Boletín de la Sociedad Geológica Mexicana Volumen 73, núm. 1, A210920, 2021 http://dx.doi.org/10.18268/BSGM2021v73n1a210920

El color como indicador de contaminación por metales pesados en suelos de la Ciudad de México

Color as a proxy for heavy metal pollution in soils of Mexico City

Francisco Bautista^1,*, Avto Goguitchaichvili², Carmen Delgado², Patricia Quintana³, Daniel Aguilar³, Rubén Cejudo², José Luis Cortés¹

¹Laboratorio Universitario de Geofísica Ambiental, Centro de Investigaciones en Geografía Ambiental, Universidad Nacional Autónoma de México.

²Laboratorio Universitario de Geofísica Ambiental, Instituto de Geofísica, Universidad Nacional Autónoma de México.

³Laboratorio Nacional de Nano y Biomateriales, Centro de Investigaciones y Estudios Avanzados.

* Autor para correspondencia: (F. Bautista) This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Cómo citar este artículo:

Bautista, F., Goguitchaichvili, A., Delgado, C., Quintana, P., Aguilar, D., Cejudo, R., Cortés, J., 2021, El color como indicador de contaminación por metales pesados en suelos de la Ciudad de México: Boletín de la Sociedad Geológica Mexicana, 73 (1), A210920. http://dx.doi.org/10.18268/BSGM2021v73n1a210920

RESUMEN

El objetivo fue la evaluación del color como técnica rápida para la identificación de muestras de suelos urbanos contaminados con metales pesados en la Ciudad de México. Las concentraciones de los metales pesados se midieron por fluorescencia de rayos X, y el color se determinó con las tablas Munsell y con un colorímetro. A partir de los valores Hue, Value y Croma se formaron cinco grupos de suelo por color: I, Café rojizo oscuro, 5YR 4/2; II, Gris oscuro, 7.5YR 4/1; III, Gris olivo, 5Y 5/2; IV, Gris, 5YR 5/1; V, Gris rosáceo, 7.5YR 6/2. Con los valores colorimétricos en el sistema Rojo, Verde y Azul (RGB) se calcularon tres índices de color: Índice Hue, Índice de Rojez e Índice de saturación. La validación de los grupos de suelo formados con las tablas Munsell fue mayor con los índices de color que con los metales pesados. Los grupos de muestras de suelo urbano I y II de colores oscuros tuvieron las concentraciones mayores del Cr, Cu, Pb, Zn; también tuvieron los más altos porcentajes de Fe₂O₃, MnO, y TiO₂. Por el contrario, los grupos IV y V con colores claros tuvieron los porcentajes mayores de Al₂O₃, MgO y SiO₂. El grupo III tuvo valores intermedios de Cr, Cu, Pb, Zn, Fe₂O₃, MnO, y TiO₂. Por primera vez se reporta que el color del suelo urbano de la Ciudad de México puede ser utilizado como técnica de análisis rápido para la identificación de sitios contaminados con metales pesados.

Palabras clave: color Munsell, sistema RGB, índices de color, técnicas proxy, metales pesados.

ABSTRACT

The objective was the evaluation of color as a proxy for soil contamination by heavy metals in Mexico City. The concentrations of heavy metals were measured by X-ray fluorescence, and the color was determined with the Munsell Tables and colorimeter using Red Green Blue (RGB) system. From the Hue, Value and Croma values, five soil groups were formed by color: I, Dark reddish brown, 5YR 4/2; II, Dark gray, 7.5YR 4/1; III, Olive gray, 5Y 5/2; IV, Gray, 5YR 5/1; V, Pinkish gray, 7.5YR 6/2. With the Red Green Blue colorimetric values, three color indexes were calculated: Hue index, Redness index and saturation index. Validation of soil groups was greater with color indexes than with heavy metals. Groups I and II of dark color had the highest concentrations of Cr, Cu, Pb and Zn; they also had the highest percentages of Fe₂O₃, MnO, and TiO₂. Light colored groups IV and V had the highest percentages of Al₂O₃, MgO and SiO₂. Group III had intermediate values of Cr, Cu, Pb, Zn, Fe₂O₃, MnO, and TiO₂. For the first time, it is reported that the color of the urban soil of Mexico City can be used as a rapid analysis technique to identify sites contaminated with heavy metals.

