Impacto ambiental de la contaminación por metales y metaloides tóxicos en un río tropical impactado por la minería de oro en la región Pacífica, Colombia

• Autores: Leonomir Córdoba Tovar
• Directores de la Tesis: José Luis Marrugo Negrete (dir. tes.), Pablo Andrés Ramos (dir. tes.), Sergi Diez Salvador (dir. tes.), Jean Remy Daveé Guimarães (dir. tes.), Wilkinson Lopes Lazaro (dir. tes.), Angela Margarita Moncaleano Niño (dir. tes.)
• Lectura: En la Pontificia Universidad Javeriana ( Colombia ) en 2023
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Environmental impact of toxic metal(loids) contamination in a tropical river impacted by gold mining in the Pacific region, Colombia
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: hdl.handle.net
• Resumen
  • español

    El mercurio (Hg) y el arsénico (As) son dos elementos no esenciales de preocupación mundial, debido a su toxicidad y efectos en el ambiente y la salud humana. El metilmercurio (MeHg) por ejemplo, es la especie de Hg orgánico más tóxica catalogada como una potente neurotoxina capaz de imponer efectos irreversibles en los organismos. Además, es la especie más común presente en los ambientes acuático. Otros elementos como el selenio (Se) a pesar de ser esencial para los organismos, en altas dosis también puede provocar efectos tóxicos. Adicionalmente, se ha informado que este metaloide puede ejercer un efecto antagónico contra el Hg. Todos estos elementos se encuentran de forma natural en el ambiente y sus concentraciones no representan un riego en sí mismas.

    Sin embargo, el ciclo natural de los elementos químicos presentes en la corteza terrestre, se ha visto fuertemente afectado por factores antropogénicos incluyendo actividades industriales, minería, agricultura y deforestación, facilitando la liberación de grandes cantidades de metales y metaloides tóxicos al ambiente. Una vez se liberan al ambiente pueden llegar a las fuentes hídrica y quedar atrapados en la columna de agua, en los sedimentos y luego ser bioacumulado por organismos acuáticos principalmente peces. Además, pueden biomagnificarse a través de la cadena alimentaria y afectar a los humanos.

    En esta tesis nos planteamos como propósito evaluar la contaminación por Hg, As y Se de origen antropogénico y los efectos tóxicos inducidos en ambientes acuáticos. A través de una revisión amplia de la literatura disponible, en un primer capítulo nos ocupamos de investigar sobre los factores impulsores de la biomagnificación del Hg, As y Se en sistemas acuáticos y los efectos en la vida silvestre. También recogimos evidencias de la acción antagónica del Se hacia el Hg. En este capítulo informamos que el Hg tiene mayor potencial de biomagnificación a diferencia del As y Se. La pendiente del aumento trófico del Hg es consistente entre los diferentes ambientes acuáticos a saber, templados (0.20), tropicales (0.22) y árticos (0.22). Además de la biología y la fisiología de los organismos, la biomagnificación del Hg, As y Se depende en gran medida de factores ambientales (p. ej., latitud, temperatura y características fisicoquímicas del entorno) y ecológicos (p. ej., composición de la estructura trófica y zona de alimentación de los organismos). Existen evidencias en donde él Se ejerce un papel mitigador contra la toxicidad de Hg, pero se desconocen las concentraciones máximas y mínimas deseadas para que este metaloide pueda activar su acción neutralizadora.

    En el segundo capítulo analizamos contenidos de Hg, MeHg y As en muestras de agua, sedimentos y peces recogidas en ciénagas en la cuenca de Río Atrato. Las concentraciones medias de Hg, MeHg y As en peces fueron 195.0 μg/kg, 175.5 y 30.0 μg/kg, respectivamente. Además, el mayor porcentaje de MeHg (89,7) se observó en las especies de mayor consumo, sugiriendo riesgo para la salud para las comunidades ribereñas. En sedimentos Hg (165.5 μg/kg), MeHg (13.8 μg/kg) y As (3.1 μg/kg), y en agua Hg (154.7 ng/L) y As (2.1 ng/L). El 38% del total (n=205) de muestras de pescados mostraron concentraciones de Hg por arriba del límite de concentraciones para la protección de la población fijado en 200 μg/kg, y el 10% superó el límite para consumo humano establecido en 500 μg/kg. Al contrario, las concentraciones de As en pescado estuvieron por debajo del límite de 1000 μg/kg.

