipo de contaminación.iii Muestreo.

iv Análisis físicos y químicos.

Capítulo tercero




v Elaboración de cartas y/o mapas con ayuda de sistemas de infor-mación geográfica.

Para cualquier investigación relativa a la remediación de un sitio esimportante definir, tanto como sea posible, el perfil horizontal y vertical delcontaminante. La información completa acerca del alcance y diversidad dela contaminación en el sitio es crítica para la selección de una tecnología detratamiento. La obtención de esta información generalmente requiere dela toma de muestras y de la determinación de sus características físicas y químicas (Van Deurenet al.2002). El muestreo es el primer paso a efectuar

para realizar un análisis de suelos y es la actividad por medio de la cual setoman partes representativas de un todo llamado población, con el objetode conocer la población total a partir del estudio de las características decada una de esas partes (Valencia y Hernández 2002).

3.1. O

El objetivo principal de cualquier operación de muestreo es colectarmuestras representativas del medio que se está investigando. Másespecíficamente, el propósito del muestreo en un sitio contaminado esadquirir información que ayude a determinar la presencia e identidadde los contaminantes presentes y el grado en el que estos podríanentrar en el ambiente circundante (Ford et al . 1984). El muestreo deun suelo se diseña y conduce para cumplir con uno o varios de los

siguientes objetivos (Barth et al. 1989):

. Determinar el riesgo a la salud humana y/o al ambiente debido ala contaminación del suelo por contaminantes específicos.

. Determinar la presencia y concentración de contaminantes espe-cíficos, con respecto a niveles de fondo (concentraciones naturalesen el sitio).




. Determinar la concentración de contaminantes y su distribuciónespacial y temporal.

. Medir la eficiencia de acciones de control o de limpieza (reme-

diación).. Obtener mediciones para validación o uso de modelos de trans-

porte y deposición de contaminantes en el suelo.. Determinar el riesgo potencial a la flora y fauna por contaminantes

específicos.. Identificar fuentes de contaminación, mecanismos o rutas de

transporte y receptores potenciales.

3.2. T

El muestreo representativo juega un papel muy importante en la calidady la utilidad de los datos analíticos. El muestreo representativo debe teneraltos niveles de precisión y exactitud, que garanticen que una muestrao grupo de muestras sea representativa y proporcione con precisión las

características del sitio, además de que los resultados sean reproduci-bles. La exactitud se refiere a la aproximación del valor del análisis desuelo con respecto al contenido real en campo, y la precisión describela posibilidad de reproducir de los resultados. Ambos parámetros estándeterminados por el número de muestras tomadas en el campo. A me-dida que se incrementa el número de muestras, aumenta la exactitudy la precisión (Mason 1992). El diseño de un muestreo puede ser (i)

a juicio (no probabilístico) o bien, (ii) aleatorio simple, estratificado osistemático (probabilístico) (Valencia y Hernández 2002).

3.2.1. Muestreo a juicio

Un muestreo selectivo o a juicio se presenta cuando los elementos sonseleccionados mediante un criterio personal y generalmente lo realiza




un experto. En zonas heterogéneas de pequeña extensión se puedenescoger puntos con base en diferencias típicas, como cambios notoriosen relieve, textura, color superficial, vegetación, etc. En los estudios

ambientales, el muestreo selectivo, a menudo, constituye la base de unainvestigación exploratoria. Sus principales ventajas son la facilidad derealización y sus bajos costos, además de que se puede llevar a caboen zonas heterogéneas como en zonas homogéneas (Mason 1992).

3.2.2. Muestreo aleatorio simple

Este tipo de muestreo (figura 5a) se emplea en casos en los que sedispone de poca información acerca de las características de la po-blación a medir; se basa en la teoría de probabilidades y siempre re-quiere de un análisis estadístico. Este tipo de muestreo permite todaslas combinaciones posibles de unidades de muestras a seleccionar.Los puntos de muestreo se ubican en un plano cartesiano (X

i,Y

j), en

donde cada punto de la población tiene la misma probabilidad de

ser seleccionado. El medio más común para minimizar la desviaciónestándar en esta selección es asignarle un número a cada unidad depoblación y extraer unidades de muestras de una tabla de númerosaleatorios (Mason 1992).

Este tipo de muestreo es recomendable para áreas homogéneasmenores a cinco hectáreas, delimitadas por referencias visibles a lolargo y ancho de toda la zona (Valencia y Hernández 2002).

3.2.3. Muestreo aleatorio estratificado

En este tipo de muestreo (figura 5b), la población en estudio se sub-divide en estratos o subgrupos que tienen cierta homogeneidad en elterreno y en cada estrato se realiza un muestreo aleatorio simple. Elrequisito principal para aplicar este método de muestreo es el cono-




F 5. T : ) ;) ; ) ;

)

Fuente: Mason 1992.

cimiento previo de información que permita subdividir la población.Por ejemplo, la división se puede realizar con base en la topografía,los horizontes del suelo, la mancha del contaminante, los cambios

de color en el suelo, el crecimiento irregular de las plantas, etc. Estogarantiza que los puntos de muestreo se encuentren repartidos másuniformemente en toda la zona, en función al tamaño del estrato y permite además conocer de forma independiente las característicasparticulares de cada estrato. Es recomendable para áreas mayores dediez hectáreas y cuando el terreno no es homogéneo (Mason 1992,Valencia y Hernández 2002).

3.2.4. Muestreo sistemático

El muestreo sistemático es una herramienta que puede utilizarse parareducir la variabilidad de la muestras. Este método consiste en ubicarlas muestras en un patrón regular en toda la zona de estudio (figura5); puede realizarse a partir de un punto determinado al azar, a partir

a b c d




del cual se establece cierta distancia para ubicar los demás puntos (adistancias uniformes entre sí). Este tipo de muestreo puede realizarsepor rejilla rectangular o polar (figura 5c y 5d) (Mason 1992). Puede lle-

varse a cabo en superficies de cualquier tamaño, dado que las muestraspueden ubicarse de acuerdo con las dimensiones y forma del terreno,es decir, la distancia equidistante entre los puntos de muestreo puedenser de unos centímetros, metros o hasta kilómetros, lo cual depende deltipo de estudio que se esté realizando (Valencia y Hernández 2002).

3.3. M

Una muestra puede definirse como una parte representativa de unmedio que se está investigando. Sin embargo, representatividad es untérmino relativo que debe considerarse con cuidado, junto con otroscriterios, antes de la obtención de muestras. Entre los criterios másimportantes se incluyen (Ford et al . 1984):

. Representatividad. Una muestra posee las mismas característicaso propiedades que el material en estudio. El grado de semejanzaentre las muestras y el material en estudio se determina por lascaracterísticas a estudiar y por las técnicas analíticas usadas.

. Tamaño de muestra. Se debe seleccionar cuidadosamente, conbase en las propiedades físicas de la matriz y los requerimientosy/o limitaciones del muestreo y las técnicas de análisis.

. Número y/o frecuencia del submuestreo. Estas consideracionesdeben basarse en el tipo de información estadística que se desea y en la naturaleza del material a colectar.

. Mantenimiento de la integridad de las muestras. La muestra debeconservar las propiedades de las condiciones originales en el sitio(al tiempo del muestreo), durante la colección, transporte y entregaal analista.




La importancia de obtener muestras representativas en campo,a través de las metodologías mencionadas anteriormente, así comoconservar su integridad durante los procedimientos analíticos, es

fundamental para la generación de datos significativos. La inherenteheterogeneidad de los suelos representa un reto particular para elpersonal responsable de un muestreo; es un factor que debe conside-rarse durante la planeación de un muestreo, ya que incide en diversosaspectos: (i) en la manera en la que el analista debe tomar submuestrasen el laboratorio; (ii) en la interpretación de datos y (iii) en la decisiónacerca de las acciones a seguir para la remediación de un sitio. Desafor-

tunadamente, la completa homogeneidad de un material particulado,como el suelo, no es posible debido a diversos factores. Sin embargo,el grado de heterogeneidad de un suelo y su efecto en el muestreo am-biental puede minimizarse. La industria minera desarrolló métodos quehan servido como guías para el muestreo y sub-muestreo de un suelocontaminado. Las teorías de muestreo de Pierre Gy,1 son herramientasútiles aplicables al muestreo de una matriz compleja contaminada. El uso

de las prácticas sugeridas por dicho autor dan como resultado muestrasmás representativas del sitio y datos de mayor calidad (US EPA 1999,Gerlach y Nocerino 2003).

La incertidumbre asociada al muestreo es producto de la muestra(características físicas y químicas) y del proceso de muestreo (asociadaa problemas estadísticos y a las técnicas de muestreo). La teoría de Gy incluye siete tipos de error de muestreo y proporciona técnicas demos-

tradas para su minimización (cuadro 8) (US EPA 1999, Gy 1992).

1. Las teorías de muestreo de Pierre Gy, aplicadas con gran eficiencia en la industria mineradesde 1953 se basan, en parte, en el trabajo de especialistas en muestreo, incluyendo a D.W. Brunton (1894 y 1895). Brunton demostró que existe una relación entre el tamaño deuna partícula y el peso de una muestra, que puede usarse como una estimación confiablede la concentración de metales preciosos en un mineral (Mason 1992).




C 8. T

T

Fundamental

Segregación y

agrupación

Heterogeneidadde largo alcanceHeterogeneidadperiódicaDelimitación de

incrementosExtracción deincrementos

Preparación

C

Pérdida de precisión en la mues-tra, debido a su composiciónfísica y química (por ejemplo,distribución de tamaño departícula).Se debe a la distribución no al

azar de partículas, usualmentepor efecto de la gravedad.

Error espacial fluctuante y no alazar.Error de fluctuación temporal oespacial.Diseño de muestreo inapropiadoy/o mala selección de equipo.El procedimiento de muestreofalla en cuanto a la extracciónprecisa del incremento propuesto.Se debe a pérdidas, contami-nación y/o alteración de unamuestra.

F

Disminución del diámetrode las partículas más grandeso aumento de la masa de lamuestra.

Preparación al azar de mues-

tras compuestas u homoge-neización y fraccionamientode la muestra.Toma de muchos incrementospara formar una muestra.*Generación correcta de mues-tras compuestas.Diseño del muestreo y selec-

ción apropiada de equipo.Indispensable contar con pro-tocolos adecuados y equipode muestreo bien diseñado.Existen técnicas de campoy laboratorio para evitar elproblema.

* Un incremento es un grupo de partículas o material físicamente extraído de una muestra,mediante una operación simple, con el uso de un instrumento de muestreo. La muestra (osubmuestra) está constituida por la unión de muchos incrementos (N ≥ 30) tomados al azarde la muestra completa (Gerlach y Nocerino 2003).




3.4. P

No existen reglas generales para realizar un muestreo de suelos,

puesto que cada sitio requiere de un muestreo en particular. Poresto, es importante realizar un esquema de muestreo para cada sitio,el cual consiste en la ubicación óptima de los puntos de muestreo y debe de ser lo suficientemente flexible para permitir ajustes durantelas actividades en campo. Por ejemplo, la falta de acceso a los sitios demuestreo preseleccionados, las formaciones de subsuelo no previstaso las condiciones climáticas, pueden demandar ajustes importantes

en los planes de muestreo (Valencia y Hernández 2002).Durante el diseño de un plan de muestreo para un suelo con-

taminado es importante considerar que las características físicasy químicas del sistema inciden en la transformación, retención y movimiento de los contaminantes a través del suelo. El contenidode arcilla, materia orgánica, la textura, la permeabilidad, el pH, elpotencial redox (E

h) y la capacidad de intercambio catiónico (CIC)

del suelo, afectan la velocidad de migración y la forma química delcontaminante (Mason 1992).

El primer paso al planear la actividad de muestreo de un sitio con-taminado es definir los objetivos, los cuales, en un muestreo ambiental,se dividen principalmente en metas exploratorias y de monitoreo.El muestreo exploratorio está diseñado para obtener informaciónpreliminar respecto del sitio, mientras que el muestreo de monitoreo,

generalmente, tiene como fin adquirir información acerca de la varia-ción de concentraciones de parámetros específicos durante un lapsodeterminado o dentro de un área geográfica específica. Un plan demuestreo de monitoreo normalmente es más eficaz si va precedidodel muestreo exploratorio o si existe información histórica sobre elparámetro de interés en el sitio (Mason 1992). Los objetivos específicosde cada plan de muestreo para un sitio contaminado se deben definir




clara y cuidadosamente antes de empezar el muestreo. Los objetivosprincipales de un muestreo incluyen:

. Identificar el grado general de contaminación en el suelo, agua,entre otros, así como el impacto potencial para la salud y elambiente.

. Obtener suficiente información para estimar los posibles riesgos (ala salud y al ambiente) debidos al tipo de contaminante.

. Determinar si se requieren medidas de remediación o mitigaciónen el contexto del uso actual o futuro del sitio.

. El muestreo, además, busca: (i) determinar niveles de fondo (enel caso de metales y metaloides); (ii) delimitar la distribución decontaminantes; (iii) estimar la variabilidad en las característicasdel suelo y (iv) el monitoreo del sitio.

3.4.1. Factores a considerar

Entre los factores más importantes que deben considerarse durante laelaboración o diseño de un plan de muestreo se encuentran los siguien-tes (Csuros y Csuros 2002):

Plan de muestreo. Todo el personal involucrado debe conocer elplan del muestreo. Es también de suma importancia capturar en campotoda la información descrita en él.

Parámetros de interés a evaluar . El interés de la investigación

orientará el plan de muestreo. Entre los parámetros a evaluar puedenincluirse las concentraciones de los contaminantes y sus niveles defondo, el estado de erosión o fertilidad del suelo, entre otros.

Identificación del sitio. Dependiendo del interés de la investigación,se identifica y delimita el sitio de interés. En el caso de evaluar nivelesde contaminación, se debe considerar la migración de contaminantesa través de los diferentes horizontes del suelo.




Duración del estudio y frecuencia del muestreo. La duración delestudio y la frecuencia del muestreo, son factores definidos por elinvestigador, tomando en cuenta los cambios de clima en las distintas

estaciones del año, o la temporada (siembra, cosecha o limpieza), encaso de ser un suelo agrícola.

Tipo de matriz a muestrear . En el caso del muestreo de suelos, lamatriz es sólida; sin embargo, su consistencia y permeabilidad puedencambiar dependiendo de la cantidad de materia orgánica, arena, limoy arcilla que contenga, por lo que la distribución de contaminantes esdiferente en cada caso.

Número de muestras. Definida por el investigador, de acuerdo conalgoritmos estadísticos, accesibilidad a la zonas de interés, capacidadanalítica y económica. Es importante que antes de tomar una muestra,se remueva de la superficie la basura, pasto, piedras y hojas.

Tipo de muestra. En función de la información que se requiere, lasmuestras pueden ser simples o compuestas y, pueden pertenecer a unestrato superficial o profundo (sección 3.5). En cualquier caso, todas

las muestras deben ser representativas del área contaminada. Muestras control o testigo. Estas muestras pueden tomarse alejadas

del sitio en estudio, pero deben tener las mismas características delsuelo de interés (origen, granulometría, etc.).

Colección de muestras. La muestra se debe colectar mediante eluso de equipo apropiado y limpio. Es importante que antes de latoma de cada muestra, los instrumentos de muestreo y guantes se

limpien o reemplacen. Las muestras deben colectarse en los reci-pientes adecuados de acuerdo al tipo de análisis y deben etiquetarseinmediatamente.

Mediciones en campo. Algunas mediciones pueden realizarse en elsitio, directamente en el suelo o en soluciones del mismo, por lo quees recomendable considerar el equipo necesario. Estas mediciones, engeneral, proporcionan información cualitativa de algunas condiciones




del suelo, como pH, materia orgánica, sulfatos, carbonatos y cloruros,entre otros.

Conservación de muestras. Las muestras colectadas deben guar-

darse en un lugar oscuro y fresco hasta su ingreso al laboratorio.La mayoría de las muestras tomadas para evaluar contaminantestienen un tiempo de caducidad. Cuando los análisis químicos sonrealizados después de este tiempo, los resultados tiene menor con-fiabilidad; en algunos casos, el tiempo de caducidad puede exten-derse a través de la adición de sustancias químicas o conservandola muestra en refrigeración, en caso de evaluar contaminantes

volátiles.

3.4.2. Materiales e instrumentos para el muestreo

Los instrumentos de muestreo adecuados son esenciales para rea-lizar un buen muestreo y para las buenas prácticas de laboratorio.Pierre Gy recomienda cucharones y espátulas planos con lados

paralelos, para evitar el muestreo preferencial de partículas grue-sas. Adicionalmente, debe considerarse y evitar la introducción deerrores en el laboratorio, debidos a un mal diseño de cortadoresde rifle, espátulas y otras herramientas usadas en la preparaciónde sub-muestras para análisis (US EPA 1999, Gy 1992). A con-tinuación se mencionan criterios generales para la selección deherramientas, así como ejemplos de algunos materiales comunes

para el muestreo.

a) Entre los principales criterios a considerar para la selección de he-rramientas adecuadas de muestreo, se encuentran los siguientes:. Tamaño de muestra necesaria para los análisis requeridos, con

base en la(s) característica(s) o propiedad(es) de interés (sección3.5, cuadro 9).




F 6. I :) ; ) “T”; ) ; )

. Tipo de suelo (arenoso, arcilloso, etc.) y condiciones de humedad.

. Profundidad máxima a la que se va a tomar la muestra (sección3.5, cuadro 10).

. Accesibilidad al sitio de muestreo.

