MINISTERIO DE ECONOMÍA Y COMPETITIVIDAD 1276 Febrero, 2013 Informes Técnicos Ciemat GOBIERNO DE ESPAÑA Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas Huerta del Rey: Caracterización Edáfica de una Zona Histórica de la Minería del Mercurio y Estudio de la Transferencia del Mercurio a Plantago Major C. Suárez L. Manero M. J. Sierra J. Rodríguez-Alonso R. Millán Informes Técnicos Ciemat 1276 Febrero, 2013 Departamento de Medio Ambiente Huerta del Rey: Caracterización Edáfica de una Zona Histórica de la Minería del Mercurio y Estudio de la Transferencia del Mercurio a Plantago Major C. Suárez L. Manero M. J. Sierra J. Rodríguez-Alonso R. Millán Toda correspondencia en relación con este trabajo debe dirigirse al Servicio de In- formación y Documentación, Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas, Ciudad Universitaria, 28040-MADRID, ESPAÑA. Las solicitudes de ejemplares deben dirigirse a este mismo Servicio. Los descriptores se han seleccionado del Thesauro del DOE para describir las ma- terias que contiene este informe con vistas a su recuperación. La catalogación se ha hecho utilizando el documento DOE/TIC-4602 (Rev. 1) Descriptive Cataloguing On-Line, y la cla- sificación de acuerdo con el documento DOE/TIC.4584-R7 Subject Categories and Scope publicados por el Office of Scientific and Technical Information del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Se autoriza la reproducción de los resúmenes analíticos que aparecen en esta pu- blicación. Depósito Legal: M -26385-2011 ISSN: 1135 - 9420 NIPO: 721-13-010-1 Editorial CIEMAT Catálogo general de publicaciones oficiales http://www.060.es CLASIFICACIÓN DOE Y DESCRIPTORES S63 MERCURY; SITE CHARACTERIZATION; MINING; SOILS;SAMPLING; BIOLOGICAL EFFECTS; TOXICITY Huerta del Rey: Caracterización Edáfica de una Zona Histórica de la Minería del Mercurio y Estudio de la Transferencia del Mercurio a Plantago Major Suárez, C.; Manero, L.; Sierra, M.J.; Rodríguez-Alonso, J.; Millán, R. 67 pp. 20 figs. 96 refs. Resumen: El principal objetivo de este informe científico-técnico es realizar una caracterización de la parcela de estudio llamada “Huerta del Rey” situada en el distrito minero de mercurio de Almadén. Para ello en el presente trabajo se ha realiza- do una pequeña caracterización edáfica y se ha estudiado el comportamiento del mercurio (Hg) en el suelo. De esta manera, se han evaluado las concentraciones totales y fácilmente disponibles del Hg y se ha estudiado la absorción y distribución del Hg en Plantago major L., especie presente en el área de estudio. Los resultados obtenidos mostraron que la concentración de Hg total en el suelo es típica de una zona minera de Hg, estando los valores comprendidos entre 530 ± 32 mg kg-1 y 4300 ± 339 mg kg-1 llegando incluso a 12378 ± 1051mg kg-1. El porcentaje de Hg soluble en el suelo es bajo, menor del 0.3 % con respecto al Hg total. Por otro lado, si tenemos en cuenta la concentración y no el porcentaje, el Hg soluble presenta valores de hasta 1.33 ± 0.14 mg kg-1 lo que podría suponer un riesgo potencial de contaminación de aguas subterráneas por lixiviación. Finalmente, se hace una breve referencia de las posibles técnicas, entre ellas la fitorremediación, que podrían aplicarse en la zona para su remediación si se quisiera disminuir el nivel de Hg en el suelo. Huerta del Rey: Edafic Characterization of a Historic Area of the Mercury Mining and Study of the Transfer of Mercury from the Soil to Plantago Major Suárez, C.; Manero, L.; Sierra, M.J.; Rodríguez-Alonso, J.; Millán, R. 67 pp. 20 figs. 96 refs. Abstract: The main objective of this scientific-technical report is to carry out a characterization of study plot called “Huerta del Rey” in the mercury (Hg) mining district of Almadén. For this goal, an edaphic characterization has been performed and the Hg behavior in the soil study has been evaluated. Then, total Hg concentration and easily available Hg for plants have been determined and the absorption and distribution of Hg in Plantago major L (typical specie from the study area) have been studied. The results showed that the total Hg concentrations in the soil ranged from 530 ± 32 mg kg-1 to 4300 ± 339 mg kg-1 even to 12378 ± 1051mg kg-1. It is in accordance with the normal values measured in a Hg mining area. Otherwise, the percentage of soluble Hg in soil with respect to the total Hg concentration is low (< 0.3 %) although if concentration instead of percentage is taking into account, the soluble Hg reached values up to 1.33 ± 0.14 mg kg-1 that could mean a potential risk of pollution of groundwater by leaching process. Finally a brief description about different technologies for decreasing Hg concentration in the study soil, including phytoremediation, has been performed. HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major AGRADECIMIENTOS Quisiéramos mostrar nuestros más sinceros agradecimientos a la Unidad de Conservación y Recuperación de Suelos del Departamento de Medio Ambiente del CIEMAT, por brindarnos esta enriquecedora oportunidad de integrarnos como dos más durante estos tres últimos meses. Agradecer a nuestras tutoras del CIEMAT Rocío Millán, Nely Carreras y María José Sierra, así como a Mercedes Oliet, ya que si no fuera por ellas no podríamos haber iniciado esta andadura en la investigación que ha resultado ser una enriquecedora experiencia laboral. Gracias muy especialmente a Mª José Sierra y Javier Rodríguez por guiarnos, enseñarnos y estar siempre en disposición de resolver cualquier duda que se planteara, facilitando todo lo que necesitáramos. También queremos hacer una especial mención a nuestras compañeras Elena y Laura Bueno, con las que hemos compartido, además de una experiencia laboral, una filosofía de trabajo y compañerismo con alguna afortunada risa. A nuestras familias, a Antonio y a David simplemente gracias por todo, ya que no podríamos enumerar el sin fin de razones por las que les debemos un “gracias”. Por último, no queremos olvidarnos del resto de integrantes del departamento: Miguel Ángel, Carmen Luchi, Juan, Laura, Raúl, Javi, Julio; a todos gracias por su apoyo y ánimo.             HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major ÍNDICE DE CONTENIDOS __________________________________________________ 1. Introducción........................................................................................................................................1 1.1. El Mercurio ...............................................................................................................................1 1.1.1. Propiedades fisicoquímicas del mercurio...................................................................2 1.1.2. Principales fuentes y su distribución ..........................................................................5 1.1.3. Ciclo biogeoquímico del mercurio ..............................................................................7 1.1.4. Factores que influyen en la movilidad y biodisponibilidad del mercurio en el suelo.........................................................................................................................................9 1.1.5. Toxicología del mercurio y sus derivados ................................................................14 1.1.6. Legislación aplicable ..................................................................................................15 1.2. Área de estudio........................................................................................................................17 1.2.1. Situación geográfica...................................................................................................17 1.2.2. Climatología................................................................................................................18 1.2.3. Geología ......................................................................................................................18 1.2.4. Recursos hídricos .......................................................................................................20 1.2.5. Características florísticas ..........................................................................................20 1.2.6. Descripción de la planta de estudio: Plantago major. .............................................20 2. Objetivos ...........................................................................................................................................22 3. Procedimiento experimental. Materiales y Métodos .....................................................................23 3.1. Recogida de muestras .............................................................................................................23 3.2. Preparación y acondicionamiento de muestras....................................................................25 3.2.1. Muestras de planta ........................................................................................................25 3.2.2. Muestras de suelo ..........................................................................................................26 3.3. Caracterización físico-química de las muestras de suelo ....................................................26 3.4. Medida de la concentración de mercurio en muestras ........................................................27 3.4.1. Funcionamiento del AMA 254......................................................................................27 3.4.2. Medida de mercurio total en las muestras ..................................................................30 3.4.3. Medida de mercurio disponible en las muestras. Extracción secuencial..................30 3.4.4. Validación de los resultados obtenido por AMA 254 .................................................31 3.5. Procedimiento estudio estadístico con software SPSS .........................................................32 4. Resultados y discusión de los resultados ........................................................................................33 4.1. Parámetros físico-químicos del suelo ....................................................................................33 4.2. Mercurio en suelo....................................................................................................................35 4.2.1. Mercurio total en el suelo .............................................................................................35 4.2.2. Mercurio soluble en el suelo .........................................................................................38 4.2.3. Mercurio intercambiable en el suelo............................................................................40 4.2.4. Mercurio disponible en el suelo....................................................................................41 HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 4.3. Presencia y distribución del mercurio en Plantago major ...................................................43 4.3.1. Distribución del mercurio en los distintos tejidos de Plantago major .......................43 4.3.1.1. Mercurio en parte aérea...................................................................................43 4.3.1.2. Mercurio en raíz: Traslocación del mercurio dentro de la planta ...............45 4.3.2. Transferencia suelo-planta del mercurio ....................................................................48 5. Técnicas de remediación ..................................................................................................................49 