Flores, Del Angel, Frías, and Gómez: Evaluación de parámetros fisicoquímicos y metales pesados en agua y sedimento superficial de la Laguna de las Ilusiones, Tabasco, México



Introducción

La industrialización produce efluentes que transportan compuestos tóxicos, entre los que se encuentran los metales, cuyas descargas a cuerpos de agua es la fuente principal de contaminación y, como consecuencia, de diversas enfermedades (ATSDR, 2012). El agua y los sedimentos de lagos y lagunas se convierten en receptores de diversas sustancias contaminantes, mismas que pueden incorporarse a las cadenas tróficas (Theoneste, Gang, Jing, Xu, & Lei, 2013; Lemus, Castañeda, & Chung, 2014), representando un riesgo para la biota, debido a la bioacumulación y biomagnificación en órganos y tejidos de diversas especies acuáticas y terrestres (Sobrino, Cáceres, & Rosas, 2007). Otras fuentes no menos importantes son las descargas municipales, de origen agrícola y emisión de partículas. De las sustancias que se descargan a los cuerpos de agua superficiales, 42% corresponde a los metales y su destino son los sedimentos. Los sedimentos son matrices compuestas por materia orgánica en diversos estados de descomposición, material particulado orgánico e inorgánico de origen biológico y antrópico (Chen ( White, 2004).

Los metales pesados son contaminantes que por su persistencia y transporte a grandes distancias alcanzan con cierta facilidad los cuerpos de aguas superficiales, manifestando un riesgo potencial para la biota. Estos contaminantes pueden provenir de diversas fuentes, como actividades petroleras, agrícolas, metalúrgicas, azucareras, e incluso urbanas y sanitarias (herbicidas e insecticidas). La elevada toxicidad de metales tiende a bioacumularse en la biota e ingresar a la cadena trófica al biomagnificarse hasta llegar a los organismos superiores, incluyendo el hombre (Herrera, Rodríguez, Coto, Salgado, & Borbón, 2012).

Los ríos son receptores de residuos generados por las actividades humanas, a través de efluentes que aportan sustancias peligrosas, especialmente metales como plomo, cadmio, cromo, mercurio y manganeso, entre otros, los cuales suelen depositarse en el sedimento, y estar suspendidos o disueltos en la columna de agua (Rodríguez, Ruíz, & Vertiz, 1994). Estos ríos transportan los contaminantes a lo largo de su cauce y cuando desbordan pueden depositarlos en cuerpos de agua, como lagunas y manantiales. La Laguna de la Ilusiones en Villahermosa, Tabasco, México, está rodeada por dos grandes ríos: Usumacinta y Grijalva. Esta zona presenta elevadas tasas de precipitación, que han llevado al desbordamiento de dichos ríos; además, las condiciones climatológicas favorecen la potencial transferencia de contaminantes desde la atmósfera hacia la Laguna en particular, y a los demás cuerpos de agua en lo general (Palma, Cisneros, Moreno, & Rincón, 2007).

A continuación se indican algunos ejemplos que ilustran la magnitud de la contaminación por metales en el país. Los sedimentos superficiales en el sistema hidrológico Zahuapan-Atoyac revelan concentraciones de As y Pb que oscilaron entre 1.3-127.7 mg kg-1 y 27.3-89.5 mg kg-1, respectivamente (García-Nieto et al., 2011). Rosales-Hoz y Carranza-Edwards (1998) detectaron niveles de metales en sedimento del río Coatzacoalcos, en intervalos que oscilan de 21.2-53.5 mg kg-1 para Pb, 2.1-2.7 mg kg-1 para Cd y 21.6-152.7 mg kg-1 para Cr total, respectivamente; en el mismo río, González-Mille et al. (2010) encontraron Pb (4-22 mg kg-1), Cr+6 (9-93 mg kg-1) y Mn (76.7-2 129 µg kg-1).

Los metales pesados se bioacumulan en especies acuáticas, como ostiones, almejas, camarones y algunas especies de peces. Lango-Reynoso, Landeros-Sánchez y Castañeda-Chávez (2010) determinaron la bioacumulación de As, Cd y Pb en ostión de la laguna Tamiahua, en Veracruz; los valores medios encontrados fueron 4.02 mg kg-1 para As; 11.77 mg kg-1 para Cd, y 0.48 mg kg-1 para Pb. El cadmio superó los límites máximos permisibles de consumo que establecen las normas sanitarias para bivalvos y representan un riesgo para la salud humana. La contaminación en agua y en sedimento de la Laguna de las Ilusiones puede modificar el equilibrio de las poblaciones, principalmente las más susceptibles. Gamboa, Gamboa, Saldívar y Espejel (2007) cuantificaron Pb en sangre de cocodrilo (Cocodrylus Moreletti); los valores obtenidos (6.55-15.34 µg dl-1) son mayores que los permitidos para la vida acuática.

No hay estudios recientes sobre evaluaciones ambientales y ecotoxicológicas relacionados con la Laguna de las Ilusiones. A continuación se mencionan los pocos estudios que se han reportado: en el periodo 1992-1994, el P (10.6 mg l-1) y el N total (4.1 mg l-1) presentes en la laguna la catalogaban como un cuerpo de agua hipertrófico, cuya morfología detrítica y escasa mezcla hidráulica impedía los cambios de agua, favoreciendo la persistencia de sustancias conservativas y no conservativas (Rodríguez et al., 1994). De manera general, el contenido de contaminantes en los cuerpos de agua se incrementa a través del tiempo; en 1994, 30% de los ríos mexicanos estaba contaminado por Hg y Pb; en la actualidad, 95% se reporta como contaminados. La concentración de Pb en sedimentos superficiales en 1992 era de 158.68 µg g-1 en la Laguna de las Ilusiones (Villanueva & Botello, 1992); hoy, se desconoce.

