Evaluación radiológica de las arenas negras de la Playa Bibijagua, Isla de la Juventud, Cuba

Introducción

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La espectrometría gamma es una de las principales técnicas utilizadas para determinar las concentraciones de radionúclidos de origen natural o artificial [ 1 [1]. International Atomic Energy Agency (IAEA). Collection and preparation of bottom sediment samples for analysis of radionuclides and trace elements. IAEA-TECDOC-1360. 2003]. Aunque es una técnica no destructiva, es decir, que no requiere de tratamientos químicos destructivos para el análisis, las muestras de interés, después de su recolección, deben pasar por un conjunto de procesos que garanticen condiciones físicas estandarizadas para ser analizadas. La playa de Bibijagua es la única playa de arenas negras en el archipiélago cubano. Se ubica a 8 km al noroeste de Nueva Gerona. Es considerada una playa de arenas fósiles y, además de por su color oscuro, sus arenas se caracterizan por ser muy finas y compactas.

Materiales y métodos

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Para el estudio radiométrico de las arenas negras de Bibijagua, se tomó una muestra compuesta, a partir de cuatro submuestras de unos 100 g, tomadas en la duna (5 m por encima del nivel de marea), a una distancia de unos 25 m entre sí y en línea paralela a la costa. En todos los casos se utilizó una espátula plástica. Las muestras fueron envasadas en bolsas de nylon y debidamente selladas y etiquetadas para su traslado al laboratorio. En el laboratorio, a todas las muestras se les extrajo manualmente los restos de conchas, piedras, madera, etc. Posteriormente fueron secadas a 60°C hasta alcanzar peso constante. Ya secas, se tamizaron a 250 micras, trituraron y homogenizaron en un molino de bolas, durante 5 min, a 500 revoluciones por minuto, y fueron tamizadas a 125 micras y secadas nuevamente a 60 °C. Finalmente, 50 g fueron envasados en recipiente plástico cilíndrico, transparente, con tapa de rosca, de 5.3 cm de altura total y 4.1 cm de diámetro, debidamente sellados con cinta plástica parafinada y puesto a reposar por más de 30 días, en aras de alcanzar el equilibrio secular.

Las mediciones se llevaron a cabo en el laboratorio de Radioactividad Ambiental del Centro de Estudios Ambientales (CEAC) de Cienfuegos. El sistema de espectrometría gamma utilizado, está basado en un detector HPGe coaxial, tipo-n, código NGC 3019, con ventana de carbono epóxico, eficiencia relativa de 30 % y resolución (FWHM) de 1,9 keV para la línea de 1332,50 keV del ⁶⁰Co. El blindaje exterior se compone de diez anillos de hierro que conforman un cilindro horadado de 51 cm de altura, diámetro exterior de 82 cm y diámetro interior de 35 cm. Dentro del mismo se inserta un blindaje de plomo cilíndrico de 31 cm de altura, diámetro exterior de 31 cm y diámetro interior de 25 cm; cuyas paredes están cubiertas con capas de cobre de 0,5 mm y aluminio de 0,8 mm ( figura 1 ).

Figura 1. Blindaje, detector y portamuestra.

Determinación de la actividad específica de las muestras de interés:

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Atendiendo a la ausencia, en la cantidad requerida, de Materiales de Referencia Certificada de muestras ambientales para estudios por vía relativa, las actividades de las muestras de interés se determinaron mediante el método absoluto como:

A_{e} = \frac{C P S (m) - C P S (f)}{ε y M}

(1)

dónde: CPS(m) -es la velocidad de conteos (en conteos por segundo) de la muestra, CPS(f) - la velocidad de conteos del fondo, e - Eficiencia del detector, γ- Probabilidad de emisión y M - Masa de la muestra. Este método posee como desventaja, que requiere el conocimiento de la eficiencia del sistema de detección, lo cual resulta muy complejo para muestras volumétricas, pues los efectos de autoabsorción en la muestra para los cuantos gamma de bajas energías son muy severos [ 2 [2]. HASAN M, BÓDIZS D, CZIFRUS SZ. A simplified technique to determine the self-absorption correction for sediment samples. Appl Radiat Isot. 2002; 57: 915-918.].

