Embed Size (px)
Citation preview
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERA AMBIENTAL
INFORME TÉCNICO DE LA OPCIÓN CURRICULAR EN LA MODALIDAD DE: PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA
TÍTULO DEL TRABAJO:
Evaluación de metales tóxicos en partículas atmosféricas urbanas PM2.5 y su relación con otros
contaminantes gaseosos.
PRESENTA:
González Ulloa Yuriana
México, D. F. Mayo 2009
ASESOR INTERNO: Dr. Luis Torres Bustillos E.1: Ing. Agustín Rivera Hernández ASESOR EXTERNO: Dra. María Eugenia Gutiérrez E.2: Q.B.P Miriam Juárez Juárez
Créditos
El trabajo de investigación que sustenta este informe técnico de proyecto terminal
III, fue realizado en el Laboratorio de Análisis y Monitoreo del CIIEMAD-IPN. Bajo
la dirección de la Dra. Ma. Eugenia Gutiérrez Castillo, responsable del proyecto de
investigación CIIEMAD-IPN proyecto SIP número en la SIP no. 20090515.
AGRADECIMIENTOS
EVALUACIÓN DE METALES TÓXICOS EN PARTÍCULAS ATMOSFÉRICAS URBANAS PM2.5 Y SU RELACIÓN CON OTROS CONTAMINANTES GASEOSOS.
*. Dra. Ma. Eugenia Gutiérrez Castillo, Yuriana González Ulloa
*. Calle 30 de Junio de 1520 Col. Barrio la Laguna Ticomán C.P. 07340 Del. Gustavo A. Madero México, D.F. Teléfonos: + 52 (55)57296000, Ext 52707 y 52708 Fax: + 52 (55) 57296000, Ext. 52700 [email protected]
Introducción: Actualmente y por convención internacional se encuentran reguladas y consideradas como contaminantes críticos, las partículas suspendidas PM10 (≤ 10 µm) y PM2.5 (≤ 2.5 µm), por su presunta responsabilidad en la mortalidad y morbilidad por afecciones cardiorrespiratorias agudas. A pesar de la gran cantidad de información y estrategias de control que se han generado alrededor de este contaminante, la contaminación por PA sigue siendo un asunto controvertido y en intenso estudio, sobre todo porque: a) se han observado diferencias en los efectos tóxicos entre ciudades; b) se ha demostrado que las PA de diferentes orígenes no son igualmente tóxicas; c) se han asociado efectos biológicos diferenciales en distintos órganos y d) porque algunos de los efectos tóxicos son independientes a la concentración de las PA (1). Por tal motivo, con mayor frecuencia los estudios científicos están dirigiéndose a determinar y entender la toxicidad de las PA, incluyendo la evaluación de propiedades físicas, químicas y biológicas y sus correlaciones. Metodología: Inicia con el muestreo de PM2.5 en del periodo Febrero del 2008 a Julio del 2008 en tres diferentes regiones del AMCM Xalostoc (XAL), Tlalnepantla (TLA) y Merced (MER), continuando con evaluación de la concentración de PA y recopilación de otros parámetros como concentraciones de otros contaminantes gaseosos Así como de la determinación de metales acuo y ácido solubles de estas partículas, aplicando los métodos de la EPA IO- 3.2 e IO- 3.3 (2). La evaluación de metales como zinc, fierro, cobre, cromo, manganeso, titanio y plomo en ambos tipos de extractos, se realizo por Plasma acoplado inductivamente - Espectrometría de emisión óptica de Perkin Elmer. Y finalmente la evaluación de la toxicidad que las partículas inducen en el ADN de timo de cordero tanto en la suspensión como en sus diferentes fracciones solubles e insolubles. Resultados y discusión: Durante el periodo en estudio, en ninguna de las regiones se excedió la norma de exposición aguda de los contaminantes criterio. La región con mayor concentración de PM2.5, aunque sin exceder el valor de la norma corresponde a Xalostoc, zona que ha venido siendo caracterizada como de mayor concentración de PA. Adicionalmente, la relación entre PM2.5 / PM10 es generalmente mayor a 0.5, para las regiones Tlalnepantla y Merced lo que indica una mayor contribución de partículas finas en las PA de estas regiones, que en principio comparten altos flujos vehiculares. Las partículas atmosféricas contienen diversos metales, la proporción y tipo depende de las fuentes de emisión, pero el perfil químico en el que predominan está determinado no sólo por las fuentes emisoras sino también por las condiciones atmosféricas y las interacciones de los metales con otras especies gaseosas presentes en el medio circundante. Por su concentración los metales evaluados en las partículas, se agrupan en dos tipos: mayoritarios y elementos traza. En forma general la proporción de metales ácido solubles es mayor a la observada en la fracción acuosoluble, no obstante para metales como el Cu, Cr y Mn las proporicones son similares en ambas fracciones . Con la finalidad de evaluar el potencial genotóxico de las partículas ambientales al
reaccionar con el ADN y catalizar el daño oxidativo inducido por del H2O2, incubamos ADN desnudo de timo de cordero en presencia o ausencia de H2O2, con: Muestras de suspensiones acuosas de PM2.5, así como sus correspondientes fracciones solubles e insolubles. El daño causado al ADN cuando es expuesto únicamente al H2O2 es de aproximadamente un 11 % y que este daño aumenta de manera considerable cuando se le agregan las PM2.5, con las tres fracciones analizadas, también se puede observar que cuando exponemos el ADN únicamente a las PM2.5 el daño causado es mucho menor.
Fig 10. Gráfica de % Daño al ADN vs los diferentes extractos en agua de PM2.5 recolectadas en Merced
Conclusiones y perspectivas: El estudio realizado se enfoco principalmente en la evaluación del contenido de metales solubles en medio acuoso y ácido en partículas atmosféricas PM2.5 y su comparación con el daño que algunas de estas muestras inducen en el ADN de timo de cordero. Los principales resultados aportan evidencias y apoyan las siguientes conclusiones: La distribución de metales de transición del tipo, Cr, Cu, Fe, Mn, Pb, Ti y Zn en las PA depende de la región y el tiempo de recolección. Los resultados obtenidos sugieren que algunos de los metales comparten fuentes de emisión, situación que también se observa al compararlo con algunos de los contaminantes criterios. Los metales de transición asociados a las PA contribuyen al potencial genotóxico de estas, debido a que indujeron daño cuando fueron evaluadas en el modelo acelular in vitro de ADN de timo de cordero. Tanto los componentes acuosolubles e insolubles de las PA del AMCM son responsables del daño que las partículas completas generan.
Agradecimientos: Dra. Ma. Eugenia Gutiérrez Castillo Profesora-Investigadora del CIIEMAD-IPN.
Referencias:
1.- Burnett et al., 2000 Burnett RT, Brook J, Dann T, Delocia C, Phillips O, Cakmak S, Vicent R., Goldberg MS, Krewski D. 2000. Inhalation Toxicology 12 (4):15 – 39.
2.- US-EPA (1999).Compendium of Methods for the Determination of Inorganic Compounds in Ambient Air. Unites States Environmental Protection Agency EPA/625/R-96/010a. Compendium of Method IO-3.3.
