1 Resumen (español)
De manera natural en los suelos y sedimentos, se encuentran metales en concentraciones
bajas o trazas lo cual no representa un riesgo toxicológico significativo. Sin embargo, las
actividades antropogénicas inluyendo la fundición y minería han sido la causa de un
aumento progresivo en la concentración de metales en el medio ambiente. A
concentraciones elevadas, los metales pueden ser muy tóxicos para los organismos, tal es el
caso del arsénico, cadmio, cromo, plomo y mercurio los cuales se encuentran entre los
compuestos prioritarios para su estudio en materia de salud pública. Estos elementos
metálicos se consideran tóxicos sistémicos, persistentes y bio-acumulables incluso en los
niveles más bajos de exposición.
Los metales no se pueden degradar ni destruir. Sin embargo, son sujetos a cambios en su
especiación química bajo ciertas condiciones fisicoquímicas, como la degradación de
materia orgánica, cambios de pH, potencial redox o composición de la fase liquida. Aunque
los suelos son amortiguadores naturales de contaminación por metales en bajas
concentraciones cuando las concentraciones aumentan, esa capacidad es limitada e incluso,
los suelos y sedimentos pueden transformarse en una fuente de contaminación. Cuando esta
capacidad de amortiguación se ve rebasada, los contaminantes pueden ser movilizados, lo
que esta directamente relacionado con su biodisponibilidad y toxicidad; por lo que se
vuelve necesario llevar a cabo estrategias de remediación.
La remediación de los sustratos contaminados es una actividad importante para la
protección ambiental y la salud de los organismos expuestos a dichos sustratos. En el caso
de suelos y sedimentos contaminados por metales las estrategias se han enfocado en el
aislamiento, solidificación y/o estabilización. En ese sentido, se han probado diferentes
materiales que mejoran dichos procesos. Tal es el caso, de componentes ricos en materia
orgánica como son los biosólidos y el biochar. Los biosólidos; material residual semisólido
proveniente de procesos de tratamiento de aguas residuales, se caracterizan por tener un
alto contenido de materia orgánica y arcillas. Estos componentes están constituidos por
grupos funcionales de tipo hidroxilo, carboxilo, amino y fenólico que proporcionan la
capacidad de absorber y retener metales, por lo que han sido utilizados con éxito en la estabilización de metales en suelos y sedimentos contaminados por metales. El biochar; un
producto de descomposición térmica de materia orgánica bajo un aporte limitado de
oxigeno a temperaturas relativamente bajas. Puede aumentar la capacidad retención de
metales del material a partir del cual fue producido, debido a la formación de micro y meso
poros que modifican algunas propiedades fisicoquímicas relacionadas con interacciones
electroestáticas, grupos funcionales, etc.
En el presente proyecto se pretende implementar una metodología de aplicación de
biosólidos y biochar a sedimentos y suelos aledaños al río Piedras Negras ubicado en la
zona de explotación minera del municipio de Asientos, Aguascalientes, con la finalidad de
disminuir la afectación de los metales presentes en estos sustratos hacia el ambiente. Para
ello se realizará una caracterización fisicoquímica de los sustratos, determinando los
principales factores relacionados con la movilidad de metales.
Caracterización fisicoquímica mostró que aunque la mayoría de los sitios de muestreo
estaban fuertemente contaminados con Pb, Zn, Cu, Cd, superando los valores nacionales e
internacionales de referencia, los metales no eran lixiviable agua. Esto se puede atribuir a
las condiciones fisicoquímicas actuales en suelos y sedimentos, incluyendo el pH, el
contenido de carbonato y materia orgánica que confieren una alta capacidad amortiguadora
a los sustratos. Sin embargo la extracción secuencial de metales mostró que los metales se
asociaron en buena medida con fracciones potencialmente móviles tales como la fracción
intercambiable la fracción unida a carbonatos. La susceptibilidad de estas fracciones a
cambios en las características fisicoquímicas tiene importantes implicaciones en la
estabilidad a largo plazo de los metales.
Basado en el contenido total de metales, se utilizaron muestras de sedimentos de la zona 7
obtenido durante el segundo período de muestreo en los experimentos de estabilización.
Las muestras fueron modificadas con biosólidos y la biochar y los estudios de lixiviación a
pH 5.5 y pH 3.5 durante un período de 4 semanas. Los metales fueron extraídos
secuencialmente de todas las muestras al final del período experimental. Los sedimentos
tratados con biosólidos y biochar mostraron concentraciones de Pb, Zn, Cu y Cd lixiviables
e intercambiables menores. Este efecto fue significativamente mayor en el caso de Cd que en los otros tres metales. La extracción secuencial mostró que los metales se asociaron a las
fracciones recalcitrantes (unidas a óxido de Fe / Mn y materia orgánica) en los sedimentos
tratados. Sin embargo, en el caso de Pb, se observó una asociación notable con la fracción
unida a carbonatos, destacando reacciones de co-precipitación como fenómenos
importantes en la reducción de la metales lixiviables e intercambiables, especialmente en
sustratos donde hay una alta capacidad de amortiguación relacionada con carbonatos.
Se obtuvieron resultados similares en un estudio en suelos contaminados con cenizas de
madera preservada con arseniato de cobre cromatado. Estos suelos fueron tratados con
biomasa vegetal (parras molidas) y biochar producido del mismo. Tratamiento con ambos
materiales resultó en una disminución en los metales intercambiables, especialmente Cu.