Medición de la eficiencia para muestras volumétricas:

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La eficiencia es la relación entre el número de fotones emitidos por la muestra y los detectados por los instrumentos; depende de la geometría de medición, de la energía de la radiación, del volumen del detector y de la configuración de la muestra [ 3 [3]. VULKANAC I, DJURASEVIC M, KANDIC A, et. al. Experimental determination of the HPGe spectrometer efficiency curve. Appl Radiat Isot. 2008; 66: 792-795.]. Se utilizó el material de referencia certificado (MRC) DL-1a, que es un patrón de actividad específica conocida para los radioisótopos de interés, y se estimó la eficiencia del sistema para energías puntuales utilizando la ecuación:

ε = \frac{C P S (p) - C P S (f)}{A_{e p} γ M_{p}}

(2)

dónde: CPS(p) es la velocidad de conteos del patrón, CPS(f) la velocidad de conteos del fondo, A_ep la Actividad específica del patrón, g la Probabilidad de emisión del cuanto gamma de interés y M_p la masa del patrón.

La curva de eficiencia puede obtenerse realizando un ajuste de los puntos determinados a través de una función polinomial logarítmica de grado 3 o superior, de la forma:

\ln ε = \sum_{i = 0}^{n} a_{i} {[\ln (E)]}^{i}

(3)

Procedimiento de medición:

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Cada muestra fue colocada en el tope y centro del detector y se colectó su espectro de radiación gamma durante una semana, en aras de garantizar una estadística aceptable y reducir los errores.

Las magnitudes de interés se determinaron mediante las siguientes expresiones:

Concentración de Actividad:

C_{A} = \frac{R_{S}}{P γ ε m}

(4)

Incertidumbre estándar combinada:

u (C_{A}) = C_{A} \sqrt{u_{r}^{2} (R_{s}) + u_{r}^{2} (P_{γ}) {+ u}_{r}^{2} (ε) + u_{r}^{2} (m)}

(5)

Límite Crítico o Umbral de Decisión:

L_{c} = 1,65 \frac{1}{P_{γ} ε m} \sqrt{\frac{R_{b}}{T_{b}} (1 + \frac{T_{b}}{T})}

(6)

Límite de Detección:

L_{d} = 3,30 \frac{1}{P_{γ} ε m} \sqrt{\frac{R_{b}}{T_{b}} (1 + \frac{T_{b}}{T})} = 2 L_{c}

(7)

dónde: R _s -Tasa de conteos neta de la muestra, Pγ -Probabilidad de salida de los cuantos gamma para determinada energía, e -Eficiencia absoluta para determinada energía, m -Masa seca de la muestra, Rb -Tasa de conteos del fondo, Tb -Tiempo de medición del fondo y T -Tiempo de medición (Tiempo activo).

Verificación de los resultados analíticos por método absoluto:

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El correcto funcionamiento de un laboratorio analítico ambiental, se basa en la implementación de un sistema de aseguramiento de calidad de sus resultados, el cual involucra a una serie de factores que garantizan la confiabilidad de sus reportes. Pero, aunque el laboratorio cumpla con los requisitos mencionados anteriormente, es necesaria la implementación de algún método que nos permita validar el procedimiento seguido en la medición. En el presente trabajo se utilizaron dos muestras certificadas para la verificación de los resultados, comparando las actividades de sus radioisótopos determinadas por vía absoluta con las reportadas.

