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XV SEMANA - Vi CONGRESSO ÍBÉRÍCO

Grupo de Geoquímica da Sociedade Geológica de PortugalColegio Oficial de Geólogos de España]4

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COMISSAO CIENTÍFICA

AireAmalia Seoy|gS raga (U. Minho)Ana Maigpia Neiva (U. Coimbra)

pina Maria Alencoáo (UTAD)Antonio Mateus (U. Lisboa)

Edmundo Fonseca (U. Aveiro)Fernando Leal Pacheco (UTAD)

Fernando Manuel Noronha (U. Porto)Grádete Dias (U. Minho).J. Farinha Ramo

JoaótoujtíjJFlOTAp)'-.JoápJpfTu. Lisboa)

COMISSAO EXECI

Elisa Preto Gomes (Coordena^, Ana Maria P. Aleñe

Anabela Ribeiro dos.ef ífian .o .Lsaií-jp

Rui José Teixeira

COMISSAO ORGANIZADORA

.. Maria Plisa Preto GomesDepartamento de Geología da UTAD

- . Eduardo Ferreira da Silva" i Grupo de Geoquímica da Sociedade Geológica

¡j,. de PortugalSfeT^^^ss . Fernando Manuel Noronha

iojjortuguesa de Geólo_gos

—^^Conselho Superior de Co1l ^ eJagen¡eros(d^JdÍDas-Juan Llamas Borrajo

Conselho Superior de Colegios de Ingenieros de MinasAntonio Gutiérrez Maroto

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Colegio Oficial de GeólogosJesús Soriano Carrillo

Colegio Oficial de GeólogosMaría Manuela da Vinha Silva

Grupo de Geoquímica. Portugal

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FCTFundacío para a CJ^gfja e a Tecnología

ISBN: 978-972-669-805-0

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H

XV SEMANA

geoguímica

Geoquímica y salud:una aproximación al estudio en ecosistemas tropicales

Geochemistry and health:an approach to the study of tropical ecosystems

Hernández, A. J1. Pastor, J.2 , Alexis, S.1, Vizcaíno, C.2

Universidad de Alcalá (Madrid)2IRN Centro de Ciencias Medioambientales, CSIC, Madrid

AbstractThis study addresses the problem of heavy metal pollution detected in 60 topsoil layer samples obtained from

tropical forests in the Jaragua-Bahoruco-Enhquillo Biosphere Reserve in the Dominican Republic. We considered themost common land uses of this área, along with the health status of its agrosystems and the people who consume theirresources. Metals are generated through geoedaphic processes more than anthropogenic activities in a región thatcomprises core, intensive agriculture and buffer áreas of the reserve, habouring mines (bauxite and limestone), cropsand livestock. The hypothesis that heavy metáis liberated by geochemical actions in some of these tropical ecosystemscould be linked both to their productivity and to human health, prompted an assessment of metal bioavailability in themain crops, as the primary food source for humans and grazing animáis. We presen! the experimental design ofmicrocosms set up using soils selected according to the known presence of several metáis and seeds obtained from theoriginal crops in the área (kidney beans, the legume Cajanus cajan, corn and sorghum). Also described are thebiomonitoring protocol used and the results so far of an electrón microscopy study, in which we evalúate the possibleplant diseases produced by soil heavy metáis.

Keywords: heavy metáis, punctate pollution, plant diseases.

ResumenEl contenido de metales pesados analizados en un total de mas de 60 muestras de la capa superficial de suelos

