Reaxion. Año 3, Número 3. Mayo - Agosto, 2016.



Determinación de hierro y manganeso en el agua subterránea del municipio de Apan, Hidalgo, México.
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Por: Sonia Hernández González, Aurea Gómez Vega, Pablo Juárez Yáñez, Galdy Hernández Zárate.




Resumen

El crecimiento urbano en lo últimos cincuenta años ha incrementado la emisión de contaminantes, afectando a los acuíferos subterráneos a través de pozos, los cuales son uno de los principales suministros de agua para las regiones rurales y urbanas. El objetivo de este trabajo fue realizar un diagnóstico de la calidad del agua (iones Ca+2, Mg+2 y Na+ y la concentración de hierro y manganeso) en siete pozos subterráneos del municipio de Apan, Hidalgo, con la finalidad de determinar su potencial para el consumo humano. Los iones se analizaron por espectroscopía de plasma de acoplamiento inductivo; y el hierro y manganeso por espectrofotometría de absorción atómica. Los resultados indican una baja lixiviación de los iones Ca+2, Mg+2 y Na+, sugiriendo que son aguas subterráneas de baja mineralización. No se encontró una correlación entre Fe y Mn; sin embargo, las concentraciones de estos metales fueron mayores a los límites máximos permisibles establecidos por la NOM-127-SSA1-1994.

Palabras clave: agua subterránea, Apan, Hgo., manganeso, hierro.


Abstract

Urban growth over the last fifty years have led to large increases in emission of pollutants in the underground aquifers across wells, being these one of the most important supplies as much in rural as in urban regions. The aim of this work was to carry out an assessment of water quality (ions Ca+2, Mg+2 and Na+ and the concentration of iron and manganese) in seven groundwater wells of the municipality of Apan, Hidalgo, in order to determine its potential for the human consumption. Ions were analyzed by inductively coupled plasma spectroscopy; and the Fe and Mg by atomic absorption spectroscopy. The results indicate a low leaching the ions Ca+2, Mg+2 and Na+, suggesting that groundwater are of low mineralization. No correlation was found between Fe and Mn, nevertheless, the concentrations of these metals were bigger than the maximum permissible limit established by the NOM-127SSA1-1994.

Key words: Underground water, Apan, Hgo., manganese, iron.


Introducción

Las actividades humanas inciden en la contaminación de los acuíferos; sin embargo, el transporte de contaminantes desde la superficie hasta los mantos acuíferos es un proceso lento, por lo que el impacto de un episodio de contaminación puede tardar en manifestar su efecto en el pozo de agua1. Cabe resaltar que la sobreexplotación de un pozo de agua puede también ocasionar problemas de contaminación debido a la concentración natural de arsénico y flúor, así como la infiltración de aguas residuales2.

En el estado de Hidalgo, las aguas superficiales están representadas por los ríos Tempoal, Metzitlán, Hondo, Actopan, Tula y Avenidas, siendo los dos últimos los más contaminados. La materia orgánica, bacterias, metales, fenoles disueltos, grasas y aceites, son los principales contaminantes que afectan la calidad del agua de estos ríos, y hoy en día no es adecuada para el consumo humano, sin un tratamiento previo3.

En la actualidad, la zona de Apan desarrolla una actividad agrícola tradicional con áreas de riego, así como áreas de servicios públicos, cuya agua residual se vierte sin un tratamiento previo en los arroyos. Por las características geológicas de la región, la mayor parte de esta agua se infiltra al subsuelo4, por lo que Apan, es un municipio vulnerable a la contaminación de sus mantos acuíferos5,6.

Debido a que existe un riesgo asociado a la salud humana y el ambiente en este municipio, por la presencia de microorganismos patógenos y otros elementos tales como nitratos y metales pesados, los cuales no se eliminan de los cuerpos de agua por procesos naturales (no son biodegradables), sino que por el contrario son bioacumulables7,8, es importante conocer la calidad del agua subterránea en el municipio de Apan, Hidalgo, donde los niveles de contaminación han aumentado exponencialmente en las últimas décadas, y se requiere asociarlos a riesgos potenciales que incidan sobre la salud humana.


