CIENCIAS NUCLEARES
Radiocronología de sedimentos marinos y su aplicación en la comprensión de los procesos de contaminación ambiental en ecosistemas marinos cubanos
Radiochronology of marine sediments and its application to the knowledge of the process of environmental pollution in coastal Cuban ecosystems
Carlos M. Alonso Hernández, Misael Díaz Asencio, Miguel Gómez Batista, Yoelvis Bolaños Alvares, Alain Muñoz Caravaca, Yasser Morera Gómez
Centro de Estudios
Ambientales de Cienfuegos
AP5, Ciudad Nuclear, Cienfuegos, CP 59350, Cienfuegos
RESUMEN
En este trabajo se sistematizan algunos resultados alcanzados en la aplicación de la radiocronología de sedimentos marinos para la reconstrucción de bases de datos y el conocimiento de la evolución de la contaminación ambiental en cuatro ecosistemas costeros de relevancia nacional: las bahías de Cienfuegos y la Habana, así como los estuarios de los ríos Sagua y La Coloma en el Golfo de Batabanó. Se seleccionaron flujos de metales pesados y compuestos orgánicos persistentes que fueron discutidos para estos ecosistemas. Se mostró la eficacia de la radiocronología como herramienta para la gestión ambiental y el conocimiento de los procesos temporales de contaminación en el medio acuático.
Palabras claves: Cuba, ecosistemas acuáticos, datación por isótopos, sedimentos, polución.
ABSTRACT
The results achieved in the implementation of the radiochronology of marine sediments for the reconstruction of databases and knowledge of the evolution of environmental pollution in four coastal ecosystems of national significance are presented in this paper Fluxes of selected heavy metals and persistent organic compounds are discussed for the Cienfuegos and Havana bays and Sagua and La Coloma estuaries. Finally, is showed the effectiveness of radiochronology of sediments as a useful tool for environmental management and knowledge of temporal processes of pollution in the aquatic environment.
Key words: Cuba, aquatic ecosystems, isotope dating, sediments, pollution.
INTRODUCCIÓN
Las sustancias radiactivas están presentes de forma natural en todos los componentes del planeta. Radioisótopos del K, Th y U, así como los productos de desintegración radiactiva de estos dos últimos componen la radiactividad debida a los procesos ocurridos desde la formación de la tierra. Otro grupo de radionúclidos, de procedencia cosmogénica, se depositan continuamente en la superficie terrestre, conformando ambos grupos el inventarío de radiactividad natural [1]. A este inventarío se le añade, en los últimos cien años, un amplio espectro de radionúclidos artificiales producidos por las actividades humanas. Los ensayos de armas nucleares constituyen, en particular, el principal contribuyente [2].
Los estudios de la radioactividad ambiental, a nivel global, se han focalizado en dos direcciones fundamentales: una, vinculada a la Seguridad Radiológica y otra, al uso de su distribución espacial y temporal para entender los procesos ambientales. Esta nueva ciencia es conocida como Radioecología.
En Cuba el emplazamiento de la Central Electronuclear (CEN) Juraguá ha sido, en los últimos 30 años, escenario de diversos proyectos de investigación vinculados a la radioactividad ambiental. Programas de estudios prolongados se ejecutaron para establecer la línea base o fondo radiológico ambiental [3]. El Centro de Protección e Higiene de las Radiaciones y los laboratorios de la Red Nacional de Vigilancia Radiológica Ambiental también han desarrollado estudios e investigaciones vinculadas a la evaluación de las dosis que recibe la población por diversas fuentes de radiación ambiental [4-7].
Desde el punto
de vista radioecológico, los estudios de erosión de suelos utilizando
el [8,9] y la geocronología de sedimentos acuáticos, a través
de la distribución de
,
y
han sido las principales
aplicaciones de la radioactividad ambiental en Cuba [10]. Estas tecnologías
han sido transferidas al país como resultado de la colaboración
con el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) a través
de los proyectos de asistencia técnica CUB7006, CUB7008 y RLA7012.