Keywords: color Munsell, RGB system, color indexes, proxy techniques, heavy metals.

1. Introducción

En la Ciudad de México y área conurbada se liberan al ambiente partículas que contienen metales pesados y óxidos de hierro, manganeso, aluminio y silicio que son fácilmente transportadas por el viento, se depositan en diversas superficies como el suelo, y pueden ser inhaladas o ingeridas causando daños a la salud (Sabath y Robles-Osorio, 2012; WHO, 2014; Aguilera et al., 2020).

Las partículas contaminantes que más dañan a la salud humana, y causan cáncer, son menores a 10 micras (PM₁₀, PM_2.5, PM_0.1). Su dispersión fuera de la Ciudad de México y área conurbada se retrasa debido a las características climáticas, geológicas, de relieve y dirección de los vientos en la cuenca (Vallejo et al., 2003).

Sus fuentes son naturales, como las emisiones volcánicas, y antrópicas derivadas de las actividades de 23 millones de habitantes, 40 000 industrias y la circulación de 4 millones de vehículos (Molina et al., 2010; Ramírez y Martínez, 2018).

Las estrategias de disminución de la contaminación requieren de monitoreos del contenido de metales pesados en muestras ambientales como los realizados por Vallejo et al. (2003) y Molina et al. (2010) en partículas aéreas; Cejudo et al. (2015), Ihl et al. (2015) en suelos y en plantas.

Sin embargo, el monitoreo de la contaminación por metales pesados no se realiza en ningún país del mundo. Esto sucede porque el muestreo de suelos, el tratamiento de la muestra (secado, tamizado y digestión) y los análisis químicos son costosos, consumen mucho tiempo y se generan residuos peligrosos.

Por otro lado, las investigaciones recientes han demostrado que el uso del color puede ser considerado una técnica rápida para inferir la contaminación por metales pesados en polvo urbano (Cortés et al., 2015; García et al., 2019; Marín et al., 2019), así como también en la cantidad de materia orgánica edáfica (Dobos et al., 1990; Schulze et al., 1993; Bautista et al., 2003; Domínguez et al., 2012) y contenido de óxidos de Fe en el suelo (Curi y Franzmeier, 1984; Madeira et al., 1997; Acevedo-

Sandoval et al., 2004; Levin et al., 2005; Viscarra et al., 2008; Kumaravel et al., 2009).

El uso del color como técnica rápida considera que bajo cualquier combustión los óxidos de hierro y la materia orgánica se transforman en magnetita y carbón, ambos son de color negro. La magnetita va acompañada de metales pesados (Bautista et al., 2014; Cortés et al., 2015; García et al., 2019).

El uso del color del suelo como técnica de diagnóstico rápido permitiría seleccionar las muestras de suelo más contaminadas por metales pesados que luego tendrían que pasar por las técnicas de análisis químico convencional (Espectroscopía de Absorción Atómica, ICP-Masas, Microscopía Electrónica de Barrido, entre otros).

El objetivo de este estudio fue la evaluación del color en muestras de suelo de la Ciudad de México y área conurbada como una técnica rápida en el monitoreo de la contaminación del suelo urbano por metales pesados.

2. Materiales y métodos

2.1. ZONA DE ESTUDIO, MUESTREO Y TRATAMIENTO DE LAS MUESTRAS

El estudio se realizó en la Ciudad de México y área conurbada (Figura 1). La altitud promedio es de 2240 msnm. Geológicamente, está ubicada sobre depósitos volcánicos en el norte, oeste, sur y sureste, y lacustres en la zona central, noreste y sureste (Díaz-Rodríguez, 2006) por lo que es una cuenca rodeada de volcanes (Vallejo et al., 2003).

El diseño del muestreo de suelo fue sistemático y abarcó un área de 1 600 km² dividida en una rejilla de 10 x 10. Se recolectaron 89 muestras durante la estación seca (marzo-abril) con la finalidad de que el tiempo de pretratamiento (secado) fuera el menor.

La colecta de las muestras fue con un tubo de policloruro de vinilo de 100 cm³ que se introdujo al suelo.

Figura 1. Localización geográfica de las muestras del suelo urbano por grupos de color en la Ciudad de México y área conurbada.