5.1. Fitorremediación.....................................................................................................................49 5.2. Enmienda para reducir la fitotoxicidad................................................................................52 5.3. Bioventing................................................................................................................................52 5.4. Precipitación del mercurio .....................................................................................................53 5.5. Electrodescontaminación .......................................................................................................53 5.6. Solarización .............................................................................................................................54 5.7. Desorción térmica ...................................................................................................................55 5.8. Lavado de suelos .....................................................................................................................55 6. Conclusiones .....................................................................................................................................57 7. Bibliografía .......................................................................................................................................59                         HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major ÍNDICE DE FIGURAS_______________________________________________________ Figura 1: Ciclo biogeoquímico del mercurio............................................................................................7 Figura 2: Especiación del Hg (II) en función del pH y concentración de Cl-...........................................9 Figura 3: Retención de mercurio en suelos y componentes del suelo en función del pH ......................10 Figura 4: Campos de estabilidad de especies de Hg sólidos (c) y líquidos (l) a 25 ° C y 1atm .............12 Figura 5: (A) Localización de Ciudad Real. (B) Localización de Almadén (Ciudad Real) ...................17 Figura 6: Localización de Huerta del Rey (Almadén). Fuente: Instituto geográfico nacional...............18 Figura 7: Llantén (Plantago Major) .......................................................................................................21 Figura 8: Distribución de los distintos puntos de muestreo sobre una ortofotografía de la finca Huerta del Rey....................................................................................................................................................24 Figura 9: Analizador Avanzado de Mercurio (AMA 254) .....................................................................28 Figura 10: Esquema del AMA 254.........................................................................................................29 Figura 11: Microondas ...........................................................................................................................30 Figura 12: Montaje experimental de filtración.......................................................................................31 Figura 13: Concentración total de mercurio en suelo.............................................................................36 Figura 14: Concentración de Hg soluble e intercambiable en rizosfera.................................................42 Figura 15: Concentración de Hg soluble e intercambiable en bulk........................................................42 Figura 16: Concentración de mercurio total en las distintas fracciones de Plantago major L...............45 Figura 17: Ratio Hg en parte aérea / Hg en raíz en cada punto de muestreo..........................................46 Figura 18: Concentración total de mercurio en parte aérea de Plantago major L .................................46 Figura 19: Representación de importancia relativa del BAF en cada tejido ..........................................48 Figura 20: Esquema de las distintas partes de la planta implicadas en fitorremediación.......................50 ÍNDICE DE TABLAS______________________________________________________________                              Tabla 1: Propiedades físico-químicas del mercurio elemental .................................................................3 Tabla 2: Patrones empleados en el experimento: concentraciones esperadas y obtenidas .....................32 Tabla 3: Resultado de la medida de parámetros físico-químicos en los suelos bulk muestreados.........33 Tabla 4: Medias de concentración de Hg total en fracción bulk y rizosfera ..........................................37 Tabla 5: Medias de concentración de Hg soluble en fracción bulk y rizosfera......................................38 Tabla 6: Medias de concentración de Hg intercambiable en fracción bulk y rizosfera..........................40 Tabla 7: Medias de concentración de Hg disponible en fracción bulk y rizosfera.................................41 Tabla 8: Biomasa aérea, parcial y total, de los individuos de llantén recolectados. ...............................43 HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major   1 1. INTRODUCCIÓN El suelo es un sistema abierto y dinámico que cambia con el tiempo y el espacio. En condiciones normales, todos los suelos poseen metales pesados, pero su estado, cantidad y variedad dependen de los procesos geológicos y edafogenéticos que históricamente se han desarrollado en la zona. Sin embargo, con motivo de las acciones antropogénicas, y en concreto, a través de las explotaciones mineras del subsuelo, las cantidades de metales pesados pueden aumentar en las zonas de explotación y en sus alrededores dando lugar a grandes acumulaciones de elementos traza que ponen en riesgo la vida humana, animal y vegetal, a través de la contaminación del agua, suelo y aire que implica su presencia. Por este motivo, en el presente estudio nos adentramos en la caracterización edáfica de una finca rústica en la que el aprovechamiento minero del mercurio en épocas pasadas, ha alterado sus características edáficas y sus posibles usos. 1.1. EL MERCURIO Los romanos llamaron al mercurio "argentum vivum", que significa "plata líquida", debido a que era el único elemento conocido que era líquido a temperatura ambiente. Dioscórides denominaba este elemento "agua de plata", lo que justifica el nombre latino del mercurio: hydrargyrus (Goldwater, 1971). El mercurio es conocido desde la antigüedad y ha sido utilizado por casi todas las culturas debido a la gran variedad de aplicaciones que posee. Se encontró mercurio en túmulos egipcios del 1500 a.C., además los chinos ya usaban el cinabrio (sulfuro de mercurio) en la fabricación de tintas y pinturas. En la región del Mediterráneo, el mercurio era usado para la extracción de metales como oro, plata y estaño a través de la amalgamación. También fue usado terapéuticamente para prevenir enfermedades como reumatismo, disentería, cólicos y enfermedades de la piel entre las que destaca la sífilis, pero estos usos producen síntomas y afecciones neurológicas cuyas primeras descripciones datan del siglo XVIII. Sin embargo, los efectos tóxicos del mercurio son relatados desde mucho antes (Goldwater, 1971). El mercurio es uno de los metales pesados más tóxicos que se conocen, considerado un contaminante a escala global. Este elemento ha dejado huella en la historia de la HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 2 humanidad, con casos muy conocidos como el de Minamata, el envenenamiento por mercurio orgánico en Iraq, o la exposición a metil-mercurio en el Amazonas (Gochfeld, 2003). 1.1.1. PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS El mercurio, con símbolo Hg, es un elemento químico que pertenece, según la clasificación de la tabla periódica, al grupo IIB de la familia de los metales de transición y se considera un metal pesado. El mercurio es líquido a temperatura ambiente, brillante y de color blanco plateado (Adriano, 2001). Tiene un punto de fusión de -38,4º C y bulle a 357º C a presión atmosférica. De las propiedades físico-químicas del mercurio recogidas en la Tabla 1, destaca que la tensión superficial del mercurio líquido es seis veces mayor que la del agua, por lo que los compuestos de mercurio suelen permanecer en la fase acuosa como moléculas no disociadas. La alta presión de vapor para ser un metal (0,0012 mmHg) permite generar altas concentraciones de vapores a las temperaturas en ambientes normales: una atmósfera saturada de mercurio a 20°C contiene 15 mg m-3 de mercurio, un valor 15000 veces mayor que 0.001 mg m-3, valor medio anual establecido por la Organización Mundial de la salud para mercurio inorgánico vapor (WHO, 2007) Además, a medida que aumenta la temperatura del ambiente, aumenta la concentración de vapores emitidos, llegando a aumentar en un 200% cuando se pasa de 0 a 20º C. Su inusual elevada volatilidad, que se incrementa al aumentar la temperatura, hace que esté presente en la atmósfera en cantidades apreciables. El mercurio se encuentra de manera natural en el medio ambiente en una gran variedad de formas. Es un elemento constitutivo de la Tierra que por su volatilidad se separó del magma como HgS en la cristalización residual. Hay muchos minerales de mercurio, los más comunes son el cinabrio y el metacinabrio (Adriano, 2001). Por tanto, a lo largo de la historia, los yacimientos de cinabrio han sido la fuente mineral para la extracción comercial de mercurio metálico. HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 3 Tabla 1. Propiedades físico-químicas del mercurio elemental Número atómico 80 Peso atómico 200,59 Temperatura crítica 1.462 ºC Densidad (25ºC) 13,534 g cm-3 Calor de vaporización (25ºC) 14,652 kcal mol-1 Tensión superficial (25ºC) 484 dinas cm-1 Presión de vapor (20ºC) 1,22·10-3 mm Hg Viscosidad (20ºC) 1,55 m Pa s (15,5 mili poise) Resistividad (20ºC) 95,76 μohm cm Solubilidad en agua (25ºC) 6·10-5 g l-1 La forma metálica se refina a partir del calentamiento del mineral de sulfuro de mercurio a temperaturas superiores a los 540º C. De forma que se vaporiza el mercurio contenido en el mineral siendo captado y enfriado para recuperarlo en forma líquida. El mercurio tiene siete isótopos estables y tres estados de oxidación: 0 (elemental), I (mercurioso) y II (mercúrico) esto es importante porque el comportamiento del mercurio depende de su estado de oxidación. En el estado de oxidación 0 o elemental (Hg0), donde se encuentra en su forma líquida plateada, es volátil y se puede liberar en forma de gas monoatómico conocido como vapor de mercurio. El primer estado de oxidación (Hg2 2+), conocido como catión mercurioso, se encuentra comúnmente en la forma de calomelano o cloruro mercurioso, donde los dos átomos de mercurio están unidos originando la fórmula química Hg2Cl2. Es raramente estable bajo condiciones ambientales convencionales. El segundo estado de oxidación (Hg2+) es una de las formas inorgánicas más estables del mercurio. El mercurio en este estado tiene un papel clave en la toxicología ya que una vez que se absorbe, por su característica de ácido blando, forma complejos con ligandos biológicos, preferentemente con átomos dadores de azufre, siendo el aminoácido preferido, la cisterna, con el cual forma un complejo estable, para su metabolización (Doadrio Villarejo, 2004). La mayor parte del mercurio