. Requerimientos del personal para su manejo.b) Instrumentos para la toma de muestras. La selección de instrumen-

tos adecuados es esencial para un buen muestreo y para un buenanálisis de laboratorio. Para el caso de suelos contaminados conmetales, los utensilios para el muestreo deben ser de plástico, teflóno acero inoxidable; entre los más comunes se encuentran: palas

rectas y curvas, picos, barrenas y barretas, nucleadores, espátulas,navajas y martillo de geólogo (figura 6).

c) Material de apoyo. Como material de apoyo durante un muestreo,es importante incluir: cartas topográficas, edafológicas, climáticasy geológicas, un plano cartográfico del sitio y mapas de carreteras.Adicionalmente, es recomendable incluir una libreta para anota-ciones, una cámara fotográfica y la cadena de custodia para lasmuestras.

a b c d




d) Material para la orientación y ubicación de los puntos de muestreoy para medir la zona.. Sistema global de posicionamiento (GPS)

. Lisímetro

. Cinta métrica

. Estacase) Material para guardar y transportar muestras. El material a em-

plear debe ser compatible con el material a muestrear, deber serresistente a la ruptura y evitar reacciones químicas con la muestray/o pérdidas por evaporación. El volumen del contenedor debe

ser aproximadamente el mismo de la muestra, con la finalidad deminimizar el espacio vacío. Algunos de los materiales que puedenutilizarse para la colección de muestras son:. Frascos de vidrio (boca ancha y angosta): compuestos semi-vo-

látiles, pesticidas y metales. Viales de vidrio: compuestos volátiles.. Contenedores de polietileno: conductividad.

f) Conservación de muestras. Los recipientes en los que se colec-taron las muestras deben sellarse adecuadamente. En general, esrecomendable evitar en lo posible el uso de agentes químicos paraconservar muestras de suelo. Para su conservación es convenientemantenerlas en lugares frescos (4 a 6 °C) y oscuros.

g) Material de seguridad y limpieza. Deben incluirse guantes de látex,agua desionizada, lentes de seguridad, toallas de papel, mascarilla

para polvos y franelas.h) Material para etiquetar y marcar las muestras:

. Etiquetas adheribles

. Marcador indeleble

. Cinta adhesiva

. Bolígrafos




3.5. C

Además de la selección de un diseño muestreo, es importante estable-

cer desde el inicio del plan de muestreo, la profundidad a la cual se vaa tomar la muestra (muestreo superficial o vertical), así como el tipo demuestra (simples o compuestas) y cantidad de muestra a colectar.

3.5.1. Tipos de muestras

Simples. Las muestras colectadas en un tiempo y en un lugar particular

son llamadas muestras simples. Este tipo de muestras representa lascondiciones puntuales de una muestra de la población en el tiempo quefue colectado. Una muestra simple se puede considerar representativacuando la composición de los contaminantes en un suelo es estable,es decir, no varia con el tiempo (Csuros y Csuros 2002).

Compuestas. Se le denomina muestra compuesta a aquellasmuestras que son el producto de la mezcla de muestras individuales

o submuestras, es decir, el resultado de la muestra compuesta es unpromedio de la composición de muestras simples. Cada submuestra,que conforma la muestra compuesta, debe ser del mismo volumeny representar el mismo horizonte del suelo muestreado, por lo quesolo deben mezclarse muestras obtenidas de la misma profundidady mediante el mismo diseño de muestreo, documentando el origeny tamaño de cada una. Las sub-muestras deben mezclarse en reci-

pientes de acero inoxidable o de plástico (dependiendo del tipo decontaminante) en campo y posteriormente se debe realizar el proce-dimiento de cuarteo. La preparación de muestras compuestas puededisminuir costos y tiempos en los análisis, debido a que el númerode análisis fisicoquímicos y/o mineralógicos se reduce (Valencia y Hernández 2002).




C 9. C

A M ()

Caracterización química: carbono orgánico, pH, CIC, Eh, Ca, 500 g

Mg, N, P y K

Caracterización física: textura, densidad 500-2,000 g

Contaminantes inorgánicos: principalmente metales 150 g

Microbiológico (bacterias y hongos) 100 g

3.5.2. Tamaño de una muestra

La teoría de Gy para el “muestreo de materiales particulados” proporciona

las bases para extraer una muestra a partir de un material y ayuda a definirel tamaño necesario para caracterizar un material como el suelo. La teoría

relaciona directamente el tamaño de partícula de un material con el tama-

ño de la muestra a tomar para una unidad a evaluar, de tal manera que la

cantidad de material necesario para el análisis de parámetros específicos

puede determinarse a través de conceptos desarrollados en la misma (US

EPA 1999, Mason 1992, Gerlach y Nocerino 2003).

El número total de muestras para determinar en un estudio am-biental depende directamente de: (i) el tipo de estudio; (ii) el tamaño

del sitio a muestrear; (iii) el diseño de muestreo seleccionado; (iv) el

tipo de muestras (simples o compuestas); (v) la exactitud y la precisión

requerida, y (vi) los recursos económicos disponibles. Asimismo, la

cantidad de suelo a colectar por cada muestra está determinada por el

tipo y número de parámetros a analizar. En el cuadro 9 se muestran

las cantidades de muestra requerida para cada tipo de análisis.




Un muestreo correcto implica la minimización de los efectos detodos los errores de muestreo que pueden controlarse a través detécnicas de muestreo. Esto incluye todos los errores mencionados

en la sección 3.3, excepto la varianza relativa del error fundamental,la cual solo puede reducirse incrementando la masa de la muestra oreduciendo el tamaño de partícula mediante trituración o molienda(Gerlach y Nocerino 2003).

3.5.2. Profundidad de muestras

La profundidad de un muestreo depende directamente del objetivodel mismo, es decir, si está diseñado para determinar afectaciones a lasalud o ambientales (cuadro 10). Las propiedades físicas del suelo, sutamaño de partícula, cohesión, humedad, y factores como la profun-didad del lecho rocoso y del manto freático, limitarán la profundidada la que las muestras pueden tomarse, así como el método para surecolección (Ford et al . 1984).

C 10. P

O P

Riesgo de contaminación en acuíferos Por horizontesRiesgo a la salud 0-10 cmAfectación a microorganismos del suelo Horizonte AFertilidad Espacio radicular (0-30 cm)Lixiviación Por horizontes




Existen dos porciones de suelo que son importantes para unmuestreo ambiental: (i) la capa superficial (0-15 cm), que refleja ladeposición de contaminantes transportados por aire o depositados

recientemente; y (ii) la capa sub-superficial, en donde pueden en-contrarse contaminantes depositados por derrames de líquidos o porentierros y que pueden encontrarse a profundidades considerables(Mason 1992). Los métodos de muestreo de cada porción de sueloson ligeramente diferentes y se describen a continuación.

Muestreo superficial. Generalmente se realiza para estudios de eva-luación de riesgos a la salud humana, las muestras se toman a una

profundidad de 0 a 10 cm. El muestreo superficial busca determinarla concentración de contaminantes depositados recientemente en elsuelo y que no tienden a migrar verticalmente bajo la superficie. Losinstrumentos más comunes son espátulas, palas rectas y cucharones(Csuros y Csuros 2002).

Muestreo vertical o profundo. Generalmente se realiza para estudiosde clasificación de suelos de acuerdo a sus perfiles verticales, es decir,

requiere excavación. También se emplea para determinar la migra-ción de un contaminante, especialmente cuando estos son solubles y pueden migrar a través del suelo. Las muestras son tomadas desde lasuperficie hasta donde termina la migración del contaminante. Losinstrumentos que generalmente se utilizan para realizar este tipo demuestreo son nucleadores, barrenas, palas curvas y palancas “T”(Csuros y Csuros 2002).

3.6. E

A continuación se presentan, de forma esquemática, dos ejemplos deun muestreo de suelos, con la finalidad de que el lector identifique,de manera más clara, las implicaciones y consideraciones que puedetener un plan de muestreo.




Ejemplo 1. Una empresa localizada en el punto cero (figura 7),necesita detectar una posible contaminación por Pb debida a las emi-siones de su chimenea, por lo que necesita saber la concentración de

Pb en el suelo que rodea a la empresa. Como se trata de una fuentefija, se puede realizar un muestreo sistemático polar y, debido a quela deposición del contaminante se realiza a través del viento, es con- veniente tomar muestras simples superficiales. Es importante ubicarcada punto de muestreo mediante coordenadas geográficas en unplano cartográfico de la zona para evitar que alguno caiga en lugaresde difícil acceso o, en su caso, se deberá modificar su ubicación. Los

puntos ubicados dentro de la ciudad tienen alta probabilidad de caeren zonas inaccesibles; en tal caso se deben elegir parques, terrenosbaldíos, etc. cercanos. Por esta razón, en la realidad, los muestreossistemáticos no necesariamente tienen forman simétrica.

En este tipo de estudios es recomendable ubicar una o varias mues-tras testigo fuera de la zona delimitada por el estudio, con la finalidadde determinar el valor de fondo “natural” del elemento o sustancia

contaminante. Este valor es muy importante para comprobar la con-tribución antropogénica del contaminante en el sitio.

F 7. M ( )

Ciudad

2

N

0 5 15 25 40 km




Ejemplo 2. Se busca determinar concentraciones históricas de con-taminantes en un suelo. Para este tipo de estudio se debe realizar unaexcavación del suelo, para lo cual se plantea un muestreo sistemático

en el sitio (puntos 1, 2, 3 y 4), que consiste en la toma de muestrascompuestas a diferentes profundidades (A, B y C) (figura 8): (i) con unnucleador se toman estratos del suelo a diferentes profundidades encada punto del terreno; (ii) las muestras 1A...4A, 1B…4B y 1C…4C semezclan por separado en contenedores homogeneizando la muestra;(iii) ésta se divide en cuatro partes y se toman dos extremos opuestos(cuarteo), (iv) las muestras resultantes se consideran una muestra

compuesta representativa de diferentes profundidades de cada puntode la superficie de muestreo.

F 8. M

Nucleador

Superficiede muestreo

Barrenado delsuelo a diferentes

profundidades

Zona A

Zona B

Zona C

0-20 cm

20-40 cm

40-100 cm

A

B

C

1 2

3 4

1A, 2A3A y 4A

1B, 2B3B y 4B

1C, 2C3C y 4C

Homogenizaciónde muestras

MA

MB

MC

Cuarteo



Tecnologías de remediación 57

4. Tecnologías de remediación para suelos contaminadospor EPT

El término tecnología de remediación implica el uso de cualquier opera-ción unitaria o conjunto de ellas, que altere la composición de un conta-minante peligroso a través de acciones químicas, físicas o biológicas de

manera que reduzcan su toxicidad, movilidad o volumen en la matrizo material contaminado. Las tecnologías de remediación representanuna alternativa a la disposición en tierra de residuos peligrosos sin tra-tamiento y sus posibilidades de éxito, bajo las condiciones específicasde un sitio, pueden variar ampliamente (US EPA 2001).

En la legislación mexicana (PROY-NOM-138-S-2003),1 el término remediación de suelos se entiende como el conjunto de

acciones necesarias para recuperar y reestablecer sus condicio-nes, con el propósito de que éste pueda ser destinado a alguna

1 PROY-NOM-138-S-2003. Establece los límites máximos permisibles dehidrocarburos en suelos y las especificaciones para su caracterización y restauración.Publicada en el Diario Oficial de la Federación el 19 de marzo de 2004, actualmente seencuentra en proceso de consulta pública.

Capítulo cuarto




de las actividades previstas en el programa de desarrollo urbanoo de ordenamiento ecológico que resulte aplicable para la zonarespectiva. En la citada norma, el término remediación se utiliza

como sinónimo de restauración, reversión, saneamiento, limpieza,rehabilitación y regeneración.

.. F

Antes de considerar la aplicación de cualquier tecnología de remedia-ción, es fundamental conocer ciertas características, tanto del suelo

(ambientales), como del contaminante y de los organismos vivos(plantas, hongos, bacterias, etc.) presentes en el sitio, con potencialmetabólico para degradar los contaminantes. De esta manera, losprocesos de remediación dependen de estos tres factores que debenencontrase en equilibrio (figura 9). La obtención de esta información

F . F

O :Capacidad metabólicaPoblación degradadoraNativos

Genéticamente modificados

C():ToxicidadConcentraciónDisponibilidadSolubilidadSorción

A ():TemperaturaHumedadpHAceptores de electronesNutrientes




requiere del muestreo y determinación de las características físicasy químicas que se describen a continuación (Alexander 1994, VanDeuren et al. 2002, Beaudette et al. 2002).

Factores ambientales. Dentro de los factores más importantes parala remediación de un suelo se encuentran las condiciones ambientalesy las características fisicoquímicas del suelo.i Temperatura. Puede afectar propiedades del contaminante así como

la velocidad de un proceso de biorremediación, ya que la velocidadde las reacciones enzimáticas dependen de ésta.

ii Humedad. Una alta humedad en el suelo puede provocar proble-

mas durante la excavación y el transporte así como aumentos enlos costos durante el uso de métodos de térmicos. La humedadtambién puede afectar los procesos de biorremediación debido aque, en general, aunque todos los microorganismos necesitan aguapara subsistir, debe existir un balance, ya que si el contenido deagua es muy bajo, la actividad microbiana se detiene, y si es muy alto, disminuye el intercambio gaseoso a través del suelo.

iii Tipo de suelo. La capacidad de retención de agua de un suelo varíaen función de las fracciones orgánicas y minerales. En general, losmateriales no consolidados (arenas y gravas finas) son más fácilesde tratar. Asimismo, a mayor tamaño de partícula en la fracciónmineral, la permeabilidad y la aireación son mayores. La capacidadde retención de agua en un suelo aumenta proporcionalmente alcontenido de materia orgánica. Un suelo con alto contenido hú-

mico disminuye la movilidad de compuestos orgánicos y con ellola eficiencia de ciertas tecnologías, como el lavado de suelos.

iv pH. El pH afecta la solubilidad y disponibilidad de macro y micro-nutrientes, la movilidad de metales y la reactividad de minerales.Generalmente, los metales son móviles a pH bajo, en forma de es-pecies iónicas libres o como órgano-metales solubles; al pH alcalinoforman carbonatos o fosfatos minerales insolubles. La actividad




y crecimiento microbianos son fuertemente afectados por el pH.La mayoría de las bacterias tienen un rango óptimo de 6.5 a 8.5;si el suelo es ácido se favorece el crecimiento de hongos.

v Aceptores de electrones. Su presencia es importante para la aplicaciónde tecnologías de biorremediación. La mayoría de estos son compues-tos inorgánicos oxidados, como O

2, NO

32-, Mn4+, Fe3+, SO

42- y CO

2.

vi Potencial redox. Mide la oxidación relativa de una solución acuosa y normalmente se encuentra controlado por el contenido de humedaddel suelo. En ambientes anaerobios reducidos, los metales precipitandebido a la presencia de iones ferrosos y carbonatos; en cambio,

bajo condiciones oxidantes, los metales se hacen más solubles. vii Permeabilidad. Se refiere a la facilidad o dificultad con la que un

líquido puede fluir a través de un medio permeable. La permeabi-lidad de un suelo es uno de los factores que controla la efectividadde tecnologías in situ. En general, una baja permeabilidad en elsuelo disminuye la efectividad de la mayoría de las tecnologías deremediación.

Características de los contaminantes. La naturaleza y característicasdel contaminante es otra variable de suma importancia para el éxitoo fracaso de un proceso de remediación. Dentro de las más im-portantes se encuentran: toxicidad, concentración, disponibilidad,solubilidad y sorción del contaminante a las superficies sólidas.

i Toxicidad. El factor clave para decidir la remediación de un sitio esla toxicidad para los seres vivos. La descarga de químicos tóxicos

a un suelo implica, entre muchos otros problemas, que son gene-ralmente resistentes a la biodegradación. La biorremediación seinhibe si un químico es tóxico para organismos degradadores.

ii Concentración. La concentración de un compuesto en un suelo esun factor de gran importancia para definir el uso de una tecnologíade remediación en particular. En general, altas concentracionesinhiben la actividad microbiana; sin embargo, la concentración




inhibitoria depende de la estructura del contaminante. Algunosquímicos pueden ser inhibitorios en baja concentración (μg g-1 desuelo seco), mientras que otros pueden serlo en cantidades mayores

(μg g-1 de suelo seco).iii Solubilidad. Es la cantidad de un elemento o compuesto que puede

disolverse en agua. Los químicos difieren significativamente entresí en cuanto a su solubilidad en agua. En general, ésta disminuye alaumentar el tamaño de la molécula y los compuestos polares sonmás solubles que los no polares. Mientras mayor es la solubilidadde un compuesto, mayor es su biodisponibilidad.

iv Sorción. La sorción de un químico a la matriz sólida del sueloafecta su solubilidad y su biodisponibilidad. La sorción incluye laadsorción (retención superficial) y la absorción (captación haciael interior de la matriz). Los cationes generalmente son sorbidosen sitios de intercambio catiónico en minerales arcillosos o su-perficies húmicas, mientras que los compuestos aniónicos y noiónicos quedan sorbidos en la materia orgánica. La sorción de un

contaminante a las partículas del suelo puede no sólo provocar lafalta de biodisponibilidad, sino que también dificultar su extracciónquímica.

v Volatilidad. Es la tendencia de un compuesto o un elemento paramoverse de una fase líquida o sólida a una gaseosa. Entre los me-tales, el Hg y el Se tienen formas volátiles.

vi Polaridad y carga iónica. Los compuestos no polares tienden a ser

hidrofóbicos y se concentran en la materia orgánica del suelo. Loscompuestos no polares generalmente tienen menor movilidad enel suelo que los polares. La carga iónica determina la capacidad deun compuesto para su adsorción en un sólido.Factores microbiológicos. Es un factor de importancia para la

aplicación de tecnologías biológicas. Este tipo de factores implicala verificación de la existencia de poblaciones de microorganismos




degradadores, es decir, si existen grupos microbianos capaces dedegradar o transformar el contaminante y si estos se encuentran ennúmero suficiente. Las poblaciones microbianas pueden encontrarse

en número suficiente en el sitio a tratar (autóctonas o nativas) o bienpueden adicionarse poblaciones nativas aumentadas en laboratoriou organismos genéticamente modificados.