INDICE
I.- INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 1
I.1.- ANTECEDENTES: .................................................................................................................... 3
I.1.- JUSTIFICACIÓN: ...................................................................................................................... 6
I.2.- OBJETIVOS ............................................................................................................................... 8
II.-- METODOLOGÍA .............................................................................................................. 8
II.1 Diseño de la investigación ........................................................................................................ 8
II.2 Área de estudio. .......................................................................................................................... 9
II.3 Evaluación de metales acuo y ácido solubles en PM2.5 ..................................................... 11
II.4 Evaluación toxicológica de fracciones solubles, insolubles y suspensiones. ................. 11
II.5 Análisis Estadístico .................................................................................................................. 12
III. RESULTADOS y DISCUSIÓN......................................................................................... 13
III.1 Concentraciones de partículas y contaminantes en el AMCM en el período de estudio Feb – Jul 2008. .................................................................................................................. 13
III. 2 Distribución de los metales en las PA. ................................................................................ 17
III. 2.1 Concentración de metales ácido y acuosolubles en las partículas. ........................... 17
III.2.2 Análisis de correlación entre metales ácido y acuosolubles y contaminantes gaseosos. ......................................................................................................................................... 19
III. 3 Evaluación de la genotoxicidad de PA del AMCM y partículas subrogadas a través del ensayo acelular in vitro de ADN de timo de cordero. .......................................................... 22
III.3.1 Características espectroscópicas del ADN de timo de cordero. .................................. 23
III.3.2 Evaluación de la integridad de la solución del ADN. ...................................................... 24
III.3.3 Rangos lineales. ................................................................................................................... 24
III.3.4 Optimización del ensayo acelular del ADN y control de la calidad de los resultados. ........................................................................................................................................ 25
III.3.5 Genotoxicidad de PA del AMCM y partículas con el ensayo acelular in vitro de ADN de timo de cordero. ............................................................................................................... 26
IV.- CONCLUSIONES .......................................................................................................... 30
V.- RECOMENDACIONES PARA TRABAJO FUTURO ...................................................... 30
VI. BIBLIOGRAFÍA: ............................................................................................................. 31
ii
ÍNDICE DE TABLAS.
Tabla 1. Condiciones técnicas del ensayo acelular in vitro de ADN ...................................... 12
Tabla 2. Contaminantes criterio en el periodo de estudio de febrero-marzo 2008 en el AMCM .................................................................................................................................. 14
Tabla 3. Contaminantes criterio en el periodo de estudio de Marzo-Abril 2008 en el AMCM 15
Tabla 4.Contaminantes criterio en el periodo Mayo-Julio 2008 en el AMCM ......................... 16
Tabla 5.Contenido de metales en PM2.5 de Tlalnepantla en el periodo de febrero-marzo 2008 (µg metal/m3) ............................................................................................................... 18
Tabla 6. Contenido de metales en PM2.5 de Merced en el periodo marzo-abril 2008 (µg metal/m3) .............................................................................................................................. 18
Tabla 7. Contenido de metales en PM2.5 de Xalostoc en el periodo de Mayo-Julio 2008 (µg metal/m3) .............................................................................................................................. 19
Tabla 8. Coeficientes de correlación de Spearman entre la concentración de las PA, las especies metálicas ácido y acuosolubles .............................................................................. 20
Tabla 9. Coeficientes de correlación de Spearman entre la concentración de las PA y las especies metálicas ácidas .................................................................................................... 20
Tabla 10. Coeficientes de correlación de Spearman entre la concentración de las PA, las especies acuosolubles .......................................................................................................... 21
Tabla 11. Coeficientes de correlación de Spearman entre la concentración de las PA y los contaminantes criterio. .......................................................................................................... 21
Tabla 12. Datos espectrofotométricos del ADN de timo de cordero ...................................... 23
Tabla 13. Ejemplo del tratamiento de datos de las PM 2.5, capturadas el 07/06/08 .............. 27
iii
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES.
Ilustración 1. Diagrama de bloques del diseño experimental ......................................................... 9 Ilustración 2. Mapa de ubicación de la Red de Monitoreo (de PM2.5) ......................................... 10 Ilustración 3. Muestreador de alto volumen para PM2.5 ................................................................. 11 Ilustración 4. Espectro de absorción UV-VIS del ADN de timo de cordero en dos diferentes amortiguadores: fosfato de potasio 0.1 M y pH= 7.4 y Tris-HCl 10 mM y pH= 8 ...................... 23 Ilustración 5. Relación de absorbancias del ADN detimo de cordero con diferentes amortiguadores y estabilidad de la misma en el tiempo. .............................................................. 24 Ilustración 6. Curva tipo para la calibración del espectro del ADN de timo de cordero. Amortiguador de fosfatos (___) amortiguador Tris-HCl (___) (promedio de tres determinaciones) ................................................................................................................................. 24 Ilustración 7. Evaluación del porcentaje de recuperación del ADN de timo de cordero después de la aplicación del procedimiento del ensayo acelular in vitro. .................................. 25 Ilustración 8. Evaluación de la exposición del ADN de timo de cordero al peróxido de hidrógeno (control positivo)................................................................................................................ 25 Ilustración 9. Gráfica de % daño al ADN vs los diferentes extractos en agua. ......................... 27 Ilustración 10. Gráfica de % daño al ADN vs los diferentes extractos en agua de PM2.5 recolectadas en Merced. .................................................................................................................... 28 Ilustración 11. Gráfica de % daño al ADN vs los diferentes extractos en agua de PM2.5 recolectadas en Xalostoc. .................................................................................................................. 28 Ilustración 12. Gráfica de % daño al ADN con la fracción orgánica del DURF. ........................ 29 Ilustración 13. Gráfica de % daño al ADN con la fracción acuosa del DURF. ........................... 29
1
I.- INTRODUCCIÓN
La calidad del aire en muchas ciudades del mundo se ha visto deteriorada por el aumento
en las emisiones antropogénicas a la atmósfera. Las causas principales de la
contaminación atmosférica se asocian al rápido crecimiento del parque automotriz, al
incremento de la actividad industrial, al aumento de la producción energética, entre otras.
Una parte significativa de la contaminación atmosférica se atribuye al sector energético,
que mantiene una elevada dependencia de la producción y consumo de combustibles
fósiles, especialmente petróleo, y bajos niveles de eficiencia energética (Pichs, 2002)
El establecimiento de estándares de calidad del aire específicos para contaminantes
criterio como plomo, monóxido de carbono, ozono, partículas, dióxido de nitrógeno y
dióxido de azufre, aunado a la promoción de estrategias de control han apoyado la
reducción de algunos de los contaminantes.
Particularmente, el ozono y las partículas son dos contaminantes criterio persistentes y
que actualmente son representativos del estado y la calidad de la atmósfera de muchas
ciudades del mundo. Su vigente y estricto monitoreo rutinario en áreas urbanas se debe a
la fuerte asociación entre la exposición a ozono y partículas con incrementos en la
mortalidad y morbilidad debida a enfermedades cardiorrespiratorias, reportada por los
epidemiólogos en casi todos los episodios de contaminación estudiados en el tiempo. Se
han documentado inclusive efectos adversos aún a niveles muy bajos de exposición y no
está claro sí existe una concentración umbral para partículas y ozono por debajo de la
cual no se presenten efectos nocivos a la salud humana (Brunekreef y Holgate, 2002).
El panorama histórico de la situación de la contaminación atmosférica en México,
obtenido de datos publicados tanto por las entidades gubernamentales como por los
diferentes grupos de investigación de nuestro país, dejan constancia que al momento
actual el principal problema de contaminación atmosférica lo representan los altos niveles
de PM10 junto con los de ozono.
Los estándares de calidad del aire para las PA han evolucionado hacia regulaciones cada
vez más estrictas, para apoyar la reducción de riesgos a la salud por la inhalación de
partículas ambientales. Actualmente y por convención internacional se encuentran
reguladas y consideradas como contaminantes críticos, las partículas suspendidas PM10
(≤ 10 µm) y PM2.5 (≤ 2.5 µm), por su presunta responsabilidad en la mortalidad y
morbilidad por afecciones cardiorrespiratorias agudas y más recientemente por su
2
implicación en efectos a largo plazo como el decremento en la función pulmonar y cáncer
(USEPA, 2001).