El objetivo de este trabajo es presentar los resultados alcanzados en la aplicación de la radiocronología de sedimentos, a través de radioisótopos ambientales para conocer la evolución de algunos contaminantes ambientales (metales pesados y compuestos orgánicos persistentes) en cuatro ecosistemas marinos de prioridad nacional.
MATERIALES Y MÉTODOS
La radiocronología
de sedimentos con es el método más utilizado para reconstruir
los cambios ambientales recientes en sistemas acuáticos. El
es
un radionúclido natural, miembro de la serie radiactiva del
. Tiene
un período de semidesintegración (T½) de 22,23 años
y permite fechar sedimentos acumulados en los últimos 100-150 años,
período durante el cual son más notables las diversas manifestaciones
del cambio global (e.g. contaminación, elevación del nivel del
mar, eutrofización). Después, estas capas se pueden analizar para
buscar los contaminantes de interés y determinar su flujo y deposición
en el sedimento en los últimos 120 años.
La datación
con puede confirmarse mediante la vigilancia de los radionúclidos
artificiales asociados a los ensayos de armas nucleares (se suele seleccionar
el
o isótopos del plutonio). Estos radioisótopos alcanzaron
concentraciones máximas en 1963, aproximadamente. Aunque la bioperturbación
de los sedimentos puede hacer que los materiales se mezclen dentro de las calas,
el método descrito se ha usado con éxito para evaluar el historial
de aportes de trazas metálicas, plaguicidas, bifenilos policlorados,
hidrocarburos saturados (petróleo) e hidrocarburos aromáticos
policíclicos (HPA).
Áreas de estudios
Para conocer la evolución de la contaminación ambiental mediante las técnicas de fechado con 120Pb, fueron seleccionadas cuatro ecosistemas costeros de relevancia nacional.
Bahía de Cienfuegos
La bahía
de Cienfuegos está localizada en los 22°09’ de latitud norte
y 80° 27’ de longitud oeste, en la región centro sur de Cuba.
Es una típica bahía de bolsa, con un área de 90 y volumen
medio de 870 x 106
. El sistema costero de la bahía tiene una longitud
aproximada de 100 km y la cuenca tributaria de la bahía es de 2 210
.
En la zona noroeste se ubica la ciudad de Cienfuegos, con una población
cercana a los 160 000 habitantes.
La bahía está dividida de forma natural en dos lóbulos. El lóbulo norte recibe la mayor contaminación debido a los residuales de la ciudad de Cienfuegos y del polo industrial. Estudios realizados en los sedimentos de la bahía demostraron contaminación por hidrocarburos [11], plaguicidas [12] y metales pesados, particularmente vanadio y plomo [5] , así como el metaloide arsénico, presente en el ecosistema debido a liberaciones accidentales de la fábrica de fertilizantes nitrogenados [13].
Bahía de La Habana
La Bahía
de La Habana se encuentra situada en la costa norte de la región occidental
de Cuba. Es una pequeña bahía de bolsa, con una superficie de
5,2 , un perímetro de 18 km y profundidad media de 9 m. Posee características
de estuario parcialmente mezclado y está estrechamente vinculada con
el ecosistema urbano de la ciudad, los ecosistemas urbano-industriales de la
periferia, los ecosistemas fluviales que tributan a su cuenca y los ecosistemas
litorales marinos adyacentes. La cuenca tributaria es de 68
y cuenta con
un gran número de industrias y zonas altamente pobladas [14]. La acumulación
de contaminantes y la baja capacidad de autodepuración del ecosistema
han provocado que la bahía se haya convertido en un sistema eutrófico
y anóxico en diferentes zonas, lo que ha originado graves problemas ambientales
y una reducción de la biodiversidad. Desde
1998 un exigente programa de recuperación se ha implementado con resultados
en la reducción de la contaminación y el inicio de mejoras en
algunos
indicadores ambientales [15].
Estuario del río Sagua
El río Sagua
nace en la zona norte de la sierra del Escambray, atraviesa la provincia de
Villa Clara y desemboca al norte de la ciudad de Sagua la Grande. Por su extensión
lineal y cuenca tributaria es el tercer río
mayor de Cuba, con 144 km y 2 188 , respectivamente. En su cuenca viven más
de 400 103 habitantes que utilizan sus aguas como fuente de abasto de diversas
actividades socioeconómicas.