Objetivo

El objetivo de esta investigación fue el determinar la concentración de iones calcio, magnesio, sodio, hierro y manganeso de siete pozos de agua subterránea del municipio de Apan, Hidalgo, con la finalidad de caracterizarla y determinar su potencial para consumo humano.


Planteamiento del problema

El abastecimiento público de agua con altas concentraciones de Fe y Mn es una problemática presente en diversas localidades del país. Un ejemplo, son los municipios de Azcapotzalco, Agrícola Oriental, Sierra de Santa Catarina, Iztapalapa, Milpa Alta,Tlahuac y Xochimilco, en la Ciudad de México, donde se han detectado altas concentraciones de manganeso y particularmente de hierro (del orden de 1 a 5 mg/L). En el estado de Hidalgo, estudios realizados en los municipios de Molango y Zimapán, han mostrado que los acuíferos se encuentran contaminados con Mn, Zn, Al, Ba y Fe; sin embargo, únicamente las concentraciones de Mn exceden los límites establecidos por la normatividad mexicana para agua de consumo humano (NOM-127-SSA1-1994)9.

Este estudio fue realizado en el municipio de Apan, Hidalgo, debido a que el agua subterránea representa la principal fuente de abastecimiento para actividades agrícolas tradicionales y de riego, así como para la creciente demanda de agua de uso doméstico (agua potable). Estudios en la región, reconocen que las principales fuentes de contaminación del agua subterránea, son debidas a las características geológicas del subsuelo (rocas volcánicas ricas en elementos como el Fe y Mn) y por contaminación derivada de actividades antropogénicas (descarga de aguas residuales sin previo tratamiento que son permeadas al subsuelo)9, 10, 11.

Con base a lo anterior, se hace necesario un análisis más detallado de la composición química y toxicidad de esta región con la finalidad de determinar la calidad del agua subterránea del municipio, específicamente de la presencia de metales pesados que pudieran causar problemas a la salud.


Metodo de trabajo

Área de estudio

Este estudio se realizó durante los meses de enero a marzo de 2016, en el municipio de Apan, estado de Hidalgo, ubicado a 64 kilómetros de la ciudad de Pachuca, con coordenadas geográficas de 19º 42’ latitud norte y 98º 27’ latitud oeste. El municipio cuenta con una superficie de 346.9 km2 y una población de 40,000 habitantes12. Se localiza en el eje neovolcánico, formado principalmente por llanuras, presentando un clima subhúmedo con lluvias en verano. Su hidrografía dado que se encuentra en la región del Pánuco, la cuenca es considerada una de las más importantes de México13 tiene dos subcuencas: la del Río Tezontepec, y las Lagunas Tochac y Tecocomulco. Por lo tanto, cuenta el municipio de Apan, con catorce pozos de abastecimiento de agua potable, con una profundidad promedio de 250 m. Para este estudio se seleccionaron siete pozos representativos del agua potable subterránea (previos al proceso de cloración) de la región de Apan, Hidalgo (Fig. 1).

Apan Hidalgo

Figura 1. Ubicación de los siete pozos seleccionados en el municipio de Apan, Hidalgo14.

Metodología

De los pozos seleccionados, se determinaron in situ los parámetros fisicoquímicos de pH, Conductividad Eléctrica (CE), Potencial de Óxido Reducción (POR), Sólidos Disueltos Totales (SDT) y Oxígeno Disuelto (OD), utilizando una sonda multiparamétrica (Hanna Instruments). Para la determinación de iones y metales pesados, se recolectaron de cada pozo 2 L de agua en botellas de polietileno y se transportaron al laboratorio. Los iones de calcio (Ca+2), magnesio (Mg+2) y sodio (Na+) fueron determinados utilizando espectroscopia de plasma de acoplamiento inductivo (ICP, por sus siglas en inglés). El hierro (Fe) y manganeso (Mn) fueron analizados por espectrofotometría de absorción atómica, de acuerdo a métodos estandarizados (NMX-AA-051-SCFI-200115). Todos los análisis fueron realizados por triplicado.