A pesar de la gran cantidad de información y estrategias de control que se han generado
alrededor de este ubicuo contaminante, la contaminación por PA sigue siendo un asunto
controvertido y en intenso estudio, sobre todo porque: a) se han observado diferencias en
los efectos tóxicos entre ciudades (Harrison y Yin, 2000; Brits et al., 2004); b) se ha
demostrado que las PA de diferentes orígenes no son igualmente tóxicas (Laden et al.,
2000; Sorensen et al., 2003); c) se han asociado efectos biológicos diferenciales en
distintos órganos (Clarke et al., 2000) y d) porque algunos de los efectos tóxicos son
independientes a la concentración de las PA (Burnett et al., 2000).
Muchas de las dudas y de las interrogantes que existen respecto al impacto de la
contaminación por partículas atmosféricas se derivan principalmente en crítica de los
estándares de calidad existentes. Por la complejidad y naturaleza variable en tamaño,
concentración y composición química, características dependientes de la región, de las
fuentes de emisión y de las transformaciones químicas transitorias relacionadas con
variables meteorológicas (Tsai et al., 2000). Por tal motivo, con mayor frecuencia los
estudios científicos están dirigiéndose a determinar y entender la toxicidad de las PA,
incluyendo la evaluación de propiedades físicas, químicas y biológicas y sus
correlaciones. El objetivo final es impulsar la revisión y modificación de los estándares de
calidad de las PA para apoyar la disminución del riesgo ambiental de las poblaciones.
Un interés particular se ha generado en el impacto que la composición química y el perfil
de distribución de metales en partículas de distintos tamaños (PM10 y PM2.5) tienen en los
efectos adversos a la salud humana, debido a que se ha demostrado la presencia de una
gran cantidad de compuestos químicos, especialmente de metales de transición como el
vanadio, níquel cromo, cobre, fierro en las partículas de diversas regiones urbanas.
Partiendo de este contexto, el presente trabajo aborda la evaluación de metales tóxicos
en PM2.5 de distintos puntos del Área Metropolitana de la Ciudad de México y de distintos
tiempos del año, con la finalidad de conocer la distribución, comportamiento químico y
toxicidad de los metales. Los resultados esperados consideramos pueden proporcionar
información más detallada de la composición química de las partículas, posibilitando una
mayor reflexión, discusión y entendimiento de la diversidad de fuentes que contribuyen a
su emisión, así como a su potencial impacto en la salud humana.
3
I.1.- ANTECEDENTES:
Diversas ciudades latinoamericanas presentan índices más elevados de contaminación
atmosférica dentro de las tipificadas como más contaminadas se encuentra la Ciudad de
México que tiene problemas graves en emisiones de SO2, SPM (partículas en
suspensión), CO y O3, en estos casos los criterios de la OMS se superan en más de un
factor de dos y de las emisiones de Pb y NO2 existe una contaminación de moderada a
alta, los criterios de la OMS hasta en un factor de dos (las directrices sobre corta duración
se superan a veces de forma natural) y Sao Pablo donde el O3 es el más emitido, SPM,
NO2 y CO se encuentran moderadamente, SO2 y Pb están en bajas proporciones. Ambos
ciudades se encuentran entre las siete megaciudades con mayor contaminación
atmosférica, siendo la Ciudad de México la que tiene mayores problemas en todas sus
emisiones (OMS, 1992).
Por estos motivos y con la intención de disminuir las emisiones el 26 de septiembre de
2005 se publica la modificación de la Norma Oficial Mexicana (NOM-025-SSA1-1993), en
la cual se establecen los criterios para proteger la salud de la población por exposición a
PM2.5. Su aplicación es de carácter nacional. Esta norma tiene concordancia con la norma
equivalente en vigor en los EUA.
Los valores establecidos de la NOM son:
65 µg/m3, promedio de 24 horas
15 µg/m3, promedio anual
µg/m3 = microgramos por metro cúbico de aire muestreado
La Red de Monitoreo de PM2.5 en la Ciudad de México
En diciembre de 2001 inició el diseño la red de monitoreo de PM2.5 con recursos
aportados por el Fideicomiso Ambiental Metropolitano ($9.7 millones). La Secretaría de
Medio Ambiente del Gobierno del Distrito Federal coordinó el proyecto con la colaboración
del Centro Nacional de Investigación y Capacitación Ambiental (CENICA), la Universidad
Autónoma Metropolitana Unidad Xochimilco (UAM-X) y el Instituto Nacional de
Investigaciones Nucleares (ININ) (SMA-GDF).
Uno de los principales agentes determinantes de la calidad del aire son las partículas
sólidas suspendidas, comúnmente denominadas TSP: partículas totales suspendidas. Las
TSP se dividen de acuerdo a su tamaño en partículas menores o iguales a 10 µm (PM10) y
las menores a 2,5 µm (PM2,5). La atención sobre las TSP, se ha concentrado mayormente
en las partículas PM10, que pueden ser inhaladas y penetrar con facilidad al sistema
4
respiratorio humano, causando efectos adversos a la salud de las personas. Es así como,
la Norma Primaria de Calidad del aire para contaminante PM-10, establece como límite
máximo cincuenta microgramos por metro cúbico normalizado de aire (150 ug / m3 N)
como concentración promedio de 24 horas.
Las partículas atmosféricas se pueden clasificar de acuerdo a su diámetro aerodinámico,
dos fracciones importantes corresponden a:
1. El que no ingresa al aparato respiratorio, quedando atrapado en nuestras fosas
nasales, al presentar un diámetro mayor a 10 micras (0,01 mm)
2. Las partículas de diámetro menor a 10 micras, también llamadas PM10 o fracción
respirable, las que sí pueden ingresar a las vías respiratorias debido a su menor
tamaño. Al mismo tiempo, estas últimas se dividen en mayores y menores de 2,5
micras, dado que las de diámetro aerodinámico más pequeño pueden llegar
incluso a las vías aéreas más finas, como el alvéolo pulmonar. En tanto, las de
mayor tamaño van quedando atrapadas en la mucosa que recubre las vías
respiratorias superiores.
3. Las PM10 de origen urbano se puede definir como partículas sólidas o líquidas,
como polvo, cenizas, hollín, partículas metálicas, cemento o polen dispersas en la
atmósfera, cuyo diámetro es inferior a 10 µm (1 micrómetro corresponde la
milésima parte de 1 milímetro). están compuestas principalmente por compuestos
inorgánicos como silicatos y aluminatos, metales pesados entre otros, y material
orgánico asociado a partículas de carbono (hollín) y algunas son de carácter
básico sobre todo las que son producto de combustiones no controladas.
Generalmente son emitidas de fuentes como el tráfico sobre caminos
desempedrados, el manejo de materiales, y operaciones aplastantes y que
muelen, así como el polvo arrastrado por el viento (Morawska et al. 2004).
4. Las partículas de diámetro menor a 2,5 micras. Las partículas suspendidas
menores de 2.5 micrómetros o PM2.5 es un contaminantes del aire constituido por
material sólido o líquido con diámetro menor de 2.5 milésimas de milímetro. Las
PM2.5 son tan pequeñas que resultan invisibles a simple vista, sin embargo, son
capaces de dispersar la luz y disminuyen la visibilidad a distancia; permanecen en
la atmósfera por largo tiempo y recorren grandes distancias antes de ser
removidas. Generalmente, las PM2.5 son resultado de la combustión de
combustibles fósiles que se emplean en automóviles, impulsan la generación, e
5
instalaciones industriales, así como de chimeneas residenciales y estufas de
madera.
Algunas partículas son emitidas directamente de sus fuentes, como chimeneas y coches.