La Laguna de las Ilusiones, ícono de la ciudad de Villahermosa, Tabasco, alberga una gran diversidad de especies acuáticas y terrestres, por lo que fue declarada reserva ecológica desde 1995 (Semarnat, 2000). Sin embargo, está sometida desde hace varios años a la presión de las actividades antrópicas que depositan de manera directa e indirecta desechos agrícolas, urbanos e industriales, que contribuyen al detrimento de su valor ecológico (Semarnat-Conanp, 2014). Prácticamente son nulos los estudios que abordan la contaminación en la Laguna de la Ilusiones, en particular por metales pesados; sin embargo, hay muchos ejemplos de contaminación por metales en diversos ríos de México, que sugieren que un cuerpo de agua con las condiciones de la Laguna de las Ilusiones puede considerarse como un sitio potencialmente contaminado. El objetivo de este trabajo fue determinar parámetros fisicoquímicos y metales (Pb, Cd, Mn, Zn, Cr, Al y Ni) en agua y sedimento superficial de la Laguna de las Ilusiones, y si representan un riesgo por efectos adversos a la vida acuática.

Materiales y métodos

Ubicación del sitio de estudio

El estado de Tabasco se localiza al sureste de la república mexicana. Cuenta con una extensión territorial de 24 738 km2, clima cálido húmedo, con lluvias en verano, con un intervalo de temperatura media anual de 24 a 28 0C y precipitación anual de 1 500 a 2 000 mm (Palma et al., 2007). La Laguna de las Ilusiones se ubica en la región hidrológica RH30 y en la cuenca Grijalva-Usumacinta. Está en el área urbana de Villahermosa (170 59´ 22´´ a 180 01´ 22´´ N y 920 55´ 20´´a 920 56´ 40´´ O); se asienta en la provincia fisiográfica de la llanura costera del Golfo de México y ocupa una superficie de 160 hectáreas, entre los ríos Mezcalapa y Carrizal, a una altura promedio de 10 msnm (metros sobre el nivel del mar) (Figura 1). En 1995 fue decretada por el estado como área natural protegida, con carácter de reserva ecológica, para la conservación del cuerpo de agua, flora y fauna. La superficie ocupada ha disminuido un promedio de 30 hectáreas en un periodo de 10 años debido a las obras de urbanización de la ciudad de Villahermosa (Semarnat-Conanp, 2014; Sernapam, 2014).

Figura 1

Sitio de estudio, laguna de Las Ilusiones, Tabasco México.

2007-2422-tca-9-02-39-gf1.jpg

Colecta de matrices ambientales

La Laguna de las Ilusiones se dividió en tres zonas y en cada zona se ubicaron, con base en la metodología propuesta por Torres-Dosal et al. (2006), seis sitios de muestreo (Figura 2). En cada uno se recolectaron seis muestras de agua en botes de polietileno; en frascos de vidrio se recolectó el sedimento superficial. Para la determinación de metales en agua se utilizaron frascos de polietileno de un litro, conteniendo 1 ml de ácido nítrico concentrado para evitar pérdidas por volatilización. En el muestreo de sedimento se emplearon frascos de color ámbar de dos litros. Las muestras se transportaron y conservaron a 4 0C hasta el momento de su análisis (NOM-001-ECOL-1996; Semarnat, 1996b). Se hicieron dos muestreos de agua: uno en abril de 2013 y el otro en septiembre de 2014.

Figura 2

Sitios de muestreo en la laguna de las Ilusiones.

2007-2422-tca-9-02-39-gf2.png

Caracterización fisicoquímica

Agua

La determinación de los parámetros fisicoquímicos del agua se realizó in situ con el equipo multiparamétrico marca HANNA, modelo HI 9828. Se registró potencial de hidrógeno (pH); temperatura (0C); conductividad eléctrica (CE, µS cm-1); potencial óxido-reducción (POR, mV); oxígeno disuelto (OD, mg l-1); sólidos disueltos totales (SDT, mg l-1). En laboratorio se determinó la demanda química de oxígeno (DQO, mg l-1) por el método de reflujo cerrado con dicromato de potasio (NMX-AA-030-SCFI-2001).

Sedimentos

Las muestras de sedimento superficial se recolectaron con una draga de plástico en recipientes color ámbar de dos litros de capacidad. Se transportaron y mantuvieron a 4 0C hasta su análisis. Se secaron en una estufa a 60 0C por 72 horas; después se homogenizaron mecánicamente en un mortero de ágata y se tamizaron en malla de 600 µm. Los sedimentos se caracterizaron mediante la determinación de la textura por el método de Bouyoucos; el contenido de materia orgánica, por el método de Walkley y Black; el pH, por el método electrométrico. Se utilizó un potenciómetro marca Denver Instruments, modelo 215. La conductividad eléctrica fue por extracto de saturación (NOM-021-Semarnat-2000).