Resultados

Los resultados de los parámetros fisicoquímicos obtenidos de los siete pozos muestreados se observan en el cuadro 1. El pH se encontró entre 6.52-7.53, el cual es un intervalo normal para aguas subterráneas. Los valores de CE fluctuaron entre 316-420 µ S/cm. El POR fue un parámetro que mostró valores entre -2.1 a -5.7 mV. Por su parte, las concentraciones de SDT mostraron poca variación entre los diferentes pozos (158 a 210 mg/L). Los valores de OD fueron siempre inferiores a 5.5 mg/L. Siendo las localidades de Acopinalco y Santa Cruz, las que mostraron los valores más bajos (1.27 y 1.52 mg/L, respectivamente).

Pozo Localidad Profundidad
(m)
pH CE
(mS/cm)
POR
(mV)
SDT
(mg/L)
OD
(mg/L)
1 Apan 120 7.25 347 -4.2 173 3.98
2 Acopinalco 67 7.06 389 -3.1 194 1.27
3 Chimalpa 100 7.43 319 -3.4 159 5.52
4 Cruz Roja 130 7.21 404 -5.7 202 4.59
5 Loma Bonita 100 7.11 316 -4.2 158 3.61
6 San Miguel 80 7.53 420 -3.0 210 4.47
7 Santa Cruz 200 6.52 420 -2.1 210 1.52

Cuadro 1. Parámetros fisicoquímicos del agua subterránea de siete pozos del municipio de Apan, Hgo.

Hidroquímicamente, las aguas subterráneas del municipio de Apan son cálcicas y presentan concentraciones medias de iones Mg+2 y Na+, como se muestra en el cuadro 2. Las concentraciones de hierro fueron muy similares en todos los pozos evaluados (1.45 a 1.6 mg/L), a excepción del pozo de Chimalpa que presentó un menor contenido de hierro (0.75 mg/L). En todos los casos, los valores de Fe superan los límites máximos permisibles establecidos por la NOM-127-SAA1-199416 y la Agencia para la Protección Ambiental de Estados Unidos17 (0.30 mg/L).

Pozo Localidad Ca+2 Mg+2 Na+ Fe Mn
  (mg/L)
1 Apan 23.2 12.1 33.7 1.45 0.043
2 Acopinalco 27.6 14.6 36.1 1.50 0.043
3 Chimalpa 22.3 11.4 31.3 0.75 3.718
4 Cruz Roja 21.8 13.6 44.4 1.55 -0.013
5 Loma Bonita 22.3 12.9 14.6 1.55 0.019
6 San Miguel 25.7 13.7 37.8 1.60 -0.034
7 Santa Cruz 24.9 18.3 36.2 1.60 4.050

Cuadro 2. Concentración de cationes, hierro y manganeso en el agua subterránea de siete pozos del municipio de Apan, Hgo.

La presencia de manganeso fue detectada en cinco de los siete pozos analizados en el municipio de Apan. Sin embargo, solo en los pozos de Santa Cruz (4.05 mg/L), y Chimalpa (3.718 mg/L,), los niveles de manganeso sobrepasaron ampliamente el límite recomendado por la Norma Oficial Mexicana que es de 0.15 mg/L.

Para este estudio, no se encontró correlación entre las concentraciones de hierro y manganeso. De los sitios evaluados, el pozo de Santa Cruz fue el que presentó las concentraciones más altas para ambos metales. El resto de los parámetros complementarios estuvieron dentro del rango establecido por la norma.

Discusión

Los iones disueltos en el agua subterránea pueden ser mayoritarios, minoritarios o traza; los iones de calcio, magnesio y sodio son considerados mayoritarios. La concentración de calcio y magnesio presente en el agua determina el grado de dureza, la cual es un factor importante en la determinación de la calidad del agua. Las concentraciones encontradas de Calcio y Magnesio clasifican al agua de estos pozos como blanda ya que la suma de ambos es menor a 75 mg/L. Asimismo, en agua recién infiltrada la concentración de calcio es mayor que la concentración de magnesio y esta a su vez es mayor a la concentración de sodio. Pero en agua subterránea que tiene ya un tiempo de residencia esta relación cambia quedando mayor la concentración de sodio que la de los otros dos iones, como es el caso de la mayoría de los pozos muestreados en este estudio (ver cuadro 2). La concentración de sodio es de importancia en aguas de riego ya que se ve afectada la permeabilidad del suelo y la infiltración; asimismo, el sodio suele ser tóxico para cierto tipo de cultivos18,19. La conductividad eléctrica en los siete pozos evaluados se encontró en un valor cercano a los 400 µ S/m, lo cual indica que son pozos con una baja concentración de sales y baja mineralización. Estos resultados coinciden con lo señalado previamente por Huízar-Álvarez et al 4, quienes indican que en la región se da una baja lixiviación de los iones Ca+2, Mg+2 y Na+, y al igual que en este estudio, las concentraciones de SDT no llega a ser mayor a los 400 mg/L, lo que infiere que estas aguas subterráneas son de baja mineralización.

