Environmental and health risk assessment of metals in different land uses

Abstract

[SPA] La determinación del riesgo derivado de la presencia de metales en suelo se basa en el uso de métodos analíticos tanto clásicos como avanzados, tales como la especiación fisicoquímica de metales o el microanálisis de partículas, además necesita un adecuado tratamiento estadístico de los datos obtenidos siendo el más empleado el análisis multivariable. Esta combinación de herramientas analíticas y estadísticas es lo que nos permite alcanzar conclusiones objetivas para una investigación en este contexto. Sin embargo, el impacto generado por los metales sobre la salud y los ecosistemas variará en función del origen del metal, el uso del suelo y las propiedades fisicoquímicas del suelo. Por ello, y con el fin de estudiar el impacto ocasionado por los metales y metaloides en los suelos de la Región de Murcia se han propuesto para el desarrollo de esta tesis cuatro escenarios de estudio: urbano, industrial, minero y agrícola. El primer escenario de estudio es el urbano debido a que presenta mayor volumen de población expuesta. Los objetivos de estudio dentro de este escenario han sido evaluar la variación en la densidad de población como factor clave en la contaminación por metales, comparar la eficacia de suelo y polvo sedimentado como indicadores de la contaminación por metales y evaluar el riesgo derivado de la exposición a los metales presentes en polvo y suelo. Los resultados han permitido concluir que la densidad poblacional solo es un factor a tener en cuenta en grandes núcleos de población y que además favorece la acumulación de metales en el polvo sedimentado. Además la mayor acumulación de metales en las partículas más finas del polvo sedimentado y los valores de riesgo más altos encontrados para el polvo hacen del mismo un peligro potencial para la salud humana que debe ser atendido en futuros planes de seguimiento y control. En el escenario industrial se han comparado tres tipos de industrias: sector servicios, petroquímica y de curtido de pieles. El objetivo en este caso ha sido averiguar el impacto de cada una de ellas en la contaminación de los suelos por metales y el riesgo derivado para la salud humana, así como comparar la eficacia de suelo y polvo sedimentado como indicadores de la contaminación por metales. Los resultados resaltan de nuevo la mayor capacidad del polvo sedimentado para acumular metales, mientras que el tipo de actividad industrial es la que condiciona qué metal se encuentra en mayor concentración y su comportamiento. Además se ha comprobado que la actividad industrial es un factor relevante en la movilidad y disponibilidad de los metales con lo que el conocer el comportamiento de cada uno de ellos en cada actividad específica es fundamental para elaborar planes de prevención y control. Para el escenario minero se han seleccionado dos distritos mineros, Cartagena-La Unión y Mazarrón que incluyen los usos natural (suelo y planta), urbano, agrícola (suelo y planta) y minero. Los resultados sugieren que tanto el suelo como el polvo de ambos nucleos de población están enriquecidos en metales que provienen de la erosión de los residuos mineros con el consiguiente riesgo para la salud humana. Además este enriquecimiento también se ha encontrado en los suelos agrícolas y naturales cercanos a los depósitos, hallándose concentraciones de metales en granos de cebada superiores a los permitidos para el consumo humano. Así mismo, se ha estudiado el comportamiento de los metales en una planta endémica de ambos distritos mineros, Ballota hirsuta, también conocida como Marrubio, para evaluar tanto su peligro potencial para la fauna salvaje como su posible uso en labores de fitorremediación. Finalmente, en el escenario agrícola este estudio ha pretendido determinar qué manejo de cultivo aporta mayor cantidad de metales al suelo así como el efecto de dicho manejo en el comportamiento de los metales. Los resultados obtenidos permiten concluir que las prácticas agrícolas en estos tipos de cultivos enriquecen el suelo en Cd, Cu, Pb y Zn siendo el manejo de los cítricos el que más contribuye a la contaminación de los suelos.

[ENG] Risk assessment of metals in soil must be based on both, classical and advanced analytical determinations, such as chemical and physical speciation of metals, microanalysis of particles etc., and a deep statistical treatment of the data, using multivariable analysis among others, combining these analytical and statistical tools objective conclusions can be reached. However, the metals impact on health and ecosystems vary with the source of metal, the land use and the soil physic-chemical properties. Therefore, in order to evaluate the impact of metals and metalloids in soils from Murcia Province, four land uses have been studied in this thesis: urban, industrial, mine and agriculture areas. Urban areas were the first studied, this was because of the wide amount of people exposed to toxic elements. The objectives of this study were: to assess the population density as a key factor on the metal accumulation, to compare the efficiency of soil and road dust as metal pollution indicator and to develop a health risk assessment derived to the exposure of metals in soil and road dust. Results showed that population density is just a key factor in highly populated settlements, and that the metals are manly accumulated in road dust. In addition, the accumulation of metals in fine particles and the high risk levels found for road dust make it potentially hazardous for human health, being necessary the development of monitoring and control plans in urban areas. In the industrial area, three types of industrial activities have been compared: services, petrochemical and tannery industries. The goals on this study were: to elucidate the impact of each type of activity on soil pollution and human risk; and to compare the efficiency of soil and road dust as pollution indicators. Results highlight the larger ability of road dust as sink of metals in industrial areas while the type of industrial activity influences the concentration and behaviour of metals. In addition, the industrial activity has been proven as a key factor in the mobility and bioavailability of metals; hence understand the behaviour of each metal within each activity is crucial to develop preventive and monitoring plans. In the mine area, two mining district were selected, Cartagena-La Unión and Mazarrón, which included natural (soil and plants), urban, agricultural (soil and plants) and mine uses. Results suggested that both soil and road dusts of the towns (La Unión and Mazarrón) are enriched on metals from the mine wastes with the consequent risk for the human health. In addition, this enrichment was found in agriculture and natural soils near to mining ponds. High amount of metals was found in barley grains overreaching permissible levels four human feed. Furthermore, the behaviour of metals in an endemic plant, Ballota hirsuta, was studied in order to assess the potential risk for the wildlife and its potential use in phytoremediation. Finally, in the agriculture area, the main objective was to establish which type of crop managements adds more metals to the soils, and the effect of this management in the behaviour of metals. Results obtained suggested that the management of all these crops enrich soils in Cd, Cu, Pb and Zn being the citric management who adds the higher concentration of metals to the soil.