4.2. C

Las tecnologías de remediación pueden clasificarse de diferentes mane-

ras: con base en su estado de desarrollo (tradicionales e innovadoras), allugar en donde se realizan (in situ y ex situ) y, en el caso de la contami-nación por metales, con base en la alteración de propiedades del conta-minante (separación/inmovilización o disolución/movilización).

4.2.1. Estado de desarrollo

Las tecnologías de remediación pueden dividirse en dos categorías: tra-dicionales e innovadoras. En caso de la remediación de un sitio minerocontaminado generalmente se requiere de ajustes de pH, condicionesoxidantes o reductoras (redox) y/o de la estabilización de los residuos(Evanko y Dzombak 1997, US EPA 2001, Costello 2003):

Tecnologías tradicionales. Para las tecnologías establecidas o tradi-cionales existe suficiente información disponible acerca de sus costos

y desempeño. La idea de estos métodos es limitar la disponibilidad y movilidad de los metales contenidos en los residuos sólidos de zonasmineras. Sin embargo, muchos de estos métodos no reducen la toxi-cidad o el volumen de los metales presentes. Entre las tecnologías deremediación tradicionales usadas con más frecuencia para la limpiezade sitios contaminados con metales, se encuentran: vitrificación in situ,excavación y disposición, lavado e inundación de suelos, solidificación/




estabilización (S/E), uso de cubiertas sobre pilas de residuos (jales) y tecnologías de bombeo y tratamiento para el caso de aguas y lodos. Cadauna de estas tecnologías tiene beneficios y limitaciones específicas,

algunas de las cuales se describen en las siguientes secciones.Tecnologías innovadoras. Son tecnologías de tratamiento alternati-

vas, cuyo número reducido de aplicaciones limita la información acercade datos relativos a costos y desempeño. En general, una tecnología esconsiderada innovadora cuando sus aplicaciones a gran escala son limi-tadas. La aplicación de este tipo de tecnologías nació como resultado dela observación de que los humedales (wetlands) removían, de manera

natural, metales contenidos en aguas. Este tipo de tecnologías tiene granpotencial para la remediación de suelos de manera más efectiva en cuantoa costos y a su desempeño. Las tecnologías innovadoras en los EstadosUnidos representan cerca del 20% de todas las tecnologías usadas parala remediación de suelos, siendo la más frecuentemente aplicada la bio-rremediación (11% del total), seguida por la inundación de suelos (2%)y el tratamiento químico (2%). La fitorremediación es una tecnología

innovadora, con relativamente pocas pero crecientes aplicaciones.

4.2.2. Lugar de tratamiento

Con base en el lugar en donde se lleva a cabo el tratamiento de un suelo,las tecnologías se pueden clasificar en tecnologías in situ y ex situ.

In situ. Los tratamientos in situ son aquellos que permiten tratar el

suelo contaminado sin la necesidad de excavar y transportar el suelofuera de la zona (espacio) contaminada, lo cual genera una disminu-ción de los costos. Este tipo de tratamiento generalmente requiere deperiodos largos, además de que existe la posibilidad de que el trata-miento de remediación no sea uniforme dada la variabilidad de lascaracterísticas del suelo y debido a que es más difícil de verificar laeficacia de los procesos empleados (US EPA 2001).




Ex situ. Los tratamientos ex situ son aquellos que requieren de unaexcavación del suelo contaminado antes de realizar los procesos deremediación, lo cual incrementa los costos. Este tipo de tratamien-

to, generalmente requiere de periodos cortos y presenta una mayorcerteza en la uniformidad de los procesos empleados debido a que sepuede obtener una adecuada homogeneización del suelo. En general,existe un mejor manejo del suelo contaminado (mezclado, tamizado),sin embargo, esto puede presentar condiciones de exposición a lostrabajadores. Los tratamientos ex situ, a su vez, se dividen en:. On site. El tratamiento se realiza en el mismo sitio en donde se

realizó la excavación.. Off site. El tratamiento se realiza fuera del sitio en donde se excavó.

En el cuadro 11 se comparan las principales ventajas y desventajas delas tecnologías de remediación con base en el lugar de tratamiento.

C 11. V

Ventajas

Desventajas

I

Permiten tratar el suelo sinnecesidad de excavar ni trans-portarPotencial disminución en costosMayores tiempos de tratamientoPueden ser inseguros en cuantoa uniformidad: heterogeneidaden las características del sueloDificultad para verificar la efica-cia del proceso

E

Menor tiempo de tratamientoMás seguros en cuanto a unifor-midad: es posible homogeneizary muestrear periódicamenteNecesidad de excavar el sueloAumento en costos e ingenieríapara equiposDebe considerarse la manipu-lación del material y la posibleexposición al contaminante

Fuente: Volke y Velasco 2002.




4.2.3. Alteración de propiedades del contaminante

A diferencia de los contaminantes orgánicos, los metales no pueden

descomponerse por vía biológica, física ni química, de manera que laremediación de sitios contaminados con metales o metaloides se limitaa la alteración de su solubilidad, movilidad y/o toxicidad, básicamente através de cambios en su estado de valencia, favoreciendo su inmoviliza-ción (quelación) y/o movilización (disolución) (Stephen y Macnaughton1999, Bosecker 2001). De esta manera, es posible favorecer la remocióno concentración de los metales para su posterior extracción (Lovley y

Coates 1997, Gadd 2000, Barkay y Schaefer 2001).Inmovilización o separación. Por medio de estos procesos es posible

concentrar EPT en suelos contaminados a través de su inmoviliza-ción, previniendo su dispersión, y puede emplearse para la remociónde EPT de superficies y cuerpos de agua (Lovley y Coates 1997). Elproducto final concentrado puede disponerse de manera controlada oreciclarse para la recuperación de metales; dependiendo de la matriz

en la que el metal se encuentre, se necesitan uno o más pasos parasu tratamiento (Beaudette et al . 2002; Diels et al . 2002). Este tipo detecnologías incluye la contención de contaminantes con el uso decubiertas, métodos de S/E (microencapsulación, vitrificación, etc.)y fitorremediación.

Movilización o disolución. Los EPT presentes en suelos, sedimentoso residuos sólidos pueden removerse de la matriz sólida a través de

su disolución en una fase acuosa, para su posterior concentración,con el uso de estrategias de bombeo-tratamiento (Beaudette et al .2002, Diels et al . 2002). Entre las tecnologías que pueden clasificarsedentro de estos procesos, se encuentran: lavado e inundación de suelos,extracción química y bio-lixiviación.

En las siguientes secciones se presenta una descripción detalladade las tecnologías fisicoquímicas y biológicas aplicables a sitios con-




taminados con EPT, así como una breve descripción de su estado dedesarrollo, sus principales ventajas y limitaciones, y los tiempos y costos que implica cada una.

4.3. T

Los tratamientos fisicoquímicos utilizan las propiedades físicas y/o quí-micas de los contaminantes o del medio contaminado para transformar,separar o inmovilizar el contaminante. Son tratamientos económica-mente factibles y la mayoría se encuentra disponible comercialmente,

por lo cual son las técnicas más empleadas para la remediación dediferentes matrices contaminadas con residuos peligrosos desde hacedécadas. Estas tecnologías involucran una variedad de procesos como:filtración, neutralización, precipitación oxidación/reducción, sorción,evaporación y floculación, entre otros. Algunos de estos procesospueden emplearse para el tratamiento de suelos contaminados conEPT, por ejemplo: oxidación/reducción (transformación), lavado de

suelos (separación) y solidificación/extracción (inmovilización) (VanDeuren et al . 2002).

Aunque las tecnologías fisicoquímicas pueden desarrollarse in

situ o ex situ, la principal desventaja de su aplicación en la reme-diación de sitios contaminados con metales radica en que, la ma-yoría, requiere de la excavación del suelo y de al menos un procesosecundario de tratamiento o disposición final del contaminante

transformado, separado o inmovilizado, incrementándose los costosdel tratamiento. En esta sección se describen cinco tecnologías quepueden aplicarse en sitios contaminados con metales: inundaciónde suelos, lavado de suelos, extracción química, solidificación/estabilización y electrorremediación.




4.3.1. Inundación de suelos

La inundación del suelo (soil flushing ) es una técnica de tratamiento

innovadora, que comúnmente se aplica in situ. Consiste en inundar elsuelo contaminado con agua o con una solución de extracción paradisolver y/o suspender el contaminante y, posteriormente, extraer lafase líquida que contiene el contaminante mediante un sistema de ex-tracción. La tecnología requiere la perforación de pozos de inyeccióny de extracción (Van Deuren et al . 2002, US EPA 1996).

A. Descripción del proceso

El proceso comienza con la perforación de pozos de inyección y deextracción en el sitio contaminado. Es importante que los pozos deextracción se ubiquen en el lugar más bajo del sitio; si éste no existe,deben colocarse a un nivel más bajo que el pozo de inyección. Lasolución se introduce en los pozos de inyección por bombeo, en

donde la solución pasa a través del suelo contaminado, disolviendo,suspendiendo y arrastrando los contaminantes. La solución con loscontaminantes se colecta en el pozo de extracción y finalmente sesucciona y envía a una planta de tratamiento de aguas; el agua tratadapuede reutilizarse en el proceso.

La eficiencia de remoción de metales en suelos mediante estatécnica, al igual que la de lavado de suelos, puede incrementarse con

el uso de agentes quelantes, ácidos o bases. Sin embargo, la eficienciapuede disminuir drásticamente con el uso de ciertos aditivos (sur-factantes) que pueden adherirse a las partículas del suelo, limitandoasí la transferencia del metal a la fase líquida. Un alto contenido demateria orgánica en el suelo también afecta la eficiencia del proceso(Van Deuren et al . 2002, US EPA 1996).




B. Aplicaciones y estado de desarrollo

Esta técnica es muy efectiva para el tratamiento de suelos arenosos

(altamente permeables), ya que estos permiten el paso de la solución,a diferencia de limosos o arcillosos (US EPA 2001). Puede aplicarse pararemediar suelos contaminados con una variedad de compuestos orgá-nicos (volátiles y semivolátiles) e inorgánicos (metales y metaloides).En los Estados Unidos se han llevado a cabo varias aplicaciones deesta tecnología; de 62 proyectos de remediación por inundación desuelos registrados en 1997, el 84% se enfocó a compuestos orgánicos;

el 11% a mezclas de orgánicos y metales y el 5% a metales; del total delos proyectos, 53% se desarrolló a escala piloto y fueron demostrativos;32% a gran escala y se encuentran disponibles comercialmente; el 15%restante se desarrolló a escala laboratorio (GWRTAC 1998).

C. Ventajas y limitaciones

Entre las principales ventajas de esta técnica pueden destacarse: (i) bajoscostos; (ii) no es necesario excavar el suelo; y (iii) no se requiere deinfraestructura sofisticada. Sin embargo, el empleo del proceso puedeafectar los mantos acuíferos cuando no se prevé su ubicación, cuando elsuelo es muy permeable y si el tiempo de residencia de la fase acuosaes muy prolongado. Algunas otras limitaciones de esta tecnología son(US EPA 2001, Van Deuren et al . 2002):

. En general, no se aplica en suelos con mezclas complejas de con-taminantes.

. Una alta cantidad de materia orgánica en el suelo dificulta el pro-ceso de separación.

. Requiere de grandes cantidades de agua y que los contaminantessean solubles.




. Se requiere de uno o varios procesos secundarios para el tratamientode aguas residuales y partículas finas de suelo.

D. Tiempo y costos de la remediación

Es una tecnología que puede llevar entre dos y 12 meses. Los costos dela remediación pueden variar de 46 a 125 USD/m3, para una densidadde suelo de 1.6 ton/m3 (Van Deuren et al . 2002, US EPA 1996).

E. Usos del suelo después del tratamiento

Es recomendable que después del tratamiento, el suelo no se utilicecon fines agrícolas, ya que no sólo se lleva a cabo la remoción de loscontaminantes, sino también de los elementos naturales del suelo,además de que es posible la alteración de ciertas propiedades físicas y químicas por el uso de soluciones ácidas, quelantes o surfactantes. Sinembargo, el suelo puede destinarse para otros usos como residencial

e industrial.

4.3.2. Lavado de suelos

El lavado de suelos es una tecnología ex situ, en la cual el suelo con-taminado se excava y se lava con agua o soluciones de extracción enuna unidad de lavado con el fin de disolver, suspender o precipitar

el contaminante, lográndose así su transferencia a la fase acuosa. Ellavado de suelos, a diferencia de la inundación, puede concentrar loscontaminantes en un volumen menor de suelo, debido a la separaciónentre partículas finas y gruesas, reduciendo así el volumen del materialcontaminado (partículas finas) (Freeman 1998).





El proceso consiste de tres etapas: mezclado, lavado y enjuagado. Antes de

iniciar, el material contaminado se tamiza para retirar los objetos de mayortamaño. Posteriormente, el suelo se adiciona a la unidad de lavado, en dondese mezcla y se lava con el uso de agua con o sin aditivos, en un proceso enlote o continuo. Al finalizar el lavado del suelo, la fase líquida se envía auna planta de tratamiento de aguas, mientras que la fase sólida se enjuaganuevamente con agua limpia (Van Deuren et al . 2002, US EPA 2001).

El uso de agua como solución de extracción es efectivo para la

remoción de compuestos orgánicos solubles de bajo peso molecular(alcoholes y fenoles), sales inorgánicas (sulfatos y cloruros) y metalessolubles (Cr(VI)). Para aumentar la eficiencia de lavado en un suelocon metales, pueden emplearse soluciones con las siguientes carac-terísticas (US EPA 2001):

. Agentes quelantes. Forman complejos solubles con iones metáli-

cos. Uno de los más usados es el ácido etilendiamino tetracético(EDTA). Otros ácidos usados como agentes quelantes son losácidos cítrico, málico y acético.

. Ácidos y bases. Movilizan, neutralizan o transforman el conta-minante. Las soluciones ácidas se aplican principalmente paraincrementar la solubilidad de muchos metales, mientras que lasalcalinas se usan para remover fenoles y metales ligados a la frac-

ción orgánica del suelo.


Esta técnica, al igual que la inundación, es efectiva para suelos areno-sos, por lo que los parámetros a considerar para su aplicación son losmismos que se incluyen en la inundación de suelos (US EPA 2001). Es




C 12. E E U

N /E S C

Ewan Property, NJ No especificada As, Cr, Cu, PbGE Wiring Devices, PR Solución acuosa de Hg

ioduro de potasio (KI)King of Prusia, NJ Agua con quelantes Ag, Cr, CuZanesville Well Field, OH No especificada Hg, PbTwin Cities Army No especificada Cd, Cr, Cu,Ammunition Plant, MN Hg, Pb

Sacramento Army Depot, CA No especificada Cr, Pb

Fuente: EPA 1997, Evanko y Dzombak 1997.

una tecnología desarrollada, disponible comercialmente a escala in-dustrial, que puede aplicarse en suelos contaminados con una variedadde compuestos orgánicos, combustibles y metales. En el cuadro 12,

se presentan algunos ejemplos de la aplicación de la técnica en sueloscontaminados con metales en Estados Unidos.

Diversos grupos de investigación han realizado estudios con el finde definir los mejores aditivos para el lavado. Peters (1999) determinóque los agentes quelantes más eficientes para la remoción (95%) de Cu,Pb y Zn fueron EDTA, ácido nítrico y ácido nitrilo-triacético (NTA).Tokunaga et al . (2002) obtuvieron una alta eficiencia de remoción

(99.9% en 6 h) de As (2,850 mg/kg) de un suelo, usando una soluciónde lavado con ácido fosfórico. Semer et al . (1996) demostraron una altaeficiencia de remoción de una mezcla de contaminantes orgánicos/inorgánicos en un suelo franco-arenoso, con el uso de una soluciónde ácido sulfúrico con alcohol isoporpílico (relación 4:9).





En general, el lavado de suelos es una alternativa relativamente econó-

mica para la remoción de contaminantes, ya que minimiza el volumendel material contaminado y, por consiguiente, disminuye la cantidada confinar o a tratar. Actualmente, existen sistemas móviles para ellavado de suelos que se pueden transportar al sitio contaminado,disminuyendo costos y el riesgo de dispersar los contaminantes du-rante el transporte (Van Deuren et al . 2002). Las principales ventajasy limitaciones de este proceso se resumen en el cuadro 13.

C 13. P

V

◆ Bajos costos◆ Efectivo para tratar suelos

arenosos o muy permeables◆ Disminuye la cantidad de

material contaminado◆ No requiere de infraestructura

sofisticada◆ Son sistemas cerrados, en donde se

pueden controlar las condicionesdel sistema y las emisiones alambiente

L

◆ Se requiere excavar y manipular elsuelo

◆ Altas cantidades de materiaorgánica dificultan el proceso deseparación

◆ No es eficiente para tratar mezclascomplejas

◆ Los contaminantes deben ser solubles◆ Requiere de grandes cantidades de

agua◆ Se necesitan procesos secundarios

para tratar aguas residuales y partículas finas de suelo

Fuente: Van Deuren et al . 2002, US EPA 2001.





Es una tecnología de corto a mediano plazo, que puede llevar entre

dos y seis meses. Los costos de su aplicación, incluyendo la excavación,pueden variar entre 84 y 343 USD/m3; se calcula un costo promediocercano a 238 USD/m3 (Van Deuren et al . 2002, US EPA 2001).