El manganeso estuvo presente en cerca del 70% de los pozos muestreados, con un valor promedio de 1.1205 mg/L. Si bien, la introducción del manganeso al ambiente está asociada principalmente a actividades antropogénicas relacionadas con la industria del hierro y el acero, en el municipio de Apan, las aguas subterráneas están impactadas por el aporte doméstico, y de actividades agrícolas y ganaderas, que generan grandes volúmenes de aguas residuales que se infiltran al subsuelo, representando una fuente potencial de este contaminante4. Asimismo, como se mencionó anteriormente, diversos metales, como el manganeso pueden llegar a las aguas subterráneas mediante la erosión y lixiviación de minerales y rocas que contienen manganeso en los acuíferos 20.

Generalmente, el manganeso está presente junto con el hierro en los pozos de agua, dado que su química es similar, las fuentes industriales de manganeso son también fuentes de hierro21. Las aguas con mayor carga orgánica contienen mayor cantidad de hierro produciéndose asociaciones y complejos químicos. La fuente de contaminación por hierro en las aguas naturales puede ser por vertimientos industriales, sales solubles del suelo, así como por la corrosión de las tuberías de hierro. El hierro y el manganeso pueden encontrarse en el agua en tres posibles formas: disuelto, en partículas y coloidal. La prevalencia de una forma u otra dependerá del pH del agua, la temperatura y el potencial redox22.

A pesar de que son escasos los estudios relacionados con el riesgo asociado a la exposición de estos metales, a través del agua de consumo humano, se han encontrado evidencias de que el manganeso está relacionado con problemas neurológicos, cognitivos y de comportamiento en niños que han estado expuestos a manganeso; y que a elevadas concentraciones se relaciona con incrementos en los niveles de irritabilidad, agresiones, hiperactividad y comportamientos antisociales y efectos neuroconductuales, lo cual ha sido estudiado en niños de 6 a 13 años23-29. Asimismo, el acumulamiento de manganeso en el cerebro puede inducir una forma atípica de Parkinsonismo24. Estudios realizados en la población infantil de Molango, en el estado de Hidalgo, demostraron que la exposición al manganeso tiene impactos en el neurodesarrollo provocando una reducción en el coeficiente intelectual (IQ) en niños25.

En este estudio, las altas concentraciones de hierro y manganeso, encontradas en los Pozos de Santa Cruz y de Chimalpa, sugieren un riesgo potencial para las comunidades de Apan que se abastecen de estos pozos. Por lo cual, se recomienda a las autoridades municipales, dar el tratamiento adecuado a estas aguas de pozo, para cumplir con los límites establecidos por la norma oficial mexicana NOM-127-SSA1-199416, que son de 0.15 mg/L para el manganeso y de 0.30 mg/L para el hierro, en el agua potable.


Conclusiones

En este estudio se pudo encontrar que las concentraciones de metales, específicamente hierro y manganeso, en las aguas subterráneas de Apan en el estado de Hidalgo, pueden indicar un grado de contaminación en estos acuíferos.

Lo anterior implica evitar su consumo por parte de la comunidad, ya que los datos encontrados reflejan que los niveles en algunos de los pozos muestreados rebasan los límites máximos permisibles, especialmente de manganeso. Consumir agua con elevado contenido de manganeso puede representar graves daños a la salud de la población, especialmente a la niñez. Por lo cual, se recomienda realizar un mayor muestreo de las aguas subterráneas del municipio y estudiar a la vez si existen asociaciones bacterianas que pudieran coadyuvar a la oxidación o degradación de estos metales.


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Fecha de recepción Fecha de aceptación Fecha de publicación
21/03/2017 26/04/2017 29/09/2017
Año 5, Número 1. Septiembre - Diciembre, 2017

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