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Introducción
La lluvia cumple un papel importante en la limpieza de la atmósfera, ya que a través de este proceso se remueven la mayor cantidad de iones presentes en la misma. La composición química del agua de lluvia varía de un lugar a otro y de una región a otra, debido a la influencia de fuentes locales 1, tanto naturales como antropogénicas 2. Conocer su composición es importante para entender el papel del transporte de los componentes solubles de la atmósfera y su contribución a las diferentes fuentes de contaminantes atmosféricos 3. Adicionalmente, el agua de lluvia funciona como un sumidero importante para la materia en forma de gases y partículas, incluyendo metales traza en la atmósfera y, por tanto, desempeña un papel importante en el control de las concentraciones de estas especies 4.
Por su parte, la composición química de las deposiciones atmosféricas depende de numerosos mecanismos físicos y químicos de los aerosoles y precursores de las emisiones, las reacciones químicas, y procesos de eliminación. Por lo tanto, la química de las deposiciones húmedas puede proporcionar ideas sobre la evolución temporal de la atmósfera y su contaminación, y ser utilizada como un indicador pertinente para evaluar los procesos naturales frente a influencias antropogénicas 5. De modo que, en áreas remotas, estos estudios ofrecen un gran potencial para aclarar los efectos de centros urbanos, complejos industriales y emisiones de la agricultura. Del mismo modo, para comprender los procesos que controlan la composición química de la atmósfera en las regiones remotas y los ciclos biogeoquímicos naturales 6.
Acerca de la composición, los componentes disueltos en el agua de lluvia se pueden dividir generalmente en tres grupos: (a) los aerosoles de sal marina, (b) los aerosoles terrestres (suelo polvo, las emisiones biológicas) y (c) los aportes antropogénicos 7. Estos últimos se relacionan con procesos industriales, combustibles fósiles, actividades mineras, incineración de residuos, emisiones del motor de vehículos, agricultura y fertilizantes, además de otras actividades humanas que emiten grandes cantidades de contaminantes atmosféricos 8.
Uno de los grupos de contaminantes atmosféricos que genera gran preocupación es el de los metales pesados debido a sus características tóxicas, potencialmente cancerígenas, y su persistencia en el medio ambiente 8. Los metales pesados son tóxicos para los organismos vivos, aunque algunos de ellos como el Pb y el Cd se encuentren en niveles bajos 9. Elementos traza como Cd, Pb y V pueden provocar alteraciones en la salud, dependiendo de sus concentraciones en la atmósfera y de la forma química bajo la que se presenten. Tales alteraciones pueden abarcar desde afecciones pulmonares y cáncer, hasta hemorragias cerebrales 10.
Tal como se mencionó, las principales fuentes de metales son la industria, la minería, la fundición de metales y las fuentes móviles 11. En particular, la minería de carbón a cielo abierto genera mayores impactos en el ambiente que la minería subterránea, dado que genera material particulado y contaminantes gaseosos que permanecen en el aire, es decir, no solo afecta el interior de las minas, sino también las áreas de influencia externas 12.
En la Guajira colombiana, la minería del carbón es la actividad más representativa en cuanto a extensión (69000 hectáreas) y explotación del recurso (30,2 millones de toneladas/año). La explotación es a cielo abierto y la compañía minera responsable es la más grande del país; la mina de carbón es unas de las minas a cielo abierto más grandes del mundo 13. Lo anterior trae como consecuencia el aumento de los niveles de contaminación y deterioro de la calidad del aire en dicha zona 14.
Teniendo en cuenta que los metales Cu, Cd, V y Pb son considerados como unos de los contaminantes más significativos en la atmósfera, que la minería es una de las actividades humanas que más contribuyen a su incorporación al ambiente y que actualmente no existen contribuciones a la literatura de la química elemental del agua de lluvia en esta región de Colombia, el presente estudio ha tenido como objetivo principal la determinación de los niveles de estos metales en la precipitación húmeda en una de las zonas de mayor influencia de la mina de carbón. Lo anterior con el fin de identificar los efectos de esta fuente de emisión en el aumento y la acumulación de elementos traza en la atmósfera de esta región del país.