2.2. ANÁLISIS QUÍMICOS

Las muestras se secaron durante dos semanas bajo la sombra y a temperatura ambiente; se molieron y se tamizaron con malla de 2 mm; la porción tamizada se dividió en dos partes, una de ellas se utilizó para realizar las mediciones de color y la otra para los análisis geoquímicos.

Las porciones destinadas a los análisis geoquímicos se molieron de nuevo con un mortero de ágata para aumentar la homogeneidad de la muestra (Fitton, 1997; Wei y Yang, 2010; Khodeir et al., 2012; Chen et al., 2014). Las muestras de suelo se comprimieron en un dado de 1 cm de diámetro sin tratamiento químico o agentes aglutinantes y se obtuvieron pastillas que se colocaron en un porta-muestras y se sellaron con una película de poliéster (Mylar).

Las concentraciones de los metales (Cr, Cu, Ni, Pb, V y Zn) y de los compuestos óxidos metálicos del suelo (Na₂O, MgO, MnO, Al₂O₃, SiO₂, K₂O, CaO, TiO₂ y Fe₂O₃) y no metálicos (P₂O₅) se cuantificaron con la técnica de fluorescencia de rayos X de energía dispersa (ED-FRX) en el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados de Mérida, Yucatán. La técnica es cuantitativa, rápida, no destructiva ni contaminante con un límite de detección de 1 mg/kg (Lozano y Bernal, 2005; Beckhoff et al., 2006). Como control de medición se consideró el estándar con clave de identificación IGLsy-1, el cual corresponde a una sienita de nefelina con un alto contenido de Al y Si (Lozano y Bernal, 2005; Beckhoff et al., 2006; Paltridge et al., 2012).

Las características y ambientes de operación del espectrómetro ED-XRF fueron las siguientes: marca Jordan Valley EX-6600, equipado con un detector Si (Li), área activa de 20 mm², resolución de 140 eV a 5.9 keV, operado a un máximo de 54 keV y 4 800 µA, en condiciones de vacío atmosférico, utilizando una tarjeta secundaria intercambiable y tiempo de medición de 300 s. Cada medición fue repetida cinco veces para obtener un promedio de concentración (Ihl et al., 2015).

2.3. DETERMINACIÓN DEL COLOR

El color del suelo se determinó de manera cualitativa por comparación con las tablas Munsell (Munsell Color, 2000). La muestra seca se colocó en el porta-muestras, y en un ambiente externo y con luz del día se sobrepusieron a la muestra, las cartas del color hasta encontrar el matiz o tono adecuado. Los suelos se agruparon de acuerdo con el color definido por los valores Hue, Value y Croma.

El color se determinó de manera cuantitativa con un equipo Konica Minolta modelo CR400m, los resultados, en términos del sistema de color X, Y, Z se convirtieron al sistema R, G, B decimal mediante el programa Color Slide Rule y se calcularon los índices de color Hue (IH), Rojez (IR) y Saturación (IS) según Levin et al., (2005) de la manera siguiente:

En donde R, G y B son los valores proporcionados por el sistema decimal RGB: R = Rojo; G = Verde; B = Azul.

2.4. ANÁLISIS DE DATOS

La influencia de los metales pesados en los índices de color se evaluó mediante un análisis de correlación simple.

Los cinco grupos de color del suelo identificados a partir de la comparación con las tablas Munsell, se validaron mediante dos análisis discriminantes: por un lado, con los valores de los contenidos de metales pesados y óxidos, y por otro, con los valores de los índices de color en donde se clasificaron mediante funciones lineales, que combinan las variables más influyentes y asignan los elementos a los grupos predefinidos, lo que permitió validar o no la formación de los grupos de suelo (Lévy et al., 2003). También se midió la influencia del conjunto de los metales pesados en cada índice de color al interior de cada grupo de color de suelo a través de análisis de regresión múltiple.

En ambos análisis las variables dependientes fueron los índices de color IH, IR e IS y las variables independientes fueron las concentraciones de Cr, Ni, Cu, Zn, Pb, V y los porcentajes de los óxidos Na₂O, MgO, Al₂O₃, SiO₂, P₂O₅, K₂O, CaO, TiO₂, MnO, Fe₂O₃.