en el agua, los suelos, los sedimentos o la biota se encuentra en los estados mercurioso y mercúrico formando sales inorgánicas y complejos orgánicos. Las especies de mercurio, más comúnmente encontradas son el cinabrio (HgS), HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 4 combinado con cloro, en forma de óxidos e hidróxidos, nitratos, sulfatos o en formas orgánicas como el cloruro de metilmercurio, dimetilmercurio o fenilmercurio. Al igual que en su forma elemental, algunas formas de mercurio tales como los derivados de metil y metilmercurio tienen una elevada presión de vapor a temperatura ambiente: así la del cloruro de metilmercurio es 0,0085 mmHg y la del dimetilmercurio varias veces mayor. La solubilidad en agua difiere mucho de unos compuestos a otros y aumenta en el siguiente orden: mercurio elemental, cloruro de metilmercurio y cloruro mercúrico. Estas diferencias de solubilidad en agua unidas a la reactividad química de los gases inorgánicos de mercurio divalente hacen que su deposición sea mucho más rápida que la del mercurio elemental. Esto significa que el tiempo de vida en la atmósfera de los gases de mercurio divalentes es mucho más corto que la del gas de mercurio elemental. Este hecho se refleja en los valores de las constantes de distribución entre aire y agua de los distintos compuestos de mercurio, siendo el mayor el correspondiente a Hg0 (0,29), unos cuatro órdenes de magnitud superior al resto de los compuestos, por lo que es mucho más probable encontrarlo en la atmósfera que al resto. La volatilidad es una de las principales características de interés toxicológico del mercurio. Cabe destacar la formación de derivados de mercurio que son los compuestos organometálicos que se caracterizan por la unión del mercurio con uno o dos átomos de carbono mediante un enlace covalente, para formar moléculas del tipo RHg-X y R-Hg-R’, donde R y R’ representan los grupos orgánicos. Su gran importancia toxicológica está relacionada con la solubilidad ya que son muy poco solubles en agua pero muy solubles en los lípidos, lo que facilita su absorción y distribución por los tejidos del organismo. Además, el mercurio es capaz de reaccionar con HNO3 y H2SO4 caliente, sin embargo, no lo hace con HCl, ni con H2SO4 frío o álcalis. Reacciona con disoluciones de amoniaco en presencia de aire para generar Hg2NOH y se combina con azufre a temperatura ambiente. Además, reacciona explosivamente con tetracarbonil-níquel (con agitación); ácido peroxifórmico; dióxido de cloro (con agitación); 3-bromo-propino; metil-silano y oxígeno (con agitación) y disoluciones concentradas de perclorato de plata con 2-pentino o 3-hexino. Algunos metales como el cobre, el hierro o el zinc, precipitan el metal de disoluciones neutras o ligeramente ácidas de sales de mercurio. HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 5 Por último otra característica del mercurio importante a destacar, que ha sido esencial en la historia de la humanidad, es su capacidad para formar amalgamas con algunos metales como son el oro, plata, platino, uranio, cobre, plomo, sodio y potasio. 1.1.2. PRINCIPALES FUENTES Y SU DISTRIBUCIÓN El mercurio se encuentra naturalmente en bajas concentraciones en prácticamente todos los ambientes geológicos. Se estiman concentraciones medias de 0,5 mg kg-1 en la corteza terrestre y, aunque su distribución es muy irregular, se acumula en grandes bolsas, donde la concentración de mercurio es muy elevada. La manipulación del mercurio por el hombre en los más diferentes procesos y sectores industriales ha generado una importante contaminación del medio ambiente, habiendo hecho que se haya roto el ciclo biogeoquímico natural y en alguno casos introduciéndose en la cadena trófica (Bautista, 1999). Las fuentes de mercurio pueden ser naturales o antropogénicas. Las reservas de mercurio se estiman en 30.000 millones de toneladas. El mercurio emitido, tanto de origen natural como antropogénico, está en forma inorgánica, predominantemente en forma de vapor de mercurio metálico (Hg0). Fuentes naturales Se consideran fuentes naturales de emisión de mercurio aquellas que originan la movilización del mercurio de la corteza terrestre de forma natural distribuyéndolo en el medio aéreo, terrestre y acuático, suponiendo menos de un 50% de la liberación total. Puede darse por la actividad volcánica, erosión de las rocas, incendios forestales o evaporación de los océanos. La fuente natural de contaminación más importante es la sublimación del propio Hg metal que crea una vía de entrada a las cadenas tróficas por inhalación. La contribución global de las fuentes geológicas a la atmósfera se ha estimado en 34865 t/año de las que la mayor parte (21 000 t) procede de la evaporación de los océanos. Esta fuente no supone ningún peligro para la supervivencia exceptuando casos puntuales como el de alguna erupción volcánica (1290 t/año) (Gaona Martínez, 2004). HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 6 Fuentes antropogénicas Son consideradas liberaciones antropogénicas de mercurio aquellas asociadas con la actividad humana. El mercurio aportado al ciclo atmosférico por las actividades del hombre es mucho mayor en los países industrializados que en los no industrializados, lo que conlleva un elevado riesgo de toxicidad donde se desarrollan estas actividades. Las tres principales fuentes de emisión antropogénica de mercurio son: la minería, la agricultura y la industria química, que juntos emiten unas 20 000 t/año, y son las responsables del aumento de las concentraciones de mercurio atmosférico en el último siglo (Gaona Martínez, 2004). La minería se considera la principal fuente antropogénica de mercurio con un 50% del total. El mercurio se extrae en forma de cinabrio mayoritariamente, habiendo minas por casi todo el mundo. Las minas de mayor producción de mercurio considerando su actividad extractora han sido las de Almadén (España), Idrija (Eslovenia) y Monte Amaiata (Italia), las tres ya cesadas. Sin embargo, las existentes en China, Kirguistán y Argelia aun continúan con la explotación. También se considera importante la emisión de mercurio a partir de la minería del oro (y plata) en pequeña escala, actividad que usa el mercurio para la formación de amalgamas entre ambos metales con objetivo de separar el metal precioso. Las emisiones de vapor de mercurio por este proceso, aunque pequeñas, son localmente importantes en los sitios de minería a cielo abierto. En las plantas metalúrgicas los concentrados de sulfuros contienen una media de 100- 300 ppm de mercurio lo que anualmente supone unas 2000 t. El mercurio, presente en los concentrados como HgS, se volatiliza como mercurio vapor. La industria química es la segunda fuente de emisión de mercurio más importante, debido a su gran variedad de usos en los más diferentes sectores. Dentro de ella, con diferencia, la industria de cloro-álcali son las que más emiten ya que son responsables de casi el 55% del aporte total de mercurio Las emisiones de mercurio en la agricultura son pequeñas cuando se comparan con el total. Son importantes debido a la utilización en agricultura de fungicidas, herbicidas y conservantes de semillas que contienen mercurio en formas orgánicas que son las más tóxicas. El resto de las fuentes de mercurio deriva fundamentalmente del uso de los combustibles fósiles. HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 7 1.1.3. CICLO BIOGEOQUÍMICO DEL MERCURIO El mercurio, en general, es muy inestable en el medio ambiente ya que está sujeto a múltiples reacciones químicas, biológicas y fotoquímicas (Adriano, 2001). Los dos tipos de reacciones principales que transforman el mercurio en el suelo son las de óxido-reducción y las de metilación-desmetilación. El ciclo del mercurio en la naturaleza está marcado por dos procesos diferenciados influenciados por las características propias de este elemento de elevada presión de vapor y alta afinidad por la materia orgánica. Ambos procesos están representados en la Figura 1. Por un lado se diferencia el ciclo global, que está dominado por las emisiones antropogénicas y naturales de gases de mercurio (Hgº) a la atmósfera y su transporte a largas distancias a través de ella. Por otro lado, el ciclo de carácter local, tiene como principal fuente la actividad antropogénica y depende del proceso de metilación del mercurio inorgánico. Por tanto, la cantidad y forma de mercurio dependerá de las fuentes de emisión y de los procesos de transporte en la biosfera. En el ciclo global, el mercurio es emitido a la atmósfera desde fuentes naturales en forma de vapor elemental por procesos de volatilización de los océanos o a través de fuentes antropogénicas como la minería del mercurio o la combustión de combustibles fósiles (Krishnan et al., 1994). Figura 1: Ciclo biogeoquímico del mercurio Fuente: (http://www.ucm.es/info/crismine/HTML_Almaden/Almaden_contaminacion.htm) HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 8 El mercurio metálico en la atmósfera es arrastrado por el viento y puede transformarse por procesos de foto-oxidación compleja a una forma hidrosoluble, Hg2+, que retorna a la tierra y los océanos por precipitación con la lluvia. El tiempo de residencia del vapor de mercurio en la atmósfera es de hasta 3 años mientras que el de las formas solubles es solamente de unas pocas semanas. El mercurio Hg2+ puede ser reducido otra vez a Hg0 y volver a la atmósfera o incorporarse a los sedimentos oceánicos, donde puede unirse a iones sulfuro formando el cinabrio. Además, existe una deposición seca de partículas y mercurio gaseoso sobre suelos y vegetación. En contraposición, el ciclo local del mercurio se basa en la hipotética circulación de los compuestos de dimetilmercurio. En este caso, el mercurio emitido a partir de la actividad antropogénica se puede transformar a Hg2+ en los ecosistemas acuáticos y en presencia de oxígeno. Este compuesto, en una primera reacción llevada a cabo por bacterias del género Pseudomonas, puede reducirse para dar mercurio metálico en un ambiente anaeróbico. La segunda reacción ocurre en aguas continentales o litorales, transformándose el Hg2+ en las formas metiladas del mercurio (orgánico) y desarrollándose este proceso tanto por vía aerobia como anaerobia. La metilación anaerobia se lleva a cabo a partir de derivados de la metilcobalamina, presentes en ambiente acuático y terrestre, que son producidos por bacterias metanogénicas. Por esta vía la formación de metilmercurio es escasa ya que en medio reductor también se forma sulfuro de mercurio que no queda disponible para la metilación al ser insoluble en medios anaerobios. Sin embargo, en medios aerobios, este sulfuro de mercurio se combina con el oxígeno y forma sulfatos y sulfitos, dejando al mercurio en forma soluble (Figueroa, 1990). Por vía aerobia, el mercurio que está unido a la homocisteína se metila por los procesos celulares que normalmente dan lugar a la formación de metionina. Si la metilación del mercurio inorgánico ocurre en ambiente terrestre, el MeHg forma complejos con las partículas orgánicas presentes en el suelo, lo que favorece su absorción por plantas y animales invertebrados. En las partículas de sedimento que se encuentran suspendidas en el agua, la metilación por vía anaeróbica, forma dimetilmercurio que pasa a la atmósfera, al ser muy volátil e insoluble en agua. Después, esta forma orgánica podrá ser recogida por las lluvias y HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 9 trasformada, si éstas son ácidas, en metilmercurio, el cual retornará al medio acuático completando el ciclo y podrá integrarse en la cadena trófica. 