E. Usos del suelo después del tratamiento y manejo de residuos

Generalmente, después del lavado de suelos se emplean técnicas de

separación (sedimentación, filtración, centrifugación) con el propósitode separar las partículas más finas, en donde se adsorben los contami-nantes del volumen original. Las partículas gruesas (limpias) se regresanal sitio, mientras que a las finas (contaminadas) se les realiza un nuevotratamiento o se disponen adecuadamente en un sitio de confinamiento.Debido a que la mayor parte de las partículas depositadas en el sitio des-pués del tratamiento son gruesas, éstas sólo tienen utilidad como soporte

de infraestructuras, después de una adecuada compactación en el sitioy no para fines agrícolas (Van Deuren et al . 2002, US EPA 2001).

4.3.3. Tratamiento químico

El tratamiento químico, también conocido como óxido-reducción quí-mica, es una tecnología innovadora que implica reacciones de óxido-

reducción (redox), las cuales transforman los elementos potencialmentetóxicos en compuestos o elementos no peligrosos o menos riesgosos,reduciendo su toxicidad o su solubilidad y/o aumentando su estabi-lidad química. Cuando se requiere tratar contaminación por metalesy/o metaloides, se busca cambiar el estado de valencia, ya que de éstedepende la capacidad del metal para reaccionar con otros contaminanteso compuestos presentes en el suelo y, por consiguiente, su precipitación;




de esta manera, es posible disminuir la concentración biodisponible delelemento potencialmente tóxico en el suelo (US EPA 2001).


El procedimiento puede realizarse in situ o ex situ y combinarse conotras técnicas como la inundación (el agente oxidante o reductor sedisuelve en el medio de inundación) o el lavado de suelos (en este casoes deseable que las reacciones redox se desarrollen en el extracto dellavado), o aplicarse directamente en el suelo contaminado a través de

una solución, sin llegar a inundarlo; en este último caso, los metalesse quedan en el sitio (Averett et al . 1989).

Las reacciones redox, necesariamente, implican la transferencia deelectrones de un compuesto a otro (el agente oxidante gana electrones,mientras el agente reductor los pierde). La velocidad y duración deltratamiento está dirigida por las características del contaminante, sureactividad con los químicos utilizados y las características del suelo

(permeabilidad, pH, temperatura y contenido de materia orgánica);todos estos parámetros pueden afectar la reacción redox y, por lo tanto,obligar a incrementar la cantidad de reactivo utilizado.


La tecnología se encuentra disponible comercialmente; sin embargo,

no puede aplicarse de forma genérica. Es necesario analizar y experi-mentar con las propiedades particulares de cada suelo para determinarlas características que deben tener los agentes oxidantes o reductores.Algunos de los oxidantes más comunes para este tratamiento son: ozo-no, peróxido de hidrógeno, permanganato de potasio, reactivo Fenton(formado por una combinación de peróxido de hidrógeno y sulfatoferrroso), hipoclorito, cloro y dióxido de cloro. Como agente reductor




puede utilizarse ácido sulídrico, de forma que el sulfuro reaccione conmetales divalentes como Pb2+, Co2+, Fe2+ Cd2+, formando un complejoinsoluble (sulfuro metálico) que precipita en la matriz del suelo. Sin em-

bargo, la aplicación del ácido puede limitar la efectividad de la reacción,ya que muchos suelos tienen una gran capacidad amortiguadora, demanera que el sulfuro liberado es neutralizado rápidamente por otroselementos; por esta razón, realizar la reacción directamente en el suelopuede representar altos gastos en reactivos y la destrucción del mismoal abatir su capacidad de amortiguamiento (US EPA 2000).


La principal ventaja de este método, al igual que otras tecnologíasin situ, es que permite tratar el suelo sin necesidad de excavación;algunas otras ventajas son: (i) bajo consumo de energía; (ii) lassoluciones diluidas son más fáciles de separar; (iii) tiempos deltratamiento relativamente cortos. Sus principales inconvenientes

son (US EPA 2000):

. En caso de combinarla con otra técnica, los costos se incrementan,debido a la aplicación de otros procedimientos (excavación, inun-dación, etc.).

. Los químicos necesarios para el tratamiento son corrosivos (ácidose hidróxidos) y pueden resultar relativamente costosos.

. A pesar del cambio en el estado de oxidación del metal, éste per-manece en el sitio dejando un riesgo latente de que regrese a suestado de oxidación original.

. Necesidad de evaluar y ensayar la reacción en laboratorio, ya queel contaminante interactúa de forma diferente con cada tipo desuelo. Esto conlleva a diseñar una reacción específica para cadasitio contaminado.




D. Tiempos y costos de la remediación

La velocidad de la reacción depende de la extensión, profundidad y

tipo de suelo, por lo que no es posible especificar con precisión lostiempos de tratamiento; sin embargo, el tiempo de separación puedeser muy rápido (US EPA 1998). Los costos de remediación varían enfunción del tipo de suelo, superficie, profundidad y químicos selec-cionados para la reacción; se calcula que estos oscilan entre 45 y 125USD/m3, incluyendo un estudio químico.


El suelo tratado químicamente puede utilizarse para la construcciónde unidades industriales; no es recomendable su uso para agricultura,ya que el constante riego, la interacción con pesticidas, fertilizantes y raíces puede cambiar el estado de oxidación del contaminante.

4.3.4. Solidificación/estabilización (S/E)

La S/E es un proceso que tiene como objetivo limitar la solubilidad omovilidad de un contaminante presente en el suelo, disminuyendoasí su toxicidad o eliminando su lixiviación. La solidificación es unproceso que asegura mecánicamente a los contaminantes dentro deuna matriz sólida, formando un bloque monolítico de alta integridad

estructural, constituido por una mezcla del contaminante, el suelo y un agente puzolánico;2 esta técnica encapsula (atrapa físicamente) alcontaminante en el suelo. La estabilización implica la adición de mate-

2. La puzolana es un ingrediente activo que tiene como función básica formar unaglomerante con los productos liberados por la hidratación del cemento (CementoCruz Azul: http://www.cruzazul.com.mx/productos/puzolanico.html).




riales o sustancias que limiten la reactividad, volatilidad y/o solubilidad(movilidad) de un contaminante. En este caso existe una reacción delcontaminante con el aditivo para formar compuestos menos solubles

y móviles (Becerril y Navarrete 1993).


Las metodologías de S/E surgieron como respuesta a la necesidadde tratar residuos radioactivos y, con el tiempo, se han utilizadopara estabilizar y/o solidificar contaminantes inorgánicos (princi-

palmente metales), siendo las más utilizadas: (i) la solidificación concemento; (ii) la solidificación con cal o agentes puzolánicos; (iii) laencapsulación termo-plástica; y (iv) la vitrificación. Las primeras dostécnicas son utilizadas con más frecuencia para tratar compuestosinorgánicos. En todos los casos, el proceso de solidificación debede ser irreversible para evitar que los contaminantes escapen dela matriz solidificada (Malone et al . 1982). Debido a la variedad

de aditivos, es importante seleccionar el o los más adecuados deacuerdo con las características del contaminante a tratar; entre losmás empleados para el tratamiento de suelos contaminados conmetales se encuentran: cemento, cal, carbonato de calcio, polímeroscomerciales y asfalto emulsificado.

En general, los procesos de S/E pueden llevarse a cabo in situ o ex

situ de la siguiente manera:

. In situ. El suelo contaminado y los aditivos se mezclan directamenteen el sitio (bajo la superficie). La mezcla se realiza con el uso degrandes barrenas (augers) o paletas rotatorias. El suelo tratadoque queda en el sitio se cubre con suelo limpio o con pavimento.Este tipo de aplicación puede estar limitado por la profundidad dela contaminación.




. Ex situ. El suelo contaminado se extrae y se coloca en grandes mez-cladoras, en donde se agregan los aditivos en cierta proporción.Posteriormente, el suelo tratado puede ser colocado nuevamente

en el sitio o depositado en un vertedero controlado. Este tipo deproceso permite una mayor efectividad de mezclado y verificacióndel tratamiento.

Las tecnologías de S/E se clasifican de acuerdo con su función en:(i) mecanismos de contención y (ii) mecanismos de aglutinación.

ContenciónLa adsorción es la metodología más simple entre los mecanismos decontención; sin embargo, ésta se utiliza únicamente cuando el con-taminante está disuelto en un líquido, obteniéndose así un residuoseco. Algunos de los agentes adsorbentes más utilizados con este finson carbón activado, cal, arcilla, vermiculita y zeolita. La selecciónde los materiales adsorbentes está dirigida por factores químicos,

costos y cantidades a utilizar. Entre los factores químicos a considerarse encuentran: el pH del residuo, la compatibilidad o reactividad delresiduo y las propiedades aglutinantes del adsorbente (si es que lastiene) (Freeman 1998).

AglutinaciónPara la aglutinación se puede emplear sílice no cristalina y calcio, lo

que produce una matriz sólida de baja integridad física. La combina-ción del suelo con cemento Pórtland (figura 10) produce una matrizsólida de mayor resistencia, en la cual algunos metales, además de sercontenidos físicamente, reaccionan con silicatos solubles. Durante laaglutinación, también es posible mezclar el suelo contaminado conmateriales plásticos y termoplásticos como caucho o asfalto (figura11), respectivamente, los cuales además de contener el contaminante




F 10. E

Fuente: Pojasek 1982.

F . E

Fuente: Freeman 1998.

en la matriz, reducen la posibilidad de infiltraciones acuosas al sermateriales impermeables. Para realizar esta mezcla es necesario des-hidratar el suelo y realizar la operación a temperaturas elevadas.

Sitio con materialcementante

Suelo contaminado

Agua

Pesa para mezclar

Fraguado del productofinal cemento/suelo

para su confinamiento

Suelo contaminado Asfalto

Agua

Vapor deservicio

Tambor deconfinamiento

Hacia lacaldera

Vapor de agua y gasesde evaporación

Evaporador conmezclador




Micro-encapsulaciónOtro proceso de S/E es la micro-encapsulación, en el cual el suelo semezcla con un polímero termofijo que reacciona con un catalizador y envuelve las partículas de suelo contaminado para aislarlo del medioy evitar así la dispersión del contaminante. El suelo se dispersa pormedios mecánicos para disminuir su tamaño de partícula y, una vezefectuada la micro-encapsulación, se dispone en recipientes de mayortamaño para su macro-encapsulación y posterior confinamiento. Lospolímeros usados con más frecuencia en esta técnica son urea-for-maldehído, poliéster, poli-butadieno, fenol-formaldehído y resinas

epóxicas (Caldwell y Reith 1993).

VitrificaciónLa vitrificación implica la fundición y fusión de materiales a tempe-raturas > 2,100 ºC, seguida por un enfriamiento rápido, dando comoresultado una mezcla amorfa no cristalina. La aplicación de la vitrifi-cación en el tratamiento de residuos peligrosos se ha explorado como

una técnica in situ y en planta. La vitrificación es considerada comoun proceso de S/E, ya que convierte al contaminante a una formaestructural más estable con un potencial reducido para su migraciónal medio ambiente (Becerril y Navarrete 1993).

Vitrificación on site. Es una técnica probada a escala piloto para laremediación de suelos. Durante el proceso, la temperatura necesaria parafundir el suelo (2,100-2,500 ºC) se logra por la aplicación de una corriente

continua de alto voltaje (figura 12). Al fundirse el suelo, éste se vuelvemás conductivo, permitiendo así la transferencia de calor y provocandoel crecimiento de la masa fundida. El proceso se inicia con el uso de unacapa de grafito y vidrio poroso que sirven como ruta de encendido. Una vez iniciado el proceso, la masa fundida crece hacia abajo y hacia afuera(hasta profundidades de ~ 9 m, para contener una masa de ~ 1,000 ton).El suelo se funde a una tasa de 4 a 6 ton por hora (2.5-5 cm/h).




Conforme la temperatura aumenta, los vapores y gases de los ma-teriales orgánicos se mueven lentamente a través de la masa fundida,de manera que una porción se disuelve, mientras otra se libera haciala superficie, en donde puede tratarse. Debido a la alta temperatura,en el remanente no permanecen contaminantes orgánicos; de los in-orgánicos, algunos se descomponen, mientras que otros se disuelveno reaccionan con el material fundido. Este último se encuentra enfase líquida durante el proceso, de manera que, cuando se produce elenfriamiento, ocurre una reducción del volumen neto.

El remanente resultante es muy semejante a la obsidiana, formadapor un proceso de vitrificación natural. Aunque, por pruebas de lixi-

viación, se ha demostrado que este producto es inerte, puede utilizarseen aplicaciones que limiten su distribución al público en general.

Vitrificación off site (en planta). El proceso se inicia con una mezclade encendido, que consiste en vidrio reciclado, cenizas sueltas y piedracaliza (figura 13). El suelo contaminado se introduce en el horno paralas etapas de fundición y fusión que duran como mínimo cinco horas.Consideraciones adicionales para esta tecnología deben incluir las

F 12. E ( )

Fuente: Pojasek 1982.

Mezcla fundida de vidrio y suelo

Alternador decorriente

Electrodos




F 13. E ( )

Fuente: Posajek 1982.


Los métodos de S/E pueden aplicarse con gran éxito para la remedia-

ción de suelos contaminados con metales y especialmente en suelosmuy contaminados o para elementos radiactivos (US EPA 1998). Esuna tecnología desarrollada y disponible comercialmente a escalaindustrial. Algunos de los factores que pueden afectar en la selec-ción, diseño, implementación y funcionamiento de estos procesosson (Pojasek 1982):

emisiones a la atmósfera y el lixiviado del remanente. Las emisionesa la atmósfera pueden capturarse y tratarse a través de tecnologíastradicionales para el tratamiento de aire.

Salida de gases

ElectrodosMezcla fundida de vidrio y suelo

Suelo vitrificado

Mezcla de vidrio y suelo




i Objetivo del tratamiento. En el caso de contaminación por meta-les, el objetivo es tratar el suelo de tal manera que se transformeen un material no peligroso y, por lo tanto, pueda disponerse en

instalaciones apropiadas.ii Características del contaminante. El contaminante debe ser compati-

ble con los materiales de solidificación utilizados. Por ejemplo, el usode cemento Pórtland no es recomendable para suelos contaminadoscon Cr6+, en su lugar se recomienda el uso de matrices termoplásti-cas. Otros metales, como Pb, Cd y As, son compatibles con matricescementables, permaneciendo estables por algún tiempo.

iii Requerimientos del proceso. Es importante visualizar la infraes-tructura y equipamiento que se utilizará durante el proceso (porejemplo, consumo de energía y materiales).

iv Manejo del residuo solidificado/estabilizado. El producto del tra-tamiento debe disponerse de acuerdo a la legislación.


Entre las ventajas del empleo de la S/E para la remediación de sueloscontaminados pueden destacarse las siguientes: (i) es posible utilizarsuelos contaminados como material básico para la fabricación de vidrio(vitrificación); (ii) además del potencial para tratar suelos, puede servirpara formar un producto útil (material de relleno para caminos); (iii)el contaminante queda estabilizado y aislado, disminuyendo la proba-

bilidad de causar daño al ambiente o la salud; (iv) es una tecnologíatotalmente desarrollada y disponible comercialmente.

Dentro de las limitaciones del proceso pueden incluirse: (i) su apli-cación, en general, representa un aumento significativo en el volumendel material original; (ii) el material solidificado no puede ser utilizadocomo suelo nuevamente y puede impedir el futuro uso del sitio; (iii) pararealizar las mezclas de suelo con aditivos, es necesario deshidratar el




suelo y realizar la operación a temperaturas elevadas, limitando su apli-cación a suelos contaminados con sustancias o elementos no volátiles;(iv) sus costos son muy elevados debido a que es necesario disponer el

suelo estabilizado/solidificado (excepto en la vitrificación in situ).


Es una tecnología de corto plazo que, dependiendo del volumen desuelo a tratar, puede llevar desde unas cuantas horas hasta algunassemanas. Sin embargo, sus costos pueden ser muy elevados, y pueden

variar entre 45 y 110 USD/ton (63 a 154 USD/m3, considerando unaρ de 1.4 g/cm3), dependiendo del tipo de contaminante, sin incluirexcavación ni confinamiento.


El suelo tratado por S/E pierde sus características, por lo que no puede

reutilizarse como área para cultivo o construcción. En la mayoría de loscasos, el producto debe disponerse en confinamientos. En situacionescomo la vitrificación o la estabilización con cemento, el producto puedeutilizarse como material de relleno para caminos o en la construcciónde instalaciones de rellenos sanitarios o sitios de confinamiento.

4.3.5. Electrorremediación

La remediación electrocinética o electrorremediación es una tec-nología innovadora que puede utilizarse para la remediación in

situ de suelos contaminados con metales o compuestos orgánicospolares; es una técnica aplicable principalmente a suelos de bajapermeabilidad.





El principio de la electrorremediación se basa en la aplicación de una

corriente directa de baja intensidad a través del suelo contaminado,con el uso de electrodos divididos en extremos anódicos y catódicos(figura 14). El campo eléctrico moviliza las especies cargadas hacialos electrodos, de manera que los iones metálicos, el amonio y loscompuestos orgánicos cargados positivamente se moverán hacia elcátodo, mientras que los aniones (cloro, cianuro, fluoruro, nitratos y compuestos orgánicos cargados negativamente) se moverán hacia el

ánodo. La corriente eléctrica genera la formación de un frente ácidoen el ánodo y uno básico en el cátodo a partir de la disociación de al-gunas moléculas de agua; esta generación de condiciones ácidas puede

F 14. E .D , ()

(),

Fuente: Van Deuren et al . 2002.

Á n o d o ( + )

C á t o d

o ( - )

Suelo contaminado




ayudar a la desorción, disolución y transporte de algunos contami-nantes metálicos hacia sistemas de recolección ubicados en el cátodo(Probstein 1994).