    En agua el Hg excedió las concentraciones de efecto umbral (12 ng/L), mientras que las concentraciones de As estuvieron por debajo de su valor de efecto umbral (10,00 ng/L). De acuerdo con las alteraciones nucleares en peces, la especie Prochilodus magdalenae mostró mayor respuesta a las categorías de daños genotóxicos evaluadas, células con brotes nucleares (CBN, CNB, 3.7 ± 5.4%), micronúcleos (MN, 1.6 ± 2.5%), células binucleadas (BC, 1.6 ± 2.3%).

    En el tercer y último capítulo evaluamos el riesgo ecológico y para la salud humana derivado por la exposición a sedimentos contaminados en la cuenca del Río Atrato. Los niveles de Hg en los sedimentos estuvieron en un rango de 0.09 - 0.23 mg/kg, y 0.59 - 2.68 mg/kg para As. A partir de las concentraciones de Hg y As empleamos diferentes índices de riesgo ecológicos a saber, por sus siglas en inglés: CF (factor de contaminación) y PLI (índice de carga de contaminante). También usamos el PERI (índice de riesgo ecológico potencial) y el Igeo (índice de geoacumulación). El HI (índices de peligrosidad) y el TLCR (riesgo de cáncer total de por vida) fueron usados para la evaluar el riesgo no carcinogénico y carcinogénico, respectivamente.

    De acuerdo con el CF, la mayoría de los sedimentos estaban moderadamente contaminados con Hg y As en todas las estaciones de muestreo. El Igeo también sugirió un nivel de contaminación moderada para Hg y baja para As, esta última con tendencia creciente. Por el contrario, el PLI reveló un deterioro progresivo en una de las estaciones de muestreo (estación B). Cuando comparamos las concentraciones de Hg con las concentraciones de efecto límite o efecto umbral (TEC) establecidas en 0.18 mg/kg, encontramos que en las estaciones A (0.23 Hg mg/kg) y C (0.20 Hg mg/kg) estas fueron superiores a TEC, indicando un riesgo tóxico para biota acuática, mientras que las concentraciones de As fueron inferiores a TEC indicando bajo riesgo para la biota. El PERI detectó un riesgo moderado en las estaciones D y E, y un riesgo alto para las estaciones A, B y C.

    Los valores de HI fueron mayores a 1, sugiriendo alta probabilidad de ocurrencia de efectos adversos no cancerígeno situado particularmente en los niños. Por el contrario, todos los valores para TLCR se situaron en el rango de riesgo aceptable de 1 x 10 - 6 y 1 x 10 – 4, indicando riesgo de cáncer poco significativo. Sin embargo, la ingestión oral y la inhalación se identificaron como las dos rutas principales de preocupación.

    De manera general, en esta tesis concluimos que la contaminación química antropogénica ejerce una presión silenciosa sobre los organismos. Además, afecta considerablemente ecosistemas enteros, poniendo en riesgo la biodiversidad y el bienestar humano. La conservación de la fauna acuática principalmente los organismos depredadores, se encuentran comprometida por la presencia de sustancia altamente tóxicas entre ellas el Hg y As. La biomagnificación de contaminantes tóxicos se constituye como una variable critica a incluir en las políticas de gestión ambiental, orientadas hacia la evaluación de impacto ambiental y monitoreo continuo de la contaminación en ambientes acuáticos principalmente.

    La contaminación por Hg y As de origen humana en el área de estudio es evidente, lo cual podría comprometer la biodiversidad local y la salud de las personas. En ese sentido, los resultados presentados en esta tesis deberían servir de insumos para reforzar las políticas de gestión ambiental a escala global y local. Esperamos también que estos resultados alienten a investigadores de la zona especialmente, a realizar estudios que se ocupen por evaluar a mayor profundidad los efectos que impone la contaminación por metales y metaloides tóxicos en la biodiversidad de la región.

  • English

    Mercury (Hg) and arsenic (As) are two non-essential elements of global concern due to their toxicity and effects on the environment and human health. Methylmercury (MeHg), for example, is the most toxic organic Hg species classified as a potent neurotoxin capable of imposing irreversible effects on organisms. It is also the most common species present in aquatic environments. Other elements such as selenium (Se), although essential for organisms, can also cause toxic effects in high doses. Additionally, it has been reported that this metalloid can exert an antagonistic effect against Hg. All these elements occur naturally in the environment and their concentrations do not represent a risk in themselves.

    However, the natural cycle of chemical elements present in the earth's crust has been strongly affected by anthropogenic factors including industrial activities, mining, agriculture and deforestation, facilitating the release of large quantities of toxic metals and metalloids into the environment. Once released into the environment, they can reach water sources and become trapped in the water column, in sediments and then bioaccumulated by aquatic organisms, mainly fish. In addition, they can biomagnify through the food chain and affect humans.