1.1.4. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA MOVILIDAD Y BIODISPONIBILIDAD DEL MERCURIO EN EL SUELO La dinámica y disponibilidad del mercurio están muy influenciadas por el estado físico-químico de los suelos como el pH y el potencial redox, y por los constituyentes orgánicos e inorgánicos del suelo que son los que en gran medida condicionan los mecanismos de retención de metales por adsorción, complejación y precipitación fundamentalmente. Además, las plantas y los microorganismos (bacterias y hongos) del suelo también pueden interaccionar con los metales mediante diversos mecanismos. A continuación se describen los factores que afectan a la movilidad y biodisponibilidad del mercurio. • pH El pH es una propiedad química esencial de los suelos que determina el comportamiento de sus componentes del suelo. El pH afecta a la especiación y estabilidad del mercurio. Por un lado el Hg (II) es estable en solución acuosa a pH neutro. El Hg(II) se encuentra frecuentemente en forma gaseosa, en soluciones acuosas y forma complejos sencillos con Cl- a pH 7 produciendo HgCl+ soluble, y HgCl2 incluso a bajas concentraciones de Cl-. El Hg2+ a pH neutro y básico, forma Figura 2: Especiación del Hg (II) en función del pH y concentración de Cl- (Yin Y. et al., 1996) HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 10 complejos fuertes con OH-, Cl- y compuestos orgánicos, pero está presente únicamente en cantidades traza en la mayor parte del medio ambiente (Davis et al., 1997), (Figura 2). Se ha demostrado que cuando el pH aumenta el Hg(OH)2 aparece como especie dominante, el Hg(OH)Cl aparece como especie en transición y el HgCl disminuye (Adriano, 2001). Los valores de pH más elevados están relacionados con las mayores concentraciones de mercurio, ya que se ve favorecida la retención de éste en forma de cinabrio (HgS). En suelos con calizas o margas a los que se les añade HgCl2, se ve incrementada la reducción de las sales de mercurio a Hg0 y, por tanto, aumentan las pérdidas de mercurio por volatilización cuando el pH aumenta de 5,3 a 6,4 (Frear y Dills, 1967). También la adsorción del mercurio por minerales de la arcilla está condicionada por el pH. Según Farrah y Pickering (1978), la adsorción de mercurio por la illita y la caolinita oscila con el pH. A pH >7,8 se favorecen las cargas negativas en superficie y se absorben cationes (Figura 3). Otro factor importante a tener en cuenta del mercurio es su complejación con el carbono orgánico disuelto, cuya concentración se incrementa cuando el pH también los hace (Kendorff y Schnitzer, 1990). La sorción de mercurio por los distintos minerales de arcilla y los materiales del suelo está determinada por el pH (Figura 3). En el intervalo de pH entre 3 y 5, el mercurio se fija en la materia húmica, mientras que fuera de este margen, aumenta la cantidad de Hg asociado a la materia mineral (Jonasson, 1970) ya que la materia orgánica está saturada con Ca2+ a un pH mayor de 5,5 (Andersson, 1979). Figura 3. Retención de mercurio en suelos y componentes del suelo en función del pH. Fuente: Adriano (2001) HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 11 • Potencial redox Las condiciones de óxido-reducción determinan el comportamiento de los elementos químicos que tienen varias valencias y rigen el funcionamiento biológico de las raíces y de los microorganismos. Las condiciones de óxido-reducción de un suelo se pueden representar gráficamente mediante un diagrama Eh-pH (Figura 4), en el que el Eh indica la capacidad de un medio para ceder electrones a un agente oxidante, o de captar electrones de un agente reductor. El medio de óxido-reducción de los suelos se encuentra limitado por la estabilidad del agua líquida de tal forma que, cuando sube mucho el Eh, el agua se descompone desprendiendo O2; y al contrario, cuando baja se forma H2. Por lo que el Eh también determina si el medio es aerobio o anaerobio. Las reacciones de oxido-reducción controlan la mayoría de las transformaciones esenciales del suelo, como la descomposición de materia orgánica, las reacciones correspondientes al ciclo del nitrógeno o las del ciclo del azufre. El Hg (II) forma complejos fuertes con el Cl- en ambiente oxidante, intensificando la solubilidad, mientras que en ambientes reductores muestra una alta afinidad por los sulfuros formando HgS insoluble. En condiciones naturales de potencial redox y pH, la solubilidad del mercurio está principalmente determinada por Hg(OH)2, Hg0 y HgS (Carrasco et al., 2008). Por encima de pH 5 y en condiciones moderadamente oxidantes, la especie de mercurio en solución que predomina es el Hgº, cuya solubilidad es relativamente baja (56 ng g-1) y en condiciones ligeramente reductoras, el Hgº precipita como HgS, cuya solubilidad es menor (0,002 ng g-1). En condiciones de reducción muy fuertes, su solubilidad aumenta por conversión del ión mercúrico a metal libre o por existencia de HgS2- estable a pH elevados (Wollast et al., 1975). El mercurio alcanza sus mayores solubilidades en ambientes muy bien oxigenados (350 a 400 mV), ya que el Hg(II) es un precursor de compuestos más solubles y de mayor biodisponibilidad como HgCl2, Hg(OH)2 y CH3Hg+, tiene una fuerte tendencia a asociarse con hidróxidos e iones cloruro (Adriano, 2001). HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 12 En condiciones oxidantes, los hidróxidos de hierro y manganeso son excelentes captadores de mercurio, el cual es adsorbido en la superficie de los mismos (Cooker WB, 1995). Al descender el valor del potencial de oxidación-reducción en condiciones anaeróbias se favorece el metabolismo del azufre por parte de las bacterias sulfato-reductoras, cuyos productos principales son, el HgS altamente insoluble y el CH3Hg, altamente tóxico (Fernández, 2006). En los sedimentos, son necesarias las condiciones de reducción para la formación óptima de metilmercurio aunque se ha demostrado que la formación de metilmercurio se produce a mayor velocidad en un sistema acuoso óxico que en uno con condiciones reductoras. Además, las pérdidas de metilmercurio en suelos y sedimentos pueden ser mayores en condiciones aerobias que en condiciones anaerobias (Rogers, 1976). • Materia orgánica Los principales mecanismos de retención de metales son: precipitación, acumulación en la superficie, oclusión en otros precipitados, adsorción e incorporación a los biosistemas. La materia orgánica puede ser considerada como el factor más importante que influye en la sorción y en la formación de complejos metálicos por su capacidad de quelación. Se ha comprobado que los ácidos húmicos y fúlvicos son los mayores responsables de la inmovilización del mercurio por la materia orgánica ya que tienen constantes de gran estabilidad con el mercurio al formar complejos con los átomos de azufre que contienen. Esta Figura 4: Campos de estabilidad de las especies de mercurio sólidos (c) y líquidos (l) a 25° C y 1 atmósfera de presión. (Fuente: Adriano, 2001) pH  HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 13 capacidad de acomplejación está determinada por el porcentaje de carbono orgánico, pH, potencial redox, temperatura y la especiación del mercurio. La formación de complejos controla la concentración de mercurio en solución presente en el suelo lo cual se ha reflejado en estudios, ya que generalmente los suelos con elevados contenidos en materia orgánica o arcillas poseen más mercurio (Warren et al., 1966) y sus pérdidas de mercurio por volatilización son menores (Landa, 1978). En general, el mercurio se acumula en los horizontes superficiales del suelo, de manera que existe un perfil de concentración de mercurio decreciente en los 20 cm de suelo que termina estabilizándose con la profundidad (Millán et al., 2008). Cabe destacar la movilidad del mercurio arrastrado/lixiviado por las precipitaciones. Mateilainen et al. (2001) sostiene que como resultado de procesos de lixiviación, hay suelos cuya concentración de mercurio en la capa superficial disminuye y en las capas más profundas aumenta. El mismo efecto se observa debido a lixiviaciones ácidas que produce la disminución del contenido de materia orgánica en el suelo. En este caso, las superficies inorgánicas quedan más expuestas y dado que presentan una menor afinidad y menor área superficial que las capas de materia orgánica, también se produce una disminución del contenido de Hg(II) adsorbido en los suelos (Yin Y. et al., 1996). Se ha determinado que la illita es la arcilla que presenta mayor capacidad de sorción de mercurio en el suelo, en contraposición, la caolinita es la que tiene menor capacidad de sorción (Fang, 1978). En ausencia de ligandos, la sorción en illita y caolinita cambia poco con el pH; sin embargo, en montmorillonita la sorción de mercurio disminuye al aumentar el pH (Farrah et al., 1978). Como se ha visto, todos estos factores, que afectan a la biodisponibilidad del mercurio, son decisivos para determinar la contaminación del suelo por mercurio y la posible transferencia al sistema radicular de la planta y la persistencia del contaminante. Para evaluar esta posible transferencia se ha definido el Factor de bioacumulación (BAF) que expresa la relación entre la concentración del contaminante en cada uno de los tejidos de la planta respecto a la concentración de elemento en suelo. Si se utiliza el valor de concentración total en suelo, los factores de transferencia son muy bajos, y representan la porción del elemento total del suelo que la planta puede extraer. Estos valores, si bien permiten una comparación a nivel general, pueden no ser muy realistas, debido a la mayor o menor capacidad de ese elemento total para pasar a disposición de la planta. De ahí que en este trabajo se utilicen los valores de elemento fácilmente disponible en suelo. HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 14 La existencia de niveles altos de mercurio disponible en el suelo, pueden resultar fitotóxicos, provocando efectos que pueden ir desde la muerte del ejemplar hasta efectos de carácter subletal (U.S. EPA, 1997). De este modo, tanto la fotosíntesis, la transpiración foliar, y la toma de agua se ve reducida ante exposiciones altas de mercurio (Boening, 2000). 