En otros casos, gases como el óxido de azufre y SO2, NOx, y compuestos volátiles
orgánicos (VOC) actúan recíprocamente con otros compuestos en el aire para formar
partículas muy finas o aerosoles. Sus composiciones químicas y físicas varían
dependiendo la ubicación, la época del año y el tiempo de muestreo (MMA, 2004).
Las partículas atmosféricas y particularmente la fracción fina pueden estar constituidas o
transportar metales pesados, hidrocarburos aromáticos policíclicos u otros elementos
nocivos, los cuales pueden expresarse en daño a la salud a más largo plazo, pueden
estar presentes en las partículas el plomo, arsénico, berilio, cadmio, mercurio, sulfatos,
nitratos e hidrocarburos policíclicos aromáticos.
En virtud de que las PA pueden contener gran cantidad de compuestos químicos, se han
postulado diversas hipótesis acerca de la fracción responsable del daño al tejido
pulmonar; por ejemplo se ha discutido que la toxicidad puede estar mediada por el
tamaño de las PA, su acidez, el contenido de hidrocarburos poliaromáticos, de metales y
de substancias biogénicas como son las proteínas, entre otras.
Diversos estudios se han enfocado a la caracterización de plomo, cadmio, arsénico y
níquel en partículas PM2.5 en la atmósfera. Así por ejemplo se ha demostrado que PM2.5
de Atenas, Grecia contienen Pb, Cd, Ni y As, la evaluación se realizó por espectrometría
de absorción atómica electrotérmica después de la digestión total. La media geométrica
anual de los valores en 183 muestras de partículas PM2.5 resultaron ser: Pb: 143 ng m -3;
Cd: 0,34 ng m -3; Ni: 4,55 ng m -3; Como: 0,79 ng m -3. . Se encontró que el Pb, As y Ni
tienen fuentes comunes, que podrían ser los vehículos de las emisiones y los vertidos de
petróleo y la combustión de polvo resuspendido (Nikolaos et al. 2003).
Otro tipo de estudios de tipo toxicológico han implicado metales traza en partículas PM10,
PM2.5 y tal es el caso del Negro de humo en Edimburgo, Reino Unido en suspensión en el
aire como posibles contribuyentes a enfermedades respiratorias. Los análisis estadísticos
sugiere tres fuentes principales: el tráfico; estática de combustión, y la corteza. La
asociación con el tráfico de metales (Cu, Fe, Mn, Pb, Zn) es compatible con el tráfico
inducido por los gases de escape no "resuspensión", en lugar de las emisiones directas
de gases de escape (Mathew et al., 2005).
6
Dentro de los metales, los más relevantes desde un punto de vista toxicológico son el
arsénico, cadmio, cobre, mercurio, plomo, entre otros. Cadmio es un elemento
ampliamente utilizado en la elaboración de productos como pigmentos, pinturas, baterías,
recubrimiento de otros metales, etc. En el aire los valores promedios son
aproximadamente 0,002 ug/m3. Debido a que el cadmio es un metal relativamente volátil,
se transfiere de un lugar a otro a través de procesos físicos (viento y erosión) y entra al
organismo humano principalmente por la vía respiratoria en forma de aerosol (PM10). Por
esto, es importante determinar su concentración en PM10. Por otra parte, el plomo también
es un metal utilizado ampliamente en baterías, pinturas y combustibles como la "gasolina
roja". Sin embargo, sólo está presente en aire, aguas y suelos en bajas concentraciones.
Aún cuando el plomo esté en muy bajas concentraciones en el cuerpo, puede provocar
alteraciones graves a la salud humana, incluyendo daños irreversibles al sistema nervioso
y sanguíneo. Se necesita una larga exposición para presentar síntomas de intoxicación,
debido a que plomo es acumulado por el organismo, principalmente en algunos tejidos
como huesos (por su similitud al calcio), en los riñones, hígado, cabellos y el sistema
nervioso central. Al igual que el cadmio, una de las principales vías de exposición es a
través del aire. Por lo anterior, se han dictado diferentes normativas tendientes a controlar
los posibles efectos tóxicos de plomo en la población. Algunas de estas normas
establecen concentraciones máximas permitidas de plomo en: aire ambiental (promedio
trimestral), 1,5 µg/m3; agua potable, 20 µg/L; gasolina, 0,38 g/L y pintura, 0,06.
Ciertamente, los efectos tóxicos potenciales de la inhalación de las PA dependen de
muchos más factores, no sólo de sus características físicas sino también de sus
propiedades fisicoquímicas, como por ejemplo del tipo y contenido de substancias tóxicas
que contengan así como de su solubilidad en agua (determinante de su biodisponibilidad),
ya que el cuerpo humano al estar constituido de agua en un gran porcentaje es capaz de
absorber muchos constituyentes tóxicos, los cuales se encuentran disueltos en ésta, lo
que resalta la importancia de estos constituyentes a diferencia de la fracción
ácidosoluble la cual no tiene la categoría de biodisponible por ser escasos los ácidos en
el organismo.
I.1.- JUSTIFICACIÓN:
Durante la última década la Ciudad de México, ha sido clasificada como la megaciudad
donde se han registrado los casos de contaminación atmosférica más severos del
mundo. El control de la calidad del aire en México data de los años 80’s y a pesar de los
7
esfuerzos realizados aún se exceden frecuentemente los niveles máximos permisibles
de SO2, SPM, CO y O3.
El período con niveles históricos más altos de PM10 ocurrió entre 1996 y 1998 cuando se
rebasó el estándar promedio diario (150 g/m3, límite de exposición aguda) durante 178
días del año. Ya que se rebasó en 182 días en 1996,160 días en 1997 y 192 días en
1998.
Así la calidad del aire continua siendo uno de los asuntos de mayor preocupación para las
autoridades responsables de los programas de gestión, no sólo porque se hace necesario
atender la seguridad de la población sino también porque es necesario dar cumplimiento a
acuerdos internacionales en materia de contaminación atmosférica.
Durante la década de los 90’s y principios del 2000 se han documentado algunos
aspectos de las partículas atmosféricas de diferentes localizaciones, los estudios se han
enfocado a la evaluación de la concentración de la masa, el análisis elemental y ácido
solubles (Aldape et al.,1991a; Aldape et al.,1991b; Castellanos et al., 1991; Chianelli et
al.,1998; Chow et al., 2002; Miranda et al.,1992; Múgica et al., 2002; Salazar et al., 1989;
SMA-GDF, 2001; Vega et al., 2002; Vega et al., 2003) pero a nivel internacional muy poco
se ha estudiado sobre la distribución de las especies inorgánicas acuosolubles (Gutiérrez
et al., 2005).
Dentro del grupo de metales que integran a las partículas atmosféricas del AMCM se han
evaluado algunas características, pero poco se conoce acerca de características del tipo
solubilidad, distribución e interrelaciones con otros contaminantes criterio, no se cuentan
con suficientes datos de distribución de metales en las PM10 y mucho menos en las PM2.5,
que apoyen el entendimiento del impacto a la salud de esta fracción de compuestos a la
que cotidianamente está expuesto un porcentaje mayoritario de la población que vive en
este importante centro urbano, a pesar de esto estudios toxicológicos muestran que los
efectos a la salud parecen estar determinados por tamaño y composición química y que la
presencia de metales en la atmósfera está relacionada con la fracción inorgánica la cual
proviene del suelo, emisiones volcánicas, procesos industriales y de combustión,
transporte , hornos y corrosión de partes metálicas (Múgica et al., 2002).
Estudios recientes en diferentes ciudades del mundo muestran una asociación directa
entre el aumento de las concentraciones de PM2.5 y el decremento de la función pulmonar,
el incremento de visitas a salas de hospitales, agravamiento de afecciones pulmonares y
8
cardiovasculares preexistentes, y la muerte prematura en personas que padecen esas
afecciones.