correspondientes a los bosques tropicales presentes en la Reserva de la Biosfera Jaragua-Bahoruco-Enriquillo de laRepública Dominicana, y de sus usos más frecuentes, nos ha llevado a situarnos ante la problemática de los mismos yla salud. El origen de estos contaminantes está vinculado esencialmente a procesos geoedáficos más que a impactosantrópicos en un territorio que alberga tanto áreas núcleo, como de agricultura intensiva y de amortiguamiento de dichaReserva, y en las que se sitúan, tanto explotaciones mineras (bauxita y caliza), como agrícolas y ganaderas. Lahipótesis de que metales pesados producidos por una acción geoquímica en algunos de estos ecosistemas tropicalespueda estar relacionada no solo con la productividad del sistema, sino también con la salud humana, nos ha conducidoa estudiar la biodisponibilidad por parte de los principales cultivos que son fuente primaria de la alimentación humana yforrajera en dicho territorio. Este trabajo presenta el diseño experimental utilizado en microcosmos con suelos elegidosen base a la presencia de varios metales y semillas procedentes de los cultivos originarios (habichuelas, guandules,maíz y sorgo); así mismo, el protocolo seguido en el biomonitoreo y algunos resultados obtenidos mediantemicroscopía electrónica, utilizada para poder ir abordando las ecopatologías que producen los metales pesadosprocedentes del suelo.

Palabras Clave: metales pesados, contaminación puntual, ecopatologías

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Introducción: marco conceptual ehipótesis de trabajo

Se parte del presupuesto de que la salud deecosistemas es uno de los pilares en que seapoya el desarrollo sostenible, por lo quecomienza a ser un nuevo lenguaje para eldiscurso público de la contaminación. Así lasalud de ecosistemas se ha definido como unaciencia emergente de aproximación sistémicapara prevenir, diagnosticar y pronosticaraspectos para el manejo de los mismos yestablecer relaciones entre la salud delecosistema y la salud humana (Calow, 1995; DiGuilio y Monosson, 1996; Rapport, 2003). Haceya treinta años se iniciaba la investigación degeoquímica y salud como una de las líneas delPrograma MAB (Man and Biosphere) de laUneso (1978).

El contenido de metales pesados en la capasuperficial de suelos correspondientes a losbosques tropicales presentes en la Reserva dela Biosfera Jaragua-Bahoruco-Enriquillo de laRepública Dominicana, y de sus usos másfrecuentes (Hernández et al., 2006), nos hallevado a situarnos ante la problemática de losmismos y la salud. El origen de estoscontaminantes está vinculado esencialmente aprocesos geoedáficos más que a impactosantrópicos, en un territorio que alberga tantoáreas "núcleo", como de agricultura intensiva yde "amortiguamiento" de dicha Reserva, y en lasque se sitúan explotaciones mineras (bauxita ycaliza), agrícolas y ganaderas. La hipótesis deque metales pesados producidos por una accióngeoquímica en algunos de estos ecosistemastropicales pueda estar relacionada no solo conla productividad del sistema, sino también con lasalud humana, nos ha conducido a estudiar labiodisponibilidad por parte de los principalescultivos que son fuente primaria de laalimentación humana y forrajera en dichoterritorio. Pero este estudio no desea quedarseen las respuestas de las plantas a los metalespesados (Barceló y Poschenrieder, 1992;

Liphadzi y Kirkham, 2006),sino enaproximarnos a las denominadas ecopatologíasque pueden producir (Pérez, 2001). En laactualidad ha comenzado a denunciarse laexistencia de una "pandemia silenciosa" debidaa tóxicos ambientales, cuyo efecto en laspersonas es real pero difícil de calibrar (Ortegaet al.., (2005).

Material y métodosLas características del área de estudio y el

análisis de casi 70 muestras de la capasuperficial de los suelos de los bosquestropicales que mayor extensión ocupan en laúnica Reserva de la Biosfera de la RepúblicaDominicana se muestran en Hernández et al.,(2005 y 2006). Atendiendo a los valoresobtenidos para los metales pesados, se hanelegido cuatro escenarios reales en base a lapresencia de más de un metal pesado en la

