Biodisponibilidad de arsénico y metales en partículas atmosféricas asociadas a la minería en Zimapán, Hidalgo

Abstract

El presente estudio evaluó la biodisponibilidad de elementos potencialmente tóxicos (EPT) en partículas y polvos atmosféricos en la zona centro de Zimapán y en una Escuela Secundaria por la posible dispersión eólica de jales mineros. Para lograr este objetivo se analizó la mineralogía y composición química (difracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido con espectroscopía de energía dispersiva de rayos X) de las muestras de los polvos de azotea. Lo anterior reveló una composición heterogénea, con un predominio de fases cristalinas comunes como la calcita y el cuarzo; sin embargo, el EDS detectó As, Pb, Fe y S, indicando la posible presencia de minerales asociados a la actividad minera. Mediante la modelación de trayectorias de vientos con el software HYSPLIT y rosas de vientos se demostró que, durante las tres temporadas analizadas (lluvia, seca-fría y seca-cálida), las masas de aire que alcanzan los sitios de muestreo (Presidencia Municipal y Escuela Secundaria) se desplazan previamente sobre las presas de jales. Este resultado corrobora los resultados de la caracterización por MEB-EDS, lo que indica que los elementos potencialmente tóxicos detectados en el polvo y partículas atmosféricas provienen de los jales mineros de los alrededores de Zimapán, cuyo transporte hacia zonas pobladas podría ocasionar un riesgo para la salud pública. Adicionalmente, se evaluaron cuatro parámetros de concentraciones, los cuales son: totales, solubles, bioaccesibilidad en fase gástrica y biodisponibilidad pulmonar, donde las concentraciones totales de As, Pb y Cd en los polvos de azotea superaron los límites establecidos por la NOM-147-SEMARNAT/SSA1-2004 y la NOM-157-SEMARNAT-2009; sin embargo, la baja solubilidad general del material evita su clasificación como residuo peligroso. Aun así, la solubilidad del As excedió el límite de la NOM-127-SSA1-2021 para agua potable, lo que representa un riesgo directo para lugares donde se capta agua de lluvia, por lo que es necesario un tratamiento previo a su consumo. Para la evaluación de un riesgo real de exposición, se determinaron la bioaccesibilidad en fase gástrica y la biodisponibilidad pulmonar. Los resultados mostraron que una fracción significativa del As puede liberarse y ser absorbida por el organismo por simulación de la digestión en la fase gástrica, lo que evidencia que existe un riesgo toxicológico, el cual no solo depende de la cantidad presente, sino de la forma química y la movilidad del contaminante. El As presentó consistentemente la mayor biodisponibilidad pulmonar, identificándolo como el elemento de mayor preocupación para la salud por inhalación. Las concentraciones de EPT en PM10 mostraron una variación temporal: la temporada seca-fría presentó los valores totales más altos debido a la resuspensión de partículas, mientras que la temporada de lluvias registró las mayores fracciones biodisponibles de As, atribuibles al lavado atmosférico que remueve partículas gruesas y deja en suspensión fracciones finas enriquecidas en metales. El análisis estadístico se realizó usando la prueba no paramétrica de Mann-Whitney U mostró diferencias significativas de Pb y Cd entre los sitos muestreados, lo que refuerza que la influencia de la dirección del viento y su proximidad a las presas de jales, que se encuentran alrededor de la zona urbana. Este patrón sugiere que la distribución de las partículas con EPT no es uniforme, sino que depende de las trayectorias atmosféricas y de la distancia relativa a las fuentes mineras. Para la evaluación del riesgo, se consideraron las concentraciones totales de EPT, lo que arrojó resultados elevados; por ello, para obtener un riesgo más realista, se volvió a evaluar con las concentraciones de biodisponibilidad pulmonar. El As el principal contaminante de riesgo moderado durante todo el año, con un incremento notable en la temporada de lluvias. En conjunto, los resultados confirman que existe dispersión eólica activa de partículas procedentes de los jales hacia las zonas habitadas y estas partículas contienen EPT capaces de generar exposición real en la población. Por ello, es fundamental establecer estrategias de prevención a la exposición humana, especialmente durante las temporadas de mayor vulnerabilidad.

This study evaluated the bioavailability of potentially toxic elements (PTE) in atmospheric particles and dust in the central area of Zimapán and at a Secondary School due to the possible wind dispersion of mining tailings. To achieve this objective, the mineralogy and chemical composition (X-ray diffraction and scanning electron microscopy with energy-dispersive X-ray spectroscopy) of the roof dust samples were analyzed. This revealed a heterogeneous composition, with a predominance of common crystalline phases such as calcite and quartz; however, EDS detected As, Pb, Fe and S, indicating presence of minerals associated with mining activity. By modeling wind trajectories with HYSPLIT software and wind roses, it was demonstrated that during the three seasons analyzed (rainy, cold-dry and hot-dry), the air masses that reach the sampling sites (Municipal Presidency and Secondary School) previously move over the tailing’s dams. This result corroborates the results of SEM-EDS characterization, indicating that the potentially toxic elements detected in dust and atmospheric particles come from mine tailings in the vicinity of Zimapán, whose transport to populated areas could pose a risk to public health. Additionally, four concentration parameters were evaluated: total, soluble, gastric phase bioaccessibility, and pulmonary bioavailability, where the total concentrations of As, Pb and Cd in the rooftop dust exceeded the limits established by NOM-147-SEMARNAT/SSA1-2009; however, the low overall solubility of the material prevents its classification as hazardous waste. Even so, the solubility of As exceeded the limit of NOM-127-SSA1-2021 for drinking water, which represents a direct risk for places where rainwater is collected, making treatment prior to consumption necessary. To determine the actual risk of exposure, gastric phase bioaccessibility and pulmonary bioavailability were assessed. The results showed that a significant fraction of As can be released and absorbed by the body through simulation of digestion in the gastric phase, which indicates that there is a toxicological risk that depends not only on the amount present, but also on the chemical form and mobility of the contaminant. Arsenic consistently showed the highest pulmonary bioavailability, identifying it as the elements of greatest concern for health through inhalation. PTE concentrations in PM10 showed temporal variation: the dry-cold season had the highest total values due to particles resuspension, while the rainy season had the highest bioavailable fractions of As, attributable to atmospheric washing that removes0 coarse particles and leaves fine fractions enriched in metals in suspension. Statistical analysis using the nonparametic Mann-Whitney U test shows significant differences in Pb and Cd between the sampled sites, reinforcing the influence of wind direction and proximity to tailings dams, which are located around the urban area. This pattern suggests that the distribution of particles with PTE is not uniform but rather depends on atmospheric trajectories and relative distance from mining sources. For the risk assessment, total PTE concentrations were considered, which produced high results; therefore, to obtain a more realistic risk estimate, the assessment was repeated using pulmonary bioavailability concentrations. As was the primary pollutant posing a moderate risk throughout the year, showing a notable increase during the rainy season. Overall, the results confirm that there is active wind dispersion of particles from tailings to inhabited areas and that these particles contain PTE capable of generating real exposure to the population. Therefore, it is essential to establish prevention strategies to human exposure, especially during seasons of greater vulnerability.