Cuantificación de metales en agua y sedimento

Previo a la cuantificación de metales, las muestras de agua y sedimento se colocaron en un horno de microondas marca Marcks, modelo 907501, y se evaluaron mediante los métodos EPA 3050 y 3052, respectivamente (EPA, 2000). La cuantificación de metales se llevó a cabo en un espectrofotómetro de absorción atómica, modelo Analyst 300, equipado con detector de ionización de flama, previamente calibrado con materiales de referencia certificados con trazabilidad del Instituto Nacional de Estándares (NIST) (Benavides et al., 2007; SCFI, 2001b). Los valores medios obtenidos para cada uno de los parámetros medidos fueron sometidos al análisis de varianza (ANOVA) con p < 0.05.

Resultados y discusión

En la Figura 3 se observan las propiedades fisicoquímicas determinadas en las muestras de agua en las tres zonas de la laguna. Los valores de pH en agua oscilaron entre 8.9 y 9.6, y se encuentran por arriba de los límites (6.5-9.0) permitidos por la Guía canadiense de la calidad de agua dulce; también el límite inferior (8.9) es mayor que el permitido (5.5) por la NOM-002-Semarnat-1996 (Semarnat, 1996a). Además, el valor más alto (9.6) lo presentó la zona III y el menor (8.9) la zona I. Presumiblemente, se debe a la presencia de iones de carbonato e hidróxido que pueden provenir de los residuos antrópicos y de los minerales naturales solubles.

Figura 3

Propiedades fisicoquímicas determinadas en las muestras de agua.

2007-2422-tca-9-02-39-gf3.jpg

La temperatura del agua se comportó en el rango de 28.8 a 29.9 0C. Fue inferior al límite permitido por la normatividad mexicana (40 0C). El POR varió en las tres zonas, desde 5 mV en la zona I hasta 80 mV en la zona II. Por su parte, el OD presentó valores desde 7 hasta 11 mg l-1, similares a los límites (no menor a 5 mg l-1) propuestos por la EPA (EPA, 2000) y por la Guía canadiense de la calidad del agua (9.5 mg l-1). Mientras que para la CE fueron de 225 a 275 µS cm-1, valores por debajo de 2 500 µS cm-1, propuesto por la NOM-069-ECOL-1994, típicos de cuerpos de agua dulce. El intervalo resultante (105-155 mg O2 l-1) para DQO está, de acuerdo con la Conagua (2012), clasificada como contaminada (40 < DQO < 200) y para los SDT (114-137 mg l-1) son similares a los reportados por la Secretaría de Energía, Recursos Naturales y Protección Ambiental (Sernapam) en 2012 y 2013 (Tabla 1). Los parámetros fisicoquímicos se muestran en la Figura 4.

Figura 4

Parámetros fisicoquímicos.

2007-2422-tca-9-02-39-gf4.jpg

Tabla 1

Parámetros (NOM-021-Semarnat-2000).

Año Puntos de muestreo pH T (°C) CE (µS/cm) OD (ppm) SDT (ppm) DQO (mg/l)
2011 Cencali (n = 1) 6.7± 0.4 26.9 ± 1.6 249 ± 54.0 5.2 ± 1.7 180.8 ± 64 48.4 ± 8.2 Ilusiones (n = 6) 8.5 ± 0.7 27.6 ± 0.6 233.1 ± 25 .3 8.13 ± 2.48 166.1 ± 36.9 47.5 ±6.4
2012 Cencali (n = 1) 6.9 ± 0.4 28.8 ± 2.7 197.8 ± 4.2 8.1 ± 2.9 181.3 ± 29.2 67 ± 9.0 Ilusiones (n = 6) 8.3± 0.9 28.3 ± 2.9 223.2 ± 52.0 8.0 ±2.3 165.6 ± 40.6 59.5 ± 8.7
2013 Cencali (n = 1) 7.7 ±1.2 27± 1.7 246.6 ± 27.7 8.8± 2.1 216 ± 40.3 34 ± 9.3 Ilusiones (n = 6) 8.4 ± 0.7 28.8 ± 1.5 264.5 ± 41.1 9.5± 2.0 170.2 ± 19.9 66 ± 9.2

En los sedimentos, el pH osciló desde 5.9, moderadamente ácido, hasta 8.4, medianamente alcalino (NOM-021-Semarnat-2000). Los valores de 1 a 11% de MO indican que son de origen volcánico y la CE tuvo efectos despreciables de salinidad porque tienen un intervalo de 4 a 28 µS cm-1.

La granulometría para la zona I arrojó valores promedio de 67.2% de arena, 17.2% de arcilla y 15.4% de limo; la zona II fue de 75.4% de arena, 14.5% de arcilla y 10% de limo; la zona III, con 69.2% de arena, 16.1% de arcilla y 14.6% de limo, en referencia al triángulo de textura usado por el Departamento de Agricultura de Estados Unidos de América. Los resultados de las tres zonas corresponden a una clasificación textural que va de arenosa a franco arenosa moderadamente gruesa (USDA, 2014).