Evaluación del riesgo de exposición:

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Con el objetivo de evaluar los posibles riesgos de exposición en las distintas muestras de arena de playa estudiadas se calcularon los siguientes indicadores:

Dosis absorbida en aire (D): La dosis absorbida en aire (en nGyh^-1) como resultado de la concentración de la actividad específica natural de ²²⁶Ra, ²³²Th y ⁴⁰K a la altura aproximada de 1m sobre el suelo, fue calculada utilizando la siguiente expresión [ 4 [4]. UNSCEAR. Report to the General Assembly with Scientific Annexes. 2000.]:

D ({n G y h}^{- 1}) = 0,462 C_{R a} + 0,604 C_{T h} + 0,0417 C_{K}

(8)

dónde: C_Ra, C_Th y C_K representan las concentraciones (en Bqkg^-1) de Ra, Th y K en la muestra de arena de interés. El valor límite recomendado internacionalmente es de 51 nGyh^-1. En ella se utilizan los factores de conversión de 0,0417 nGyh^-1/ Bqkg^-1 para ⁴⁰K, 0,0462 nGyh^-1/ Bqkg^-1 para ²²⁶Ra y 0,604 nGyh^-1/ Bqkg^-1 para ²³²Th [ 4 [4]. UNSCEAR. Report to the General Assembly with Scientific Annexes. 2000.]. Además, se asume que las series de decaimiento del ¹³⁷Cs y el ²³⁵U pueden ser despreciadas, al contribuir muy poco a la dosis total proveniente de la radiación de fondo [ 5 [5]. KHAN IU, SUN W, LEWIS E. Review of low level background radioactivity studies conducted from 2000 to date in people Republic of China. J Rad Res & Appl Sci. 2020; 13(1): 406-415.].

Actividad de Ra-equivalente (Ra _eq ): La actividad de Ra-equivalente (Raeq) es la suma de las actividades de ²²⁶Ra, 232Th y 40K, basada en el criterio de que 370 Bq.kg^-1 de ²²⁶Ra, 259 Bq.kg^-1 de ²³²Th y 4810 Bq.kg^-1 de ⁴⁰K, producen la misma proporción de dosis de radiación g. La actividad de (Raeq) se define como:

{R a}_{e q} = C_{R a} + 1,43 C_{T h} + 0,77 C_{K}

(9)

dónde: C_Ra, C_Th y C_k representan la concentración de actividad del radio, el torio y potasio, respectivamente, todas ellas expresadas en Bq.kg-1. El valor máximo recomendado de Ra_eq debe ser inferior a los 370 Bq.kg^-1 para mantener la dosis externa inferior a 1.5 mGyh-1 [ 5 [5]. KHAN IU, SUN W, LEWIS E. Review of low level background radioactivity studies conducted from 2000 to date in people Republic of China. J Rad Res & Appl Sci. 2020; 13(1): 406-415.].

Índice de riesgo externo (H _ex ): Este índice se utiliza para evaluar los riesgos de radiación atribuidos a materiales radiactivos y se calcula como:

(H_{e x}) = \frac{C_{R a}}{370} + \frac{C_{T h}}{259} + \frac{C_{K}}{4810} \leq 1

(10)

Los valores de este índice deben ser inferiores a 1, previendo, de esta forma, que el riesgo de radioactividad no sea significativo. El valor máximo de la unidad para H_ex corresponde con el límite de 370 Bq.kg^-1 de Ra_eq.

AGDE (Anual Gonadal Dose Equivalent): Las gónadas, así como la médula espinal y las células superficiales de los huesos, son considerados como órganos de interés por la UNSCEAR [ 1 [1]. International Atomic Energy Agency (IAEA). Collection and preparation of bottom sediment samples for analysis of radionuclides and trace elements. IAEA-TECDOC-1360. 2003], por lo que la verificación de los valores de dosis equivalente gonadal anual, recibido por los individuos, sea de gran relevancia genética. La dosis equivalente recibida cada año por los órganos reproductivos (gónadas) de la población expuesta, se puede calcular utilizando la ecuación [ 5 [5]. KHAN IU, SUN W, LEWIS E. Review of low level background radioactivity studies conducted from 2000 to date in people Republic of China. J Rad Res & Appl Sci. 2020; 13(1): 406-415.]:

A G D E (μ S v y^{- 1}) = 3,09 C_{R a} + 4,18 C_{T h} + 0,314 C_{K}

(11)

AEDE (Anual Efective Dose Equivalent): Para estimar la dosis equivalente efectiva anual se debe tomar en cuenta: (1) el coeficiente de conversión de dosis absorbida en aire a dosis efectiva y (2), el factor de ocupación en el interior. El estimado anual promedio de dosis efectiva equivalente recibida por un miembro, se calcula utilizando el factor de conversión de 0,7 Sv Gy^-1, el cual es empleado para convertir el valor absorbido, a dosis efectiva equivalente, en humanos con una ocupación al aire libre del 20% [ 4 [4]. UNSCEAR. Report to the General Assembly with Scientific Annexes. 2000.]. La AEDE se calculó de la siguiente manera:

A E D E (μ S v y^{- 1}) = D (n G y^{- 1} h^{- 1}) * 8760 (h y^{- 1}) * 0,2 * 0,7 S v G y^{- 1} * 10^{- 3}

(12)

Índice de nivel de radiactividad: El índice de nivel de radiactividad se utiliza para estimar el nivel de riesgo de radiación g asociado a radionúclidos naturales. Este índice es calculado mediante la siguiente expresión:

I_{γ} = \frac{C_{R a}}{300 B q / k g} + \frac{C_{T h}}{200 B q / k g} + \frac{C_{K}}{300 B q / k g}

(13)

dónde: C_Ra, C_Th y C_K corresponden a las concentraciones de radio, torio y potasio, respectivamente. Los valores de I_g deben ser inferiores a la unidad para permanecer por debajo del límite recomendado [ 4 [4]. UNSCEAR. Report to the General Assembly with Scientific Annexes. 2000.].

Resultados y discusión

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Eficiencia del sistema espectrométrico para muestras volumétricas:

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La calibración en eficiencia del detector de Germanio hiperpuro del Espectrómetro Gamma de Bajo Fondo del Centro de Estudios Ambientales de Cienfuegos (CEAC), en el rango de energías entre 0 y 2 MeV y utilizando una muestra volumétrica de 50 g del MRC DL-1a, se muestra en la figura 2 . Como se puede apreciar, el rango de dispersión del comportamiento no es elevado, lo que permite determinar la actividad de una muestra de parámetros similares, con una precisión aceptable para este tipo de estudios.

Figura 2. Curva de eficiencia del sistema de bajo fondo del CEAC, utilizando el MRC DL-1a.

Por otra parte, la comprobación analítica de la calibración en eficiencia del espectrómetro, mediante la determinación, vía absoluta, de la actividad de los radionúclidos de interés, presentes en los Materiales de Referencia Certificada IAEA-306, IAEA-375 y KCl ( figura 3 ), ajusta a una línea recta de pendiente prácticamente unitaria (r2 = 0.9974, r < 0.0001), permitiendo verificar que la calibración del espectrómetro es válida para determinar las actividades de los radionúclidos de interés en muestras ambientales de 50 gramos y en la geometría propuesta.

Figura 3. Comprobación analítica de la calibración en eficiencia.

Estudio radiométrico de la playa Bibijagua:

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La figura 4 muestra el espectro de la radiación gamma medida en las arenas negras de la playa Bibijagua. Como se puede apreciar, se definen los principales picos, correspondientes a los cuantos gamma que se emiten de los radionúclidos naturales de las series del Uranio y Torio, del radionúclido natural de ⁴⁰K y, aunque con menor intensidad, también se observa la línea de 662 keV, correspondiente al radionúclido antropogénico de ¹³⁷Cs.

Figura 4. Espectro de la radiación gamma presente en las arenas negras de Bibijagua.