La regresión lineal múltiple establece la relación de la variable dependiente Y con respecto de múltiples variables independientes X (X₁, X₂… X_n) en un espacio multidimensional. Se determinaron los valores de las variables con mayor poder explicativo mediante los coeficientes de correlación β₁, β₂…β_n (Vallejo, 2011).

En donde: Y = variable dependiente; a = parámetro de regresión; β₁ = incremento de Y en unidades al aumentar X; X_i = variables explicativas; e = error de la predicción.

Para comparar los contenidos de los metales pesados por los grupos de color de los suelos se utilizó el análisis de varianza no paramétrico de comparación de medianas Kruskal-Wallis (Statgraphics®, 2010). Se aplicó una prueba de rango múltiple para determinar qué grupos de suelo por color son significativamente diferentes con un nivel de confianza del 95.0%. Se diseñó un mapa con las diferentes zonas donde se ubicaron los cinco grupos de color del suelo y los tipos de rocas subyacentes con el programa ArcGIS 9.0 (ESRI, 2004).

3. Resultados

3.1. FORMACIÓN Y VALIDACIÓN DE LOS GRUPOS POR COLOR DEL SUELO

Se formaron cinco grupos por color del suelo. Los grupos I Gris rojizo oscuro y II Gris oscuro presentaron coloraciones oscuras, mientras que los suelos del grupo III Gris olivo, grupo IV Gris y el grupo V Gris rosáceo presentaron las coloraciones claras (Tabla 1, Figura 2).

Tabla 1. Agrupación de las muestras de suelo por color a partir de los valores hue, value y croma identificados con las tablas Munsell.

Figura 2. Coloraciones de los grupos de suelos y su nomenclatura de acuerdo con las cartas Munsell.

La validación de los grupos por color del suelo utilizando los índices tuvo una clasificación correcta del 100 % de las muestras en todos los grupos de suelo (p < 0.05) (Tabla 2). La validación de los grupos por color del suelo utilizando las concentraciones de los metales pesados tuvieron un 67 % de las muestras correctamente asignadas, siendo los grupos I y II los de mayor porcentaje de correcta asignación, con 88% y 68%, respectivamente (Tabla 3). En análisis multivariados los porcentajes arriba del 50% son aceptables (Lévy et al., 2003). La medición del color con un colorímetro es más rápida, cuantitativa y precisa, mientras que con las tablas Munsell es más tardada, cualitativa y menos precisa pero el análisis es más económico. La validación al 100% de los grupos con los índices de color indica que las mediciones colorimétricas son confiables con ambos métodos.

Tabla 2. Validación de los grupos de color del suelo con base en los índices de color hue (IH), rojez (IR) y saturación (IS).

Tabla 3. Validación de los grupos de color del suelo con base en las concentraciones de los metales pesados.

3.2. REGRESIONES LINEALES MÚLTIPLES ENTRE LOS ÍNDICES DE COLOR DEL SUELO Y LAS CONCENTRACIONES DE METALES PESADOS

La relación ente los metales pesados con los tres índices de color fue alta y significativa en los grupos de color I Gris rojizo obscuro, IV Gris y V Gris rosáceo (r² > 0.75, p < 0.05). Con el índice Hue (IH) los metales pesados mejor representados en los cinco grupos de suelos fueron el Cr, Cu y Pb, en menor proporción Ni, V, así como MnO y Fe₂O₃ (Tabla 4); con el índice de rojez (IR) fueron el Cr, Ni, Pb y Cu, en menor proporción el V, MnO y Fe₂O₃ y Zn (Tabla 5); y con el índice de saturación (IS) fueron el Cr, Cu, Ni y Pb, en menor proporción el V y Zn así como MnO y Fe₂O₃ (Tabla 6). En total los metales pesados representados en los cinco grupos de suelos con los tres índices de color tuvieron el siguiente orden: Cr=Pb>Cu>Ni=V>MnO>Fe₂O₃>Zn.

Tabla 4. Regresiones lineales múltiples entre el índice hue (IH) y las concentraciones de los metales pesados en los grupos de color de suelo.

Tabla 5. Regresiones lineales múltiples entre el índice rojez (IR) y las concentraciones de los metales pesados en los grupos de color de suelo.