capa superficial edáfica y, que sonrepresentativos de los usos más frecuentes enlas áreas de agricultura intensiva, deamortiguamiento y núcleo de esta reserva de laBiosfera. Las muestras de suelo recogidas enesos escenarios sirvieron para realizarbioensayos en microcosmos (1 Kg de suelo)situados en invernadero, donde se sembraroncuatro tipos cultivos mayoritarios en la zona, convariedades locales (las semillas fueronpreviamente germinadas en cámaras decrecimiento manteniéndolas en la oscuridadhasta su germinación y luego se traspasaban alas cubetas). Las cuatro especies cultivadas sondos leguminosas (habas -Phaseolus vulgarís- yguandules -Cajanus cajan-) y dos gramíneas,(maíz -Zea mays- y sorgo - Sorghum vulgare-).Ambas constituyen alimento primario para laspoblaciones humanas y el sorgo se utiliza comoforrajera (para vacas); además, las partes nocomestibles por las personas se utilizan paraalimentación de animales domésticos (cerdos ygallinas) y como abono orgánico para los suelosde cultivo.

Todos los análisis de metales se hanrealizado con espectroscopia de emisión deplasma; además se ha utilizado la técnica demicroscopía de barrido para saber qué órganosy tejidos vegetales podían acumular metales.

ResultadosLas rocas sedimentarias calizas constituyen

la fitología básica, aunque podemos decir quelos coluviones de calizas, que reaccionan al HCIFRX-100, son las predominantes en el bosquetropical de coniferas (Be) y bosque nublado (Bn)de la Sierra de Bahoruco; las calizas cristalinasen el bosque tropical latifoliado (Bl) y las rocasdetríticas y arrecifes del cuaternario(carbonatadas sobre alteritas) en el bosquetropical seco (Bs). Exponemos a continuaciónaquellos resultados que pueden permitirobservar las relaciones geoquímicas en esteambiente tropical vinculadas a la salud, tanto delos agroecosisetmas del territorio, como a la delos animales por el consumo de forraje y bebidade aguas retenidas en las épocas lluviosas(Tablas 3 y 4).

Tabla 1, Valores medios del pH y materia orgánica (%)de los suelos de los bosques tropicales de la Reserva.

Suelos pH M.O. Textura

Be

BnBl

Bs

7,6

7,06,5

7,5

5,1

4,83,9

7,2

Franco-arenosaFranco-arenosa-

arcillosaFranco-arenosaFranco-arcillosa-

arenosa

En la Tabla 1, se muestran tres parámetrosedáficos relacionados con la disponibilidad delos metales pesados en los suelos y en la Tabla2, los tipos de minerales de la arcilla. Los sueloscon textura franco-arenosa, como son loscorrespondientes a los bosques de coniferas y

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latifoliados, son susceptibles de asimilarconcentraciones importantes de metales. En lasTablas 3 y 4 se muestran análisis de las aguasrecogidas en ríos, arroyos y pozos situados enlos diferentes bosques y referentes a suconductividad, contenidos en metales y aniones.En la Tabla 5 pueden observarse los contenidosde los mismos correspondientes a los suelosutilizados en los experimentos en microcosmos;los niveles de referencia (N.R), corresponden ala normativa europea, por encima de los cualespuede haber contaminación en los suelos. Enlas tablas siguientes se exponen algunosresultados obtenidos en el bioensayoexperimental; se han seleccionado aquellos quepueden dar una idea en relación al tema quenos ocupa, (Tablas 6, 7, 8, 9 y 10). Ningunamuestra de suelos presenta niveles detectablesdePb.

Tabla 2.Tipos de arcilla (C= caolín; H= hematita; G=gibbsita; B= bohemita y Calc= calcita) y porcentajesmedios en suelos deforestados de los bosquesutilizados para los ensayos en microcosmos.

Tabla 6. Niveles de metales (ppm) en frutos dehabas locales cuando crecen en los suelos delos microcosmos. Análisis de la varianza.

SueloCntBlBs1Bs2Be

F

Fe80±1183±1069+1660±893+133,22*

Mn24±4,327±5,818±1,721±0,852+.13.414,97***

Zn19±428±428±526±592±636,83"

Cu8,5±27,6±112±610±173±904,47*

Al35+910±714±138 ±230±182,87F

Tabla 7. Contenidos de metales (%), a nivel celular, endiferentes tejidos vegetales de hojas de Cajanus cajancreciendo en suelos de uso agrícola en el bosqueseco.