En 1981 en las
riberas del río se instaló una planta de cloro-sosa que utiliza
celdas de mercurio en su proceso productivo. A pesar de los sistemas de tratamiento
y confinamiento, esta instalación ha liberado Hg al ambiente desde esa
fecha [16]. En la cuenca existen varias obras reguladoras, se destaca el embalse
Alacranes, construido en 1972, con capacidad para 352 106 utilizado como
abasto a la población y en la agricultura. Trabajos previos han demostrado
la acumulación de mercurio en material particulado [16] y organismos
marinos [17,18] en la desembocadura del río y la zona costera aledaña
debido a las descargas de la planta de cloro-sosa.
Golfo de Batabanó
El golfo de Batabanó
se localiza entre el cayo Diego Pérez y el cabo Francés en la
región suroccidental de Cuba. Comprende un mar somero con una superficie
superior a 20 000 . La zona central es un aplanado fondo cubierto de fango,
con arena y arcilla en las zonas más profundas; la profundidad media
es de 6 m y la máxima es de 12 m. La costa es una gran ciénaga
cubierta de mangle. En esta zona descargan numerosos ríos, esteros y
lagunas costeras. Las corrientes marinas son de poca intensidad y dependientes
de la dirección del viento.
Este ecosistema posee una amplia y diversa fauna marina y es una de las zonas de mayor potencial pesquero de Cuba y el Caribe, en especial, la zona aporta el 70 % de las capturas de langostas del país [19]. En los últimos años varias investigaciones han mostrado la ocurrencia de cambios en la zona, lo que ha producido erosión costera, cambios en la sedimentación [20, 21] y efectos en la reducción de los recursos pesqueros y la biodiversidad. La ausencia de registros históricos impide identificar las causas de estos cambios. Estudios recientes han demostrado que el golfo, desde el punto de vista de contaminación es considerado como área prístina o de muy bajo nivel de contaminación [22]. Sin embargo, en zonas cercanas a la desembocadura del río Coloma se han cuantificado trazas de compuestos orgánicos persistentes como DDT y Lindano.
Colecta de perfiles sedimentarios
Se colectaron perfiles de sedimentos utilizando nucleadores con tubos de PVC (60 cm de longitud y 10 cm de diámetro). En todos los casos el muestreo se realizó mediante buceo autónomo para evitar la compactación y mezcla de los sedimentos. Los detalles de los núcleos colectados han sido publicados anteriormente para la Bahía de Cienfuegos [23], la Bahía de la Habana [14], el Estuario Sagua [24] y el Golfo de Batabanó [25].
Métodos analíticos y modelos utilizados
Para cada sitio
de estudio los métodos radioquímicos y modelos utilizados en el
fechado de sedimentos, a partir de la distribución vertical de son los publicados por el OIEA en “Guía para el uso de sedimentos
en la reconstrucción histórica de la contaminación en zonas
costeras” y “Radiocronología de sedimentos costeros utilizando
: modelos, validación y aplicaciones” [26].
De manera resumida, los ensayos se realizaron utilizando métodos analíticos normalizados y validados. La calidad de los resultados se aseguró analizando materiales de referencia certificados (MRC). Se aplicó la norma ISO/DIS13528 en la evaluación de estos controles.
Los métodos analíticos utilizados para la cuantificación de los contaminantes en cada sitio de estudio fueron publicados detalladamente por Alonso-Hernández y col. para la Bahía de Cienfuegos [23] y el Golfo de Batabanó [25] y Díaz-Asencio y col. para la Bahía de la Habana [14] y el Estuario Sagua [24].
En cada sitio de estudio se determinaron las tasas de sedimentación anuales que permitieron fechar los perfiles colectados. Los flujos de contaminantes específicos se obtuvieron de la multiplicación de las concentraciones de contaminantes en cada estrato por la tasa de sedimentación correspondiente.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Tasas de sedimentación
En la Figura 1 se presenta la media de las tasas de sedimentación para cada sitio estudiado.
Las tasas de sedimentación calculadas se encuentran entre 0,17 y 2,3
g y se obtienen los mayores valores para la Bahía de la Habana.