Materiales y métodos
Aspectos generales del régimen de vientos y lluvias de la zona de estudio
En La Guajira predominan vientos alisios, su régimen es estacional coincidiendo con los períodos de invierno y verano de diciembre a mayo con velocidades de 13 a 15 nudos y dirección preferencial del Norte, y de junio a noviembre con velocidades bajas. El régimen de lluvia es de tipo binomial caracterizado por los períodos de mayor precipitación (abril-junio, septiembre-noviembre) alternados con dos de menores lluvias (diciembre-marzo, julio-agosto). En términos de aportes, el segundo período de mayores lluvias es el que tiene más peso relativo frente al total anual con promedios hasta del 55% frente a un 20% del primer período. Las épocas de menores lluvias aportan un 25%. El patrón de distribución de las lluvias es simple, éstas se dan desde el noreste al sureste entre valores que van desde los 500 mm al año en la Alta Guajira, hasta valores que sobrepasan los 2000 mm en las estribaciones de la Sierra Nevada de Santa Marta 15. Las zonas climáticas en el área de Cerrejón corresponden a las categorías cálido seco y cálido muy seco. Se presentan dos períodos lluviosos, en abril - mayo el primero, y entre octubre y noviembre, el segundo; con una precipitación promedio anual de 912 mm 16.
Muestreos
El diseño del monitoreo, el montaje y la operación de los colectores de deposición húmeda está basado en las recomendaciones de la literatura 17,18. Se colectaron muestras de agua de lluvia en tres de los sitios de mayor asentamiento humano del municipio de Barrancas (La Guajira, Colombia), cuyos territorios están conformados por planicies y pequeñas ondulaciones. Por la conformación de su topografía, solamente se presenta el piso térmico cálido; los suelos son bañados por las aguas de los ríos Palomino y Ranchería 19.
Desde el punto de vista socioeconómico Barrancas constituye el área carbonífera denominada El Cerrejón que se extiende a lo largo de 50 km en el valle del río Ranchería, entre la Sierra Nevada de Santa Marta y la Serranía de Perijá, cubriendo una extensión de 69364 hectáreas 20.
En la Figura 1 se muestra un mapa de la península de La Guajira y en la Figura 2 se detalla la ubicación de los lugares de toma de muestras: el punto 1 localizado en Barrancas (zona urbana), el punto 2 en la zona rural entre las comunidades de Barrancas y Los Magueyes y el punto 3 en Papayal; la recolección se hizo en el período de junio a diciembre de 2014 y enero a junio del 2015.
Las muestras de agua de lluvia fueron recolectadas estrictamente por evento, utilizando un colector de tolva cuadrado, cuyo esqueleto metálico liviano (de ~ 2 m de altura) sostenía un embudo de polietileno de área 0,25 m2 en su boca redonda. Éste se unió a un pequeño tubo, también de polietileno, de 2 cm de diámetro y 5 cm de largo, incrustado a través de un tapón de caucho por medio de una manguera de polietileno de 8 cm de longitud aproximadamente, en un envase de polietileno con capacidad de 4 L.
El diseño de la tolva consistía en cuatro triángulos isósceles con un ángulo central (opuesto a la base) de 90 °, para una altura de 2 m (Figura 3). El colector que fue ubicado lejos de cualquier fuente de contaminación específica, se abría manualmente al comenzar el evento de lluvia y al terminar se cerraba, para evitar contaminación por deposición seca. Finalizado el evento de lluvia, se midió el volumen colectado e inmediatamente se separó una fracción de entre 100 y 150 mL, la cual fue envasada en un recipiente de polietileno y posteriormente refrigerada (aprox. 5 °C) hasta el momento de su análisis.
Análisis químico
Después de recoger el agua de lluvia, se utilizó una alícuota de cada muestra para medir el pH. El medidor de pH se calibró antes de cada medición utilizando soluciones tampón estándar de pH 4,00 y 7,00 21. Una segunda alícuota de cada muestra fue almacenada en un frasco de polietileno de 100 mL, preservada con HNO3 1:250 v/v (permitiendo un pH suficientemente bajo para preservar los metales) y refrigerada a 4 °C 22.
Los metales (Cu, Cd, V y Pb) fueron determinados utilizando la técnica de espectroscopia de absorción atómica con horno de grafito 22, usando el equipo Perkin Elmer 3110. Las condiciones de operación se encuentran indicadas en la Tabla 1.