En la Tabla 2 se observa la concentración de los metales cuantificados en el agua: Cd de 2.2 a 5.6 µg l-1; Ni de 2.2 a 7.8 µg l-1; Cr de 28 a 64.4 µg l-1; Mn de 38.9 a 112.2 µg l-1; Zn de 12.2 a 79.2 µg l-1; Al de 218 a 1 385 µg l-1; Pb, ND a 0.1 µg l-1. Todos se encuentran por debajo de la NOM-001-Semarnat-1996 (Semarnat, 1996b). Sin embargo, para el Cr y Cd, el cociente de peligro (conc. de ref./media) es mayor a la unidad. También se aprecian las concentraciones de los metales encontrados en el sedimento (Tabla 3): Cd de 1.1 a 4.0 mg kg-1; Ni de 21.4 a 75.3 mg kg-1; Cr de 23.1 a 99.5 mg kg-1; Mn de 42.4 a 341.9 mg kg-1; Zn de 13.8 a 193.2 mg kg-1; Pb, ND de 204 mg kg-1; Al de 4 404.9 a 73 593.6 mg kg-1. Aquí, el cociente de peligro es mayor a la unidad para todos los metales encontrados, excepto para Zn y el Mn. De acuerdo con la legislación de Canadá y Estados Unidos, cuando el cociente de peligro es mayor que la unidad, ya existe un riesgo potencial para la vida acuática.

Tabla 2

Metales pesados en aguas superficiales.

Zona Mn Ni Cd Pb Cr Zn Al
Z1A1 96.7 ( 5.6 3.3 ( 55.6 49.9 21.7 894.4
Z1A2 101.1 4.4 4.4 ( 44.4 46.8 28.1 634.4
Z1A3 104.4 2.2 2.2 ( 44.4 55.0 28.0 1 385.6
Z1A4 108.9 7.8 4.4 ( 11.1 50.2 28.3 175.6
Z1A5 75.6 2.2 3.3 ( 33.3 59.8 53.7 584.4
Z1A6 112.2 ( 3.3 4.4 ( 55.6 49.1 32.7 484.4
ZIIA1 63.3 6.7 4.4 ( 22.2 64.4 23.6 541.1
ZIIA2 53.3 7.8 3.3 ( 55.6 58.6 79.2 351.1
ZIIA3 65.6 ( 1.1 4.4 ( 22.2 61.9 26.3 621.1
ZIIA4 51.1 ( 3.3 4.4 ( 44.4 64.4 20.2 696.7
ZIIA5 72.2 7.8 5.6 ( 44.4 63.3 26.1 790.0
ZIIA6 53.3 ( 3.3 2.2 ( 66.7 49.9 58.7 1 155.6
ZIIIA1 51.7 6.7 3.9 ( 27.8 59.3 23.7 472.2
ZIIIA2 45.6 ( 3.3 5.6 ( 44.4 33.9 24.6 598.9
ZIIIA3 43.3 5.6 4.4 ( 33.3 28.0 43.6 374.4
ZIIIA4 46.7 ( 2.2 4.4 ( 55.6 30.7 18.8 764.4
ZIIIA5 45.0 0.0 3.9 ( 50.0 45.1 24.9 311.7
ZIIIA6 38.9 3.3 4.4 ( 44.4 30.4 65.9 184.4

[i] ( bajo: límite de detección bajo. Todas las concentraciones están en µg. l-1.

Tabla 3

Metales pesados en sedimentos superficiales.

Concentración (mg/kg) Mn Ni Cd Pb Cr Zn Al (%)
Z I S1 75.3 18.6 1.9 9.0 91.2 33.6 5 257 (0.5)
Z I S2 42.4 41.3 1.7 24.4 71.9 300.3 42 753 (4.3)
Z I S3 114.4 30.9 1.6 7.5 61.2 66.9 17 433 (1.7)
Z I S4 53.2 21.4 1.1 ND 37.9 42.3 30 020 (3.0)
Z I S5 57.4 24.7 2.2 21.2 24.4 80.9 12 322 (1.2)
Z I S6 92.1 28.3 3.2 204.7 38.0 193.2 19 404 (1.9)
Z II S1 102.7 21.7 2.6 17.0 23.1 26.9 2 563 (0.3)
Z II S2 47.7 24.8 2.9 57.5 34.7 84.3 19 227 (1.9)
Z II S3 124.6 30.3 3.3 37.4 50.8 35.5 21 887 (2.2)
Z II S4 123.0 26.1 3.2 40.3 66.4 13.8 17 752 (1.8)
Z II S5 158.1 28.7 3.4 38.5 70.6 44.2 15 629 (1.6)
Z II S6 47.3 33.9 2.9 23.8 58.7 52.1 20 353 (2.0)
Z III S1 114.3 29.1 2.2 44.8 78.1 45.5 20 584 (2.1)
Z III S2 152.7 23.8 2.7 22.2 44.0 43.8 4 405 (0.4)
Z III S3 82.3 42.1 3.1 35.7 63.2 80.3 66 074 (6.6)
Z III S4 341.9 26.3 2.7 29.4 99.5 34.1 32 673 (3.3)
Z III S5 44.7 33.2 3.0 24.1 71.9 86.1 73 811 (7.4)
Z III S6 75.8 52.1 4.0 137.9 74.0 47.3 73 594 (7.4)
Media ± DE 102.8 ± 70.1 29.9 ± 8.4 2.6 ± 0.7 42.8 ± 50.3 58.9 ± 21.8 72.8 ± 69.1 2.8 ± 2.2
*LEL (NJ-DEP) 630 16 0.6 31 26 120 2.55
ISQG (CSQG) - - 0.6 35 37.3 123 -
*CP (media/LEL) 0.2 1.9 4.3 1.4 2.3 0.6 1.1

Conclusiones

En el sitio de estudio, los valores de pH en agua oscilaron entre 8.9 y 9.6, considerados como alcalinos, y se encuentran por arriba de los límites (6.5-9.0) permitidos por la Guía canadiense de la calidad de agua dulce. La temperatura del agua (28.8-29.9 0C) fue inferior al límite permitido por la normatividad mexicana (40 0C). El oxígeno disuelto presentó valores similares a los establecidos por la EPA y por la Guía canadiense de la calidad del agua. El valor de DQO clasifica al cuerpo de agua como contaminado de acuerdo con la Conagua (2012) (40 < DQO < 200 mg l-1). Los valores de CE y SDT se encuentran dentro de los parámetros establecidos por la Sernapam. Todos los metales pesados determinados en el agua ―Cd, Ni, Cr, Mn, Zn, Al y Pb― están por debajo de la NOM-001-Semarnat-1996 (Semarnat, 1996b).