Con la medición de las PM2.5 el Sistema de Monitoreo Atmosférico de la Ciudad de México
se fortalece y amplía. Cada hora se registran datos de PM2.5, lo que permite conocer la
magnitud de sus concentraciones espacial y temporalmente. También se realizan
muestreos periódicos que permiten conocer su composición química para poder asociar
su origen con fuentes de emisión (SMA-GDF)
I.2.- OBJETIVOS
Objetivo general:
Evaluar el tipo y contenido de metales tóxicos en PM2.5 en tres regiones del Área
Metropolitana de la Ciudad de México y analizar su relación con otros contaminantes
gaseosos.
Objetivos específicos:
Muestrear PM2.5 en dos regiones del norte y una del centro del Área Metropolitana
de la Ciudad de México recolectadas durante el periodo Feb - Jul 2008.
Evaluar tipo y contenido de metales en extractos ácidos y acuosolubles de
muestras PM2.5 por espectrometría de emisión óptica.
Evaluar la genotoxicidad de fracciones solubles, insolubles y suspensiones de
muestras de PM2.5 por el ensayo acelular con ADN timo de cordero.
Análisis estadístico de la información generada y correlacionarla con la
concentración de contaminantes gaseosos medidos simultáneamente.
II.-- METODOLOGÍA
II.1 Diseño de la investigación
Para evaluar el comportamiento químico y tóxico de los metales en las PA se ha diseñado
un procedimiento que permitirá cumplir con los objetivos propuestos, para ello este
procedimiento se llevará a cabo en varias fases (Ver fig.1). Inicia con el muestreo en tres
diferentes regiones del AMCM, continuando con evaluación de la concentración de PA y
recopilación de otros parámetros como concentraciones de otros contaminantes
gaseosos. Así como de la determinación de metales acuo y ácido solubles de estas
partículas, aplicando los métodos de la EPA IO- 3.2 e IO- 3.3 (US-EPA 1999b; 1999c) y
la evaluación de la toxicidad que las partículas inducen en el ADN de timo de cordero.
9
II.2 Área de estudio.
El área de estudio corresponde a 3 puntos del Área Metropolitana de la Ciudad de
México, los cuales fueron seleccionados por que son regiones donde se encuentran
estaciones fijas de la red de monitoreo del SIMAT de la SMA-GDF, lo que proporciona
facilidad de acceso, seguridad y disponibilidad de energía eléctrica y líneas para la
transmisión de datos de monitoreo de otros contaminantes gaseosos.
Son además representativos de diferentes ambientes suburbanos, y están influidas por
los perfiles de viento predominantes en el AMCM, así por ejemplo Xalostoc (XAL) y
Tlalnepantla (TLA) están ubicadas al NO y NE respectivamente del AMCM y representar
el área grande y compleja industrial con alto tráfico y vegetación pobre, Merced (MER) se
encuentra en el CE localizado en un área con altas emisiones automóviles y alta actividad
comercial.
Colecta de PM2.5 Tla, Mer, Xal
(Feb – Jul 2008).
Gravimetría y conformación base conjunta con datos gases criterio y
parámetros meteorológicos
Obtención de extractos
Extracto
ácido
Extracto agua
(suspensión, soluble e insoluble)
ADN de timo de cordero
Análisis Estadístico
Controles negativos y
positivos
Suspensiones de partículas y
sus extractos
Incubación
2 hrs a 37ºC
Evaluación de la
concentración de ADN por
UV-V
Determinación de metales por
EAA o ICP-masas
Ilustración 1. Diagrama de bloques del diseño experimental
10
En la figura 2 se presenta un mapa en el que muestra la localización de las regiones
seleccionadas para la colección de PM2.5
Ilustración 2. Mapa de ubicación de la Red de Monitoreo (de PM2.5)
MUESTREO DE PM2.5 (método US-EPA IO-3.1, US-EPA 1999b).- Se obtendrán muestras
ambientales de PM2.5 en del periodo Febrero del 2008 a Julio del 2008, en filtros de fibra
de vidrio recubiertos con teflón en un muestreador de alto volumen marca Tisch
Envirimental T-50 (figura 3), operado a un flujo constante de (1.13m3/min) y programado
para colectar muestras de 24 hrs, lo que permite conocer la magnitud de sus
concentraciones espacial y temporalmente. También se realizan muestreos periódicos
que permiten conocer su composición química para poder asociar su origen con fuentes
de emisión. El total del aire filtrado a través de cada filtro fue de 1630 m3.
11
Ilustración 3. Muestreador de alto volumen para PM2.5
II.3 Evaluación de metales acuo y ácido solubles en PM2.5
Un cuarto de cada filtro se extrae con agua deionizada de Milli – Q (AD) o con una
mezcla de ácido nítrico (2.6 M) y clorhídrico suprapuro (0.9M) según fuera el caso
(extracto acuo o ácido soluble), posteriormente se agitaron a través de un baño
ultrasónico Branson 3510.
El extracto se separo por decantación, a continuación se filtró a través de membranas de
teflón de 0.2 µm y se llevó a un volumen final, se separó en alícuotas en tubos eppendorf
o en frascos de plástico nalgen para su almacenamiento en el congelador y posterior
análisis.
La evaluación de metales como zinc, fierro, cobre, cromo, manganeso, titanio y plomo en
ambos tipos de extractos, se realizo por Plasma acoplado inductivamente -
Espectrometría de emisión óptica de Perkin Elmer tomando como base el método EPA
IO- 3.2 (US-EPA 1999a) y utilizando estándares certificados de cada elemento.
II.4 Evaluación toxicológica de fracciones solubles, insolubles y suspensiones.
Una vez realizado el muestreo se procedió a preparar las fracciones solubles, insolubles y
suspensiones, para ello se dividió el filtro en cuatro partes, cuidando de no tocarlo con las
manos, por lo que se deben utilizar guantes de goma con la finalidad de no contaminar el
filtro con la grasa natural que éstas poseen. Una cuarta parte de cada filtro se fracciono
con la ayuda de unas tijeras y pinzas de plástico, las fracciones fueron colocadas en tubos
de vidrio y se le adicionaron 7 mL de agua desionizada de Milli – Q (ADD), posteriormente
12
se pusieron en un baño de hielo dentro del equipo ultrasónico Branson 3510 durante 30
min (agregando más hielo picada cada 5 min), con el propósito de extraer las PA.
El extracto se separo por decantación y se aforo a 10 mL, posteriormente se tomaron 5 ml
de el extracto los cuales serán la suspensión, los otros 5 mL restantes se centrifugan a
4000 rpm durante 10 min, este nuevo extracto se decanta y esta será la fracción soluble.
A la fracción que queda en el tubo se le agrega 1 mL de agua desionizada de Milli – Q
(ADD) y se centrifugan a 4000 rpm durante 5 min, esta acción se repite en dos ocasiones
con el fin de lavar la fracción que queda en el tubo y así finalmente obtener la fracción
insoluble.
Teniendo las 3 fracciones se procede a la evaluación de genotoxicidad en ADN timo de
cordero tomando en cuenta las condiciones de las técnicas de ensayo de la tabla 1.
Tabla 1. Condiciones técnicas del ensayo acelular in vitro de ADN
Parámetro Descripción
ADN
Solución del ADN de timo de cordero en
amortiguador de Tris-HCl 10 mM, pH = 8
500 µl +200 µl de suspensión de PA o extractos +
50 µl H2O2
Incubación 2 hrs a 37 ºC
Precipitación ADN Acetato de sodio (NaAc) 1.5 M, pH = 6
Lavado Etanol frío al 70 %
Disolución Amortiguador de Tris-HCl caliente (60 ºC, 10 mM,
pH = 8.0)
Detección UV-V 260/280 nm
II.5 Análisis Estadístico
El Coeficiente de correlación por jerarquías de Spearman, es una prueba no paramétrica
que mide la asociación o interdependencia entre dos variables cuantitativas, las cuales
siguen una tendencia creciente o decreciente. Se calcularon correlaciones de Spearman
para evaluar el grado de asociación entre los diferentes metales y gases criterio.