Los dos principales mecanismos de transporte de contaminantesa través del suelo hacia los electrodos son la electromigración y laelectroósmosis (Probstein 1994). La aplicación de un gradiente depotencial, da como resultado el transporte de iones (electro-migra-ción), el transporte del agua de solvatación de dichos cationes (elec-tro-ósmosis) y el arrastre mecánico de coloides y microorganismoscomo bacterias (electroforesis). La electro-migración es el mecanismo

principal durante la electrorremediación. La dirección y velocidad demovimiento de una especie iónica depende de su carga (magnitudy polaridad) y de la magnitud de la electro-ósmosis inducida por la velocidad del flujo. Las especies orgánicas o inorgánicas no cargadastambién pueden movilizarse debido al fenómeno electro-osmóticocausado por el flujo del electrolito (US EPA 1996). El proceso puedellevarse a cabo básicamente de dos maneras:

Remediación mejorada. Se lleva al cabo por el transporte electroci-nético de los contaminantes hacia uno de los electrodos para su extrac-ción y tratamiento o disposición ex situ. Puede realizarse por diversosmétodos como la precipitación, la co-precipitación en el electrodo,el bombeo del agua cercana al electrodo y el acomplejamiento encolumnas de intercambio iónico. Este tratamiento es recomendablepara suelos contaminados con metales.

Tratamiento sin remoción. Se logra por el transporte electro-osmóticode los contaminantes a través de zonas de tratamiento colocadas entrelos electrodos; la polaridad de los mismos es revertida periódicamente,por lo que el flujo electro-osmótico cambia de dirección, pasando fre-cuentemente por las zonas de tratamiento. Este método es recomendadopara suelos contaminados con especies orgánicas (US DOE 1995).





Esta tecnología es ampliamente recomendable para tratar suelos poco

permeables, como lodos y sedimentos contaminados con metales pe-sados, aniones y compuestos orgánicos polares en concentraciones deunas cuantas partes por millón (ppm) hasta miles (USAEC 1997).

La primera demostración exitosa del uso de la electrocinéticapara la remediación de suelos se realizó en Holanda en 1986 (VanCauwenberghe 1997). En 1993, Raloff describió un proyecto llamadoLasagna, que combina un proceso biológico y uno electro-osmótico,

en donde capas alternas de bifenilos policlorados (PCB) se degrada-ron por acción microbiana. Una vez que los PCB se fragmentaronen moléculas más pequeñas, se aplicó electro-ósmosis para trans-portar las moléculas hasta un sitio de tratamiento. Actualmenteexisten algunas aplicaciones comerciales de electrorremediación,desarrolladas en los Estados Unidos. Se han llevado a cabo pruebasde demostración a escala piloto e industrial por varias instituciones:

la Universidad Estatal de Luisiana, Electrokinetics Inc., GeokineticsInternacional Inc. y por el Instituto Batelle Memorial. La corporaciónGeokinetics ha demostrado con éxito su proceso de remediaciónelectrocinética in situ a través de cinco estudios de campo en Europa(US EPA 1996).

En 1996, el programa DoDs de investigación innovadora de ne-gocios y Electrokinetics Inc., desarrollaron un estudio demostrativo

completo para extraer Pb de un campo de la armada de los EstadosUnidos, en Luisiana. La Agencia de Protección Ambiental de los Esta-dos Unidos (US EPA) evaluó los resultados de la prueba, encontrandouna disminución significativa en la concentración de Pb (de ~ 4,500mg/kg a 300 mg/kg) en 30 semanas (US EPA 1996).




C 14. P j

Vj

Es una tecnología disponible

comercialmente

El contaminante puede separarse con

facilidad del suelo, incluso en formapura

Es una alternativa eficiente para la

remediación in situ de sitios

contaminados con metales

Se puede aplicar eficientemente en

suelos arcillosos (poco permeables)

L

No es aplicable en todo tipo de suelos

El suelo tratado pierde ligeramente su

fertilidad

Es necesario hidratar el suelo al menos

24 horas antes de iniciar el tratamiento

Valores extremos de pH y reacciones

redox pueden disminuir su eficiencia

y formar productos indeseables


La aplicación de procesos electrocinéticos es más efectiva en suelos arci-

llosos debido a su carga superficial negativa, la cual puede alterarse porcambios en el pH del fluido, modificando también las características de

adsorción de contaminantes; la utilización de electrolitos con pH específico

puede mejorar el desempeño de la técnica. En el cuadro 14 se resumen las

principales ventajas y limitaciones de la electrorremediación.

La eficiencia del proceso disminuye en suelos con humedad menor

al 10%; la máxima eficiencia se logra con valores de humedad de 14

a 18 %. La presencia de objetos metálicos o aislantes puede inducir variabilidad en el campo eléctrico y en la conductividad del suelo,

afectando el proceso. Asimismo, es recomendable la utilización de

electrodos inertes (carbón, grafito o platino) para evitar la introduc-

ción de residuos reactivos en el suelo tratado; los electrodos metálicos

pueden disolverse por efecto de la electrólisis.





Es una tecnología que, dependiendo de la extensión y profundidad del

sitio contaminado, puede llevar de unas cuantas semanas hasta 6 u 8meses. Sus costos varían dependiendo de la extensión del terreno, delmaterial de los electrodos, de la conductividad del suelo, de las metaspropuestas para el tratamiento, y del costo de la energía (se estiman gastosenergéticos cercanos a 500 KWh/m3, dependiendo del espacio entre elec-trodos [1-1.5 m]). De acuerdo con estimaciones en los Estados Unidos,los costos directos por el tratamiento mejorado de metales (extracción y

estabilización) pueden ascender a 50 USD/m3 (US EPA 1998).


El suelo tratado a través de electrorremediación pierde ligeramente su ferti-lidad, debido a la extracción de iones como NO

3-, SO

4=, PO

4=, NH

4+, por lo

que debe pasar por procesos de fertilización antes de utilizarlo como área

para cultivo; asimismo, algunas arcillas pueden cambiar su carga debidoal cambio de pH promovido por la hidrólisis del agua, por lo que tambiénes necesario evaluar su integridad estructural (US EPA 2001).

4.4. T

El término biorremediación se utiliza para describir una variedad de

sistemas que utilizan el potencial metabólico de organismos vivos(plantas, hongos y bacterias, entre otros) para limpiar ambientescontaminados (Van Deuren et al. 2002, Watanabe 2001). La biorre-mediación de un suelo implica su descontaminación por vía biológica.En el caso de sitios contaminados con metales, los microorganismospueden modificar su movilidad en el ambiente a través de cambios ensus características físicas o químicas (Lovley y Coates 1997).




4.4.1. Mecanismos biológicos aplicables a la biorremediación de suelos

Las bases para la remediación de suelos presentadas en la sección 4.1,

en el caso de procesos biológicos se enfocan, principalmente, en ladegradación de compuestos orgánicos; sin embargo, la mayoría de losparámetros descritos puede aplicarse para contaminantes inorgánicos.Se ha demostrado que es posible llevar a cabo la remediación in situ de sitios contaminados con metales por vía microbiana, básicamentea través de cambios en el estado redox, favoreciendo así mecanismosque modifican la solubilidad, movilidad y/o toxicidad de los contami-

nantes (figura 15), haciendo posible la remediación del suelo a través dela separación o la disolución del contaminante (Lovley y Coates 1997,Gadd 2000; Barkay y Schaefer 2001):

i. Separación o inmovilización. Implica mecanismos de biosorción(sorción del contaminante en biomasa) y cambios en el estado redox(reducción de formas metálicas oxidadas solubles a formas insolu-bles), así como la acumulación, precipitación y/o volatilización de los

contaminantes a través de la fitorremediación (Lovley y Coates 1997,Beaudette et al. 2002, Diels et al . 2002).

ii. Disolución o movilización. Incluye procesos de biolixiviación demetales y metaloides y cambios en el estado redox (oxidación de for-mas metálicas reducidas insolubles a formas solubles), que favorecenla disolución o volatilización de los mismos (Lovley y Coates 1997).

Con base en lo anterior, las metas de la remediación de conta-

minantes inorgánicos pueden alcanzarse conforme a los siguientesprincipios: (i) la precipitación del contaminante y, en consecuencia,su inmovilización; (ii) la concentración del contaminante con laposterior reducción del volumen de la matriz contaminada; y (iii) laseparación de metales a un ambiente en donde su riesgo potencial sereduzca (Barkay y Schaefer 2001).




F 15. I .()

(M ) (M ); ()

, / ; () ( , )

; () - (M-)

Fuente: Ledin 2000.

4.4.2. Interacciones microorganismos-metales

Los microorganismos están expuestos a la presencia de diversos tiposde metales y metaloides en el ambiente, por lo que no es sorprendenteque puedan interactuar con ellos, a través del desarrollo de mecanismosde defensa, a veces para su beneficio y otras para su perjuicio. En la

Movilización InmovilizaciónM-org

M orgLiberación/producción desustancias que movilizan metales

Fe(II)

Fe(III)

Disminución de pH

Reducción de metales

Oxidación de S

Movilización delmetal

Acumulación de metalesM activos

M pasivos

Biodegradaciónde compuestos

metal-orgánicos

Reducción demetales

Oxidación de

metales

Reducciónde S

U(ox)

Fe(III)Sulfato

Fe(II)

U(red)

SulfuroAumento

de pHInmovilización

del metal




naturaleza, estos elementos existen principalmente como cationes, oxi-aniones o en ambas formas en solución, y como sales u óxidos en formacristalina (mineral) o como precipitados amorfos en forma insoluble.

La manera en que los microorganismos interactúan con los metalesdepende, en parte, de si son procarióticos o eucarióticos. Ambos tiposde organismos utilizan especies de metales para funciones estructu-rales y/o catalíticas, y tienen capacidad para unirse a iones metálicospresentes en el exterior de la superficie celular o para transportarloshacia dentro de la célula para diversas funciones intracelulares. Porejemplo, el Ca y el Mg tienen funciones estructurales y catalíticas; el V,

Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo y el Se en bajas concentraciones, puedenparticipar en funciones catalíticas. Algunos procariotes pueden utilizar,durante su metabolismo, especies de metales que pueden existir condiferentes valencias, como el Cr, Mn, Fe, Co, Cu, As y Se, ya que estosfuncionan como aceptores o donadores de electrones. Es decir, estaserie de mecanismos para la modificación de metales, pueden existira diferentes niveles de interacción microorganismo-metal. A conti-

nuación se describen dos de las más comunes (Ehrlich 1997).

A. Interacciones metabólicas-enzimáticas

i Captación de metales traza para su incorporación a metalo-enzimaso su utilización en la activación de enzimas. Ocurre en todos losmicroorganismos, los metales deben estar en forma iónica.

ii Utilización de metales o metaloides como donadores o aceptoresde electrones en el metabolismo energético (deben satisfacer lasdemandas energéticas del organismo) Ocurre en eubacterias y arqueobacterias, su utilización por eucariotes no se conoce.

iii Detoxificación enzimática de especies metálicas tóxicas. Las espe-cies tóxicas son convertidas a formas con menor o nula toxicidadpor oxidación o reducción enzimática.




iv Biocorrosión enzimática anaerobia. La superficie del metal es colo-nizada por bio-películas formadas por diferentes tipos de bacterias,algunos de cuyos productos metabólicos pueden ser corrosivos.

B. Interacciones metabólicas-no enzimáticas

i Los microorganismos eucarióticos y procarióticos (vivos o muer-tos) tienen la capacidad de acumular metales a través de su unióncomo cationes a la superficie celular en un proceso pasivo.

ii Algunos hongos y bacterias pueden promover la lixiviación selec-

tiva y no selectiva (bioloxiviación) de uno o más constituyentesmetálicos de minerales, junto con otros productos metabólicos.

iii Ciertos microorganismos excretan productos metabólicos inorgáni-cos (sulfuros, carbonatos, fosfatos) en su metabolismo respiratorioy así precipitar iones de metales tóxicos.

A la fecha, las aplicaciones biotecnológicas (reales y potenciales)

más importantes y promisorias de las interacciones microorganismos-metales son la biolixiviación o biobeneficio de minerales y la biorre-mediación de sitios contaminados con metales (Ehrlich 1997). En lassiguientes secciones se describe, de forma más detallada, la maneraen que los mecanismos e interacciones microorganismos-metales re- visadas arriba, pueden aplicarse para la biorremediación microbianade suelos y se mencionan algunos ejemplos de su aplicación.

4.4.3. Biosorción (inmovilización microbiana de metales)

La biosorción es la separación pasiva de metales y metaloides porinteracciones con material biológico vivo o muerto y es, hasta ahora,el acercamiento más práctico y ampliamente usado para la biorreme-diación de metales (Barkay y Schaefer 2001). Implica mecanismos




físico-químicos por los que las especies metálicas son sorbidas y/oacomplejadas en biomasa o productos microbianos (Gadd, 2000). Losprocesos de biosorción son, esencialmente, pseudo-procesos de inter-cambio iónico, en los cuales los iones metálicos son intercambiadoshacia componentes de carga opuesta unidos a la biomasa o a unaresina. En general, depende del pH del líquido y de las característicasquímicas del metal (Eccles 1999).

Un ejemplo de biosorción es la remoción de Pb y Cd a partir de so-luciones muy diluidas, con el uso de biomasa seca de algunas especiesde algas cafés como Ascophyllum y Sargassum, que pueden acumular

más de 30% (peso seco) del metal en la biomasa. También se ha re-portado que el micelio de hongos de uso industrial, como Rhizopus y

Absidia, son excelentes biosorbentes para Pb, Cd, Cu y Zn y tambiéntienen la capacidad para atrapar otros metales pesados hasta en un25% del peso seco de la biomasa (Volesky y Holan 1995).

A. Aplicaciones y estado de desarrollo

Hasta ahora esta tecnología se ha evaluado principalmente como unaestrategia para la remoción de metales de corrientes de residuos y para el tratamiento de aguas, pero es un proceso con aplicacionespromisorias para la concentración de metales en suelos. Al respecto,se ha sugerido que la estimulación del crecimiento de microorganismosnativos con capacidad para la biosorción de metales es una estrategia

útil para inmovilizar metales en suelos y así evitar la contaminaciónde cuerpos de agua (Lovley y Coates 1997, Barkay y Schaefer 2001).

Aunque ciertas sustancias poliméricas extracelulares son importan-tes para la biosorción de metales, se ha demostrado que su composicióny su capacidad para la sorción dependen del organismo, del metal y de las condiciones (pH, E

h), ofreciendo posibilidades para manipular

las aplicaciones de la biosorción. Por ejemplo, en suelos arenosos, es




posible la disolución de metales mediada por sideróforos7 por Alcali-

genis eutrophus. Los metales disueltos se adsorben en la biomasa y/o seprecipitan, para posteriormente separar la biomasa (en fase acuosa) del

suelo por un proceso de floculación. Este proceso da como resultadouna considerable disminución en la biodisponibilidad de Cd, Zn y Pb(Gadd 2000, Beaudette et al. 2002).

4.4.4. Precipitación de metales (inmovilización microbiana)

La mayoría de las transformaciones de metales mediadas por micro-organismos, incluyendo la oxidación-reducción y alquilación-desal-quilación, no tiene funciones biológicas conocidas. Éstas ocurren através de procesos cuyas funciones primarias no están relacionadascon la transformación de metales, pero que alteran su solubilidad,movilidad y toxicidad y, por lo tanto, pueden emplearse como estra-tegias de remediación (Lovley y Coates 1997, Barkay y Schaefer 2001).Pueden distinguirse básicamente dos mecanismos de precipitación demetales: la precipitación reductora y la biomineralización.

A. Precipitación reductora

La precipitación reductora es uno de los mecanismos que le permitea los microorganismos reducir la movilidad y toxicidad de un metalo metaloide, a través de su reducción a un estado redox, más bajo,ofreciendo aplicaciones potenciales para la biorremediación. Muchosde los organismos que catalizan estas reacciones utilizan los metales

7. Sustancias extracelulares producidas por algunas bacterias bajo condiciones deficien-tes en Fe. Se asocian con el Fe en la solución del suelo y son reabsorbidos y procesados,proporcionando al organismo un mecanismo eficiente para obtener Fe (Universidadde Minnesota, http://www.rhizobium.umn.edu/espanol/glossary.htm.




o metaloides como aceptores de electrones durante su respiraciónanaerobia, reduciendo formas oxidadas altamente solubles a formaselementales (reducidas) insolubles, dando como resultado la detoxi-ficación y/o precipitación del contaminante (Lovley y Coates 1997,Barkay y Schaefer 2001).

Las bacterias sulfo-oxidantes (BSO) y las bacterias sulfato-reduc-toras (BSR) son geoquímicamente importantes en la precipitaciónreductora de metales tóxicos como el Cr6+ y el U6+. Se ha demostradoque la reducción de U6+ a U4+ por microorganismos reductores deFe3+, puede remover efectivamente uranio de superficies y cuerpos

de agua; cuando se acopla con una técnica simple de extracción, lareducción microbiana de U6+ puede usarse para concentrar uranio desuelos contaminados (Lovley y Coates 1997, Gadd 2000).

B. Biomineralización

La biomineralización es la formación de precipitados metálicos insolu-

bles por interacciones con productos del metabolismo microbiano. Labiomineralización de metales y metaloides en forma de minerales deazufre, hidróxido, fosfato y carbonato, tiene aplicaciones potencialespara la biorremediación (Barkay y Schaefer 2001). Un ejemplo de estetipo de sistema es el uso de BSR , bacterias heterótrofas anaerobias,que utilizan una serie de sustratos orgánicos (etanol, acetato, butirato,celulosa) y sulfato, como aceptores de electrones.