En los sedimentos, el pH osciló desde 5.9, moderadamente ácido, hasta 8.4, medianamente alcalino, de acuerdo con la NOM-021-Semarnat-2000. El porcentaje de materia orgánica indica que es de origen volcánico y la conductividad eléctrica tuvo efectos despreciables de salinidad. La granulometría en las tres zonas de muestreo corresponde a una clasificación textural, que va de arenosa a franco arenosa moderadamente gruesa (USDA, 2014). La concentración de Cd, Ni, Cr, Mn, Zn, Pb y Al en los sedimentos se encuentra dentro de las normas mexicanas; sin embargo, al ser comparados los valores obtenidos con las normas canadienses y americanas, sobrepasan los criterios de metales pesados establecidos para cuerpos de agua dulce. Esto indica que la biota ha sido afectada, al acumularse altas concentraciones de dichos metales en el sistema de estudio, por lo que las autoridades deben tomar conciencia de lo peligros inminentes a los que pueden estar expuestas las poblaciones cercanas.

Agradecimientos

A la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco y a la División Académica de Ingeniería y Arquitectura, por el apoyo financiero del proyecto de investigación dentro del Programa de Fortalecimiento a la Investigación, Clave UJAT-2013-IA-0. Al Centro de Investigación en Genética y Ambiente; en especial, a las profesoras del Posgrado en Ciencias Ambientales de la Universidad Autónoma de Tlaxcala.

Referencias

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Introduction

Industrialization produces effluents that contain toxic compounds such as metals, whose discharges into water bodies are the major source of pollution and various diseases (ATSDR, 2012). The water and the sediments in lakes and lagoons become receivers of various pollutant, which enter the food chains (Theoneste, Gang, Jing, Xu, & Lei, 2013; Lemus, Castañeda, & Chung, 2014). This poses a risk to biota because of bioaccumulation and biomagnification in the organs and tissues of many aquatic and terrestrial species (Sobrino, Cáceres, & Rosas, 2007). Other equally important sources include municipal discharges and agricultural and particle emission. Forty-two percent of the substances discharged into surface water bodies are metals that end up in sediments. Sediments are matrices composed of organic matter in various stages of decomposition and organic and inorganic particulate material of biological and anthropogenic origin (Chen ( White, 2004).

Heavy metals are pollutants that, due to their persistence and long-range transport, easily reach surface water bodies, posing a potential risk to biota. These pollutants can come from various sources such as: oil activities, agriculture, metallurgy, and sugar, as well as urban and sanitary (herbicides and insecticides). The high toxicity of metals bioaccumulate in biota and magnify up the food chain in higher organisms, including humans (Herrera, Rodríguez, Coto, Salgado, & Borbón, 2012).

Rivers receive waste generated by human activities through effluents that introduce hazardous substances, especially metals such as lead, cadmium, chromium, mercury, and manganese, among others. These tend to settle in the sediment, become suspended, or dissolve in the water column (Rodríguez, Ruíz, & Vertiz, 1994). These rivers carry pollutants along their courses, and when they overflow they may be deposited in water bodies such as lakes and springs. The Ilusiones Lagoon in Villahermosa is surrounded by two large rivers (Grijalva and Usumacinta) in an area with high rates of rainfall, which have caused these rivers to flood. Weather conditions also contribute to the potential transfer of pollutants from the atmosphere to the lagoon in particular, and other bodies of water in general (Palma, Cisneros, Moreno, & Rincón, 2007).

Next are some examples that illustrate the extent of metal pollution in the country. Arsenic and lead concentrations in surface sediments in the Zahuapan-Atoyac hydrologic system ranged from 1.3 to 127.7 mg kg-1 and 27.3 to 89.5 mg kg-1, respectively (García-Nieto et al., 2011). Rosales-Hoz and Carranza-Edwards (1998) detected levels of metals in sediment in the Coatzacoalcos River ranging from 21.2 - 53.5 mg kg-1 for total lead, 2.1 - 2.7 mg kg-1 for total cadmium and 21.6 - 152.7 mg kg-1 for total chromium. González-Mille et al. (2010) found Pb (4 - 22 mg kg-1), Cr+6 (9 - 93 mg kg-1) and manganese (76.7 - 2129 µg kg-1) in the same river.

Heavy metals bioaccumulate in aquatic species such as oysters, clams, shrimp, and some fish species. Lango-Reynoso, Landeros-Sánchez and Castañeda-Chávez (2010) determined the bioaccumulation of arsenic, cadmium, and lead in oysters in the Tamiahua Lagoon in Veracruz, with mean values of 4.02 mg kg-1 for arsenic, 11.7 mg kg-1 for cadmium and 0.48 mg kg-1 for lead. The cadmium exceeded the maximum permissible limits stipulated by consumer health rules for bivalves and pose a risk to human health. The pollution in water and sediment in the Ilusiones Lagoon can change the balance of populations, especially those that are most susceptible. Gamboa, Gamboa, Saldívar and Espejel (2007) quantified lead in the blood of crocodile (Cocodrylus moreletti), finding values (6.55 - 15.34 µg dL-1) that were higher than permissible limits for aquatic life.