A partir de estos valores, la Bahía de la Habana recibe unas 12 000 toneladas
de sedimentos anuales y la convierten en uno de los ecosistemas más contaminados
por sedimentos del área del Caribe, lo que demuestra la necesidad de
incrementar las medidas de manejo de la cuenca. Las tasas de sedimentación
para el resto de los ecosistemas estudiados están en correspondencia
con el nivel de deforestación de sus cuencas y son similares a las reportadas
para otras áreas del Caribe [27].
Caso de Estudio I: Evolución de la contaminación de plomo, vanadio, zinc y arsénico en la Bahía de Cienfuegos.
A partir de los resultados obtenidos de las tasas de sedimentación y de los análisis de plomo, vanadio, zinc y arsénico en las capas del perfil de sedimento fechado, se reconstruyó la contaminación de estos elementos en la Bahía de Cienfuegos, la cual se presenta en la Figura 2.
Los datos primarios para reproducir estos resultados han sido publicados por
Alonso-Hernández y col. [23]. La Figura 2a representa la evolución
de la contaminación por plomo, vanadio y zinc en la bahía a partir
de 1900. Se observa un significativo incremento a partir de la década
del 70, período en el cual, un importante polo industrial fue emplazado
en las riberas del lóbulo norte de la bahía.
Tanto el vanadio, el zinc como el plomo son indicadores de emisiones de plantas de producción de energía eléctrica a base de la quema de petróleo. La termoeléctrica “Carlos Manuel de Céspedes” y la refinería de petróleo “Camilo Cienfuegos”, emplazadas en la zona norte de la Bahía, son las principales fuentes de emisión de metales pesados a la bahía.
A partir del inicio de los años 70 se ha evidenciado un incremento en los flujos de arsénico al lecho sedimentario de la bahía (Figura 2b), coincidente con la puesta en funcionamiento de la fábrica de fertilizantes nitrogenados, así como dos máximos son identificados en el perfil, con fechas 1981 y 2002, respectivamente.
Estos picos son señales evidentes de las liberaciones accidentales de residuales arsenicales, ocurridos en 1979 y diciembre de 2001. Los resultados obtenidos han permitido a las autoridades sanitarias y ambientales del territorio tomar un grupo de medidas para minimizar los riesgos a la salud de la población y el ecosistema. Una de esas medidas ha sido la prohibición de la pesca de arrastre para evitar la resuspensión del arsénico depositado y su biodisponibilidad en la cadena alimenticia. Adicionalmente, todas las actividades de mantenimiento de los canales para la navegación, que requieren actividades de dragado, se realizan bajo continuo monitoreo y vigilancia ambiental. Anualmente se lleva a cabo un programa de monitoreo de la concentración de metales pesados en los organismos marinos colectados en la bahía.
Caso de Estudio II: Evolución de la contaminación por mercurio en el estuario del río Sagua.
La Figura 3 muestra
la evolución de la contaminación por mercurio del estuario del
río Sagua, en el último siglo, calculada a partir del fechado
de perfiles de sedimentos con ,
y
y la cuantificación
de mercurio total por DMA [24].
El incremento de la contaminación por mercurio, observado a partir de la década del 80, responde a las liberaciones de este contaminante desde la planta de cloro sosa emplazada en 1981 en el municipio de Sagua la Grande, Villa Clara.
Los máximos flujos (seis veces superiores a los naturales) se obtienen al inicio de los 90. A partir de esta fecha y como consecuencia de la contracción económica producida por el período especial, hay una tendencia a la disminución de los flujos de mercurio. Esta disminución puede estar también vinculada a mejoras en los procesos de gestión de residuales en la planta a partir del 2000. Estudios realizados a partir de estos resultados demuestran que el ecosistema ha sido fuertemente impactado, en particular a la vida de comunidades de moluscos bentónicos y la resilencia del ecosistema está fuertemente comprometida. Estos resultados contribuyeron a los estudios de factibilidad ambiental y económica para un cambio de tecnología en la planta, proceso que debe concluir en el presente año.
Caso de Estudio III: Evolución de la contaminación por mercurio y plomo en la Bahía de la Habana.