El potencial biotecnológico de las BSR radica precisamente en lainsolubilidad de los sulfuros de metales tóxicos (Cu, Hg, Cd, As, Sey Pb), formados durante la reducción biológica del sulfato, dandocomo resultado su inmovilización y detoxificación (Gadd 2000). Lossulfuros metálicos son insolubles a pH neutro, y algunos de ellos, encondiciones ligeramente ácidas. De esta manera, es posible separaralgunos de los metales de alta toxicidad de los menos tóxicos con base




en la química del sulfuro (Eccles 1999). En ciertas circunstancias, sinembargo, la inmovilización de sulfuros metálicos puede ser inapro-piada; por ejemplo, en el caso de la inmovilización de mercurio comoHgS, que no se considera una práctica ambientalmente segura (Barkay y Schaefer 2001).

C. Aplicaciones prácticas

La inmovilización de metales puede aplicarse en sitios contaminadoscon cromato o dicromato (Cr6+), estimulando la reducción de Cr6+ a Cr3+

por bacterias (Wang y Sheng 1995). Esta reacción es una de las formasmás estudiadas de biorremediación de metales. Se conoce una variedadde organismos heterótrofos capaces de llevar a cabo esta reacción,que puede ocurrir en condiciones aerobias o anaerobias. El procesotambién puede resultar de mecanismos indirectos de precipitación;por ejemplo, en sistemas con BSR, la reducción de Cr6+ puede resultarde la reducción indirecta por Fe2+ y el sulfuro producido (Lovley y

Coates 1997, Gadd 2000).La formación de esfalerita (ZnS) por bacterias Desulfobacteriaceae

a partir de concentrados de Zn, y la precipitación de sulfuros metálicospor BSR puede constituir la segunda fase de un tratamiento combinadode oxidación-reducción de azufre para la descontaminación de suelos(Barkay y Schaefer 2001). La formación, por vía biológica, de piromorfita(Pb

5(PO

4)

3Cl), un mineral estable de plomo, se ha sugerido como una

técnica de remediación para suelos contaminados con plomo debido aque disminuye la biodisponibilidad de dicho metal (Gadd 2000).

4.4.5. Biolixiviación (movilización microbiana de metales)

La biorremediación de suelos contaminados con metales por lixi- viación microbiana o biolixiviación es una tecnología relativamente




nueva, simple y efectiva, utilizada para la extracción de metales a partirde minerales y/o concentrados que los contienen. La recuperación apartir de minerales de azufre o de hierro, se basa en la actividad debacterias quimiolitotróficas que oxidan hierro y azufre (hierro- y sulfo-oxidantes, respectivamente), iobacillus ferrooxidans, T. thiooxidans y Leptospirillum ferrooxidans, las cuales convierten sulfuros metálicosinsolubles (S0) a sulfatos solubles y ácido sulfúrico (Bosecker 2001).Esta disolución hace que los metales puedan recuperarse fácilmentede ambientes contaminados y suelos superficiales, usando estrategiasde remediación de bombeo-tratamiento (Lovley y Coates 1997).

Otra opción factible para el tratamiento de sitios contaminadosy recuperación de metales a partir de minerales que no contienenazufre (como carbonatos y silicatos metálicos), es la biolixiviaciónheterótrofa. En este caso, la extracción de metales se lleva a cabo,principalmente, por hongos en un proceso mediado por la produc-ción de ácidos orgánicos y de compuestos quelantes y acomplejantesexcretados al medio, que proveen una fuente de protones y aniones

que acomplejan metales. En el suelo, la biolixiviación heterótrofa demetales es más importante que la autótrofa (por bacterias). La lixi- viación heterótrofa puede también influir sobre otras tecnologías detratamiento para suelos contaminados, a través de la translocaciónfúngica de ciertos metales (Cs, Zn y Cd), lo que puede conducir a suseparación y concentración en regiones específicas del micelio y/ocuerpos fructíferos (Gadd 2000, Bosecker 2001).

A. Aplicaciones prácticas

La biolixiviación tiene gran potencial para la remediación de materialescontaminados con metales pesados. La lixiviación de minerales porBSO es un proceso bio-industrial establecido (sección 4.4.7) y, aunqueel mayor interés surge desde una perspectiva hidrometalúrgica, también




es posible la lixiviación de metales que se encuentran como conta-minantes de suelos y otras matrices. El principio de la biolixiviaciónpuede aplicarse como bio-beneficio, un proceso en el que un mineralse enriquece en cuanto al contenido de sus componentes metálicos de valor por la remoción selectiva de componentes indeseables.

La biolixiviación de Cu a partir de minerales con azufre se ha practica-do de manera empírica por muchos siglos con el uso de T. ferrooxidans y L. ferrooxidans. Actualmente, el proceso se emplea a escala industrial parala recuperación de oro a partir de minerales azufrados con T. ferrooxidans.La extracción de metales como el Co, Mo, Ni, Pb y Zn a partir de minerales

por biolixiviación es técnicamente viable (Ehrlich 1997).A partir de 1990, se han registrado cerca de 15 patentes de rele-

vancia a nivel mundial, de las cuales, la mayoría implica procesosde biolixiviación. Por ejemplo, Rusin (1993) patentó un proceso bio-lógico anaeróbico para la disolución de plutonio contenido en sueloscontaminados, con el uso de microorganismos reductores de hierro,obteniendo rendimientos de lixiviación de plutonio cercanos a 90%

(Brombacher et al . 1997).

B. Ventajas y limitaciones

La biolixiviación puede tener varias ventajas sobre la lixiviación quí-mica (Brombacher et al . 1997, Bosecker 2001):

. La lixiviación química puede alcanzar altos costos debido al trans-porte del ácido.

. El sulfuro necesario para la producción bacteriana de ácido seencuentra disponible a bajos costos.

. La remoción de contaminantes del suelo puede disminuir signi-ficativamente los costos de disposición y, además, puede permitirla recuperación de metales preciosos.




. Tiene grandes ventajas económicas debido a sus bajos costos encapital y energía, a su alta flexibilidad, puede usarse on site y nocausa contaminación ambiental.

. Como consecuencia de la producción de ácido sulfúrico duranteel crecimiento de T. thiooxidans, el pH del lixiviado disminuyegradualmente, de manera que los metales que pasan por la solucióna diferentes tasas, pueden separarse selectivamente.

En caso de residuos minerales industriales, la biolixiviaciónconvencional puede fallar, debido a que la mayoría de los metales se

encuentran como óxidos en lugar de sulfuros. Sin embargo, los óxidosmetálicos pueden lixiviarse por la producción microbiana de ácidos(como el ácido sulfúrico generado por T. thiooxidans). En el caso de labiolixiviación heterotrófica, uno de los principales problemas radicaen la búsqueda de sustratos orgánicos más baratos para el crecimientode los microorganismos, además de que los hongos requieren de unabuena aireación, de manera que su utilización generalmente se prevé

en biorreactores (Gadd 2000, Bosecker 2001).

C. Tiempo y costos de la remediación

Como regla de manejo, los procesos biológicos representan costosentre un tercio y la mitad en comparación con las tecnologías deremediación químicas y físicas convencionales (Bosecker 2001). En

general, el equipamiento necesario para procesos de biolixiviaciónes menos costoso que el requerido para procesos fisicoquímicos. Encomparación con la tostación, los costos en capital para una plantade biolixiviación a escala industrial se reducen entre 12 y 20% y loscostos de operación, ~10%. Se calculan costos globales de 4.3 USD/tonde mineral para un tratamiento bacteriano, comparado con 4.1 y 4.5UDS/ton para oxidación por presión y tostación, respectivamente. Sin




embargo, los tiempos de tratamiento requeridos para la biolixiviaciónbacteriana son más largos que los de las tecnologías fisicoquímicas(Brombacher et al . 1997).

4.4.6. Volatilización de metales (movilización microbiana)

Además de la precipitación reductora de algunos contaminantes me-tálicos, otros organismos reductores de metales pueden volatilizarcontaminantes de este tipo (Lovley y Coates 1997). Recientemente,se ha demostrado la factibilidad técnica para biorremediar sitios

contaminados con selenato y selenita por su reducción bacterianaa Se0 en reactores (Cantafio et al . 1996). Asimismo, ciertos hongospueden convertir selenio oxidado a selénidos metilados volátiles para volatilizarlos a la atmósfera (Ehrlich 1997).

La reducción microbiana de Hg2+ a Hg0 volátil, como mecanismode resistencia al metal, es otro ejemplo de un mecanismo natural de volatilización del mercurio de ambientes contaminados, permitien-

do la posibilidad de favorecer la remediación de mercurio a travésde la estimulación de su metabolismo (Lovley y Coates 1997). Sinembargo, para considerar el empleo de la volatilización como meca-nismo de remediación, deben tomarse en cuenta las emisiones a laatmósfera y, por lo tanto, prever el uso de sistemas para su coleccióno tratamiento.

4.4.7. Combinación de procesos microbianos: aplicaciones prácticas

En condiciones ambientales adecuadas, la óxido-reducción mi-crobiana de metales tiene gran potencial para la biorremediaciónin situ y ex situ de sitios contaminados con metales tóxicos. Laremoción de metales de un suelo puede llevarse a cabo básica-mente a través de dos etapas: (i) la movilización (disolución) in




situ de los metales; (ii) la precipitación de los metales disueltos enuna solución acuosa a través de un tratamiento ex situ (Stephen y Macnaughton 1999).

A. Biolixiviación-precipitación

Una opción para la biorremediación ex situ de suelos contaminadoscon metales, implica la combinación de un proceso de biolixiviacióno de disolución de metales en biorreactores de lodos, seguido por suprecipitación en forma de sulfuros metálicos insolubles, por BSO y

BSR, respectivamente (figura 16) (Webb et al . 1998; Gadd 2000).La efectividad de esta opción para la remoción y concentración

de una serie de metales (incluyendo Zn, Cu y Cd) de un suelo conta-minado es prometedora. Los sólidos resultantes, una vez separados,pueden tener un volumen hasta 200 veces menor que el suelo original,mientras que el bajo contenido de metales tóxicos en el sobrenadanteproducido puede permitir su descarga o su reciclado a una nueva etapa

de biolixiviación (Gadd 2000).White et al . (1998) utilizaron este principio para, primero, movilizar

y, posteriormente, precipitar metales tóxicos (Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni y Zn) presentes en un suelo contaminado. Los metales se lixiviaron coneficiencias de 66-99% del suelo, usando el ácido sulfúrico producido porBSO. Posteriormente, en un bioreactor se precipitaron los metales tóxicoscomo sulfuros sólidos por un cultivo mixto de BSR. Con el uso de este

proceso se logró la lixiviación de cerca de 70% de los metales presentes enun suelo contaminado en 175 días (Stephen y Macnaughton 1999).

B. Bio-hidrometalurgia

La transformación de minerales por acción microbiana es un procesoconocido, especialmente en la industria del hierro, desde 1888. Desde




F 16. P - . M+ ( ).L

- . L - , ,

, -. L

Fuente: White et al. 1997.

Nutrientes + azufre + inoculo Nutrientes + sustrato + inoculo

Bio-lixiviaciónBacterias sulfo-oxidantesCondiciones ácidasCondiciones aerobiasM (sólido) → M2+ + SO

42-

Bio-precipitaciónBacterias sulfato-reductoras

Condiciones neutrasCondiciones anaerobiasSO

4 → S2-

M2+ + S2- → MS→

→

Suelocontaminado

Efluente librede metales

Suelo limpio

→ →

Lixiviadodel suelo

→ →

→

→

principios de los años 1920, se reportó la oxidación de sulfuro de

Zn por microorganismos sulfo-oxidantes desconocidos, sugiriendoun método biológico para la utilización económica de minerales de

sulfuro de Zn de baja ley.

Este tipo de procesos se conoce, en términos generales, como

biohidrometalurgia, que es una materia interdisciplinaria que

combina la geo-microbiología, la ecología y la biogeoquímica

con la hidrometalurgia. Es una tecnología novedosa, que incluye

2-




F 17. B . E ,

. L() () () , C,

. E C ,

Fuente: Rawlings 2002.

la biolixiviación y que permite la obtención de compuestos demetales preciosos a partir de minerales o de desechos industria-les, a través de su disolución, para su recuperación y purificación

(Brombacher et al . 1997).Actualmente, existen dos tipos de proceso para la recuperación de

metales por vía biológica a escala comercial: (i) irrigación sobre pilas(figura 17) y (ii) tanque agitado (figura 18). El primer tipo incluye lapercolación de lixiviados a través de minerales triturados o concentrados(jales). El proceso de tanque agitado se da mediante la operación continuade reactores agitados con una alta tasa de aireación (Rawlings 2002).

El metal más recuperado por biolixiviación a través de irrigación esel Cu. En 1999, las plantas de biolixiviación por irrigación construidasen 1991, procesaron cerca de 30 x 106 ton/año de mineral. Un ejemplo

Reciclado del lixiviado

Irrigación del material

Mineral (o jales)de cobre

Metal de cobre

Electro-recuperación

Extracción porsolventes




F 18. P - . A

. L

. L , .E , , -

Fuente. Rawlings 2002.

a gran escala de este proceso es la planta Quebrada blanca, inauguradaen 1994 en el norte de Chile, que produce 75,000 ton/año de cobrea partir de calcocita, que contiene 1.3% de cobre. Estos reactores sehan usado también para recuperación de oro.

El uso de biorreactores aireados agitados implica un avance en

cuanto a la velocidad y eficiencia de los procesos de biooxidación deminerales (figura 18). Debido a que la construcción y operación de estetipo de reactores es costoso, su uso se restringe para minerales y con-centrados con altos valores. La mayoría de las operaciones comerciales

3. Aquellos en los que el oro se encuentra finamente dividido en una mezcla depirita/arsenopirita y no puede disolverse fácilmente a través de los procesos comunes

de cianuración (Rawlings 2002).

Nutrientes inorgánicos(PO

4, HN

4)

H2OConcentrado

mineral

Tanque demezclado

Tanques deaireación 1os

Tanques deaireación 2os

Tanque desedimentación

SólidosCianuración y

recuperación de oro

Líquido

Ajuste de pHy disposición

◆Ajuste de pH◆Aireación

◆Enfriamiento




que los utiliza son procesos de pretratamiento para la recuperación deoro a partir de concentrados recalcitrantes3 de arsenopirita. El objetivode tratar estos minerales para descomponer la arsenopirita consiste enfavorecer el contacto del cianuro con el oro (Rawlings 2002).

4.4.8. Ventajas y limitaciones de la biorremediación microbiana

El uso de microorganismos para el procesamiento de minerales o parala biorremediación de suelos contaminados con metales, tiene varias ventajas con respecto a los métodos fisico-químicos tradicionales

(Rawlings 2002):

. Casi sin excepción, los procesos biológicos son más amigablesambientalmente.

. No se requieren grandes cantidades de energía.

. No se produce dióxido de azufre ni otras emisiones gaseosasdañinas.

. Los residuos generados a partir de procesos biológicos son menosactivos químicamente.

. Pueden extraerse metales (Cu) de minerales de bajo grado que,normalmente, no pueden recuperarse de manera económica conel uso de otros métodos.

. Este tipo de procesos puede ser autofinanciables, ya que se evitala costosa generación de residuos y/o por el valor del metal obte-nido.

. Las bacterias tienen la capacidad de captar metales a partir desoluciones extremadamente diluidas, lo cual sólo representa una ventaja si el metal es costoso o muy tóxico.

Sin embargo, la remediación microbiana también representa unaserie de problemas (Nies 1999).




. Aunque la unión de metales a microorganismos se ha documen-tado desde hace tiempo, el uso comercial de este procedimientose encuentra poco desarrollado.

. Resulta caro hacer crecer bacterias para usarlas para atrapar meta-les; en este sentido, los intercambiadores iónicos son más baratosy realizan el mismo trabajo.

. Se requieren mayores tiempos de tratamiento.

. Los procesos biológicos no pueden emplearse si el tipo de suelono favorece el crecimiento microbiano.

. Es necesario verificar la toxicidad de intermediarios y/o productos.

. Algunos aditivos empleados, como P y N, pueden migrar a cuerposde agua cercanos. Los reactivos oxidantes, como el H

2O

2, pueden

ser flamables y requerir de manejo cuidadoso.

4.4.9. Fitorremediación

El término fitorremediación se refiere a una tecnología innovadora que

utiliza plantas vivas y los microorganismos asociados a su rizósferapara la remediación in situ y ex situ de suelos, lodos, sedimentos y aguascontaminados a través de la remoción, degradación o estabilización delos contaminantes. La principal motivación para el desarrollo de estetipo de tecnología es el gran potencial para la remediación de sitioscontaminados a bajos costos.


La fitorremediación aplicada a suelos contaminados con elementoso compuestos inorgánicos, incluye, básicamente, tres mecanismos:la fitoextracción o fitoacumulación, la fito-estabilización y la fito-vo-latilización (figura 19) (Chaney et al. 1997, Raskin et al . 1997, ITRC1999, Singh et al. 2003, Prasad y Freitas 2003).




F 19. E . L

, -

Fuente: Singh et al. 2003.

Fito-extracción

Disposición de residuos:regeneración de com-ponentes naturales delsuelo

Tratamiento térmico,microbiológico oquímico

Cosecha

Traslocación abrotes

"Captura" enraíces

Fito-volatilizaciónVolatilización de ionesmetálicos por brotes

Rizo-degradaciónen raíces

Fito-estabilización"Captura" de ionesmetálicos contaminantesen la matriz del suelo

Captación a través de lasraíces de los contaminantes"capturados"

Fito-extracción o fito-acumulación. Se refiere a la concentración y traslocación, a través de las raíces, de contaminantes metálicos presentesen el suelo hacia diferentes partes cultivables de la planta, dando comoresultado la limpieza permanente del sitio. Es la tecnología más reco-nocida entre todas las de este tipo, por lo que se detalla más adelante.