Los datos de daño al ADN fueron expresados como promedio ± DE de dos ensayos
independientes por duplicado. Las diferencias entre grupos control y tratados se
13
evaluaron con la prueba no paramétrica Wilcoxon o Mann-Whitney. Todos los análisis
estadísticos se realizaron con el programa STATA 8.0 (Stata Corp., College Stations, TX),
y se consideraron diferencias significativas cuando p 0.05.
Los datos se expresan como promedio DE de dos ensayos independientes por
triplicado. Las diferencias entre los controles sin tratar y grupos expuestos se evaluaron
con la prueba de Mann-Whitney. Se aplicará la prueba de Kruskal-Wallis cuando se
comparan más de dos grupos. Las correlaciones entre concentraciones de contaminantes
criterio, metales de transición y daño al ADN se analizarán con la prueba no paramétrica
de Spearman. Todos los análisis estadísticos se realizan con el programa STATA 8.0
(Stata Corp., College Stations, TX), y las diferencias se considerarán significativas cuando
p 0.05.
III. RESULTADOS y DISCUSIÓN
III.1 Concentraciones de partículas y contaminantes en el AMCM en el período de estudio Feb – Jul 2008.
Se evaluaron PM2.5 colectadas en tres regiones del AMCM, que corresponden a
estaciones de la red atmosférica del SIMAT del GDF, colectadas durante el primer
semestre del año 2008. La colección de partículas se programó coincidente con la
medición automática de gases criterio que hace el SIMAT, para contar con datos
complementarios del medio que circunscribe a las partículas. En las tablas 2, 3 y 4 se
presentan los niveles de concentración de los contaminantes criterio de los períodos de
estudio reportados por el SIMAT.
Al observan en detalle las tablas mencionadas, se puede resumir que ninguno de los días
estudiados, en ninguna de las regiones se excedió la norma de exposición aguda para
ninguno de los contaminantes criterio. En esta misma tabla se puede observar que la
región con mayor concentración de PM2.5, aunque sin exceder el valor de la norma
corresponde a Xalostoc, zona que ha venido siendo históricamente caracterizada como
de mayor concentración de PA. Adicionalmente, la relación entre PM2.5 / PM10 es
generalmente mayor a 0.5, para las regiones Tlalnepantla y Merced lo que indica una
mayor contribución de partículas finas en las partículas atmosféricas de estas regiones,
que en principio comparten altos flujos vehiculares. En todas las estaciones los resultados
de los contaminantes criterio son similares.
14
Tabla 2. Contaminantes criterio en el periodo de estudio de febrero-marzo 2008 en el AMCM
TLALNEPANTLA Norma *
ppm o
08-Feb 14-Feb 20-Feb 26-Feb 03-Mar 09-Mar 15-Mar 21-Mar µg/m3
PM10**
62.917
60.167
62.083
84.292
50.261
43.708
63.208
67.000
150
PM2.5 **
31.167
28.125
30.167
38.083
25.333
17.833
27.000
33.333
65
PM2.5/PM10
0.495
0.467
0.486
0.452
0.504
0.408
0.427
0.498
O3**
0.023
0.017
0.033
NR
0.025
0.014
0.038
0.040
0.11
SO2**
0.008
0.012
0.009
0.008
0.005
0.003
0.007
0.030
0.13
NO2**
0.040
0.038
0.036
0.037
0.030
0.023
0.033
0.027
0.21
NOX**
0.082
0.102
0.079
0.089
0.083
0.043
0.072
0.038
CO**
0.942
1.474
1.192
1.279
1.472
1.050
1.063
0.563
11
15
Tabla 3. Contaminantes criterio en el periodo de estudio de Marzo-Abril 2008 en el AMCM
MERCED Norma*
ppm o
27-Mar 06-Abr 08-Abr 14-Abr 16-Abr 20-Abr 22-Abr 26-Abr 29-Abr µg/m3
PM10**
87.000
58.833
80.542
47.458
56.375
60.850
76.000
55.708
41.273
150
PM2.5**
34.417
24.583
34.500
24.750
31.125
31.292
30.435
31.083
31.000
65
PM2.5/PM10
0.396
0.418
0.428
0.522
0.552
0.514
0.400
0.558
0.751
O3**
0.038
0.039
0.039
0.029
0.030
0.048
0.033
0.033
0.017
0.11
SO2**
0.006
0.004
0.005
0.006
0.034
0.007
0.006
0.006
0.005
0.13
NO2**
0.060
0.031
0.038
0.026
0.033
0.031
0.037
0.034
0.046
0.21
NOX**
0.084
0.052
0.068
0.025
0.063
0.052
0.072
0.050
0.092
CO**
1.663
1.404
1.779
0.025
1.513
1.432
1.635
1.535
2.233
11
16
Tabla 4.Contaminantes criterio en el periodo Mayo-Julio 2008 en el AMCM
XALOSTOC Norma*
ppm o
08-May 10-May 14-May 20-May 26-May 01-Jun 07-Jun 13-Jun 19-Jun 25-Jun 01-Jul 07-Jul 13-Jul µg/m3
PM10
105.706
93.905
55.591
79.000
98.818
49.708
40.050
66.042
68.870
66.333
51.833
40.188
40.385
150
PM2.5
46.620
49.070
40.490
28.220
56.441
17.177
17.177
14.110
14.110
20.240
18.400
0.613
23.926
65
PM2.5/PM10
0.441
0.523
0.728
0.357
0.571
0.346
0.429
0.214
0.205
0.305
0.355
0.015
0.592
O3
0.031
0.042
0.031
0.004
NR
0.027
0.021
0.022
0.018
0.022
0.009
0.003
0.021
0.11
SO2
0.011
0.009
0.009
0.005
0.007
0.006
0.005
0.005
0.007
0.008
0.006
0.005
0.005
0.13
NO2
0.033
0.033
0.025
0.032
0.042
NR
0.033
NR
0.024
0.019
0.018
0.029
0.021
0.21
NOX
0.052
0.075
0.048
0.074
0.062
NR
0.056
NR
0.080
0.055
0.077
0.110
0.050
CO
0.520
0.935
0.413
1.092
0.382
0.450
0.871
0.929
0.848
0.696
0.979
0.769
0.633
11
*Límite exposición aguda (Normas Oficiales Mexicanas, SMA-GDF 2002), ** Datos proporcionados por el SIMAT. En negritas los valores máximos
permisibles y los valores que excedieron las concentraciones máximas permisibles.
NR: No registrado
17
III. 2 Distribución de los metales en las PA.
Las partículas atmosféricas contienen diversos metales, la proporción y tipo depende de
las fuentes de emisión, pero el perfil químico en el que predominan está determinado no
sólo por las fuentes emisoras sino también por las condiciones atmosféricas y las
interacciones de los metales con otras especies gaseosas presentes en el medio
circundante. Indiscutiblemente, esto tendrá repercusión en su comportamiento ambiental
(ej. solubilidad, velocidad de deposición húmeda y seca, vida media) y en su potencial
toxicidad.