No recent studies have been published to assess the environmental and ecotoxicological conditions of the Ilusiones Lagoon. The few studies that have been reported include one from 1992 to 1994 of phosphorous (10.6 mg L-1) and total nitrogen (4.1 mg L-1) present in the lagoon, in which it was categorized as hypertrophic with a dendritic morphology and low hydraulic mixture, preventing water changes that favor the persistence of conservative and non-conservative substances (Rodríguez et al., 1994). In general, the content of pollutants in water bodies increases over time. For example, in 1994, 30% of Mexican rivers were polluted by mercury and lead, whereas currently 95% are reported to be polluted. In 1992, the concentration of lead in surface sediments in the Ilusiones Lagoon was 158. 68 µg g-1 (Villanueva & Botello, 1992).

The Ilusiones Lagoon is important to the city of Villahermosa, Tabasco. Because of its great diversity of aquatic and terrestrial species, it was declared a nature reserve in 1995 (Semarnat-Conanp, 2014). However, for several years it has been subjected to stress from human activities that have directly and indirectly deposited agricultural, urban, and industrial waste, degrading its ecological value (Semarnat-Conanp, 2014). While there are practically no studies addressing pollution in the Ilusiones Lagoon, particularly of heavy metals, there are many examples of metal contamination in many rivers in Mexico, suggesting that a body of water with the conditions of the Ilusiones Lagoon can be considered as a potentially polluted site. The aim of this study was to determine the physical and chemical parameters and metals (Pb, Cd, Mn, Zn, Cr, Al and Ni) in water and surface sediment in the Ilusiones Lagoon, and whether they pose a risk of adverse effects to aquatic life.

Material and methods

Study location

The state of Tabasco is located in southeast Mexico, it measures 24 738 km2 and has a warm humid climate with rains in the summer. The mean annual temperature ranges from 24 to 28 °C and annual precipitation ranges between 1500 to 2000 mm (Palma et al., 2007). The Ilusiones Lagoon is located in hydrologic region RH30, in the Grijalva - Usumacinta Basin. It is located in the urban area of Villahermosa (170 59´ 22´´ to 180 01´ 22´´ N and 920 55´ 20´´to 920 56´ 40´´ O), in the physiographic province of the coastal plain of the Gulf of Mexico, and covers an area of 160 ha. It is surrounded by the Mezcalapa and Carrizal rivers at an average altitude of 10 masl (Figure 1). In 1995, the state proclaimed it to be protected area, as an ecological reserve for the preservation of the water, flora, and fauna. The area occupied by the lagoon has decreased an average of 30 ha over a period of 10 years because of the development of the city of Villahermosa (Semarnat-Conanp, 2014; Sernapam, 2014).

Figure 1

The Ilusiones Lagoon study site.

2007-2422-tca-9-02-39-gf5.jpg

Collection of environmental arrays

The Ilusions Lagoon was divided into three zones, each defined based on the methodology proposed by Ilizaliturri et al. 2009, with six sampling sites (Figure 2). Six water samples were collected in each, in polyethylene containers. Surface sediments were collected in glass bottles. For the determination of metals in water, polyethylene bottles were used containing 1 mL of concentrated nitric acid to prevent volatilization losses. For the sediment sample, 2-liter amber containers were used. The samples were transported and stored at 4 °C until analysis (NOM-001-Semarnat-1996). Two samplings of water were collected, one in April 2013 and the other in September 2014.

Figure 2

Ilusiones Lagoon sampling sites.

2007-2422-tca-9-02-39-gf6.png

Physicochemical characterization

Water

The determination of the physicochemical parameters of the water was performed in situ with a multiparameter bench photometer (HANNA) model HI 9828, which recorded pH, temperature (°C), electrical conductivity (EC, µS cm-1), oxidation - reduction potential (ORP, mV), dissolved oxygen (DO, mg L-1), and total dissolved solids (TDS, mg L-1). Chemical oxygen demand (COD, mg L-1) was determined in the laboratory using the closed reflux method with potassium dichromate.

Sediment

The sediment samples were collected with a plastic dredger in 2-liter amber containers which were transported and kept at 4 °C until analysis. These were dried in an oven at 600 C for 72 hours; they were then mechanically homogenized in an agate mortar and filtered with a 600 µm mesh. The sediments were characterized by determining the texture using the Bouyoucos method. Organic matter contents (OM) were determined by the Walkley and Black method, and pH by the electrometric method using a Denver Instruments brand potentiometer, model 215. Electrical conductivity was calculated based on the saturation extract (NOM-021-Semarnat-2000).

Quantification of metals in water and sediment

Before quantifying the metals, the water samples and sediment were digested in a Microwave oven 907, 501 through 3050 and 3052 according to EPA methods. Quantification of metals was carried out with an Analyst 300 model atomic absorption spectrophotometer equipped with flame ionization detector, previously calibrated according to certified reference materials from the National Institute of Standards (NIST) (Benavides et al., 2007; SCFI,-2001a, 2001b). The average values for each of the measured parameters were subjected to analysis of variance (ANOVA) con p < 0.05.