Los resultados de las concentraciones de actividad en las arenas negras de Bibijagua, así como de otras playas internacionales de arenas similares se presentan en la tabla 1 . Como se puede apreciar, la comparación con los resultados de estudios de playas de arenas negras de otros países, evidencia que Bibijagua posee niveles de actividad de los radionúclidos estudiados, inferiores a la mayoría de los balnearios citados. Sin embargo, sus concentraciones de ²³²Th y de ²²⁶Ra de 47 y 41 Bq.kg^-1, respectivamente, superan ligeramente los límites recomendados por la UNSCEAR. En el caso del ⁴⁰K, su concentración de 30 Bq.kg^-1, es un orden inferior al recomendado.

Tabla 1. Concentración de actividad en (Bq.kg^-1) de radionúclidos de interés en muestras de playas de arenas negras.

Muestras	232Th	226Ra	40K	137Cs	Refs
Bibijagua, Cuba	47 ± 5	41 ± 1	30 ± 7	0.34 ± 0.08	-
Mandena, Madagascar	15600	3070	9	nr	[ 6 [6]. HAO DV, DINH CN, JODŁOWSKI P, et. al. High-level natural radionuclides from the Mandena deposit, South Madagascar. J Radioanal Nucl Chem. 2018; 319: 1331-1338.]
Baltim, Egipto	198 ± 87	132 ± 106	236 ± 71	nr	[ 7 [7]. HILAL MA, BORAI EH. Hazardous parameters associated with natural radioactivity exposure from black sand. Regul Toxicol Pharm. 2018: 92: 245-250.]
Areia Preta, Brasil	6092 ± 29	112 ± 8	193 ± 14	nr	[ 8 [8]. VASCONCELOS DC, LES PA, PEREIRA C, et. al. Modelling natural radioactivity in sand beaches of Guarapari, Espírito Santo State, Brazil. World J Nucl Sci & Tech. 2013; 3: 65-71.]
Rashid, Egipto	140 ± 22	111 ± 25	475 ± 36	nr	[ 9 [9]. ABDEL-RAHMAN MAE, EL-ONGY SA. Analysis of radioactivity levels and hazard assessment of black sand samples from Rashid area, Egypt. Nucl Eng & Tech. 2017; 49: 1752-1757.]
Miami Bay, Malasia	2086 ± 96	1023 ± 47	381 ± 18	nr	[ 10 [10]. SHUAIBU HK, KHANDAKER NU, ALREFAE T, et. al. Assessment of natural radioactivity and gamma-ray dose in monazite rich black sand beach of Penang Island, Malaysia. Mar Poll Bull. 2017; 119: 423-428.]
Temsah Lake, Egipto	11 ± 3	11 ± 2	328 ± 80	nr	[ 11 [11]. FARES S. Measurements of natural radioactivity level in black sand and sediment samples of the Temsah Lake beach in Suez Canal region in Egypt. J Radiat Res & Appl Sci0. 2017; 10: 194-203.]
Tamil Nadu, India	481 ± 9	198 ± 9	107 ± 2	nr	[ 12 [12]. PUNNIYAKOTTI J, PONNUSAMI V. Radionuclides of ²³⁸U, ²³²Th and ⁴⁰K in beach sand of southern regions in Tamilnadu State, India (Post-Tsunami). Indian J Pure & Appl Phys. 2017; 55: 218-230.]
UNSCEAR	30	35	400	-	[ 4 [4]. UNSCEAR. Report to the General Assembly with Scientific Annexes. 2000.]
nr - no reportado.

A partir de las actividades específicas determinadas, se calcularon los diferentes parámetros descritos con anterioridad, y que permiten valorar el riesgo radiológico que corren los usuarios de la playa estudiada ( tabla 2 ). En el caso de la dosis absorbida en aire (D), en Bibijagua se obtuvo 49 nGyh^-1. Al compararlo con las playas internacionales, el balneario cubano presenta un valor de dosis absorbida inferior al resto, resultando solamente superior al de Temsah en Egipto. Esos 49 nGyh^-1 determinados, resultan inferior al valor límite estipulado por la UNSCEAR de 51 nGyh^-1. Sin embargo, es válido señalar que se encuentra bien próximo a este máximo valor permisible.