III. 2.1 Concentración de metales ácido y acuosolubles en las partículas.
El contenido de metales ácido y acuosolubles en las partículas fue evaluado por
Espectrometría de emisión acoplada a ICP y expresado tanto en unidades de volumen
como en unidad de masa (µg/m3 de aire o µg/µg PA), los valores individuales se reportan
en detalle en las Tablas 5,6 y 7. El patrón de distribución de los metales ácido y
acuosolubles evaluados, expresado en µg/m3 se puede inferir a través del análisis de los
resultados presentados en las tablas, así es posible distinguir algunos datos relevantes y
comunes para las distintas regiones:
1. Los extractos ácidos y acuosolubles de las PM2.5 de el periodo y regiones
estudiados presentaron Fe, Zn, Cu, Pb, Cr, Mn, Ti; el titanio se presento
prácticamente solo en la fracción ácida de las PA.
2. Por su concentración los metales evaluados en las partículas, pueden agruparse
básicamente en dos tipos: mayoritarios y elementos traza. En proporción, el total
de los metales ácido solubles evaluados representan un cierto porcentaje así
como la concentración de la fracción acuosoluble también representara otro
porcentaje del total de la concentración de las partículas (el cálculo se efectuara
con base a la suma de las concentraciones de metales en µg/m3 por día, referido
al total de la masa de partículas en el mismo lapso de tiempo).
3. Existió un mayor arrastre de metales en el extracto ácido en todas las estaciones
por lo cual la concentración en este extracto fue mayor.
4. El metal encontrado en mayor concentración tanto para el caso de Merced como
para el de Tlaneplanta fue el Zn seguido del Fe lo cual es debido a que estos
provienen de fuentes similares como lo son: emisiones vehiculares, combustión de
carbón y procesos industriales lo cual es característicos de dichas zonas, para el
caso de Xalotoc el metal en mayor concentración resulto ser el Fe seguido del Zn.
18
Tabla 5.Contenido de metales en PM2.5 de Tlalnepantla en el periodo de febrero-marzo 2008 (µg metal/m3)
TLALNEPANTLA
08-Feb 14-Feb 20-Feb 26-Feb 09-Mar 15-Mar
PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5
Acuoso Acido Acuoso Acido Acuoso Acido Acuoso Acido Acuoso Acido Acuoso Acido
Cr 0.0011 0.0018 0.0000 0.0012 0.0000 0.0013 0.0005 0.0016 0.0000 0.0011 0.0000 0.0028
Cu 0.0182 0.0352 0.0212 0.0340 0.0196 0.0314 0.0470 0.0467 0.0044 0.0126 0.0056 0.0151
Fe 0.0582 0.2364 0.0000 0.1561 0.0045 0.1680 0.1042 0.2147 0.0000 0.0764 0.0000 0.1239
Mn 0.0067 0.0099 0.0026 0.0059 0.0023 0.0056 0.0081 0.0094 0.0000 0.0021 0.0013 0.0053
Pb 0.0255 0.0590 0.0096 0.0512 0.0025 0.0258 0.0279 0.0418 0.0000 0.0123 0.0009 0.0228
Ti 0.0009 0.0045 0.0000 0.0027 0.0000 0.0036 0.0002 0.0037 0.0000 0.0022 0.0000 0.0026
Zn 0.1941 0.1708 0.3307 0.2355 0.1374 0.1443 0.2293 0.2059 0.0719 0.1119 0.1385 0.1730
Tabla 6. Contenido de metales en PM2.5 de Merced en el periodo marzo-abril 2008 (µg metal/m3)
MERCED
27-Mar 06-Abr 08-Abr 14-Abr 16-Abr 20-Abr
PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5
Acuoso Acido Acuoso Acido Acuoso Acido Acuoso Acido Acuoso Acido Acuoso Acido
Cr 0.0000 0.0036 0.0000 0.0017 0.0000 0.0016 0.0000 0.0045 0.0000 0.0017 0.0000 0.0033
Cu 0.0000 0.0312 0.0207 0.0555 0.0107 0.0242 0.0083 0.0184 0.0098 0.0166 0.0128 0.0245
Fe 0.0000 0.1617 0.0000 0.1504 0.0000 0.1245 0.0000 0.0919 0.0000 0.0821 0.0000 0.0832
Mn 0.0000 0.0101 0.0015 0.0054 0.0016 0.0040 0.0017 0.0045 0.0013 0.0032 0.0000 0.0012
Pb 0.0000 0.0485 0.0058 0.0790 0.0044 0.0225 0.0000 0.0164 0.0097 0.0407 0.0001 0.0166
Ti 0.0000 0.0028 0.0000 0.0038 0.0000 0.0037 0.0000 0.0013 0.0000 0.0011 0.0000 0.0013
Zn 0.0000 0.2357 0.1882 0.2198 0.1287 0.1487 0.1596 0.2461 0.1801 0.1714 0.1047 0.1438
19
Tabla 7. Contenido de metales en PM2.5 de Xalostoc en el periodo de Mayo-Julio 2008 (µg metal/m3)
XALOSTOC
20-May 13-Jun 25-Jun 01-Jul 13-Jul
PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5 PM2.5
Acuoso Acido Acuoso Acido Acuoso Acido Acuoso Acido Acuoso Acido
Cr 0.0000 0.0033 0.0000 0.1476 0.0006 0.0726 0.0000 0.0034 0.0028 0.0055
Cu 0.0124 0.0183 0.0086 0.0217 0.0134 0.0209 0.0076 0.0287 0.0184 0.0361
Fe 0.0162 0.1109 0.0000 0.9042 0.0158 0.6591 0.0000 0.4323 0.0082 0.3578
Mn 0.0040 0.0063 0.0064 0.0368 0.0161 0.0380 0.0136 0.0472 0.0125 0.0312
Pb 0.0153 0.0225 0.0016 0.0589 0.0054 0.0187 0.0000 0.0195 0.0038 0.0544
Ti 0.0001 0.0012 0.0000 0.0021 0.0002 0.0059 0.0000 0.0058 0.0000 0.0052
Zn 0.2447 0.2258 0.2015 0.2465 0.3607 0.2644 0.2545 0.3194 0.3663 0.4508
III.2.2 Análisis de correlación entre metales ácido y acuosolubles y contaminantes gaseosos.
Para examinar la interacción entre gases criterio (ej. O3, SO2, NO2, etc.) y los metales ácido y acuosolubles asociados a las
partículas atmosféricas, se calcularon los coeficientes de correlación no paramétricos entre metal-metal y metal-gas, en la
Tabla 8 se presentaran en la matriz de correlaciones. Incluyendo solo los resultados de las asociaciones que fueron
estadísticamente significativas entre metales acido y acuosolubles entre metales de la misma fracción. En la Tabla 9 se
muestra la correlación únicamente en los metales ácidos, en la Tabla 10 únicamente con los metales acuosos y en la Tabla 11
la correlación entre los contaminantes gaseosos.
20
Tabla 8. Coeficientes de correlación de Spearman entre la concentración de las PA, las especies metálicas ácido y acuosolubles
PM2.5 Cu Fe Zn Mn Cr Pb Ti
PM2.5
Cu
Fe 0.61 0.79 0.53
Zn 0.66
Mn 0.67 0.49
Cr 0.4
Pb 0.51
Ti 0.59 0.61
Prueba no paramétrica de Spearman, solo se presentaran los datos con p<0.05. En
negritas los coeficientes positivos 0.6
Tabla 9. Coeficientes de correlación de Spearman entre la concentración de las PA y las especies metálicas ácidas
RELACIONES ACIDAS
PM2.5 Cu Fe Zn Mn Cr Pb Ti
Cu 0.55 0.71 0.59
Fe 0.64 0.92 0.51 0.71
Zn
Mn 0.79 0.62
Cr 0.48 0.77 0.59
Pb
Ti
CO
SO2
O3 -0.48
NO2 0.5
NOx 0.48 0.49 0.56
PM10
21
Tabla 10. Coeficientes de correlación de Spearman entre la concentración de las PA, las especies acuosolubles
RELACIONES ACUOSAS
PM2.5 Cu Fe Zn Mn Cr Pb Ti
Cu 0.56 0.57 0.5 0.76
Fe 0.5 0.63 0.64 0.85
Zn
Mn 0.88 0.54
Cr 0.46 0.77 0.54 0.63 0.66
Pb 0.65 0.53 0.64
Ti
CO -0.4 -0.17
SO2
O3 -0.6 -0.58
NO2
NOx 0.48
PM10
Tabla 11. Coeficientes de correlación de Spearman entre la concentración de las PA y los contaminantes criterio.
