Identificación de áreas prioritarias de restauración de suelos contaminados por arsénico y metales pesados en el sitio minero y metalúrgico de Villa de la Paz - Matehuala, S.L.P. (México)

Abstract

RESUMEN. El Distrito Minero Santa María de la Paz se localiza en los Municipios de Villa de la Paz y Matehuala, en el margen norte del estado de San Luis Potosí. Como consecuencia de las intensas actividades minero-metalúrgicas desarrolladas en este sitio por más de 200 años, se han generado grandes volúmenes de residuos mineros y de fundición que se han dispuesto dentro y en las cercanías de Villa de la Paz y Matehuala sin un debido control de su dispersión hacia el ambiente. Esto ha provocado que extensas áreas de suelos urbanos y rurales se encuentren contaminados por elementos potencialmente tóxicos (As, Pb, Cd, Cu y Zn, principalmente). Estudios epidemiológicos realizados en la población infantil han demostrado elevados riesgos para la salud en Villa de la Paz, ya que los niños de esta localidad se encuentran altamente expuestos a As y Pb. En contraste, la población infantil de Matehuala presentó una menor exposición a los mismos elementos. El suelo contaminado ha sido señalado como una importante ruta de exposición para los niños del sitio, por lo que se considera preciso aplicar un programa de intervención para reducir los riesgos para la salud, el cual deberá incluir la restauración de suelos contaminados. Como una etapa preeliminar del diseño del programa de intervención en este sitio, se consideró identificar las áreas en donde la restauración de suelos contaminados por elementos potencialmente tóxicos (EPT) fuera prioritaria para lograr una adecuada reducción de los riesgos para la salud. Para esto, se decidió realizar un análisis del riesgo para la salud que representaba la exposición de suelos contaminados para la población infantil y así identificar aquellas áreas en donde se presentaran los mayores riesgos. Entonces, el objetivo central de este trabajo fue la identificación de áreas prioritarias de restauración de suelos contaminados considerando el riesgo para la salud que representan. Para alcanzar su objetivo, este proyecto fue desarrollado en cuatro etapas que incluyeron: (1) la evaluación de la contaminación por EPT de suelos superficiales y a diferentes profundidades; (2) la identificación de fases sólidas portadoras de EPT en suelos contaminados; (3) la evaluación de la bioaccesibilidad de EPT en suelos contaminados; y (4) la identificación de las áreas prioritarias de intervención mediante un análisis espacial del riesgo para la salud. Para cumplir con la primera etapa, se construyeron mapas de iso-concentración aplicando un análisis geoestadístico de las concentraciones de EPT de 350 muestras de suelo. Los resultados confirmaron que el arrastre de residuos a través de arroyos intermitentes desde las presas de jales recientes, es la principal ruta de dispersión de los contaminantes. Sin embargo, se lograron identificar a los depósitos de residuos de mina históricos (terreros) y a las emisiones de fundiciones de Pb que operaron dentro del área de estudio, como otras importantes fuentes de contaminación de suelos. Además, fue posible determinar la extensión de la contaminación por As y Pb en los márgenes N y E de la ciudad de Matehuala, donde se sospechaba un importante impacto por la acumulación de jales transportados a través del arroyo “La Paz”. Además, el análisis de muestras de suelo a diferentes profundidades reveló que las concentraciones más elevadas de EPT se presentan entre los primeros 10 y 30 cm del suelo, dependiendo del sitio de muestreo. Pero, en algunos sitios de muestreo se identificaron concentraciones relativamente elevadas de EPT en las secciones más profundas (>30 cm). Estas concentraciones se discuten con respecto a dos posibles causas: (1) anomalías geoquímicas naturales; y (2) la migración vertical de los contaminantes desde la superficie del suelo. En la segunda etapa se realizó la caracterización por MEB de suelos contaminados del área de estudio