1.1.5. TOXICOLOGÍA DEL MERCURIO Y DE SUS DERIVADOS Como ya se ha citado, el mercurio es un metal muy tóxico siendo la especiación química la variable más importante que influye en la ecotoxicología del mercurio (Jiménez, 2009). El mercurio puede entrar en contacto con el ser humano por medio de tres vías: - Por inhalación: el vapor de mercurio inhalado penetra fácilmente a través de la membrana alveolar hasta la sangre donde queda retenido por oxidación. Se trata de una forma muy dañina. - Por contacto cutáneo: algunas formas orgánicas pueden ser muy dañinas por esta vía. - Por ingestión: el mercurio elemental aunque puede absorberse vía gastrointestinal lo hace muy lentamente, por lo que no resulta extremadamente tóxico en comparación con el 95% del metilmercurio que se absorbe. En general, los derivados orgánicos del mercurio son los más peligrosos ya que son muy estables dentro del organismo, tienen una velocidad de eliminación baja y se fijan en el sistema nervioso central, cerebro y riñones. Sus efectos en los casos más graves son irreversibles porque destruyen las neuronas. El metilmercurio es la forma más nociva de los derivados mercuriales por el hecho de ser absorbida y almacenada de forma acumulativa en los tejidos biológicos. Atraviesa rápidamente la barrera placentaria y la barrera hematoencefálica por lo que los efectos más graves se observan en los tejidos de formación y en el desarrollo del cerebro. Si la metilación del mercurio inorgánico ocurre en ambiente terrestre, el MeHg forma complejos con las partículas orgánicas presentes en el suelo. Este proceso favorece su absorción por plantas y animales invertebrados, ampliando, de esta manera, la contaminación de la cadena trófica terrestre, especialmente en animales herbívoros y sus predadores. HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 15 1.1.6. LEGISLACIÓN APLICABLE El mercurio, a pesar de ser un compuesto con características nocivas hacia el medio ambiente y la biosfera, ha recibido una legislación tardía. Desde el año 2005 la Unión Europea ha promovido la Estrategia Comunitaria sobre el Mercurio para regular los niveles de mercurio ya que prevé reducir las emisiones y la utilización del mercurio tanto a nivel comunitario como a nivel mundial, evitando que el mercurio entre en el flujo de residuos. Por lo tanto, la Unión Europea establece la supresión progresiva de las exportaciones de mercurio, introduce restricciones a la comercialización de determinados equipos de medición y control que contienen dicho metal, y se prevé la elaboración de un sistema europeo de almacenamiento seguro. De esta estrategia surge el Reglamento (CE) 1102/2008 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 22 de octubre de 2008, relativo a la prohibición de la exportación de mercurio metálico y ciertos compuestos y mezclas de mercurio y al almacenamiento seguro de mercurio metálico, donde se fijó la fecha del 15 de marzo de 2011 para que quedara totalmente prohibida la exportación de mercurio en toda la Comunidad Europea exceptuando fines médicos o científicos. Por otro lado, la organización mundial de la salud (WHO) en el 2007 publicó un informe sobre los riesgos en la salud de los metales pesados por la contaminación transfronteriza de largo alcance, en el que se indica los niveles de mercurio en los distintos medios. Además, existen disposiciones varias relacionadas con la regulación del mercurio, como por ejemplo: - El Reglamento (CE) nº 466/2001, de 8 de Marzo de 2001, por el que se fija el contenido máximo de determinados contaminantes en los productos alimenticios. - La Directiva 91/157/CEE, del Consejo, de 18 de Marzo de 1991, relativa a las pilas y a los acumuladores que contengan determinadas materias peligrosas por la que la Comunidad Europea limita el empleo de mercurio en las pilas y los acumuladores. - La Directiva 2000/76/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 4 de Diciembre 2000 relativa a la incineración de Residuos, por la que la CE ha establecido un límite para las emisiones de mercurio de 50μg Nm-3 (Carlos, M., 2009) HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 16 - La Resolución de 28 de Abril de 1995, de la Secretaria de Estado de Medio Ambiente y Vivienda, por la que se aprueba el Plan Nacional de Recuperación de Suelos Contaminados. Debido a la dificultad de unificación de criterios para establecer unos límites máximos de mercurio admisibles en suelo, no existe una legislación específica estatal y las competencias sobre la materia han sido transferidas a las Comunidad Autónomas, como así determina el Real Decreto 9/2005, de 14 de Enero, que establece la relación de actividades potencialmente contaminantes del suelo y los criterios y estándares para la declaración de suelos contaminados, haciendo que las Comunidades Autónomas tengan que determinar los niveles genéricos de referencia de cada contaminante en el suelo. La comunidad de Castilla la Mancha, a la que pertenece la zona de estudio del presente trabajo, todavía no ha establecido los niveles de referencia. Por esta razón, para poder evaluar los valores de Hg en los suelos muestreados se ha recurrido a niveles establecidos en otras comunidades autónomas y también a los establecidos por la normativa holandesa (NMHPPE, 2000) la cual es referente en muchos casos. Todo esto siempre teniendo en cuenta que la zona que nos ocupa presenta una anomalía geoquímica. Por último es interesante señalar que al hablar de contaminación de suelos hay que tener en cuenta que ésta puede afectar a las aguas subterráneas o superficiales por procesos de lixiviación o escorrentía. En el caso del presente trabajo para evaluar este aspecto se va a utilizar la Directiva 2008/105/CE del Parlamento Europeo y del Consejo relativa a las normas de calidad ambiental en el ámbito de la política de aguas y los niveles de referencia y de intervención para aguas subterráneas establecidos por la normativa holandesa (NMHPPE, 2000). HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 17 1.2. ÁREA DE ESTUDIO 1.2.1. SITUACIÓN GEOGRÁFICA El distrito minero de Almadén se localiza en el centro-sur de España a unos 300 km de Madrid. En concreto, se encuentra en la Comunidad Autónoma de Castilla La Mancha, al suroeste de la provincia de Ciudad Real, de forma que queda muy cerca del límite oeste de Badajoz y del norte de Córdoba (Figura 5). Esta área está considerado la mina de mercurio más grande del Planeta. El distrito minero tiene una superficie de 300 km2 del que se ha extraído alrededor de un tercio del mercurio total que se ha utilizado en toda la historia del mundo. Almadén se encuentra sobre un yacimiento natural de mercurio con una mineralogía simple siendo el cinabrio dominante (HgS) aunque también se puede encontrar en forma de mercurio elemental. Figura 5. (A) Localización de Ciudad Real en España. (B) Localización de Almadén (Ciudad Real). Fuente: Elaboración propia a partir de Euroempresas.es y DeAlmadén.com La zona de estudio se localiza en una finca particular llamada Huerta del Rey. Ésta ocupa unas 8,8 ha de extensión y se halla al noroeste del núcleo urbano del pueblo de Almadén (aproximadamente a 1,5 km de su centro), y en frente de la antigua mina del pueblo así como del cerco de buitrones donde se llevaron a cabo procesos metalúrgicos en los famosos hornos de alaudeles u hornos de bustamante (Figura 6). En la finca existen vestigios de una antigua escombrera y una antigua boca de la mina de Almadén. B A N HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 18 Figura 6. Croquis de localización de la finca Huerta del Rey (Almadén). Fuente: Elaboración propia a partir de las bases cartográficas del Instituto Geográfico Nacional. 1.2.2. CLIMATOLOGÍA El área de Almadén está definida dentro de un clima Mediterráneo semiárido, con inviernos fríos y húmedos y veranos suaves y secos (MiIlán et al., 2005). Según datos recogidos durante 30 años en la estación meteorológica de Almadén, la temperatura media es de 16 ºC y la precipitación media de 587 mm (Carrasco et al., 2001, Schmid et al., 2003). La evaporación potencial media anual es de 963 mm alcanzando su máximo en los meses de verano (Schmid et al., 2003) de forma que el suelo típicamente permanece seco durante los meses del estío, hasta el comienzo del otoño. 1.2.3. GEOLOGÍA La zona objeto de estudio se caracteriza por estar sobre un yacimiento metalífero de características muy singulares. El yacimiento de Almadén se formó aproximadamente hace 370 millones de años. Está situado sobre el sector meridional de la zona Centroibérica del macizo Hespérico. N  1:30.000 HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 19 Se caracteriza morfológicamente por estrechos valles con tendencia W-NW aproximadamente de 5 km de ancho (Millán et al., 2006). El depósito se formó sobre una anomalía geológica llamada “sinclinal de Almadén”. Este yacimiento está caracterizado por una sucesión paleozoica fundamentalmente detrítica, la cual fue objeto de una serie de movimientos tectónicos hercínicos que crearon de este a oeste, la sinclinal de Almadén (Higueras et al., 2006a; Sierra et al., 2008a). Además de los materiales detríticos mayoritarios en la sucesión, también se encuentran representadas rocas magmáticas, fundamentalmente rocas máficas de carácter volcánico y subvolcánico (basaltos y diabasas), junto con otras minoritarias de carácter más diferenciado (andesitas, traquitas y riolitas) (Higueras et al., 2000). Las dos variedades de rocas más importantes desde un punto de vista minero son las cuarcitas en diferentes estados de mineralización y la “Roca Frailesca”, que son rocas piroclásticas de tamaño lapilli y composición basáltica (Higueras et al., 2000). Dichas rocas aparecen ligadas a los yacimientos de mercurio, aunque también se pueden encontrar en otros puntos del área sinclinal (Higueras et al., 2004). A rasgos generales, se puede decir que existen dos tipos de yacimientos en Almadén. Por un lado, estarían los primarios, que se caracterizan por tener una mineralización monomineral, donde predomina el cinabrio. Éstos se observan en las minas de Almadén y el Entredicho. Y en segundo lugar, los yacimientos secundarios en la que la mineralización se encuentra rellenando fracturas, por lo que, además de cinabrio, se puede encontrar pirita. Este fenómeno se observa en las minas de Las Cuevas, Nuevo Entredicho y Nueva Concepción (Lominchar et al., 2010; López-Tejedor et al., 2010). Los suelos de la zona son principalmente entisoles, caracterizados por prescindir de horizontes de diagnóstico exceptuando el horizonte A, debido a que son de neoformación. Además también es muy común encontrar inceptisoles, alfisoles y, en zonas de mucho desarrollo humano, los suelos son antrosoles, típicamente caracterizados por el impacto de las actividades humanas (Higueras et al., 2005; Soil Survey Staff, 1999). HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 20 1.2.4. RECURSOS HÍDRICOS Almadén se encuentra dentro de la cuenca hidrográfica del Guadiana. De este a oeste discurre el río Valdeazogues que es el principal curso de agua que cruza el distrito minero de Almadén junto al río Alcudia. El río Valdeazogues se caracteriza porque en él desembocan numerosos arroyos que también atraviesan la zona minera. Muchos de estos arroyos suelen contener sedimentos con mercurio que se terminan incorporando al río. La parcela de Huerta del Rey es atravesada por el arroyo de Fuente Vieja, que comúnmente se encuentra seco en cuánto las precipitaciones empiezan a escasear. 1.2.5. CARACTERÍSTICAS FLORÍSTICAS La vegetación predominante en la finca objeto de estudio es el pastizal, en cuya composición florística destacan, por su abundancia, el llantén (Plantago major), el cardo mariano (Silybium marianum) y el jaramago (Diplotaxis virgata). Otras especies que destacan por su presencia son el marrubio (Marrubium vulgare) y el espárrago (Asparagus officinalis), así como otras de la familia de las leguminosas o de las gramíneas, típicas de estos pastos mediterráneos. Por último, en la zona más húmeda del paraje, coincidiendo con el arroyo que atraviesa la parcela (arroyo de Fuente Vieja) se pueden observar algunas individuos arbóreos de hoja caduca, como los olmos (Ulmus minor). 