Metal

CrFeNiCuAsCd

CélulaEpidermis

5,922,717,023,88,42,8

Parénquima5,6

22,914,826,17,44,0

Vaso

6,423,217,322,62,91,2

Pelo

5,120,419,717,18,37,2

Suelos C H G B Cale

Be 20 42 14 24

Bl 14 40 16 30

Bs 5 15 15 65

Tabla 3. Análisis de aguas (ppm) y conductividadeléctrica (C.E. uS/cm.)

Aguas pH CE Al Na Fe MnArroyo/Bn 8,1 292 0,0 3,8 0,0 0,0Río/BI 7,9 282 0,0 1,8 0,0 0,0Río/Bs 7,5 177 0,0 2,2 0,0 0,0Poz/agric 7,9 668 0,0 65,6 0,0 0,0Poz/pasto 8,1 458 0,7 21,1 1486 1,1

Tabla 4. Concentraciones de aniones en las aguas

Aguas (mg/l) f Cf NO2 NO3 PO4' SO4~

Arroyo/Bn 0,13 7,3 0,25 5,1 0 1,3

RÍO/BI 0,15 3,4 0,16 4,4 1,23 1,5

Río/Bs 0,16 4,1 0,23 1,5 0 1,2

Pozo frontera 0,13 27,2 0,0 3,3 0 5,7

Poza pasto 0,13 60,2 0,0 0,5 0 11,6

Tabla 5. Valores (ppm) de los metales pesados totalesque presentan los suelos utilizados en losmicrocosmos y Al cambiable, según los usos másfrecuentes en los distintos tipos de bosque

Suelo Al* Cd Cr Cu Zn Ni

Bs-1 44 8,4 68,7 72 139 89,9

Bs-2 n.d. 37 171 259 148 180

Bl 685 28,8 103 259 504 234,5

Be 168 42,6 50,6 165 121 165,6

N. R. - 0.8 100 36 140 35

Tabla 8. Variación en el contenidos de metalespesados en células del parénquima foliar de Sorgo,creciendo en suelo de uso agrícola del bosque seco, yen un uso subsiguiente a la explotación de bauxita enel bosque de coniferas, así como en célula de tejidotransportador (vaso o xilema).

Uso agrícola en Bs Uso enBe

Metal Célula Célula

externa media interna externa

Cr 9,1 8,8 9,6 8,5 9,0

Fe 31,5 37,7 32,0 36,0 35,3

Ni 11,1 12,1 9,2 13,0 21,9Cu 19,5 15,4 16,7 19,3 22,0

Zn n.d. 6,4 2,5 2,7 n.d.

Cd n.d. 0,34 n.d. 3,7 0,86

Tabla 9. Contenido en Al y metales pesados(medias, X y d.t.) en raíces de Maíz, sembradasen los suelos de los microcosmos y en un suelocontrol (C).

Suelos Metales

Al Mn Cu Zn Pb Cd Cr Ni

C X 1599 28 10,9 76 0 0,0 2,6 3,8

dt 813 20 5,5 26 0 0,0 0,9 2,6

BL X 3317 269 28,2 156 0 10,2 5,4 10,9

dt 721 112 11,8 19 0 3,4 1,8 2,9

Bs-1 X 3836 184 25,8 95 0 0,6 9,9 11,9

dt 1133 44 9,1 16 0 0,6 1,5 2,7

Bs-2 X 4954 153 19,6 107 0 10,1 21,7 11,1

dt 2009 85 2,9 39 0 2,4 12,2 3,1

Be X 2394 120 32,7 88 0 44,4 8,7 7,8

dt 1994 71 32,2 33 0 27,9 4,5 5,5

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DiscusiónAunque se trata de suelos básicos y la

disponibilidad de los metales pesados, decrecea medida que aumenta el pH, los resultadosobtenidos en el análisis de las plantascultivadas, muestran que cantidadesimportantes de los mismos pasan a ellas. Porotra parte, hay diferencias en la captación de losmetales, a nivel de variedades de una mismaespecies, como se muestra en la Tabla 7 y, porsupuesto, al igual que lo han expuesto otrosautores, especies de una misma familiabotánica, captan de forma desigual los metales(Adriano, 2001).