Tabla 2. Parámetros dosimétricos calculados para la evaluación del riesgo radiológico presentes en las muestras de playas arenas negras.

Muestras	D (nGy.h^-1)	Ra_eq (Bq.kg^-1)	H_ex	I	AGDE (µSv.y^-1)	AEDE (µSv.y^-1)
Bibijagua,Cuba	49	131	0.3	0.4	333	60
Mandena, Madagascar	10841	25385	68.5	88.2	74697	13296
Baltim, Egipto	190	597	1.2	1.5	1310	233
Areia Preta, Brasil	3739	8972	23,9	30.9	25871	4586
Rashid, Egipto	156	677	0.9	1.2	1077	191
Miami Bay, Malasia	1748	4299	10.9	14.0	12000	2144
Temsah Lake, Egipto	26	279	0.1	0.2	184	31

La actividad Ra-equivalente (Ra_eq) en Bibijagua resultó ser de 131 Bq.Kg^-1, valor inferior a los 370 Bq.kg^-1 estipulados como límite seguro. En este caso, nuestra playa presentó el menor de los valores de Ra_eq al ser comparada con el resto de las reportadas en la literatura. El índice de riesgo externo (H_ex) y el índice de nivel de radioactividad (I), encontrados en Bibijagua, fueron de 0.3 y 0.4, respectivamente, resultando ambos inferiores a la unidad.

El valor de AGDE, para el balneario del municipio especial, fue de 333 µSv.y^-1, valor inferior a los reportados para las playas de Brasil, Madagascar y Malasia, y superior al reportado para la playa del lago Temsah en Egipto. Adicionalmente, el valor del AEDE de 60 µSv.y^-1, es inferior a los 70 µSvy^-1 establecidos como valor promedio de dosis efectiva equivalente anual a nivel mundial al aire libre.

Figura 5. Correlación entre las actividades de ²²⁶Ra y ²³²Th en playas de arenas negras.

Como se puede apreciar, para la mayoría de las playas de arenas negras ( figura 5 ), se observa una fuerte correlación lineal (r² = 0.99²) entre las concentraciones de actividad de ²²⁶Ra y ²³²Th. Esto demuestra que los mecanismos de distribución del ²²⁶Ra y el ²³²Th en las arenas de las playas estudiadas son parecidos, por lo que se puede afirmar que éstas playas tienen un origen geológico similar [ 13 [13]. MOHANTY AK, SENGUPTA D, DAS SK, et. al. Natural radioactivity in the newly discovered high background radiation area on the eastern coast of Orissa, India. Radiat Meas. 2004; 38: 153-165.]. La única excepción es la playa brasileña de Areia Preta, la cuál es considerada una anomalía geológica [ 8 [8]. VASCONCELOS DC, LES PA, PEREIRA C, et. al. Modelling natural radioactivity in sand beaches of Guarapari, Espírito Santo State, Brazil. World J Nucl Sci & Tech. 2013; 3: 65-71.].

Conclusiones

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Se complementa la caracterización del espectrómetro gamma del Centro de Estudios Ambientales de Cienfuegos (CEAC), mediante la determinación de su eficiencia por vía absoluta para el análisis de muestras volumétricas. Se determinan las actividades de los radionúclidos ²³²Th, ²²⁶Ra, ⁴⁰K y ¹³⁷Cs en muestras de arenas negras de la playa de Bibijagua, las que se encuentran en el rango de actividad reportadas para playas similares en el mundo y, en todos los casos, son inferiores a los límites estipulados por la UNSCEAR. El cálculo de los indicadores: dosis en aire a 1m de altura (D), actividad de radio equivalente (Ra_eq), índice de riesgo externo (H_ex), dosis anual para las gónadas (AGDE) y dosis efectiva anual (AEDE), permitió comprobar que los usuarios de la playa de Bibijagua, no corren riesgo alguno desde el punto de vista radiológico.