1.2.6. DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA DE ESTUDIO: Plantago major La planta objeto de estudio es el llantén (Plantago major L.) (Figura 7), y pertenece a la familia Plantaginaceae. Esta planta es generalmente perenne, tiene una altura de entre 7 y 60 cm, y tallos herbáceos muy pequeños o nulos. En la parte aérea de la planta se pueden distinguir unos pedúnculos generalmente de 3 a 24 cm, acabados en inflorescencias en forma de espiga, en las cuales se insertan pequeñas flores amarillentas. Siguiendo con la parte aérea, las hojas son ovadas, dispuestas en roseta basal, con una longitud que generalmente oscila entre 5 y 25 cm. HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 21 El margen folial es entero o irregularmente dentado, y la consistencia del limbo es de herbáceo a algo carnosillo, con pelos de hasta 0,5 mm. Las flores del llantén florecen en primavera y en verano. De la planta se recolecta hojas, tallo, flor y raíz para usos medicinales, ya que se les reconoce diversas propiedades curativas tanto para afecciones respiratorias, de la boca o alergias. Esta planta está distribuida por toda Europa, Norte y Centro de Asia y Norte de África, y en concreto en España se localiza por toda la Península y en las islas Baleares. En general se puede encontrar fácilmente ya que soporta cualquier clima a excepción de los extremadamente fríos, en zonas con elevada materia orgánica y buen drenaje, aunque suele aparecer en herbazales antrópicos. En el estudio que nos ocupa, su mayor interés reside en que es una especie autóctona, muy abundante en la finca, así como por sus cualidades forrajeras, pese a su baja biomasa y su baja palatabilidad. Figura 7. Llantén (Plantago major). Fuente: http://wisplants.uwsp.edu/scripts/detail.asp?SpCode=PLAMAJ HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 22 2. OBJETIVOS Los principales objetivos de este trabajo de investigación en Huerta del Rey realizado en la Unidad de Conservación y Recuperación de suelos del Departamento de Medio Ambiente del CIEMAT son: - Determinación de la concentración de mercurio total y fácilmente disponible para las plantas en las distintas fracciones de suelo (bulk y rizosférico) mediante la aplicación del método de extracción secuencial desarrollado por Sánchez et al. (2005) para suelos de Almadén en el CIEMAT. - Evaluación del comportamiento del mercurio y del grado de transferencia de mercurio del suelo a la vegetación mediante el cálculo del Factor de Bioacumulación para los distintos tejidos de la planta y de la ratio de Hg en parte aérea / Hg en raíz tomando como indicador la especie Plantago major. - La Evaluación de las posibles estrategias de actuación para recuperar el suelo contaminado de esta parcela de Almadén y, en su caso, evaluación de los posibles usos del mismo. HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 23 3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. MATERIALES Y MÉTODOS El procedimiento experimental seguido en este proyecto de investigación del CIEMAT consta de varias fases de actuación, desde la preparación y acondicionamiento de las muestras de suelo y planta recogidas de la zona de estudio, Huerta del Rey, hasta el análisis del contenido de mercurio en el suelo de esta parcela, determinando además, la transferencia de dicho contaminante desde el suelo hacia la vegetación. Para esto último, se ha tomado como planta indicadora, por los motivos ya indicados, el llantén. 3.1. RECOGIDA DE LAS MUESTRAS Las muestras objeto de estudio fueron tomadas durante el mes de mayo de 2010. Se tomaron muestras de llantén, suelo bulk y suelo rizosférico en diez puntos de muestreo dentro de la parcela de estudio. Dichos puntos estaban distribuidos formando una red constituida por cuatro líneas paralelas entre sí y paralelas al cauce temporal del arroyo (Figura 8). La primera línea está constituida por los puntos 1-5-10; la segunda por los puntos 9-2; la tercera, la más próxima al cauce, por los puntos 8-3-6; y, la cuarta por los puntos 4-7. La posición del punto de muestreo 2 coincide con un monolito vestigio de una antigua escombrera donde la heterogeneidad de la zona puede ser grande debido a la mezcla de escombro y suelo. HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 24 Figura 8: Distribución de los distintos puntos de muestreo sobre una ortofotografía de la finca Huerta del Rey. Fuente: Elaboración propia a partir de imágenes del Instituto Geográfico Nacional. Cuando se habla de suelo bulk se refiere a las muestras de suelo tomadas en la zona circundante a la planta, mientras que cuando se habla de suelo rizosférico se refiere al suelo que se encuentra en contacto directo con el sistema radicular y/o bajo su influencia e interacción mutua. Las muestras de suelo bulk en cada punto de muestreo están formadas por mezclas compuestas de cuatro puntos: uno central y tres circundantes, a una distancia fija. Los puntos muestreados quedan fijados mediante el registro de su posición a través de un GPS para facilitar la localización de los mismos en futuros muestreos. Una vez recogidas, las muestras de planta y suelo se guardaron en sobres de papel y bolsas de plástico, respectivamente, se etiquetaron, y se llevaron al laboratorio para proceder a su acondicionamiento y posterior análisis, punto de partida de nuestro trabajo de investigación. HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 25 3.2. PREPARACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE LAS MUESTRAS En cuanto a la preparación y acondicionamiento de las muestras, se debe diferenciar entre el procedimiento seguido para las muestras de planta y el seguido para las muestras de suelo. 3.2.1. MUESTRAS DE PLANTA En el caso de las muestras de Plantago major, en primer lugar, se separan las distintas partes de la planta con ayuda de unas tenacillas y se pesan por separado. Las fracciones que se han obtenido del Plantago major son: tallo florífero, hoja e inflorescencia. Para lavar las muestras, se deposita cada fracción vegetal en un vaso de precipitados y se lava con agua destilada en un baño de ultrasonidos con cuatro ciclos de 10 minutos, volteando su contenido cada vez para asegurar la limpieza completa de cada parte de la planta. Esta etapa de lavado es de suma importancia, dado que si no se elimina el mercurio adherido externamente, se falsearán las posteriores medidas de concentración de mercurio en la planta debida a absorción y no serán representativas para obtener conclusiones. Una vez lavadas correctamente las distintas fracciones de la planta, se dejan secar a temperatura ambiente durante varios días y, posteriormente, se procede a su molienda con ayuda de un molino específico o de un mortero, cuando se precise. El conjunto de muestras lavadas de hoja, tallo y flor está constituido por 27 muestras, una para cada punto de muestreo a excepción del punto 9 en el que no había presencia de llantén. Otra fracción de la planta que se acondicionó fue la raíz, de la cual se obtuvo la fracción de suelo rizosférico, a partir de las partículas edáficas pegadas a ella. Para la preparación de estas muestras, se sometieron a un tratamiento de lavado análogo al expuesto anteriormente pero constituido por seis ciclos de lavado, debido a la mayor dificultad existente en desprender las partículas de suelos adheridas a las raíces frente a la que presentaban las distintas partes de la fracción aérea. Una vez lavadas, al igual que en los casos anteriores, se trituraron en molino específico obteniéndose un total de 9 muestras de raíz preparadas ya para ser analizadas. HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 26 3.2.2. MUESTRAS DE SUELO En cuanto a las muestras de suelo, es necesario diferenciar entre muestras de suelo adherido a las raíces, denominado suelo rizosférico, y muestras de suelo alrededor del punto de muestreo, pero no directamente bajo la influencia radicular, denominado suelo bulk. El primero es el que nos ofrece información más consistente de la transferencia de mercurio suelo-planta y la comparación de ambos, en cuanto a la concentración de mercurio se refiere, nos ofrece si existe cambio en la disponibilidad del contaminante por acción de la atmósfera de la raíz. El acondicionamiento de las muestras de suelo se inicia con el secado de los mismos en un secadero de bandejas metálicas durante varios días a temperatura ambiente, habiendo vertido previamente el contenido de la bolsa traída del muestreo de la parcela sobre unas bandejas hechas de papel de filtro. Seguidamente, los suelos ya secos se tamizan para conseguir tamaños de partícula menores de 2 mm adecuados para los análisis físico-químicos edafológicos, y por último, se toma una submuestra de ese suelo para molerlo con mortero de ágata y así obtener una muestra fina y homogénea, apta para la determinación de su concentración en mercurio. 3.3. CARACTERIZACIÓN FÍSICO-QUÍMICA DE LAS MUESTRAS DE SUELO Para caracterizar el suelo bulk del área de estudio se evalúan cuatro parámetros: pH, materia orgánica, conductividad eléctrica y carbonatos. • Medida de pH La medición del pH se realizó con una relación suelo/agua destilada de 1:2,5 utilizando un pH-metro marca CRISON, modelo ECMETER BASIC 30+. • Determinación de la materia orgánica La materia orgánica que presenta un suelo se determina aplicando el método Walkey- Black, que consiste en una oxidación previa de la materia orgánica del suelo con dicromato HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 27 potásico 1N, en medio ácido, seguido de una valoración del exceso de dicromato con sulfato ferroso amónico (sal de Mohr). • Conductividad eléctrica Para determinar la conductividad eléctrica (CE) se midió la relación suelo/agua destilada de 1:2,5 y 1:5, mediante el mismo instrumento con el que se midió el pH. Esta medida permite establecer cuantitativamente la cantidad de sales que contiene el suelo. • Determinación cualitativa del contenido de carbonatos La determinación de carbonatos presente en el suelo se determina cualitativamente evaluando la posible aparición de efervescencia sobre la superficie de la muestra al adicionar unas gotas de ácido clorhídrico. Esta determinación cualitativa caracteriza a la muestra asignándola una puntuación: 0, si la efervescencia es nula y, por tanto, la muestra no contiene carbonatos; 1, si la efervescencia es muy débil y, 2, si es débil. 3.4. MEDIDA DE LA CONCENTRACIÓN DE MERCURIO EN MUESTRAS Para medir tanto la cantidad total de mercurio como la que hay en las distintas fracciones del suelo, se empleó el Analizador Avanzado de Mercurio (AMA 254). 3.4.1. FUNCIONAMIENTO DEL AMA 254 El Analizador Avanzado de Mercurio (AMA 254) es el instrumento que se ha empleado para medir el mercurio de las distintas muestras preparadas (Figura 9). Se trata de un espectofotómetro de absorción atómica específico para determinar concentraciones de mercurio directamente de las muestras ya sean sólidas o líquidas sin HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 28 previo acondicionamiento. En la Figura 10 se muestra un esquema del AMA 254 en el que se indica de las partes que lo forman. El equipo tiene una navecilla (21) donde se coloca la muestra de peso conocido. En el momento en el que la navecilla entra, atraviesa un tubo catalítico (3) por medio del dosificador (1). A continuación lo primero que se hace es aplicarle calor a la muestra para deshidratarla, una vez completado esto se le sigue aplicando calor hasta descomponerla térmicamente, donde se generarán unos vapores de mercurio. Este vapor se conduce por una corriente de oxigeno a la segunda parte del tubo de descomposición donde se encuentra un catalizador. En este momento se finaliza la oxidación y los halógenos y óxidos de nitrógeno/azufre son retenidos.   