En el caso de los suelos analizados en estosbosques tropicales, se deberá hacer unseguimiento de los metales pesados concretosque, según los resultados obtenidos, puedenpasar a la cadena trófica, afectando a la saludde los cultivos, a la de los herbívoros y a laspoblaciones humanas que de ellos se alimentan(Hapke, 1986). Comentamos a continuaciónalgunas de las ecopatologías, siguiendo laterminología empleada por Pérez (2001), quecausan los metales que han mostrado mayorrelación con la geoquímica de los suelosestudiados.

El Cd se encuentra en la naturalezaasociado a otros minerales, especialmente alZn, Pb y Cu. Es uno de los tóxicos más graves;a través de las plantas pasa a la cadenaalimenticia y es un metal acumulativo. Laintoxicación vegetal por Cd genera alteracionesen la función clorofílica (marchitez, necrosis,clorosis en hojas), inhibiendo los procesos defotosíntesis y la fijación del dióxido de carbono,lo cual conduce a la muerte de las especies acorto plazo, (Landisy Min-HoYu, 1991).

Hemos detectado que en las prácticasagrícolas en este territorio, se usan fertilizantesde P y, aunque se sabe que reducen ladisponibilidad de los metales pesados, esto nosucede para el caso del Cd. Así mismo, lasplantas toman más este metal cuando elcontenido en Zn en los suelos es bajo, (Liphadzi& Kirkhan, 2006).

Los efectos tóxicos del Cd son mucho másagresivos en el mundo vegetal y en loshervíboros, mientras que en los carnívoros nose ha descubierto hasta la fecha ningunaecopatología causada por éste. En nuestraespecie puede permanecer en el cuerpo durantemucho tiempo y puede acumularse a partir demuchos años de exposición a bajos niveles.Comer alimentos con Cd irrita seriamente elestómago, conduciendo a vómitos y diarreas ysu acumulación puede ocasionar daños aríñones, pulmones y huesos (Hapke, 1996).

Los componentes hidrosolubles del Cr VIson muy tóxicos. Este metal tiende aacumularse en las raíces, pero hay estudios quemuestran efectos tóxicos en el tracto respiratorio(INERIS, 2004), ya que es acumulativo en lacadena trófica. Por otra parte el Ni, que previenede la acumulación de urea en legumbres, puedeser tóxico en niveles a partir de 10 ppm en

planta, inhibiendo la división celular de losmeristemos y limitando la expansión de lasraíces (Liphadzi & Kirkhan, 2006).

El Zn es un micronutriente esencial,considerado como no peligroso para el hombre,aunque su toxicidad puede aumentar debido a lapresencia de arsénico, plomo y cadmio. Adiferencia de otros metales pesados, el Zn sueleirse perdiendo a lo largo de la cadena trófica envez de acumularse. La clorosis inducida por susefectos tóxicos en planta, puede inducir ladeficiencia del Mg o del Fe, nutrientes básicospara todos los organismos. Otro micronutrienteesencial es el Cu, del que se conocen bien susefectos tóxicos en las habas y, en general en lasleguminosas. Causa daños en la membranacitoplasmática de las células vegetales yanimales.

La toxicidad del Mn, se debe a su absorciónen suelos con Al y bajo pH (Hernández, 1986 y1987) y, aunque en este territorio los suelos sonbásicos, presentan niveles muy altos de Al, porlo que pensamos será necesaria una mayorinvestigación en relación a la toxicidad deambos metales.

Agradecimientos:Esta investigación está siendo financiada

mediante los Proyectos CTM2005-02165/TECNO del M° de Educación y Ciencia,M°de Medio Ambiente y EIADES déla CAM.

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