Tabla 6. Regresiones lineales múltiples entre el índice de saturación (IS) y las concentraciones de los metales pesados en los grupos de color de suelo.

3.3. FORMACIÓN Y VALIDACIÓN DE LOS GRUPOS POR COLOR DEL SUELO

Las concentraciones mayores (p<0.05) de los metales Cr, Cu, Pb y Zn se encontraron en los grupos I y II de color oscuro; y las concentraciones medias en el grupo III de coloración intermedia entre color oscuro y claro (Figuras 2 y 3). Los porcentajes mayores del Fe₂O₃, MnO, y TiO₂ se encontraron en los grupos oscuros I y II de color oscuro (Figuras 2 y 4); y los mayores porcentajes de los óxidos Al₂O₃, MgO y SiO₂ se encontraron principalmente en los grupos III, IV y V de coloraciones claras (Figuras 2 y 4). En los grupos I y II la presencia de los metales Cr, Cu, Zn, Fe, Mn y Ti les confieren las coloraciones más oscuras, Domínguez et al. (2012) reporta que los metales de transición producen coloraciones oscuras.

Figura 3. Concentraciones de metales pesados por grupos de color de suelos. I Gris rojizo oscuro, II Gris oscuro, III Gris olivo, IV Gris, V Gris rosáceo. Línea punteada señala el nivel de fondo. Letras diferentes significan diferencias significativas.

Figura 4. Concentraciones de los óxidos por grupos de color de suelos. I Gris rojizo oscuro, II Gris oscuro, III Gris olivo, IV Gris, V Gris rosáceo. Letras diferentes significan diferencias significativas.

3.4. LOCALIZACIÓN GEOGRÁFICA DE LAS MUESTRAS DE SUELO POR COLOR

Las muestras de suelo del grupo I Gris rojizo obscuro se ubican principalmente en la zona Lacustre en el centro-este de la ciudad, en las delegaciones Iztacalco e Iztapalapa y en las zonas conurbadas de Cd. Netzahualcóyotl, Chimalhuacán y La Paz (Figura 1). Este grupo en general tiene las mayores concentraciones de Cu, Pb, Zn, Fe₂O₃, MnO y TiO₂. Las muestras de suelo del grupo II Gris oscuro están ubicadas principalmente en la zona Lacustre en las alcaldías Gustavo A. Madero, Venustiano Carranza, Coyoacán, Iztapalapa, Xochimilco y Tláhuac, así como en Cd. Netzahualcóyotl, Chimalhuacán, La Paz Tlalnepantla y Ecatepec (Figura 1). Este grupo en general tiene las más altas concentraciones de Cr, y concentraciones altas de Cu, Pb, Zn, Fe₂O₃, MnO y TiO₂. Las muestras de suelo del grupo III Gris olivo se localizan principalmente en zonas conurbadas de Atizapán de Zaragoza, Naucalpan y en Tlalnepantla; así como en las alcaldías de Cuauhtémoc, Azcapotzalco, Gustavo A. Madero y Miguel Hidalgo (Figura 1). Este grupo en general tiene las concentraciones más altas de SiO₂ y concentraciones medias de Cr, Cu, Pb, Zn y Al₂O₃. Las muestras de suelo de los grupos IV y V se localizan en la periferia de la ciudad, son las muestras con menores concentraciones de metales pesados.

4. Discusión

Las muestras de suelo urbano de los grupos I (gris rojizo oscuro) y II (gris oscuro), y en algunos casos el grupo III (gris olivo), alcanzaron las concentraciones mayores de Cu, Pb y Zn en este estudio, de la misma manera que lo reportado para el polvo urbano en Ensenada Baja California (Cortés et al., 2015). Estos metales pesados se consideran producto de la contaminación antrópica al estar muy por arriba de los valores de fondo, como por ejemplo los 20 mg/kg de plomo, 36 mg/kg de zinc, 41 mg/kg de cromo y 7 mg/kg de cobre (Ihl et al., 2015).

La presencia del Fe₂O₃ en las muestras de suelo urbano de los grupos I, II y III les proporciona las coloraciones oscuras, y se explica por la relación encontrada entre el índice de rojez y el Fe₂O₃, por lo que se infiere la presencia de maghemita o magnetita (Bautista et al., 2014).