Traslocación delcontaminante en laplanta




Algunas plantas llamadas hiperacumuladoras tienen la capacidad paraacumular concentraciones de metales 10 a 500 veces mayores que otrasespecies, alcanzando de 1 a 5% del peso seco de la planta.

Fitoestabilización. Es el uso de ciertas especies de plantas para in-movilizar contaminantes presentes en suelos a través de su absorción y acumulación en las raíces, adsorción en las raíces o precipitación por lapresencia de exudados. Estos mecanismos conducen a la estabilizaciónfísica de los suelos a través de una reducción en la movilidad, toxi-cidad y/o biodisponibilidad de los contaminantes. Las plantas usadascon este fin deben ser especies no comestibles o especies en las que la

traslocación de metales a los tejidos que crecen arriba del suelo (y quepuedan consumirse por animales o humanos) sea mínima.

Fitovolatilización. Implica la captación de contaminantes volátiles(Hg y Se) por plantas y su posterior volatilización o liberación (en suforma original o modificada) a la atmósfera. Este mecanismo puedetener ventajas sobre la fitoextracción debido a que no es necesaria lacosecha ni la disposición de biomasa; sin embargo, es una tecnología

de gran controversia por las implicaciones ambientales de la liberaciónde metales a la atmósfera. Aunque es una tecnología con potencial parala remediación de suelos contaminados con Hg y Se, es indispensableconsiderar el empleo de sistemas para la captura de emisiones.

B. Fito-extracción de metales

La fitoextracción de contaminantes metálicos de suelos es, hasta la fe-cha, uno de los campos con mayores avances científicos y tecnológicos.Durante este proceso, el contaminante debe encontrarse biodisponiblepara que la absorción por la raíz pueda ocurrir. La traslocación (movi-miento) del contaminante desde la raíz a los brotes de la planta, haceque el tejido pueda cultivarse fácilmente y disminuye la exposición delos trabajadores (figura 20). En la práctica, las plantas acumuladoras de




F 20. P -

Fuente: Cunningham y Ow 1996.

metales se siembran o transplantan al sitio contaminado y se cultivancon prácticas agrícolas comunes.

Para mejorar el proceso de fito-extracción, la biodisponibilidad delcontaminante hacia las raíces puede facilitarse a través de la adición deagentes acidificantes, de fertilizantes o quelantes (Prasad y Freitas 2003).Con este principio, existen dos estrategias básicas (Salt et al . 1998):

(i) Fitoextracción asistida por quelantes. La adición de agentes que-

lantes al suelo favorece la acumulación de metales en partes cultivablesde una planta. Los agentes quelantes incrementan la solubilidad demetales en el suelo. Este proceso es el que se encuentra más desarro-llado y disponible comercialmente.

(ii) Fitoextracción continua de largo plazo. Se basa en procesosfisiológicos especializados que permiten la acumulación de metalesdurante todo el ciclo de crecimiento. Las plantas con esta capacidad

Proceso de postcosecha/concentración(via microbiana, térmica o química)

Recuperacióno disposición

Cosecha

Traslocaciónhacia una parte

cosechable

Captación porla raíz

Adición de compuestos queaumentan la disponibilidad del

contaminante




pueden acumular, de forma natural, metales (> 1%) como Zn, Ni,Se o Mn.

La velocidad de remoción de un contaminante depende de la bio-

masa reunida durante la cosecha, del número de cosechas por año y de la concentración del metal en la biomasa cosechada. El éxito dela fitoextracción depende principalmente de: (i) la capacidad de laespecie para acumular grandes cantidades del contaminante (1-3%en biomasa en peso seco) en sus tejidos cultivables, y de (ii) la capa-cidad para producir grandes cantidades de biomasa en corto tiempo(Cunningham y Ow 1996, Prasad y Freitas 2003).

C. Factores que inciden en la fitorremediación y consideraciones para su uso

Uno de los principales factores que rigen la disponibilidad de ionesmetálicos para las plantas, es su solubilidad. La limitada biodispo-nibilidad de ciertos iones metálicos, debido a su baja solubilidad enagua y a su sorción a las partículas del suelo, restringe su captación/

acumulación por las plantas. La solubilidad de los iones metálicosdepende de varias propiedades fisico-químicas del suelo (sección 4.1),así como de su mineralogía, concentración y especie (Chaney et al .1997, Singh et al . 2003). Además de lo anterior, para considerar el usode la fitorremediación como opción de limpieza para un sitio, debetenerse en cuenta el nivel de limpieza requerido, las condiciones delsitio y las plantas usadas. Algunas consideraciones generales para el

diseño de un plan de fitorremediación son (ITRC 1999):

. Selección de plantas. Las plantas usadas se deben seleccionar conbase en su tasa de crecimiento y biomasa, a la profundidad de susraíces, a su potencial de evapo-transpiración y a su capacidad paratolerar y acumular contaminantes.

. Concentración de los contaminantes. Los altos niveles de conta-




minación pueden eliminar la posibilidad de la fitorremediacióncomo una opción de tratamiento.

. Estudios de tratabilidad. Es recomendable evaluar el potencial de dife-

rentes especies antes de diseñar un sistema de fitorremediación. Estosestudios aseguran que el sistema propuesto alcance los resultados es-perados, proporcionan datos de transformación y toxicidad, así comoinformación acerca del destino del contaminante en la planta.

. Velocidad de captación de contaminantes y tiempo requerido parala limpieza. Es necesario estimar la velocidad de captación de con-taminantes por la planta, para así determinar el tiempo necesario

para lograr los objetivos de la remediación (Schnoor 1997).. Disponibilidad de agua, consumibles agronómicos y de manteni-

miento. Los consumibles incluyen los nutrientes (N, P, K) y materiaorgánica necesarios para el buen crecimiento de la planta y los mi-croorganismos de la rizósfera. El mantenimiento del sistema puederequerir de la adición de fertilizantes y/o agentes quelantes.

D. Especies con potencial para la fitoextracción de metales

Los pastos son el género más adecuado para la fitorremediación deformas orgánicas e inorgánicas de metales, por su hábitat de cre-cimiento y adaptabilidad a una variedad de condiciones edáficas y climáticas (Singh et al . 2003). Se ha reportado una gran biodiversidadde especies con potencial, probado en campo y en laboratorio, para

la fitorremediación. A la fecha, se han identificado 163 taxones deplantas, pertenecientes a 45 familias, tolerantes a los metales y capacesde crecer en concentraciones elevadas (Prasad y Freitas 2003).

Se han reportado especies de musgos (Briofitas) y helechos(Pteridofitas) con capacidad de crecer en sustratos ricos en metales.Entre las Angiospermas, se han identificado cerca de 400 hiperacu-muladoras; entre las familias dominantes se encuentran: Asteraceae,




Brassicaceae, Caryophyllaceae, Cyperaceae, Cunouniaceae, Fabaceae,Flacourtiaceae, Lamiaceae, Poaceae, Violaceae y Europhobiaceae. Deestas familias, Brassicaceae tiene el mayor número de taxones (11

géneros y 87 especies) con capacidad para hiper-acumular metales(Prasad y Freitas 2003). Entre las plantas comúnmente usadas para lafito-extracción de Pb se encuentran los girasoles (Helianthus annuus)y la mostaza de la India (Brassica juncea); para Zn, Cd y Ni, laspi spp. (ITRC 1999). Asimismo, se conocen cerca de 300 especies quehiper-acumulan Ni, 26 Co, 24 Cu, 19 Se, 16 Zn, 11 Mn, una Tl y unaCd (cuadro 15).

C 15. E - -

E

CadmioCobaltoCobrePlomoManganesoNíquel

Selenio

TalioZinc

E

laspi caerulescens

Haumaniastrum robertii

H. katangense

T. rotundifolium

Macadamia neurophylla

Alyssum bertolonii

Berkheya coddii

Astragalus pattersoni

Iberis intermediaT. calaminare

C*(•-, )

3,000 (1)10,200 (1)

8,356 (1)8,200 (5)

55,000 (400)13,400 (2)17,000 (2)

6,000 (1)

3,070 (1)10,000 (100)

B(T•H-•-)

4454

309

185

84

* Entre paréntesis se muestra la equivalencia para plantas no acumuladoras.Fuente: Brooks et al. 1998.




E. Ventajas y limitaciones de la fitorremediación

Como en otras tecnologías, la disposición del material contaminado

es una preocupación. Sin embargo, es importante recalcar que estetipo de contaminantes no se degrada. Algunos grupos sugieren laincineración del material vegetal para reducir significativamente el volumen del material a disponer. En algunos casos es posible recuperarmetales valiosos de las cenizas ricas en dichos elementos (Prasad y Freitas 2003).

En estudios recientes se ha demostrado que la fitorremediación

es una solución prometedora para la limpieza de sitios contaminadospor una variedad de metales, aunque también tiene una serie de limi-taciones (Singh et al . 2003). En el cuadro 16 se presentan las ventajasy limitaciones de la fitorremediación.

F. Tiempo y costos de la remediación

La fitoextracción debe considerarse como una tecnología de largoplazo, que puede requerir de varios ciclos de cultivo para reducir laconcentración de los contaminantes a niveles aceptables. El tiemporequerido depende de la concentración y tipo de contaminante(s), dela duración del periodo de crecimiento y de la eficiencia de remociónde la especie utilizada y puede tomar entre uno y 20 años (Prasad y Freitas 2003).

Debido a que los costos de crecimiento de un cultivo son mínimoscomparados con los de la remoción del suelo y su sustitución, el usode plantas para remediar suelos contaminados con metales es muy promisorio (Chaney et al. 1997). Los costos de la fitoextracción de-penden de las condiciones específicas del sitio y pueden variar entre15 y 48 USD/m3 (Schnoor 1997). Se estima que la fitorremediación deun suelo contaminado con Pb (50 cm de profundidad) puede costar

alrededor de 5 USD/m3 (Van Deuren et al. 2002).




C 16. V

V

◆ Aplicable in situ: evita la excavación◆ Menos destructiva para el ambiente◆ Bajos costos◆ Se requiere de un mínimo mante-

nimiento y el manejo de materia-les es mínimo

◆ Baja generación de residuos se-cundarios, bajas emisiones al airey agua

◆ Versátil para el tratamiento de unagama de compuestos peligrosos

◆ Es posible atrapar metales que seencuentren en formas químicasmóviles

◆ Usualmente, el suelo queda fértily puede crecer nueva vegetación◆ Concentración del contaminante:

se generan menores volúmenespara disponer

L

◆ El tipo de planta determina la pro-fundidad de la zona a tratar (unoscm hasta varios metros)

◆ Aplicable para sitios con concentra-ciones bajas a moderadas

◆ Riesgo de entrada de los contami-

nantes en la cadena trófica◆ Se desconoce la biodisponibilidad y

toxicidad de productos◆ La hiperacumulación de metales

tóxicos puede resultar tóxica paralas plantas

◆ Los contaminantes acumulados enhojas pueden liberarse al ambiente

◆ Pueden requerirse varios ciclos decultivo para obtener niveles adecua-dos de contaminantes

◆ Tiempos largos de remediación(1-20 años)

◆ Puede depender de la estación delaño

◆ Los contaminantes deben estarbiodisponibles

Fuente: Schnoor 1997, Singh et al. 2003.



Conclusiones y perspectivas 117

Conclusiones y perspectivas

Actualmente, en nuestro país, la investigación realizada en materia de

contaminación de suelos por EPTy sus potenciales implicaciones hacia

el ambiente y la salud, ha sido escasa; como consecuencia, el desarrollo

tecnológico para dar solución a este tipo de problemas es insuficiente.

Una de las causas de este vacío ha sido la falta de normatividad conrespecto a los límites de limpieza para suelos contaminados con EPT.

Muchos EPT, dependiendo de su forma química y concentración, así

como de las condiciones y características del sitio en que se encuen-

tren, pueden representar o no, un riesgo ambiental y de salud. Por esta

razón, es indispensable que antes de evaluar la posibilidad de remediar

un sitio, se determinen las características del contaminante (especie

química, concentración, valencia, biodisponibilidad, solubilidad,toxicidad) y del sitio (pH, tipo de suelo, temperatura, permeabilidad,

potencial redox), a través de una caracterización.

De acuerdo con la información presentada, puede verse que ac-

tualmente existe una serie de alternativas tecnológicas para llevar a

cabo la remediación de suelos contaminados con metales y metaloides,

y que la aplicación de muchas de ellas resulta técnica y económica-

Capítulo quinto




mente factible para las condiciones específicas de México. En este

sentido, a diferencia de otros contaminantes, los metales y metaloides

no pueden destruirse por vía biológica ni fisicoquímica, de manera

que la remediación de sitios contaminados con estos elementos debecentrarse en la modificación de su solubilidad, movilidad y/o toxici-

dad, básicamente a través de cambios en su estado de valencia. Para

lograr la modificación de dichas características en un EPT existe una

serie de alternativas, entre las cuales destaca el empleo de tecnologías

fisicoquímicas y biológicas.

Las tecnologías fisicoquímicas para la remediación de sitios conta-

minados con EPT representan un potencial, principalmente en cuantoa tiempos de tratamiento. En este sentido, la electro-remediación es

una tecnología fisicoquímica con buenas perspectivas para la reme-

diación in situ de suelos poco permeables, en los cuales, la aplicación

de muchas de las tecnologías comunes se dificulta. Aunque hasta

la fecha se ha subestimado el empleo de las tecnologías biológicas

(con plantas y/o microorganismos) para la remediación de sitios de

este tipo, y a pesar de que su aplicación comercial se encuentra pocodesarrollada, representan un potencial en cuanto a costos, ya que,

en general, el equipamiento necesario para su implementación es

menos caro que el requerido para los tratamientos fisicoquímicos. La

combinación de mecanismos biológicos de oxidación-reducción, así

como de procesos fisicoquímicos-biológicos, también representa una

opción prometedora para la remediación de suelos contaminados con

EPT y el procesamiento de minerales. Sin embargo, estas alternativasse encuentran poco estudiadas y desarrolladas para los suelos, condi-

ciones climáticas y problemas específicos de nuestro país.

Por las razones expuestas, es de suma importancia que en México

se impulse la investigación en materia de contaminación de suelos

contaminados con EPT, con el objeto de generar información que

contribuya al conocimiento relativo a los factores que inciden en las



Conclusiones y perspectivas 119

características y propiedades de los EPT, así como alternativas tecno-

lógicas aplicables para la recuperación de una gran cantidad de sitios

contaminados con estos elementos en México. En la medida en la que

esto ocurra, será también posible apoyar, con nuevos conocimientos,

a los sectores involucrados en la toma de decisiones en materia de

suelos contaminados.



Anexo 121

Generalidades de algunos EPT

A (As)

Se ubica en el grupo VA de la tabla periódica; es un elemento con pro-

piedades de metaloide, presente en la corteza terrestre (0.0005 %). El As,

generalmente se encuentra presente en minerales como la arsenopirita(FeAsS) y como trióxido de arsénico (As

2O

3), y puede obtenerse del

procesamiento de minerales que contienen Cu, Pb, Zn, Ag y Au.

Los efectos de la exposición crónica al As son cáncer, enfermedades

cardiovasculares y disturbios neurológicos (Lide 1997, Csuros y Csuros

2002, ATSDR 2005).

El As elemental se emplea en la industria electrónica principalmente

como semiconductor, y en la química, como catalizador, mientras quesus compuestos orgánicos e inorgánicos tienen una mayor aplicación

en las industrias del vidrio, de pigmentos, de juegos pirotécnicos y,

en la industria química, para la elaboración de conservadores de

madera, insecticidas, herbicidas y otros venenos. Este elemento se

libera al ambiente a través de cenizas de combustión de carbón y por

el uso de pesticidas y herbicidas que lo contienen, así como por residuos

Anexo




generados de actividades como la minería y la metalurgia (Lide 1997,

ATSDR 2005).

El As tiene una química bastante compleja y puede encontrarse

con valencias -3, +3 y +5. En ambientes aerobios, el As(V) es la forma

dominante, usualmente como arseniato (AsO4

3-), en varios estados de

protonación: H3AsO

4, H

2AsO

41-, HAsO

42-, AsO

43-; también puede co-

precipitar o adsorberse en oxi-hidróxidos de hierro bajo condiciones

moderadamente reductoras o ácidas. Los co-precipitados son inmóviles

en estas condiciones, pero la movilidad del As aumenta con el pH. En

condiciones reductoras, el As(III) es la forma dominante, en forma de

arsenita (AsO33-) y sus formas protonadas (H3AsO3, H2AsO3

1-, HAsO32-).

La metilación biológica del As crea derivados muy volátiles de arsina,

como la dimetil-arsina (HAs(CH3)

2) y la trimetil-arsina As(CH

3)

3. La

sorción y co-precipitación con óxidos de hierro son los mecanismos

más importantes de remoción, bajo condiciones ambientales comunes

(Evanko y Dzombak 1997).

B (Be)

Pertenece al grupo de los metales alcalinotérreos (grupo IA). Es un

metal grisáceo duro que se presenta naturalmente en rocas y en el

suelo, y se estima que su concentración en la corteza terrestre va de

2 a 10 ppm. Normalmente se encuentra en su forma mineral llamada

berilo (Be3Al

2(SiO

3)

6); aunque puede encontrarse también en forma de

esmeralda y aguamarina. Por su alta reactividad, el Be normalmente nose encuentra en forma libre en la naturaleza. Los compuestos de Be son

muy tóxicos, y sus efectos se relacionan con la inhibición de actividades

enzimáticas. Solamente sus sales solubles (sulfatos y fluoruros) causan

efectos agudos (ATSDR 2004, Csuros y Csuros 2002).