para identificar las principales fases portadoras de As y Pb. Los resultados aportaron importante información que fortalece aún más la evidencia de que la contaminación de suelo de Villa de la Paz y Matehuala es atribuible a diferentes fuentes asociadas a las actividades minero-metalúrgicas que se han desarrollado en el área de estudio. Así, las principales fases de As y Pb identificadas en el caso de las áreas impactadas por residuos de mina, se identificó arsenopirita [FeAsS] como la principal fase portadora de As, la cual se presenta comúnmente alterada a arseniatos férricos complejos. En contraste, las principales especies portadoras de As identificadas en suelos de Matehuala corresponden a arseniatos de Pb-Ca, así como sulfatos y carbonatos de Pb-Fe (Cu) con concentraciones variables de As. En el caso del Pb, las fases más representativas de suelos contaminados por residuos de mina corresponden a mimetita [Pb5(AsO4)3Cl] y galena [PbS], esta última presentando alteraciones a cerusita [PbCO3] y anglesita [PbSO4]. Mientras que en las áreas impactadas por fundiciones se identificaron sulfatos y carbonatos de Pb complejos. En la tercera etapa de este proyecto se evaluó la bioaccesibilidad de EPT en muestras de suelo superficial. Los resultados obtenidos indicaron importantes diferencias en la bioaccesibilidad de As entre suelos contaminados por residuos de mina (10 %) y aquellos impactados por fundiciones (45 %). En contraste, no se observaron diferencias entre las bioaccesibilidades de Pb, Cd, Cu y Zn en estos suelos. La bioaccesibilidad de Pb en suelos afectados por residuos de mina fue más elevada de lo esperado (50%). Estos resultados son discutidos con respecto a las especies portadoras de As y Pb identificadas en suelos. Además, se evaluó la bioaccesibilidad en muestras de suelo no contaminado enriquecidas con minerales y compuestos químicos similares a las fases portadoras de As y Pb presentes en los suelos. Así, la limitada bioaccesibilidad de As en suelos impactados por residuos de mina podría explicarse por la presencia de arsenopirita y arseniatos férricos, mientras que la presencia de mimetita, así como de anglesita y cerusita como productos de alteración de la galena, explicaría la relativamente elevada bioaccesibilidad de Pb en estos suelos. En la etapa final, se identificaron las áreas prioritarias de intervención en suelos contaminados mediante un análisis del riesgo dirigido a la población infantil. Para ello, las muestras de suelo superficial empleadas para la elaboración de mapas de dispersión, fueron consideradas puntos potenciales de exposición y las concentraciones de As y Pb registradas en cada muestra se emplearon para estimar las dosis teóricas de exposición de As, y los niveles de plomo en sangre (PbB), asociados a la ingestión de estas muestras de suelo. Para mejorar la precisión de estas estimaciones, los datos de bioaccesibilidad gástrica obtenidos por el método PBET fueron utilizados para ajustar las concentraciones totales de As y Pb en concentraciones bioaccesibles. Posteriormente se realizó un análisis geoestadístico de los datos de la estimación de riesgo para generar mapas de riesgo mediante la interpolación de datos en áreas no muestreadas. Estos mapas permitieron definir espacialmente las áreas de mayor riesgo para las poblaciones infantiles, las cuales se consideran prioritarias para su intervención con propósitos de reducir los riesgos. De esta manera, las áreas de mayor riesgo por exposición a As y Pb, coincidieron en el área urbana de Villa de la Paz. Además, se identificaron áreas con niveles de riesgo inaceptables en la col. Real de Minas, la comunidad El Nuevo Carmen y en el límite N de Matehuala. También se presentaron riesgos inaceptables en áreas rurales, pero por estar despobladas, no se consideran prioritarias. Caso contrario es el de las áreas conurbanas al N de Matehuala, las cuales se consideran áreas de potencial crecimiento para esta ciudad y entonces, la limpieza de suelos debe ser considerada antes de iniciar trabajos de urbanización.