Resultados y discusión
Cantidad de lluvia
Se recogieron 21 muestras de agua de lluvia. El mayor número de eventos mensuales se produjo en septiembre, seguido de junio y octubre (8, 5 y 4, respectivamente); no se observaron eventos de lluvia en diciembre, enero, febrero y marzo. La precipitación mensual durante el período de estudio se presenta en la Figura 4. La precipitación más alta fue durante septiembre (246,4 mm), seguido de junio (125,2 mm) y octubre (91,4 mm). Los meses de diciembre, enero, febrero, marzo, diciembre son considerados los de temporada seca, coincidiendo esta situación con el comportamiento histórico del sitio.
Variación del pH de la lluvia
El pH de las precipitaciones individuales varió desde 4,40 hasta 7,80, tanto valores ácidos como alcalinos. En este estudio la media de pH valor por volumen ponderado (VWM, por su sigla en inglés) fue de 5,89, valor que supera al de la lluvia natural, de 5,6 controlada por el CO2 disuelto 23. El pH de la lluvia durante el período de muestreo se indica en la Figura 5.
El 38% de las muestras presentaron un pH por encima de 5,89 lo que indica la presencia de lluvias ácidas en la zona, esto se puede explicar teniendo en cuenta que el pH de la precipitación se modifica por la adición de componentes tanto ácidos como alcalinos 24. Por tanto, el carácter ácido de la lluvia sugiere la influencia de las actividades mineras del carbón que involucran procesos de combustión en los vehículos automotores (gasolina, petróleo crudo, aceite), combustión espontánea durante la excavación o voladuras que utilizan material explosivo. Estas actividades son fuentes potenciales de NO2 y SO2, gases responsables de la formación de sustancias ácidas como HNO3 y H2SO4 en la atmósfera 25 , 26.
Se ha registrado una situación similar en zonas cercanas de Venezuela como Paraguaipoa 27 que presenta lluvias con un pH de 6,0, atribuido a la influencia de la mina de carbón. Del mismo modo, en Maracaibo se ha reportado un pH de 5,9, valor que es determinado por la presencia de la industria petroquímica y petrolera (Complejo Petroquímico El Tablazo, ubicado en el estado Miranda), la fábrica de cemento (Planta Mara), el tránsito automotor y las emisiones del suelo 28.
Concentración de elementos traza en la precipitación
En la Tabla 2 se presenta el resumen estadístico de las concentraciones de los metales Cu, V y Cd medidos en las muestras de agua de lluvia que presentaron valores por encima del límite de detección (0,02 µg/L para cada elemento).
Tabla 2 Niveles de concentración (µg/L) de metales traza en la lluvia
DS =Desviación estándar, CV =Coefciente de variación En todos los casos el número de muestras fue 21
Las concentraciones de Pb estuvieron por debajo del límite de detección (0,01 µg/L). No hubo una variación significativa en la concentración de elementos traza en la precipitación en los tres sitios de muestreo (p > 0,01). Los valores mayores de concentración de metales se presentaron en las lluvias ocurridas después de periodos de sequía en junio de 2014 y abril del 2015, mientras que los valores menores se presentaron cuando la lluvia tuvo continuidad durante varios días (Figura 6).
Gratz y Miller 29 y Wetang'ula y Wamalwa 5 en sus estudios también observaron que las concentraciones altas se presentan típicamente en las primeras precipitaciones seguidas después de épocas de sequía prolongadas, lo que sugiere que la mayoría de los elementos traza se eliminan durante el inicio del período de las precipitaciones, y se van diluyendo a medida que van trascurriendo el resto de los eventos. Se observa una correlación significativa entre el Cd y V (R2 = 0,73; p < 0,01) y Cu y V (R2 = 0,63; p < 0,01), pero sin significancia entre el Cd y Cu (R2 = 0,42; p < 0,01), lo que sugiere la existencia de más de una fuente de origen de estos metales.
El Vanadio y el Cadmio se encuentran en la corteza terrestre a bajas concentraciones 30, por lo que se considera que las principales fuentes de estos elementos deben estar relacionadas con actividades antrópicas, principalmente a través de la zona minera de carbón: los escapes de vehículos automotores (tractocamión, pala hidráulica, tractor, bus) que utilizan combustible pesado y la combustión de crudos de petróleo y gasoil. Adicionalmente, en la minería a cielo abierto se remueve una gran cantidad de material estéril para destapar los depósitos minerales, lo que genera aguas ácidas. Las aguas ácidas, a su vez, atacan otros minerales produciendo soluciones que acarrean elementos tóxicos al ambiente como el Cd o As 31.