Por sus propiedades, el Be se emplea principalmente como agente

de aleación para la construcción de armas y reactores nucleares así



Anexo 123

como en la construcción de componentes aero-espaciales, máquinas

para rayos y para la fabricación de piezas automotrices y ciertas cerámi-

cas y espejos especiales. El Be puede encontrarse como contaminante

atmosférico, debido a emisiones de combustión, al humo de cigarro y a

plantas procesadoras de Be; este elemento puede también formar parte

del petróleo crudo y del carbón mineral, por lo que se presenta en el

medio ambiente como resultado de procesos naturales. Sin embargo,

tiende a depositarse principalmente en suelos y sedimentos, en donde

permanece adherido a la materia orgánica. El Be tiene una valencia

+2 y tiende a formar sales, principalmente con sulfatos y fluoruros

(Lide 1997, Csuros y Csuros 2002, ATSDR 2005).

C (Cd)

Dentro de la tabla periódica, el cadmio pertenece al grupo de metales

de transición (grupo B) y se encuentra de forma natural como CdS o

CdCO3. Normalmente se encuentra como impureza en minerales de

Zn (~3 kg Cd/ton Zn), Cu y Pb, al igual que en el carbón y en el petró-leo crudo. Los compuestos de Cd son muy tóxicos; la sobreexposición

aguda a humos con Cd puede causar daño pulmonar, mientras que la

exposición crónica se asocia con daños renales y con un aumento de

riesgo de cáncer (ATSDR 2004, Csuros y Csuros 2002).

Su principal uso es como cubierta protectora sobre otros metales,

para la manufactura de baterías de níquel-cadmio y como estabilizador

del PVC. El Cd entra al medio ambiente por fuentes antropogénicascomo la minería, la metalurgia, la combustión de carbón y de petróleo,

por la mala disposición de residuos sólidos municipales y peligrosos, así

como por la quema de plásticos (principalmente PVC). Este elemento

tiende a depositarse y adherirse a la materia orgánica del suelo; sin

embargo, parte de él se disuelve en agua, por lo que puede llegar a los

cuerpos de agua (Lide 1997, Csuros y Csuros 2002, ATSDR 2005).




La formas más comunes de Cd, incluyen Cd2+, complejos de

cadmio-cianuro y Cd(OH)2. Las formas dominantes a pH alto son

hidróxidos y carbonatos, mientras que a pH bajo (< 8) predominan

el Cd2+ y especies acuosas de sulfato. Bajo condiciones reductoras, en

presencia de azufre, se forma el sulfato de cadmio (CdS) que, por su

estabilidad, controla su movilidad. El Cd también precipita en presen-

cia de fosfato, arseniato, cromato y otros aniones (ATSDR 2004, Evanko

y Dzombak 1997).

C (Cu)

Es el primer elemento dentro del grupo de los metales de transición

(grupo B). Es un elemento ampliamente distribuido en la naturaleza

que, aunque puede encontrarse en forma elemental, comúnmente,

está presente en minerales que contienen sulfuros, arsénidos, cloruros

y carbonatos (Evanko y Dzombak 1997). Aunque el Cu en cantidades

traza es esencial para la vida, en grandes cantidades resulta tóxico; es

un elemento esencial para la nutrición humana debido a que juegaun importante papel en diversas funciones enzimáticas (Csuros y

Csuros 2002).

El Cu, junto con el Au y Ag, se ha utilizado desde tiempos antiguos

para la acuñación de monedas. Actualmente, se emplea principalmente

en la plomería y en las industrias eléctrica y electrónica. Algunos

compuestos de Cu son también usados como componentes de

fungicidas e insecticidas, como pigmentos y como catalizadores endiversas industrias. La mayor fuente de contaminación ambiental por

Cu es, precisamente, la minería para su extracción. El Cu liberado al

ambiente, generalmente se adhiere a la materia orgánica del suelo y en

sedimentos. Sin embargo, algunos compuestos de cobre son solubles

por lo cual puede encontrarse también en el agua (Lide 1997, ATSDR

2005). El Cu puede presentar valencias +1 y +2. En sistemas aerobios



Anexo 125

suficientemente alcalinos, el CuCO3

es la forma soluble dominante,

pero también se puede encontrar el ión Cu2+ y complejos hidroxilados

(CuOH+ y Cu(OH)2). El ion Cu2+ es la especie más tóxica del Cu, pero

se ha demostrado también cierta toxicidad en el CuOH+ y el Cu(OH)2 (Evanko y Dzombak 1997).

C (Cr)

El Cr es un elemento ubicado en el grupo B (metales de transición)

en la tabla periódica. Es uno de los elementos menos comunes y no

se encuentra naturalmente en forma elemental, sólo en compuestos.Es explotado como producto mineral primario, en forma de cromita

(FeCr2O

4), el mineral de Cr más abundante. Se estima que el Cr se

encuentra en la corteza terrestre en una concentración promedio de

125 ppm. El Cr es un elemento necesario para la utilización adecuada

de azúcares y otros carbohidratos en sistemas biológicos. El cromo

metálico (Cr(0)) se utiliza para la fabricación de acero, mientras

el Cr(VI) y el Cr(III) se usan principalmente para cromados, parala fabricación de pinturas y pigmentos, el curtido de cueros, como

catalizador y como conservador de madera, entre otros. De esta manera,

el Cr que entra al medio ambiente por actividades antropogénicas,

como la industria textil, de pinturas, cementera y las tenerías. Las

principales fuentes de contaminación por Cr, incluyen el proceso de

chapeado y la disposición de residuos con Cr (Lide 1997, Csuros y

Csuros 2002, ATSDR 2004).El Cr es un elemento que posee valencias +2, +3 y +6 y que,

dependiendo del pH y condiciones redox, puede encontrarse

generalmente como Cr(III) o Cr(VI). Las principales especies de

Cr(VI), la forma más tóxica y móvil del Cr, incluyen cromato (CrO4

2-

) y dicromato (Cr2O

72-), las cuales precipitan fácilmente en presencia

de cationes metálicos como Ba2+, Pb2+ y Ag+. El Cr(VI) puede




encontrarse de manera natural como crocoita (PbCrO4). El Cr(VI)

puede reducirse a Cr(III) por efecto de la materia orgánica del suelo.

El Cr(III) es la forma dominante a pH bajo (< 4) y forma complejos

con NH3, OH, Cl-, F-, CN- y SO

42- y con ligandos orgánicos solubles.

(Evanko y Dzombak 1997).

M (Hg)

El Hg es un metal de transición (grupo B), con la particularidad de

que es el único metal líquido a temperatura ambiente. La principal

fuente natural de Hg es el cinabrio o sulfuro de mercurio (HgS), uncompuesto estable e insoluble, usualmente recuperado como subpro-

ducto del procesamiento de minerales. El mercurio en esta forma,

se encuentra en la corteza terrestre a concentraciones promedio de

0.5 ppm. El Hg es un elemento tóxico para el sistema nervioso y, en

su forma gaseosa, es absorbido por los tejidos pulmonares (Csuros y

Csuros, 2002).

Una de las propiedades más importantes del Hg radica en su ca-pacidad para disolver muchos otros metales para formar soluciones

llamadas amalgamas, como los de plata, usados por muchos años

por dentistas y actualmente descontinuados por sus efectos tóxicos.

El Hg metálico (Hg(0)) se usa principalmente para la producción

de gas de cloro y sosa cáustica, y forma parte de algunos tipos de

baterías alcalinas, lámparas fluorescentes, contactos eléctricos, e ins-

trumentos como manómetros y termómetros, entre otros. Las salesde Hg se usan en cremas y ungüentos antisépticos y para aclarar la

piel. Entre las actividades humanas que generan la mayor contami-

nación por Hg, se encuentran la combustión de carbón y las plantas

de clor-álcali; otras fuentes importantes son la minería y la metalurgia

y la quema de residuos sólidos municipales, que pueden contener

instrumentos como manómetros, termómetros, baterías alcalinas y



Anexo 127

lámparas fluorescentes. El Hg liberado al aire tiende a depositarse

y adherirse a la materia orgánica del suelo (Csuros y Csuros 2002,

ATSDR 2005).

El Hg en el ambiente puede existir en forma elemental (Hg0), re-

ducida (Hg2+ [mercúrica], Hg2

2+ [mercurosa]) o alquilada (metil/etil

mercurio). Las formas mercúrica y mercurosa son más estables bajo

condiciones oxidantes. En condiciones medianamente reductoras, el

Hg orgánico o inorgánico puede reducirse a su forma elemental y ser

convertido a formas alquiladas por procesos bióticos o abióticos; éstas

son las formas más tóxicas del Hg, además de ser solubles y volátiles.

El Hg(II) forma fuertes complejos solubles con una variedad de ligan-dos orgánicos e inorgánicos en sistemas acuosos oxidados. La sorción

de Hg en suelos, sedimentos y materiales húmicos es un mecanismo

importante para la remoción de Hg de soluciones; otro mecanismo, a

valores altos de pH, es su co-precipitación con sulfuros (HgS) (Evanko

y Dzombak 1997).

P (Pb)

Se ubica en el grupo IVA (metales) en la tabla periódica. El Pb es un

metal gris azulino que se presenta en forma natural y en pequeñas

cantidades (0.002%) en la corteza terrestre. Este elemento, es general-

mente obtenido de la galena (PbS), la anglesita (PbSO4) y la curosita

(PbCO3). El Pb es tóxico para el sistema nervioso y se asocia con la

depresión de muchas funciones endócrinas, aunque no hay eviden-cia de efectos teratogénicos o carcinogénicos. El uso más amplio del

Pb elemental es para la fabricación de acumuladores; este elemento

también es usado para la fabricación de tetra-etilo de plomo, pinturas,

cerámicas, forros para cables, elementos de construcción, vidrios espe-

ciales, pigmentos, soldadura suave y municiones (Lide 1997, Csuros y

Csuros 2002, ATSDR 2005).




Las principales fuentes de contaminación por Pb incluyen la

fundición, el procesamiento y producción secundaria de metales, la

manufactura de baterías de plomo y la de pigmentos y químicos; la

contaminación atmosférica por el uso del Pb en gasolinas también hasido de importancia. La mayor parte del Pb liberado en el ambiente es

retenido por el suelo; los principales procesos que dictan su destino

en éste incluyen la adsorción,el intercambio iónico, la precipitación

y el acomplejamiento con materia orgánica. El tetra-metilo de plomo

(compuesto relativamente volátil) puede formarse en sedimentos como

resultado de su alquilación microbiana. Como contaminante ambiental,

normalmente se encuentra en forma elemental, como óxidos e hidróxi-dos y como complejos oxianiónicos metálicos. El Pb tiene valencias +2

y +4, de las cuales el Pb(II) es la forma más común y reactiva. Cuando

forma complejos con ligandos orgánicos (ácidos húmicos y fúlvicos)

o inorgánicos (Cl-, CO3

2-, SO4

2-, PO4

3-), se forman compuestos poco

solubles; el carbonato de plomo, formado a pH menor a 6, y el PbS

son las formas sólidas más estables del plomo (Lide 1997, Evanko y

Dzombak 1997).

S (Se)

El Se es un no metal ubicado en el grupo VIA de la tabla periódica,

con valencias -2, +4 y +6. Es un elemento ampliamente distribuido en

la naturaleza, como parte de rocas y suelos, que se encuentra general-

mente combinado con sulfuro o con minerales de plata, cobre, plomoy níquel. Se estima que su concentración en la corteza terrestre es de

0.09 ppm. El Se elemental es relativamente no tóxico y se considera un

elemento traza esencial. Es un antioxidante que previene la ruptura de

cromosomas, ciertos defectos de nacimiento y ciertos tipos de cáncer.

Es necesario para la acción benéfica de la vitamina E. Además de su

actividad como anticancerígeno, retarda el proceso de envejecimiento



Anexo 129

y fortalece los músculos del corazón. Puede encontrarse en carnes, ma-

riscos y cereales. Sin embrago, se han reportado efectos de toxicidad

crónica en humanos por dosis de 1 mg Se/kg•día (Csuros y Csuros

2002, ATSDR 2005). El H2Se y algunos otros compuestos de Se sonmuy tóxicos y se semejan al As en sus reacciones fisiológicas.

Es un elemento usado en la industria electrónica, del caucho y del

vidrio, y como pigmento en la industria de plásticos, pinturas, textiles y

esmaltes. Se utiliza también para la preparación de medicamentos, como

aditivo nutricional en alimentos y como ingrediente de champús contra

la caspa, así como en formulaciones de ciertos pesticidas y fungicidas.

El Se es liberado al ambiente tanto por procesos naturales como poractividades humanas. Bajos niveles de Se pueden terminar en suelos o

agua a través de la erosión de las rocas. Sin embargo, una alta concen-

tración de este elemento en el suelo puede deberse principalmente a

la deposición de partículas provenientes de la combustión de carbón

y aceite (Lide 1997, Greenwood y Earnshaw 1997, ATSDR 2005).

T (Tl)

Pertenece al grupo de metales de transición (IIIA) en la tabla periódica.

En forma pura, el Tl es un metal blanco azulino que se encuentra en

pequeñas cantidades (0.00006%) en la corteza terrestre, principal-

mente como compuesto minoritario en minerales de hierro, cobre,

sulfuros y seleniuros. El Tl elemental y sus compuestos son muy

tóxicos; para humanos, una dosis de Tl de 14 mg/kg puede ser fatal(Csuros y Csuros 2002).

Es utilizado principalmente para aplicaciones eléctricas y electró-

nicas y para la fabricación de vidrios especiales. Anteriormente, el Tl

se utilizaba en rodenticidas, fungicidas y cosméticos; sin embargo,

actualmente estos productos están prohibidos debido a la toxicidad

del metal (Lide 1997, Csuros y Csuros 2002). El Tl puede encontrarse




como contaminante ambiental por actividades antropogénicas, como la

combustión de carbón y la emisión de partículas de plantas de fundición;

en ambos procesos, el Tl es un contaminante del material crudo y puede

permanecer por largo tiempo, sin degradarse, en el aire, el agua o el suelo(ATSDR 2005). Este elemento tiene valencias +1 y +3 y, debido a que

algunos de sus compuestos son solubles en agua, es muy móvil en los

suelos, por lo que puede migrar hacia los mantos freáticos y acumularse

en sedimentos (Lide 1997, Csuros y Csuros 2002).

V (V)

Se ubica en el grupo de los metales de transición en la tabla periódica. El

V es un elemento ampliamente distribuido en la corteza terrestre en varios

minerales, principalmente como óxido de vanadio (V2O

5), y también se

encuentra presente en el petróleo crudo. Es un metal blanco grisáceo,

encontrado generalmente en forma de cristales. El V puede encontrarse

también como oxianión trivalente de vanadato, que tiene una estructura

similar al fosfato y, por lo tanto, se ha identificado como un inhibidor deATPasas, ya que puede ingresar a las células por los mismos sistemas de

captación que los fosfatos. Las sales de V tienen baja toxicidad por vía oral

y mediana por inhalación (Nies 1999, Csuros y Csuros 2002).

El V se utiliza en pequeñas cantidades para la manufactura de

caucho, plásticos, cerámicas y otros productos químicos. El óxido de

vanadio es el compuesto más utilizado, y se emplea principalmente

como aleación para dar resistencia a un tipo especial de acero, en partesde automóviles y también como catalizador en la industria de plásticos.

El V puede encontrarse con valencias +2, +3, +4 y +5 y su presencia

en el ambiente puede atribuirse principalmente a la combustión de

petróleo crudo. Debido a que no es muy soluble y a que se combina

con otros elementos y partículas, tiende a acumularse en suelos y

sedimentos (ATSDR 2005).



Anexo 131

Z (Zn)

Se clasifica como un metal de transición (grupo B) en la tabla periódica. El

Zn es uno de los elementos más comunes en la corteza terrestre, con unaconcentración promedio de 40 ppm. Es un elemento que no se encuentra

naturalmente en forma elemental, por lo que generalmente se extrae de

la esfalerita ((ZnFe)S), forma comúnmente asociada a la galena (PbS). El

Zn tiene una valencia +2 y forma complejos con aniones, aminoácidos y

ácidos orgánicos. Es un elemento traza esencial en la nutrición humana y

también un componente importante de enzimas; sin embargo, el consumo

excesivo puede inhibir la absorción de Cu y producir una deficiencia deeste elemento (Lide 1997, Csuros y Csuros 2002).

El principal uso industrial del Zn es como cubierta anticorrosiva

para hierro o acero. También se utiliza en compartimentos de baterías

secas y como metal de aleación en la fabricación de latón y bronce.

El óxido de zinc es el compuesto más ampliamente utilizado en la

industria, principalmente, en la de pinturas, plásticos, cosméticos,

farmacéutica, tintas, textiles, eléctrica y electrónica (Lide 1997,ATSDR 2005). Las concentraciones naturales de Zn en aire, agua

y suelo, están aumentando debido a actividades humanas como la

minería, la producción de acero y la combustión de petróleo, entre

otras. Una vez en el ambiente, el metal generalmente permanece en

el suelo, ya que forma compuestos insolubles. Sin embargo, es uno de

los metales pesados más móviles debido a que se encuentra en forma

soluble a pH neutro o ácido. A pH alcalino puede formar carbonatose hidróxidos. Bajo condiciones reductoras, en sistemas muy contami-

nados cuando se encuentra presente en concentraciones muy elevadas,

puede precipitar fácilmente como Zn(OH)2, ZnCO

3, ZnS, o Zn(CN)

2

y co-precipitar con óxidos de Fe o Mn (Evanko y Dzombak 1997).



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Suelos contaminados por metales

y metaloides: muestreo y alternativas para su remediación de Tania Volke Sepúlveda,

Juan A. Velasco Trejo y David A. de la Rosa Pérezse terminó de imprimir en los talleres de la empresa

SyG Editores, S.A. de C.V., Cuapinol 52,Santo Domingo de los Reyes, Coyoacán,

04369, México, D.F. duranteel mes de junio de 2005.

Se tiraron 400 ejemplares.

ine muestreo metales ides en suelos

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