ABSTRACT. The Mining District of Santa Maria de la Paz is located in the municipalities of Villa de la Paz and Matehuala (San Luis Potosí, Mexico). At this site, the intensive mining-metallurgical activities developed during more than 200 years, have generated large amounts of mine and smelter wastes that have been disposed at the surroundings of Villa de la Paz and Matehuala cities without control or restoration measures that prevent their dispersion to the environment. Thus, large extensions of urban and rural soils have been polluted by potentially toxic elements (As, Pb, Cd, Cu and Zn, mainly). An epidemiological survey has demonstrated that children from Villa de la Paz are highly exposed to As and Pb demonstrating a high health risk. In contrast, children from Matehuala were less exposed to the same toxic elements. Polluted soil has been identified as an important exposure pathway for children in the study area. Therefore, the restoration of contaminated soil has been identified as an essential stage for an intervention program aimed to reduce health risks. For decision making purpose, the identification of the higher health risk areas related to soil exposure was considerate a key information to designate priorities for the soil restoration program. Then, the main objective of this project was the identification of high-priority areas for soil restoration by applying a health risk assessment. In order to address the objective, this project was developed in four stages that included: (1) the assessment of the contamination by As and heavy metals of superficial soils; (2) the mineralogical characterization of As and Pb solid phases in contaminated soils; (3) the determination of As and heavy metals bioaccessibilities in contaminated soils; and (4) a spatial health risk assessment by mapping high risk areas. In order to complete the first stage, a geoestatistical analysis of the As and metal concentrations from 350 soil samples was conducted to generated contour maps. The results confirmed that the dispersion of mine wastes through intermittent streams from tailings impoundments is the main dispersion route of the pollutants. Nevertheless, the historical mine waste deposits and the emissions of Pb smelters that operated within the study area, were identify as other important pollution sources. In addition, it was possible to determine the extension of the contamination by As and Pb in the margins N and E of Matehuala city, where soil pollution was expected but no confirmed. The results obtained from the mineralogical characterization of As and Pb solid phases included in the second stage of this research, contributed with important information that confirmed that soils from Villa de la Paz and Matehuala are polluted by different sources associated to the mining-metallurgical activities that have been developed in the study area. Thus, the main phases of As identified in the mining area, were arsenopyrite [FeAsS], which commonly occurs altered to ferric arsenates. In contrast, the main As-bearing species identified in soils impacted by smelter emissions were Pb-arsenates, as well as Pb-Fe (Cu) sulphates and carbonates with variable concentrations of As. In the case of Pb, the most representative phases in the mining area soils were mimetite [Pb5(AsO4)3Cl] and galena [PbS], this last one commonly presents alterations to cerussite [PbCO3] and anglesite [PbSO4]. Whereas in the areas impacted by smelter emissions Pb sulphates and Pb carbonates were identified as the main phases. Regarding the As and heavy metals bioaccessibility assessment, the results indicated important differences in the bioaccessibility of As between soils contaminated by mine waste (10 %) and those impacted by smelter emissions (45 %). In contrast, important differences between the Pb, Cd, Cu and Zn bioaccessibilities in these soils were not observed. The Pb bioaccessibility in soils polluted with mine waste was unexpected high (50%). These bioaccessibility results are discussed with respect to the As and Pb solid species identified previously in soils, and the results from spiked soils. Finally, the high-priority areas for soil restoration were identified by an health risk assessment conducted to children from the study area. For this, soil samples used for the contour maps, were considered potential exposure points and the concentrations of As and Pb from each sample were used to calculate the theoretical doses of As, and the blood lead levels (PbB). In order to improve the precision of these estimations, As and Pb bioaccessibilities were used to fit the total concentrations of As and Pb in bioaccesibles concentrations. Later, a geoestatistical analysis of the data from the risk assessment was applied to draw risk maps for As and Pb. These maps allowed defining spatially the areas of higher risk for children, which were considered as high-priority areas for soil restoration. Thus, the high-priority areas were the urban area of Villa de la Paz. In addition, areas with unacceptable levels of risk were identified in the Real de Minas and El Nuevo Carmen locality, and also in the suburban areas in N of Matehuala. Unacceptable risk was also identified in rural areas, but since they are uninhabited, they are not considered high-priority areas. In contrast, the soil restoration in the suburban areas of Matehuala is considered a priority, due their potential urbanization.