La distribución temporal de la contaminación por mercurio y plomo en los sedimentos de la Bahía de la Habana se muestra en la Figura 4. Tanto el plomo como el mercurio han sido utilizados por varios autores como indicadores del impacto del desarrollo industrial y urbano [28-30]. En el caso de la Bahía de la Habana, en la Figura 4 se constata un incremento regular de los flujos de los contaminantes estudiados desde 1900 hasta finales del siglo xx, a partir del cual se evidencia un continuo decrecimiento de la contaminación. Esta mejoría en el ecosistema pudiera estar asociada, tanto a la depresión de la actividad industrial provocada por el período especial como a las acciones de manejo desarrolladas en los últimos 20 años en el ecosistema, como resultado de la creación en 1998 del Grupo de Trabajo Estatal para la Gestión Ambiental Integrada y el Desarrollo Sostenible de la Bahía de La Habana, su Cuenca Tributaria y la Zona Costera Contigua de Interacción. (GTE-BAHÍA HABANA).
Las medidas de gestión implementadas en la bahía y su cuenca, a partir de 1990 han ayudado a restablecer los flujos naturales de sedimentos en este ecosistema marino. Las acciones han contribuido a lograr un equilibrio entre la bahía y su cuenca tributaria y se ha garantizado una disminución de los efectos que la sedimentación provoca sobre los usos marítimo-portuarios que allí se realizan. La base de datos reconstruida y publicada por Díaz-Asencio y colaboradores [14] ha permitido comprender la evolución y estado actual de la contaminación de la Bahía de La Habana y se demuestra el impacto y eficacia de las acciones del programa de rehabilitación en la calidad ambiental del ecosistema. El conocimiento aportado permite identificar nuevas acciones para lograr disminuir la vulnerabilidad del ecosistema y sus usos actuales y futuros.
Caso de Estudio IV: Evolución de la contaminación por compuestos orgánicos persistentes (DDT y Lindano) en el estuario del río La Coloma, en el golfo de Batabanó.
La distribución de los flujos de compuestos orgánicos persistentes (DDT y Lindano) en el estuario del río la Coloma se muestra en la Figura 5. La misma se calculó a partir de las concentraciones de DDT y Lindano y las tasas de sedimentación del área, publicadas en detalles por Alonso-Hernández y colaboradores en 2015 [25].
Los flujos del DDT y el Lindano reflejan el grado de aplicación de estos compuestos en la cuenca tributaria. La suma de los isómeros DDT se ha detectado a partir de la década del 50, con incremento temporal hasta finales de la década de los 80. Desde 1950 el DDT fue utilizado en la producción agrícola, particularmente en el arroz y para el control de vectores de enfermedades en la salud humana [31]. A partir de 1990 el uso del DDT en Cuba es prohibido y se suspende su importación, así la década de los 90 se caracterizó por una disminución de la contaminación por estos compuestos, lo cual podría estar asociado a la depresión en el sector agrícola, generado por el periodo especial.
Un incremento en
los flujos de DDT se observa en la Figura 5, a partir de este siglo, lo que
evidencia que aun cuando por resolución, las aplicaciones de DDT están
prohibidas, se usa en la actualidad en la cuenca
del río la Coloma. Similar conclusión arroja la evolución
de la contaminación con lindano, aun cuando su uso fue también
restringido en 1990. Ambos contaminantes pueden provocar efectos negativos en
los organismos acuáticos, en especial, en la dureza de los huevos y en
estados larvales. Este resultado ha demostrado la capacidad de la radiocronología
como útil herramienta para el manejo y gestión de los ecosistemas
costeros, en particular, cuando no se cuenta con bases de datos. Resulta también
un instrumento válido para evaluar la eficacia de las acciones dirigidas
a la protección y conservación del ambiente marino.
CONCLUSIONES
Se demuestra la validez de la radiocronología de sedimentos como eficaz herramienta en la solución de problemas específicos del manejo de cuencas y zonas costeras, lo que permite la reconstrucción y el entendimiento de las fuentes, distribución y destino final de contaminantes en el medio marino.
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Recibido:
10 de junio de 2016
Aprobado: 28 de agosto de 2016