    The purpose of this thesis is to evaluate anthropogenic Hg, As and Se contamination and the toxic effects induced in aquatic environments. Through a broad review of the available literature, in a first chapter we investigated the drivers of Hg, As and Se biomagnification in aquatic systems and the effects on wildlife. We also collected evidence of the antagonistic action of Se towards Hg. In this chapter we report that Hg has a higher biomagnification potential than As and Se. The slope of the trophic increase of Hg is consistent among different aquatic environments namely temperate (0.20), tropical (0.22) and arctic (0.22). In addition to the biology and physiology of the organisms, biomagnification of Hg, As and Se is highly dependent on environmental (e.g. latitude, temperature and physicochemical characteristics of the environment) and ecological (e.g. composition of the trophic structure and feeding zone of the organisms) factors. There is evidence that Se exerts a mitigating role against Hg toxicity, but the maximum and minimum desired concentrations for this metalloid to activate its neutralizing action are unknown.

    In the second chapter, we analyzed Hg, MeHg and As contents in water, sediment and fish samples collected from bogs in the Atrato River basin. The mean concentrations of Hg, MeHg and As in fish were 195.0 μg/kg, 175.5 and 30.0 μg/kg, respectively. In addition, the highest percentage of MeHg (89.7) was observed in the most consumed species, suggesting health risk for riparian communities. In sediment Hg (165.5 μg/kg), MeHg (13.8 μg/kg) and As (3.1 μg/kg), and in water Hg (154.7 ng/L) and As (2.1 ng/L). Thirty-eight percent of the total (n=205) of fish samples showed Hg concentrations above the limit concentrations for population protection set at 200 μg/kg, and 10% exceeded the limit for human consumption set at 500 μg/kg. On the contrary, As concentrations in fish were below the limit of 1000 μg/kg.

    In water, Hg exceeded the threshold effect concentrations (12 ng/L), while As concentrations were below the threshold effect value (10,00 ng/L). According to nuclear alterations in fish, the species Prochilodus magdalenae showed higher response to the genotoxic damage categories evaluated, cells with nuclear budding (CBN, CNB, 3.7 ± 5.4%), micronuclei (MN, 1.6 ± 2.5%), binucleated cells (BC, 1.6 ± 2.3%).

    In the third and final chapter, we evaluated the ecological and human health risk from exposure to contaminated sediments in the Atrato River basin. Hg levels in the sediments ranged from 0.09 - 0.23 mg/kg, and 0.59 - 2.68 mg/kg for As. From the Hg and As concentrations we used different ecological risk indices, namely CF (contamination factor) and PLI (pollutant loading index). We also use PERI (potential ecological risk index) and Igeo (geoaccumulation index). The HI (hazard index) and TLCR (total lifetime cancer risk) were used to assess the non-carcinogenic and carcinogenic risk, respectively.

    According to the CF, most sediments were moderately contaminated with Hg and As at all sampling stations. The Igeo also suggested a moderate level of contamination for Hg and low for As, the latter with an increasing trend. In contrast, the PLI revealed a progressive deterioration at one of the sampling stations (station B). When we compared Hg concentrations with the threshold effect concentrations (TEC) set at 0.18 mg/kg, we found that at stations A (0.23 Hg mg/kg) and C (0.20 Hg mg/kg) these were higher than TEC, indicating a toxic risk to aquatic biota, while As concentrations were lower than TEC indicating low risk to biota. The PERI detected a moderate risk at stations D and E, and a high risk for stations A, B and C.

    The HI values were greater than 1, suggesting a high probability of occurrence of non-cancer adverse effects, particularly in children. In contrast, all values for TLCR were in the acceptable risk range of 1 x 10 - 6 and 1 x 10 - 4, indicating insignificant cancer risk. However, oral ingestion and inhalation were identified as the two main routes of concern.

    Overall, in this thesis we conclude that anthropogenic chemical pollution exerts a silent pressure on organisms. In addition, it considerably affects entire ecosystems, putting biodiversity and human well-being at risk. The conservation of aquatic fauna, mainly predatory organisms, is compromised by the presence of highly toxic substances such as Hg and As. Biomagnification of toxic pollutants is a critical variable to be included in environmental management policies, oriented towards environmental impact assessment and continuous monitoring of pollution in aquatic environments mainly.

    Hg and As contamination of anthropogenic origin in the study area is evident, which could compromise local biodiversity and human health. In this sense, the results presented in this thesis should serve as inputs to strengthen environmental management policies at global and local scales. We also hope that these results will encourage researchers in the area to conduct studies to further evaluate the effects of toxic metal and metalloid contamination on biodiversity in the region.