Results and discussion

Figure 3 shows the physicochemical properties determined based on water samples collected from the three areas of the lake. The pH values in water, ranging between 8.9 and 9.6, were alkaline and above the limits (6.5 - 9.0) permitted by the Guidelines for Canadian Water Quality, and the lower limit (8.9) was greater than that which is allowed (5.5) by NOM-002-Semarnat-1996. The highest value (9.6) was present in Zone 3 and the lowest value (8.9) in Zone 1, presumably due to the presence of carbonate and hydroxide ions that can come from anthropogenic waste and soluble natural minerals.

Figure 3

Physicochemical properties determined in water samples.

2007-2422-tca-9-02-39-gf7.jpg

The water temperature ranged from 28.8 to 29.9 °C, which was below the limit allowed by Mexican regulations (40 °C). The ORP varied in the three areas, from 5 mV in zone 1 to as much as 80 mV in Zone 2. With regard to the DO, this ranged from 7 to 11 mg L-1, similar to the limits proposed by the EPA (not less than 5 mg L-1) and the Guidelines for Canadian Water Quality (9.5 mg L-1). The EC values ranged from 225 to275 µS cm-1 which were below (2500 µS cm-1) the NOM- 069- ECOL- 1994 for freshwater bodies. The COD ranged from 105 to 155 mg O2 L-1, which was within the range classified as polluted by Conagua in 2012 (40 < CO < 200). TDS (114 - 137 mg L-1) was similar to values reported by the Secretaria de Energía Recursos Naturales y Protección Ambiental (SERNAPAM) in 2012 and 2013 (Table 1). The physicochemical parameters are shown in (Figure 4).

Figure 4

Physicochemical parameters.

2007-2422-tca-9-02-39-gf8.jpg

In sediments, the pH ranged from 5.9 (mildly acidic) to 8.4 (mildly alkaline) (NOM- 021 Semarnat 2000). Values of 1 to 11% of OM indicate volcanic origin, and the EC had negligible effects of salinity because it ranged from 4 to 28 µS cm-1. The particle size was, on average, 67.2% sand, 17.2% clay and 15.4% silt for Zone 1; 75.4% sand, 14.5% clay and 10% silt for Zone 2; and 69.2% sand, 16.1% clay and 14.6% silt for Zone 3. In terms of the texture triangle used by the U.S. Department of Agriculture, the results from the three zones corresponded to a textural classification that ranges from sandy to moderately thick sandy loam.

Table 1

Sernapam parameters (NOM-021-Semarnat-2000).

Period Sampling points pH T (°C) EC (µS/cm) OD (ppm) TDS (ppm) COD (mg/L)
2011 Cencali (n = 1) 6.7± 0.4 26.9 ± 1.6 249 ± 54.0 5.2 ± 1.7 180.8 ± 64 48.4 ± 8.2 Ilusiones (n = 6) 8.5 ± 0.7 27.6 ± 0.6 233.1 ± 25 .3 8.13 ± 2.48 166.1 ± 36.9 47.5 ±6.4
2012 Cencali (n = 1) 6.9 ± 0.4 28.8 ± 2.7 197.8 ± 4.2 8.1 ± 2.9 181.3 ± 29.2 67 ± 9.0 Ilusiones (n = 6) 8.3± 0.9 28.3 ± 2.9 223.2 ± 52.0 8.0 ±2.3 165.6 ± 40.6 59.5 ± 8.7
2013 Cencali (n = 1) 7.7 ±1.2 27± 1.7 246.6 ± 27.7 8.8± 2.1 216 ± 40.3 34 ± 9.3 Ilusiones (n = 6) 8.4 ± 0.7 28.8 ± 1.5 264.5 ± 41.1 9.5± 2.0 170.2 ± 19.9 66 ± 9.2

Table 2 shows the concentrations of the metals quantified in the water (Cd, 2.2 - 5.6 µg L-1), (Ni, 2.2 - 7.8 µg L-1), (Cr, 28 - 64.4 µg L-1), (Mn, 38.9 - 112.2 µg L-1), (Zn, 12.2 - 79.2 µg L-1), (Al, 218 - 1385 µg L-1) and (Pb, ND a 0.1 µg L-1), all below the NOM-001-Semarnat-1996. However, the Cr and Cd hazard ratio (reference concentration / mean) was greater than one. Table 3 shows the concentrations of metals found in sediments (Cd, 1.1 - 4.0 mg/kg), (Ni, 21.4 - 75.3 mg/kg), (Cr, 23.1 - 99.5 mg/kg), (Mn, 42.4 - 341.9 mg/kg), (Zn, 13.8 - 193.2 mg/kg), (Pb, ND - 204 mg/kg) and (Al, 4404.9 - 73593. 6 mg/kg). Here the hazard ratio was greater than one for all metals found except Zn and Mn. According to the legislation of Canada and the United States, when the hazard ratio is greater than unity, there is already a potential risk to aquatic life.

Table 2

Heavy metals in surface water.