Sin embargo, la biomasa vegetal no alterada fue capaz de reducir el Cr lixiviable en mayor
grado que el biochar, probablemente debido a la presencia de más grupos funcionales. La
biomasa vegetal no alterada también redujo el pH del sistema, y esto resultó en la reducción
de Cr(VI), una especie mas móvil y tóxico, a Cr(III), una especie menos móvil y tóxico.
Extracciones secuenciales confirmaron esta reducción de metales intercambiables pero
mostraron que los metales se asociaron en gran medida a la fracción unida a carbonatos.
Como se observó en el experimento anterior, una reducción en movilidad no siempre
representa una reducción en movilidad a largo plazo, ya que los metales asociados con la
fracción unida a carbonatos todavía se consideran potencialmente móviles.
Los resultados de este proyecto de investigación señalaron la importancia de considerar las
características fisicoquímicas durante la evaluación del riesgo ambiental y remediación de
sustratos contaminados por metales debido al efecto directo que tiene sobre su movilidad y
toxicidad potencial.
2 Abstract
Most metals are found naturally in soils and sediments in low or trace concentrations and as
such do not present any significant toxicological risk. However, anthropogenic activities
especially smelting and mining have resulted a continuous increase in the concentration of
metals in the environment. In elevated concentrations, metals such as arsenic, cadmium,
chromium, lead, zinc, copper and mercury can be very toxic and are given high priority in
studies related to public health. These toxic metallic compounds are systemic, persistent
and bio-accumulative even in lower exposure levels.
Metals cannot be degraded nor destroyed. However, they are subject to changes in chemical
speciation under certain physicochemical conditions, such as the degradation of organic
matter, pH changes and potential redox. In low concentrations, soils and sediments are
natural buffers of pollutants including metals; however, in higher concentrations, this
capacity is limited. Under this limited buffer capacity, pollutants can be mobilized, and as
such represent an increased risk in bioavailability and toxicity, making it necessary to
evaluate remediation strategies.
Remediation of polluted substrates is necessary for the protection of the environment and
the health of organisms exposed to mentioned pollutants. In the case of metal polluted soils
and sediments, remediation strategies have focused on isolation, solidification and / or
stabilisation. Materials with the capacity to improve these processes have been the
objective of many scientific studies. Biosolids and biochar, materials rich in organic matter
have been the focus of many studies related to metal remediation in soils and sediments.
Biosolids are semisolid materials used in the treatment of wastewaters and are characterized
as having high organic matter content and clay. These components, rich in functional
groups such as hydroxyls, carboxyls, amines and phenols that give them the capacity to
adsorb metals, have been used successfully in the stabilisation of metals in polluted soils
and sediments. Biochar is a product of the thermal decomposition of organic matter, under
a limited supply of oxygen and relatively low temperatures. It has been shown to increase
the metal retention capacity of the materials from which it was produced, due to the formation of nano, micro and mesopores and the modification of certain physicochemical
properties related to electrostatic interactions and functional groups´ configurations.
The objective of this research project was to determine and characterize the presence of
metals in sediments and nearby soils of the Piedras Negras riverbed; due to its proximity to
mining operations in Asientos, Aguascalientes, and implement a remediation strategy using
biochar and biosolids so as to reduce the environmental effects caused by the presence of
toxic metals in the aforementioned substrates.
Physicochemical characterisation showed that though most sample sites were heavily
contaminated with Pb, Zn, Cu, Cd surpassing national and international guideline values,
metals were not water leachable. This can be attributed in part to current physicochemical
conditions in soils and sediments, including pH, carbonate and organic matter content
which confer a high buffer capacity to the sampled substrates and limit metal mobility.
However sequential extraction of metals showed that metals were associated to a great
extent with the potentially mobile exchangeable and carbonate bound fractions. The
susceptibility of these fractions to changes in physicochemical characteristics has important
implications in the long term stability of metals.
Based on total metal content, sediment samples from zone 7 obtained during the second
sample period was used in stabilisation experiments. Samples were amended with biosolids
and biochar and leaching studies at pH 5.5 and pH 3.5 were conducted during a period of 4
weeks. Metals were sequentially extracted from all samples at the end of the experimental
period. Amendment reduced water leachable and exchangeable Pb, Zn, Cu and Cd, with
biochar having a significantly greater effect on Cd than it did on the other three metals.
Sequential extraction showed that metals were associated to the recalcitrant Fe/Mn oxide
and organic matter fractions in amended sediments. In the case of Pb however, a notable
association with the carbonate fraction was observed, highlighting co-precipitation
reactions as important phenomena in the reduction of water leachable and exchangeable
metals, especially in soils where high carbonate related buffer capacity is present.
Similar results were obtained from a similar study in contaminated soils obtained from the
Scottish lowland region. Here, the effect amendment with unaltered grape stalk grounds
(source material) and pyrolysed grape stalk grounds (biochar) was observed in soils
contaminated with Chromated Copper Arsenate treated wood ash and its characteristically
high pH. Amendment with both materials resulted in a decrease in exchangeable metals,
especially in the case of Cu. However, the source material was able to reduce water
leachable Cr more so than biochar, probably due to the presence of more functional groups.
The source material also reduced the pH of the system, and this resulted in the reduction of
the more mobile and toxic Cr(VI) to the less mobile and toxic Cr(III). Sequential
extractions however confirmed this reduction in exchangeable metals but showed that
metals were greatly associated to the carbonate fraction, highlighting as seen in the
previous experiment that reduction in current mobility may not always represent a
reduction in long term mobility as metals associated with the carbonate fractions are still
considered potentially mobile.
The results of this research project highlighted the importance of considering
physicochemical characteristics during environmental risk assessment and remediation of
metal contaminated substrates due to the direct effect it has on metal mobility and potential
toxicity.