El índice de rojez del color del suelo ha sido utilizado para estimar la intensidad de meteorización del suelo y los contenidos de Fe₂O₃ (Barrón y Torrent 1986; Levin et al., 2005; Viscarra Rossel et al., 2008); sin embargo, al parecer en este estudio la relación podría ser con la magnetita y/o maghemita que son producto de la combustión de combustibles fósiles y por lo tanto de carácter antrópico, por los mayores porcentajes de Fe₂O₃, TiO₂ y MnO los contenidos en partículas producto de la combustión (Abbott, 1987; Bautista et al., 2014). Para estudios futuros es conveniente medir los parámetros magnéticos y si los valores de la susceptibilidad magnética y de la magnetización remanente isotermal de saturación son también altos, entonces el mineral será magnetita y/o maghemita y, por lo tanto, serán partículas antrópicas contaminantes (Aguilar-Reyes et al., 2013; Bautista et al., 2014; Sánchez-Duque et al., 2015).

En las muestras de suelo urbano de los grupos IV y V las coloraciones claras están asociadas con la predominancia del Al₂O₃, MgO y SiO₂ y con bajas concentraciones de TiO₂, MnO y Fe₂O₃. Además, en estos grupos se presentaron los valores más bajos del índice de rojez. De la misma manera, Domínguez et al. (2012) reportaron la relación entre las coloraciones claras del suelo y la presencia de SiO₂ y Al₂O₃, asociados a aluminosilicatos y cuarzo, principalmente.

El uso de combustibles fósiles genera ceniza y gases. La ceniza de color negro estaría formada por partículas que contienen óxidos de hierro transformados a magnetita y maghemita (coloraciones obscuras) (Bautista et al., 2014), así como metales pesados usados como antidetonantes (Mn) (Bueno-Brito et al., 2005) o que son parte de las impurezas del combustible (metales pesados, principalmente Pb, Zn, Cu, V) (Ihl et al., 2015). Sin embargo, la materia orgánica humificada también es de color negro o pardo obscuro, así como los óxidos de manganeso de color negro (pirolusita), ambos pudieran interferir o confundir cuando se utilice el color como indicador de contaminación por metales pesados en los suelos.

La pirolusita es el mineral de manganeso del color gris a negro que se encuentra naturalmente en las rocas que circundan a la ciudad de México, pero también el manganeso es utilizado como antidetonante en la gasolina (1 metil-4-fenil-1,2,5,6-tetrahidropiridina) y es un componente del acero (Bueno-Brito et al., 2005) y se encuentra en el polvo urbano de la Ciudad de México (Aguilera et al., 2020), así que también tiene un origen antrópico.

5. Conclusiones

La principal conclusión de este trabajo fue: el color del suelo urbano puede ser utilizado como técnica de análisis rápido, de bajo costo y con la precisión suficiente para identificar muestras de suelo contaminadas con metales pesados. Es importante hacer notar que este indicador es solamente para suelos urbanos o Tecnosols.

En primera instancia, utilizando el color como técnica rápida para la identificación de metales pesados en el suelo urbano de la Ciudad de México las clases serían: suelos contaminados gris rojizo oscuro 5YR 4/2 y gris oscuro 7.5YR 4/1, contaminación intermedia suelos grises olivo 5Y 5/2; y suelos poco contaminados los grises 5YR 5/1 y grises rosáceos 7.5YR 6/2.

Los índices de color del suelo urbano solo se validaron, mediante regresiones múltiples, para los suelos de colores gris rojizo oscuro y gris oscuro debido, probablemente, a la interferencia de componentes naturales, como los minerales de hierro y manganeso y a la materia orgánica humificada.

Agradecimientos

Los autores agradecen el financiamiento al proyecto a la Dirección General de Asuntos del Personal Académico de la Universidad Nacional Autónoma de México (PAPIIT IN 209218) y al CONACYT (283135).

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Manuscrito recibido: 7 de Mayo de 2020

Manuscrito corregido: 17 de Septiembre de 2020

Manuscrito aceptado: 23 de Septiembre de 2020

La revisión por pares es responsabilidad de la Universidad Nacional Autónoma de México.

Este es un artículo Open Access bajo la licencia CC Y-NC-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/)