El resto de productos que hay en ese vapor que se ha creado contiene unos productos de descomposición que se van a llevar al amalgamador de oro (5) que está sobre un soporte inerte para que seleccione el mercurio y quede retenido en él, luego este mercurio se puede liberar utilizando el otro horno (6). Los demás compuestos se conducen con la corriente de oxígeno al exterior. Para evitar que el vapor se vuelva a condensar, la navecilla y el amalgamador se mantienen a 120º C, una vez que se ha estabilizado el amalgamador a esta temperatura es cuando mide la cantidad de mercurio contenida en la muestra. Previa medida del mercurio se debe de ajustar el cero automático. Figura 9: Analizador Avanzado de Mercurio (AMA 254) HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 29 1 dosificador 9 obturador 17 emisión de oxígeno 2 tubo catalítico 10 detector 18 electrónica analógica 3 horno de catálisis 11 filtro de interferencias 19 microprocesador 8051 4 horno de descomposición 12 bomba de frío 20 regulador del caudal de oxígeno 5 amalgamador 13 calentador 21 navecilla de muestra 6 horno de emisión 14 cubeta de medida de mayor tamaño 22 entrada de oxígeno 7 bastidor de cubetas de medida 15 nave de retardo 23 conexión con el equipo informático 8 lámpara de mercurio 16 cubeta de medida de menor tamaño Figura 10. Esquema del AMA 254. Fuente: Altec (2000)   Para liberar del amalgamador el mercurio y dejarlo limpio para las próximas muestras, hay que elevar la temperatura de forma que el mercurio se vuelve a transferir hacia una cubeta de mayor tamaño (14) mediante un flujo de gas que a su vez depositará el mercurio en la navecilla de retardo (15) para finalmente enviarlo a la navecita de menor longitud (16). Como se ha visto, la concentración se mide dos veces con diferencia de sensibilidad ya que pasa por dos tipos de cubeta distintas (14 y 16) de forma que tiene capacidad para medir un rango de HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 30 mercurio de entre 0,05 a 600 ng. Estos datos son transferidos al equipo informático a través de un módulo del microprocesador 8051 (19). Desde aquí se libera el mercurio al exterior. Para poder medir la siguiente muestra se debe de enfriar la nave y el amalgamador mediante una bomba de enfriamiento (12). Este equipo tiene un límite de detección de 0,01 ng de Hg. 3.4.2. MEDIDA DEL MERCURIO TOTAL EN LAS MUESTRAS Se midieron tanto muestras líquidas como sólidas utilizando el equipo AMA-254. Las muestras sólidas se molieron hasta conseguir la mayor homogeneidad posible (< 125 µm). Las muestras de suelo presentaban contenidos de Hg fuera del rango del equipo (> 600 ng). Para evitar la saturación del equipo AMA- 254, dichas muestras se sometieron a una digestión ácida siguiendo el método EPA 3052 (US EPA, 1996) utilizando un microondas marca ETHOS 1 (Milestone SRL) (Figura 11). Este método consiste en atacar con tres ácidos; HF, HNO3 y HCl de forma que todo el mercurio presente en la muestra se transfiera a la disolución ya que tanto la matriz silícea como la orgánica son digeridas. El líquido resultante de la digestión se midió con el AMA 254. 3.4.3. MEDIDA DEL MERCURIO DISPONIBLE EN LAS MUESTRAS. El estudio de las formas en las que se encuentra distribuido el mercurio en las distintas fracciones del suelo resulta de especial importancia en las investigaciones relacionadas con los sistemas suelo-planta. El método elegido en nuestro caso es el de la extracción secuencial desarrollada específicamente para los suelos que contienen mercurio de Almadén por Sánchez et al. (2005). Existen otros procedimientos de extracción secuencial pero no tan específicas Figura 11. Microondas HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 31 para el caso que nos atañe como la de Tessier et al., 1999 o la BCR-SES de Quevauviller et al., 1997). En el caso del presente estudio, solo se efectuaron las dos primeras fases de la extracción secuencial bajo el protocolo antes citado, para conocer la fracción soluble y la intercambiable del mercurio contenido en el suelo. Se analizaron 26 muestras puesto que los 10 puntos se hicieron por duplicado y además se midió un patrón y un blanco por duplicado también. 3.4.4. VALIDACIÓN DE LAS MUESTRAS OBTENIDAS CON AMA 254 Para conocer si los valores que el AMA 254 está proporcionando son fiables y precisos y no existe ninguna contaminación externa ni desajuste del aparato, se deben analizar patrones de concentración conocida y comprobar si la concentración que se estima es la correspondiente. En el caso tratado, los patrones que se utilizaron fueron sólidos y líquidos. Los patrones sólidos utilizados fueron vegetales, edáficos y de polvo de leche, éstos están certificados por el Community Bureau of Reference (BCR) actualmente llamado Standard Measurements and Testing, garantizando una muestra homogénea y de concentración exacta y conocida, pudiendo realizar repeticiones de medidas exactas. El único patrón líquido que se empleó fue de concentración 10 ug l-1, este patrón se ha elaborado en el laboratorio de química analítica del CIEMAT. En la Tabla 2 se muestran los patrones sólidos y líquidos que se han empleado, la concentración esperada y la obtenida por el AMA 254. Figura 12: Montaje experimental de filtración HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 32 Tabla 2. Patrones empleados en el experimento: concentraciones esperadas y obtenidas Patrón Tipo de patrón Concentración esperada Concentración obtenida Genérico Patrón líquido elaborado en el laboratorio de Química Analítica del CIEMAT 10 ± 0,5 μg kg-1 0,8 ± 0,1 μg kg-1 BCR-151 Polvo de leche desnatada 0,101 ± 0,010 mg kg-1 0,105 ± 0,009 mg kg-1 CRM-027 Suelo contaminado procedente del oeste de EE.UU. 3,80 ± 0,65 mg kg-1 4,45 ± 0,57mg kg-1 CRM-051 Suelo contaminado procedente de un área de EE.UU. 29,90 ± 5,96 mg kg-1 28,87 ± 3,47 mg kg-1 3.5. PROCEDIMIENTO ESTADÍSTICO CON SOFTWARE SPSS Para llevar a cabo el análisis de los resultados se ha hecho un estudio estadístico mediante el software SPSS Statistics 15.0. En concreto, los datos obtenidos se han sometido a dos pruebas estadísticas. Por un lado, se realizó una comparación de medias para ver si existían diferencias significativas entre las distintas categorías de las distintas variables contempladas; y, por otro lado, se llevaron a cabo estudios de correlación para conocer, de entre las distintas variables, las posibles relaciones y sus diferentes intensidades. Previamente a la comparación de medias, se realizó la evaluación de la homogeneidad de varianzas con un nivel de significación de 0,05, para lo cual se ha utilizó el Test de Levene. Cuando hubo homogeneidad de varianzas se utilizó el análisis de varianzas (ANOVA) de un factor. Cuando el test de Levene rechazó la homogeneidad de varianzas, se utilizó el método no paramétrico de Welch, un estadístico que representa una robusta alternativa al estadístico F del ANOVA en los casos de heterocedasticidad. Las pruebas post hoc o comparaciones a posteriori se realizaron mediante el test de Tukey y Games-Howell, para el ANOVA y el test de Welch respectivamente. Todos los análisis y pruebas se llevaron a cabo con niveles de significación de 0,05. HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 33 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En los siguientes apartados se muestran y discuten los resultados obtenidos en el presente estudio. 4.1. PARÁMETROS FÍSICO-QUÍMICOS DEL SUELO Los resultados de la medida de los parámetros físico-químicos: pH, conductividad eléctrica (CE), cantidad de materia orgánica (MO) y determinación cualitativa de CaCO3 de las muestras de suelo bulk, se recogen en la Tabla 3. Tabla 3. Resultado de la medida de parámetros físico-químicos en los suelos bulk muestreados P. Muestreo pH (1:2,5) CE (µS cm-1) (1:2,5) % MO Presencia CaCO3 (cualitativo 0-4) 1 6,8 276 2,0 0 2 6,5 459 6,0 0 3 7,0 397 3,7 1 4 5,7 107 2,3 0 5 5,8 144 2,5 0 6 7,0 243 2,3 0 7 7,1 567 3,3 0 8 7,3 372 2,6 2 9 6,0 131 2,3 0 10 6,0 162 2,5 0 En cuanto al pH, los valores obtenidos, para las 10 muestras de suelo bulk de la parcela de Huerta del Rey, indican que el pH en general está en el rango de la neutralidad, el cual la sitúa entre 6,5 y 7,5 (Jones, 2000). A pesar de esto existen cuatro excepciones (punto 4, 5, 9 y 10) que presentan un pH en rango ácido. La parcela por su carácter neutro presenta unas condiciones adecuadas para el desarrollo de las plantas ya que la biodisponibilidad de los nutrientes necesarios es, en principio, adecuada y, en este rango de acidez, los efectos tóxicos son mínimos (Porta, et al., 1999). En cuanto a los carbonatos presentes en el suelo, el rango de efervescencia varía entre nula y débil, por lo que se puede asumir que en estos suelos no existen. HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 34 Los puntos comprendidos en el intervalo de pH entre 5,6-6 de acuerdo con Porta, et al., (1999) se definen como medianamente ácidos. Además dichos puntos presentan un rango de pH en el que se ve favorecida la perdida de mercurio por volatilización ya que, según Frear y Dills (1967), la volatilización de este elemento se incrementa cuando el pH está entre 5,3 y 6,4. Por otro lado, se debe de tener en cuenta que, dado que el suelo presenta unas buenas condiciones de aireación, la forma de mercurio elemental puede evolucionar a Hg2+ mediante reacciones de oxidación. El mercurio bivalente es una forma más soluble y está más disponible para que pueda ser absorbida por la planta. En lo que se refiere al contenido de materia orgánica, según Porta et al. (1999), los suelos agrícolas de secano cultivados bajo un clima semiárido, a los que en parte pueden asemejarse los suelos de la zona de Almadén, presentan un valor medio de materia orgánica entre 1-2%. De acuerdo a esto, la finca globalmente supera este rango, pero hay que tener en consideración que la finca está sometida a un aprovechamiento ganadero de oveja que favorece el incremento de materia orgánica. Los suelos con tasas de materia orgánica inferiores al 2% tienen un bajo contenido de agregados y una baja porosidad, lo que puede conducir a más erosionabilidad y a suelos más sensibles a la compactación (Seoánez et al., 1999). Según Millán et al. (2007), en los suelos neutros o con poca materia orgánica la solubilidad estaría dominada por los óxidos de hierro y los minerales de arcilla en lugar de por complejos con materia orgánica, y la movilidad del mercurio aumentaría al disminuir el pH. La conductividad eléctrica del suelo presenta valores por debajo de 500 µS cm-1 tal y como se esperaba debido a que la geología del área no es salina (Porta et al., 1999). Existe una excepción, el punto 7 está ligeramente por encima del rango esperado, es decir, en este punto existe una cantidad anómala de sales disueltas que pueden proceder de las actividades antropogénicas (Schmid et al., 2005). El nivel de sales solubles encontradas en la solución del suelo determina la conductividad eléctrica. Las sales incluyen cationes como el Na+, K+, Ca2+, Mg2+ NH4+, y aniones como el Cl-, NO3-, SO4 2- y CO3 2-, éstas contribuyen a la conductividad en la solución de un suelo. De la discusión de los resultados de los parámetros físico-químicos cabe destacar el punto de muestreo 7 como un punto excepcional, con vistas a un futuro estudio. Dicho punto HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 35 presenta elevados valores de pH, CE y % MO, correlacionado, como se verá más adelante, con un valor de concentración de Hg total en suelo bulk y en raíz significativamente más alto que en el resto de puntos. 