En relación con lo anterior, en la cuenca del Witwatersrand de Sudáfrica existe una contaminación mayor de las aguas superficiales con Co, Mn, Ni, Pb y Zn como resultado del proceso de cianuración y oxidación de aguas ácidas de mina 32. El contenido de V en el petróleo crudo es de 5-1300 ppm 32 y las cenizas de la combustión del petróleo contienen más de 80% de V2O533. El V y en menor medida Ni y S han sido utilizados como indicadores de combustión de crudos de petróleo y gasoil en la totalidad de los estudios de composición química de partículas aerotransportadas 34.
Algunos autores han atribuido a la resuspensión de partículas de suelos margosos hasta un 40% del total del V encontrado en partículas aerotransportadas en una zona árido-desértica 10. Se puede considerar, en este sentido, que la presencia del V en la atmósfera está influenciada por la resuspensión de partículas del suelo aerotransportadas por acción de los vientos provenientes de contribuciones antropogénicas, generadas en zonas cercanas a La Guajira, como es el caso del complejo petroquímico de El Tablazo, Venezuela.
Por otro lado, la combustión del carbón es también una de las fuentes principales de Cu, Cr, Co, As, Se, así como de elementos litófilos en general 35. Se consideran, además, otras posibles fuentes como el desgaste de neumáticos y las quemas forestales en las zonas destinadas para cultivos. También se sugiere que los procesos de remoción de capas del suelo a través de voladuras y excavaciones realizadas en la mina, pueden contribuir a la emisión de Cu en la atmósfera 36.
Al comparar la concentración de Cd y V medidos en la lluvia en la zona minera de La Guajira (Tabla 3), se observa que son más altas que las reportadas en otras regiones del mundo, lo cual podría ser consecuencia de la ubicación de la zona de estudio en la región de calma ecuatorial que separa los movimientos de las masas de aire en los dos hemisferios. Esto dificulta el intercambio de contaminantes entre hemisferios, causando cierta asimetría en la distribución de dichos contaminantes 37.
Tabla 3 Concentración media de elementos traza en precipitaciones en diferentes sitios del mundo
*No hay reporte
También es de considerar que la presencia y concentración de metales en la atmósfera de La Guajira se ve influenciada por el movimiento de las corrientes marinas cálidas en la costa norte de Colombia, la intensidad de los vientos alisios del noreste y la presencia de cadenas montañosas en la zona sur que detienen los vientos.
Idoneidad química para la recolección de agua lluvia para el uso por parte de la comunidad en la zona
La Guajira es uno de los territorios con mayor índice de escasez de agua 38, lo que obliga a la población que habita en las zonas rurales a la práctica del aprovechamiento de las aguas lluvias. Esta suele almacenarse para uso doméstico, para beber y preparar alimentos, y para uso agrícola.
Para la recolección del agua lluvia, que fue realizada a través de la escorrentía, algunos parámetros como pH, Cu o Cd (que fueron tenidos en cuenta en este estudio) se convierten en un problema importante 39. Los resultados indican que el agua de lluvia de la zona no se ajusta a las directrices de calidad de agua para consumo humano de la normativa nacional 40, pues el pH se encuentra por debajo del límite permisible (6,5-9,0) y el Cd supera el límite de 0,003 mg/L, valor que también es fijado por la Organización Mundial de la Salud 41. Por lo anterior, no se puede considerar como una fuente óptima de agua para uso doméstico.
Conclusiones
En promedio, el agua de lluvia es ligeramente ácida (pH = 5,89) lo que sugiere la presencia de especies ácidas o ligeramente ácidas. No se evidencia la presencia de Pb, pero las concentraciones de los metales traza Cu (23,47 ± 13,97 µg/L), Cd (4,72 ± 3,29 µg/L) y V (11,25 ± 6,75 µg/L) son elevadas y se encuentran por encima del rango de concentración reportado para otros sitios de todo el mundo 42-47. Lo anterior indica que la actividad antropogénica es una de las principales fuentes responsables de la presencia de estos metales. Las concentraciones de Cd (4,72 ± 3,29 µg/L) que se determinaron en las muestras de agua de lluvia fueron relativamente altas en comparación con las directrices de calidad del agua potable establecidas por los Ministerios de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, y de Salud de Colombia 40 y por la Organización Mundial de la Salud 41, por lo tanto se puede decir que el agua lluvia de la región no es óptima para consumo ni uso doméstico.