Zone Mn Ni Cd Pb Cr Zn Al
Z1A1 96.7 (5.6 3.3 (55.6 49.9 21.7 894.4
Z1A2 101.1 4.4 4.4 (44.4 46.8 28.1 634.4
Z1A3 Microwave oven 907 2.2 2.2 (44.4 55.0 28.0 1385.6
Z1A4 108.9 7.8 4.4 (11.1 50.2 28.3 175.6
Z1A5 75.6 2.2 3.3 (33.3 59.8 53.7 584.4
Z1A6 112.2 (3.3 4.4 (55.6 49.1 32.7 484.4
ZIIA1 63.3 6.7 4.4 (22.2 64.4 23.6 541.1
ZIIA2 53.3 7.8 3.3 (55.6 58.6 79.2 351.1
ZIIA3 65.6 (1.1 4.4 (22.2 61.9 26.3 621.1
ZIIA4 51.1 (3.3 4.4 (44.4 64.4 20.2 696.7
ZIIA5 72.2 7.8 5.6 (44.4 63.3 26.1 790.0
ZIIA6 53.3 (3.3 2.2 (66.7 49.9 58.7 1155.6
ZIIIA1 51.7 6.7 3.9 (27.8 59.3 23.7 472.2
ZIIIA2 45.6 (3.3 5.6 (44.4 33.9 24.6 598.9
ZIIIA3 43.3 5.6 4.4 (33.3 28.0 43.6 374.4
ZIIIA4 46.7 (2.2 4.4 (55.6 30.7 18.8 764.4
ZIIIA5 45.0 0.0 3.9 (50.0 45.1 24.9 311.7
ZIIIA6 38.9 3.3 4.4 (44.4 30.4 65.9 184.4

[i] ( : Low detection limit. All concentrations are in μg L-1.

Table 3

Heavy metals in surface sediments.

Concentration (mg/kg) Mn Ni Cd Pb Cr Zn Al (%)
Z I S1 75.3 18.6 1.9 9.0 91.2 33.6 5257 (0.5)
Z I S2 42.4 41.3 1.7 24.4 71.9 300.3 42753 (4.3)
Z I S3 114.4 30.9 1.6 7.5 61.2 66.9 17433 (1.7)
Z I S4 53.2 21.4 1.1 ND 37.9 42.3 30020 (3.0)
Z I S5 57.4 24.7 2.2 21.2 24.4 80.9 12322 (1.2)
Z I S6 92.1 28.3 3.2 204.7 38.0 193.2 19404 (1.9)
Z II S1 102.7 21.7 2.6 17.0 23.1 26.9 2563 (0.3)
Z II S2 47.7 24.8 2.9 57.5 34.7 84.3 19227 (1.9)
Z II S3 124.6 30.3 3.3 37.4 50.8 35.5 21887 (2.2)
Z II S4 123.0 26.1 3.2 40.3 66.4 13.8 17752 (1.8)
Z II S5 158.1 28.7 3.4 38.5 70.6 44.2 15629 (1.6)
Z II S6 47.3 33.9 2.9 23.8 58.7 52.1 20353 (2.0)
Z III S1 114.3 29.1 2.2 44.8 78.1 45.5 20584 (2.1)
Z III S2 152.7 23.8 2.7 22.2 44.0 43.8 4405 (0.4)
Z III S3 82.3 42.1 3.1 35.7 63.2 80.3 66074 (6.6)
Z III S4 341.9 26.3 2.7 29.4 99.5 34.1 32673 (3.3)
Z III S5 44.7 33.2 3.0 24.1 71.9 86.1 73811 (7.4)
Z III S6 75.8 52.1 4.0 137.9 74.0 47.3 73594 (7.4)
Average ± DE 102.8 ± 70.1 29.9 ± 8.4 2.6 ± 0.7 42.8 ± 50.3 58.9 ± 21.8 72.8 ± 69.1 2.8 ± 2.2
*LEL (NJ-DEP) 630 16 0.6 31 26 120 2.55
ISQG (CSQG) - - 0.6 35 37.3 123 -
*CP (Average/LEL) 0.2 1.9 4.3 1.4 2.3 0.6 1.1

Conclusions

In this study site, the pH values in water ranged between 8.9 and 9.6, which were alkaline and above the limits (6.5 - 9.0) permitted by the Guidelines for Canadian Water Quality. The water temperature (28.8 - 29.9 °C) was below the limit allowed by Mexican regulations (40 °C). The dissolved oxygen was similar to values established by the EPA and the Guidelines for Canadian Water Quality. The COD value of the water body was classified as polluted by Conagua in 2012 (40 < COD < 200 mg L-1). The EC and TDS values were within the parameters set by the SERNAPAM, while the heavy metals in the water (Cd, Ni, Cr, Mn, Zn, Al and Pb) were all below the NOM-001-Semarnat 1996.

In the sediment, the pH ranged from 5.9 (moderately acidic) to 8.4 (moderately alkaline), which was within permissible limits stipulated by NOM-021 Semarnat 2000. The percentage of organic matter indicated volcanic origin and the electric conductivity showed negligible effects from salinity. The particle size in the three sampling areas corresponded to a textural classification that ranged from sandy to moderately thick sandy loam. The concentrations of Cd, Ni, Cu, Mn, Zn, Pb and Al in sediment were within the Mexican norms, however when compared to the values corresponding to Canadian and United States standards, they exceeded the criteria established for heavy metals in freshwater bodies. This indicates that the biota was affected in terms of accumulating high concentrations of these metals in the system studied. Therefore, the authorities should be aware of the imminent dangers that to which nearby towns may be exposed.

Acknowledgment

Thank you to the Autonomy University Juarez of Tabasco and the Academic Division of Engineering and Architecture for the Research Fund UJAT key UJAT-2013-IA-05 provided to conduct this research project, and Genetic and Ambient Research Center, Autonomy University of Tlaxcala.