4.2. MERCURIO EN SUELO 4.2.1 MERCURIO TOTAL EN EL SUELO La concentración de mercurio total del suelo se ha determinado tanto en la fracción de suelo rizosférico como en la fracción de suelo bulk. Dado que la concentración de mercurio en las muestras de suelo superan el límite máximo de detección del equipo (600 ng de Hg), es preciso someterlas previamente a un ataque ácido tal y como se ha comentado anteriormente. De esta manera, la concentración real de mercurio total en el suelo viene dada por la ecuación [1]; donde, m, es el peso de la muestra de suelo que se lleva a digestión, y, V, es el volumen del reactor utilizado en el proceso de digestión. El peso de la muestra de suelo debe ser de 0,1g según viene dado por el procedimiento de digestión EPA Method 3052 (1995). ( ) ( )mlV gm HgHg Hg BLANCOTOTALMEDIDATOTAL REALTOTAL ∗ − = __ _ ][][ ][ [1] En el AMA 254 se han llevado a cabo 3 replicados de cada muestra para obtener resultados representativos. Las concentraciones de mercurio total real determinadas, tanto para fracción bulk como para fracción rizosférica, se muestran en la Figura 13. La concentración de mercurio total de las muestras de suelo rizosférico está comprendida entre 180 -1180 mg kg-1, a excepción del punto de muestreo 3 y 7 en los que se alcanzan valores de 5086 mg kg-1 y 2363 mg kg-1, respectivamente. En estos puntos, los HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 36 valores más elevados de mercurio total en rizosfera coinciden con los de mayor concentración de Hg en la parte aérea vegetal. Figura 13. Concentración total de mercurio en suelo. Para el suelo bulk, las concentraciones de mercurio determinadas se mueven en un rango superior, comprendido entre 530 - 4300 mg kg-1, llegando incluso a un valor de 12 378 mg kg-1 en el punto de muestreo 7. Cabe indicar que dicho punto, en la caracterización físico- química del suelo bulk, es el que presenta los valores más elevados de pH, conductividad eléctrica y porcentaje de materia orgánica. Vistos los resultados, la parcela Huerta del Rey, además de estar situada sobre una formación geológica atípica, puede considerarse como un área impactada por la explotación y el aprovechamiento del mercurio, pues en ella se alcanzan valores superiores a 100 mg kg-1 (Adriano, 1986). Además, existen normativas como la de Andalucía (CMAJA, 1999), que fija un nivel de intervención para Hg total en suelos de áreas industriales (zona poco restrictiva), de 30 mg kg-1 que son 6 veces más bajos que la concentraciones de Hg total más baja obtenida en el presente trabajo. Por otro lado, si tomásemos niveles de referencia más restrictivos que los anteriores, por ejemplo los dados para la Comunidad de Madrid para “otros usos del suelo”, tendríamos que considerar la cifra de 5 mg kg-1 de Hg (ORDEN HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 37 2770/2006) y, de esta forma, los valores de Hg total para los suelos del presente estudio superarían este valor hasta 560 veces. Millán et al., (2006) muestran datos de concentraciones de mercurio total desde 5,03 mg kg-1 en un paraje llamado "Fuente del Jardinillo" de Almadén, hasta 1710 mg kg-1 en la propia mina de Almadén. Por su parte, Molina et al., (2006), también en la zona de Almadén, encontraron valores de concentración de mercurio que variaban entre 0,13 y 2695 mg kg-1. Dentro de este último intervalo se encuentran los niveles detectados en la fracción rizosférica de la parcela Huerta del Rey, considerados valores normales para una región con abundantes depósitos ricos en mercurio y sujeta a una intensa y prolongada actividad minera (Higueras et al., 2004; Gray et al., 2004 y Molina et al., 2006). La altas concentraciones de mercurio total en suelo bulk de la parcela de Huerta del Rey, se encuentran dentro del intervalo de concentración de Hg total de 5 - 40 000 mg kg-1 registrados en Almadenejos, una zona con características similares a la parcela estudiada donde hubo hornos minero metalúrgicos (Millán et al., 2011). De acuerdo con los contrastes de medias, se determina que existe una diferencia significativa entre éstas para la concentración de Hg total de la fracción rizosférica y de la zona de bulk, siendo el contenido total en mercurio en bulk entre dos y tres veces mayor que en la fracción rizosférica (Tabla 4). En cuanto a los estudios de correlación realizados, existe correlación positiva entre el contenido de mercurio en las dos fracciones. Tabla 4. Medias de concentración de Hg total en fracción bulk y rizosfera. FRACCIÓN DE SUELO MEDIA [Hg] total (mg kg-1) RIZOSFÉRICA 1002 ± 153 BULK 2805 ± 601 HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 38 4.2.2. MERCURIO SOLUBLE EN EL SUELO El mercurio soluble del suelo es aquel que está en la solución del suelo y, por tanto, junto con el intercambiable, es el que está en forma fácilmente disponible para la planta. El mercurio soluble, tanto en suelo bulk como en rizosfera, se ha obtenido aplicando la primera etapa del procedimiento de extracción secuencial desarrollado por Sánchez et al., 2005). De esta manera, la concentración de mercurio soluble real medida en cada muestra viene dada por la ecuación [2]; donde, m, es el peso de la muestra de suelo, y V es el volumen final. ( ) ( )mlV gm HgHg Hg BLANCOTOTALMEDIDASOLUBLE REALSOLUBLE ∗ − = __ _ ][][ ][ [2] Las concentraciones de Hg soluble de cada punto de muestreo en suelo rizosférico y en suelo bulk aparecen representadas en la Figuras 14 y Figura 15, respectivamente. Cabe destacar que la mayor concentración de Hg soluble en rizosfera se obtiene en el punto de muestreo 7, punto en el que, como se ha comentado anteriormente, también aparecen valores máximos en los parámetros de caracterización físico-química analizados y de concentración de Hg total en suelo bulk. Esta relación se corrobora con los resultados obtenidos en los análisis de correlación, ya que se ha determinado una relación significativamente estadística entre la concentración de mercurio soluble en rizosfera y el pH. El punto 7 coincide, además, con uno de los tres valores más elevados de Hg en parte aérea. Los análisis de correlación determinan correlaciones positivas pero estadísticamente no significativas tanto para el caso de la concentración de Hg en parte aérea del llantén respecto a la concentración de Hg disponible en rizosfera, como para aquella fracción y la concentración de Hg disponible en la fracción bulk. Tabla 5. Medias de concentración de Hg soluble en fracción bulk y rizosfera FRACCIÓN DE SUELO MEDIA [Hg] soluble (mg kg-1) RIZOSFERA 0,380 ± 0,073 BULK 0,880 ± 0,079 HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 39 En cuanto al análisis de comparación de medias para las variables concentración de Hg en las fracciones solubles del suelo bulk y del suelo rizosférico, el resultado ha mostrado diferencias significativas entre ambas. Cabe destacar que, según los resultados obtenidos, en promedio (Tabla 5), el contenido de mercurio soluble en el suelo rizosférico es menos de la mitad que el soluble en el área fuera de la influencia de la raíz del vegetal (suelo bulk). Sería interesante medir el pH en la rizosfera, compararlo con el obtenido en el suelo bulk y evaluar posibles estrategias por parte de la planta. La fracción de mercurio soluble es un indicador del mercurio lixiviable, fracción potencialmente contaminante de aguas subterráneas. En este estudio el mercurio soluble supone menos de un 0,11% del Hg total en rizosfera, siendo la concentración máxima de 1,84 mg kg-1 en el punto 7, y menos de un 0,28 % del Hg total en bulk, con una concentración máxima de 2,76 mg kg-1 en el punto 1. El porcentaje de mercurio soluble menor de un 3 % determinado en la zona de Almadenejos (Millán et al., 2010), con características similares a Huerta del Rey, se encuentra dentro del rango determinado en este estudio. A pesar de que el Hg soluble representa una pequeña fracción del mercurio total, supone concentraciones muy altas comparadas incluso con los niveles de referencia para Hg total en suelos (NMHPPE. 2000; BWRHABTGG, 1995). Por otro lado, el Hg soluble puede trasladarse a otro compartimento ambiental como son las aguas subterráneas o superficiales. En la Directiva 2008/105/CE se marca una concentración máxima admisible en aguas superficiales de 0,07 μg l-1 de Hg y el nivel de intervención fijado por la normativa holandesa para aguas subterráneas es de 0,3 μg l-1 de Hg. Teniendo en cuenta estos valores y nuestros resultados, parece razonable pensar que exista un riesgo potencial de contaminación de las aguas. En cuanto al estudio estadístico, se han analizado las posibles diferencias significativas entre la concentración de mercurio soluble en bulk y entre los distintos puntos de la parcela. La interpretación de dichos resultados se hace en función de la situación de los puntos en dicha parcela. Así, se observa que en la línea de los puntos 2 y 9 no existen diferencias significativas entre ambos puntos, por lo que se espera que en esta línea la concentración de Hg sea similar. Sin embargo, en la línea de los puntos 4 y 7 sí existen diferencias significativas, siendo la concentración de Hg en el punto 7 muy superior. Igualmente, la línea virtual que pasaría por los puntos 3-6-8 presenta diferencias significativas entre los puntos 3-6 y 6-8, siendo mayor el Hg en el punto 6. Resulta interesante el hecho de que los puntos 6 y 7, con mayores concentraciones y con diferencias significativas con el resto de puntos de su línea, estén próximos entre sí. Una posible justificación puede ser la historia minera de la HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio de la transferencia del mercurio a P. major 40 parcela Huerta del Rey, ya que se sabe que en algún punto de dicha parcela hubo hornos mineros. 4.2.3. MERCURIO INTERCAMBIABLE EN EL SUELO El mercurio intercambiable, tanto en suelo bulk como en rizosfera, se ha obtenido aplicando la segunda etapa de la extracción secuencial citada en el apartado de material y métodos (Sánchez et al., 2005). La concentración de mercurio intercambiable real de cada muestra se calcula con la ecuación [2]. Las concentraciones de Hg intercambiable de cada punto de muestreo en suelo rizosférico y bulk aparecen representadas en las Figura 18 y Figura 19, respectivamente. Nuevamente, destaca la máxima concentración en suelo rizosférico de Hg intercambiable en el punto 7, punto que presenta máximos de pH y conductividad eléctrica. Adicionalmente, el estudio de correlaciones ha indicado que existe una correlación significativa y positiva entre la concentración de Hg intercambiable en el suelo rizosférico y las variables pH y CE, a un nivel de significación de 0,05 y de 0,01, respectivamente. Del estudio estadístico con el software SPSS que se llevó a cabo para conocer las diferencias significativas entre medias, se extrae que existen diferencias significativas entre la variable que nos ocupa para las dos fracciones de suelo estudiadas (rizosfera y bulk), siendo la concentración del mercurio intercambiable del suelo bulk nuevamente aproximadamente dos veces mayor que la del suelo rizosférico (Tabla 6). Por otro lado, el estudio de correlaciones llevado a cabo determina la existencia de una relación positiva y significativa estadísticamente entre ambas variables. Tabla 6. Medias de concentración de Hg intercambiable en fracción bulk y rizosfera FRACCIÓN DE SUELO MEDIA [Hg] intercambiable (mg kg-1) RIZOSFERA 0,136 ± 0,087 BULK 0,237± 0,048 HUERTA DEL REY: Caracterización edáfica de una zona histórica de la minería del mercurio y estudio