RELACIONES DE CONTAMINANTES CRITERIO
PM2.5 CO SO2 O3 NO2 NOx PM10
PM2.5 0.71 0.78
CO 0.61
SO2 0.57
O3
NO2 0.55
0.65 0.67
NOx 0.5
PM10 0.55 0.47
0.66 0.66
Los datos presentados en color amarillo son los colectados por nuestro muestreador de
PM2.5.
En las Tablas 8, 9, 10 y 11 se puede observar que los metales analizados comparten
fuentes de emisión entre si y también con algunos de los contaminantes gaseosos, estos
últimos al reaccionar con los metales en la atmosfera generan ciertas reacciones que
hacen que uno afecte en el comportamiento del otro.
22
III. 3 Evaluación de la genotoxicidad de PA del AMCM y partículas subrogadas a través del ensayo acelular in vitro de ADN de timo de cordero.
El daño al ADN por la acción de xenobioticos se puede valorar a través de dos métodos in
vivo o in vitro. Los procedimientos in vitro pueden tipificarse básicamente en: los ensayos
celulares y acelulares, los primeros son más sensibles pero laboriosos y costosos,
requieren de infraestructura especializada y personal con una formación calificada; en
tanto que los métodos de valoración acelular son más rápidos, sencillos, económicos y no
se necesita de una infraestructura física y humana tan especializada.
Numerosos estudios han utilizado el ensayo acelular in vitro del ADN de timo de cordero,
para medir la concentración e integridad del ADN mediante espectrofotometría UV-Vis, en
recientes investigaciones se ha empleado esta técnica para evaluar el daño al ADN
inducido por partículas atmosféricas y sus diferentes componentes químicos (Knaapen et
al., 2002; Karlsson et al., 2004).
La absorción de la luz ultravioleta es el principio universal para la determinación de
concentraciones de ácidos nucleídos y la base del ensayo acelular in vitro del ADN.
Desde hace unos 50 años se demostró que los valores de los coeficientes de extinción
ultravioleta para el ADN y el ARN dependen de los valores de las mononucleótidos
(Cavaluzzi et al., 2004). La cuantificación de ADN por el método UV visible es un
procedimiento valorado por su precisión, exactitud y porque no es destructivo. La relación
de la absorbancia ultravioleta (UV) a 260 y 280 nm, denominada como A260/A280, se ha
empleado como un indicador de la pureza e integridad del ADN, determinandose que el
valor de referencia se encuentra en el rango de 1.8 -1.9, como originalmente fue descrito
por Warburg y Christian en 1942 (Sauer et al., 1998). Sin embargo, esta relación
(A260/A280) puede estar más alla de este valor debido a las alteraciones fisicoquímicas
producidas por el pH, la temperatura y modificación química carcinogénica que sufre el
ADN. Por otra parte se ha demostrado que la variación en la relación A260/A280 se
correlaciona con modificaciones al ADN provocadas por diversos agentes carcinogénicos
(ej. benzopireno, fenol) y por algunas macromoléculas como las proteínas (Hyung et al.,
2005).
En este estudio se optimizarón las condiciones del ensayo para la evaluación de los
efectos de las PA y sus extractos.
23
III.3.1 Características espectroscópicas del ADN de timo de cordero.
Debido a que se ha reportado que la absorbancia de los ácidos nucleídos, depende del
disolvente, se determinó la longitud de onda de máxima absorción y el coeficiente de
extinción a esta misma longitud (E260nm) de la solución del ADN de timo de cordero, en
dos diferentes amortiguadores (fosfato de potasio 0.1 M y pH = 7.4 y Tris-HCl 10 mM pH
= 8). En la figura 4 se presentan los espectros de absorción del ADN de timo de cordero
en los amortiguadores correspondientes, así mismo en la tabla 12 se proporcionan los
valores de E260 nm. Los resultados muestran que los valores de absorbancia fueron
reproducibles y coincidentes con lo reportado por Vera et al. (2004).
Ilustración 4. Espectro de absorción UV-VIS del ADN de timo de cordero en dos diferentes amortiguadores: fosfato de potasio 0.1 M y pH= 7.4 y Tris-HCl 10 mM y pH= 8
Tabla 12. Datos espectrofotométricos del ADN de timo de cordero
Amortiguador Concentración (g/L) Emax (mol-1Lcm-1)
Fosfatos 0.83 6400
TRIS-HCl 1.0 6500
TRIS-HCl 0.1 M* 1.2 6600
* Vera et al., 2004
24
III.3.2 Evaluación de la integridad de la solución del ADN.
Se determinó la relación de la absorbancia a 260 y 280 nm (A260/A280) en los dos
diferentes amortiguadores. La variabilidad entre los valores de estas relaciones, para
ambas soluciones, se encuentra dentro del rango reportado 1.8 -1.9 (Sauer et al., 1998) y
se observa que la solución es estable hasta 4 semanas después de su preparación.
Ilustración 5. Relación de absorbancias del ADN detimo de cordero con diferentes amortiguadores y estabilidad de la misma en el tiempo.
III.3.3 Rangos lineales.
Se determino la curva de calibración para cinco concertaciones diferentes de ADN con
dos amortiguadores (fosfatos y Tris-HCl), se calculo la mejor línea recta a partir del
método de regresión lineal. Estas curvas se presentan en la figura 6. El rango lineal que
se empleará se encuentra entre 20 – 70 µg/ml.
Ilustración 6. Curva tipo para la calibración del espectro del ADN de timo de cordero. Amortiguador de fosfatos (___) amortiguador Tris-HCl (___) (promedio de tres determinaciones)
25
III.3.4 Optimización del ensayo acelular del ADN y control de la calidad de los resultados.
Se calculo el porcentaje de recuperación del ADN de timo de cordero después de la
aplicación del ensayo acelular in vitro, obteniéndose un valor aproximado de 86 % ± 8,
como se muestra en la figura 7. Así mismo se valoro el efecto del peroxido de hidrogeno,
xenobiotico que será empleado como control positivo y generador de radicales libres que
dañan el ADN, en la figura 8 se presentan los datos indicativos del daño inducido al ADN
después de 2 hrs de incubación y a 37 ºC.
Ilustración 7. Evaluación del porcentaje de recuperación del ADN de timo de cordero después de la aplicación del procedimiento del ensayo acelular in vitro.
Ilustración 8. Evaluación de la exposición del ADN de timo de cordero al peróxido de hidrógeno (control positivo).
Los resultados obtenidos hasta el momento, nos dan la certeza de que el ensayo acelular
in vitro del ADN de timo de cordero, es aplicable para valorar el daño al ADN por
xenobioticos, a través de la medición de la absorbancia de la macromolécula donde se
observa la disminución de la misma. Y se puede continuar con la evaluación del daño
inducido por las PA y sus extractos.
26
III.3.5 Genotoxicidad de PA del AMCM y partículas con el ensayo acelular in vitro de ADN de timo de cordero.
Con la finalidad de evaluar el potencial genotóxico de las partículas ambientales al
reaccionar con el ADN y catalizar el daño oxidativo inducido por del H2O2, incubamos ADN
desnudo de timo de cordero en presencia o ausencia de H2O2, con:
a) Muestras de suspensiones acuosas de PM2.5 de dos de las regiones estudiadas,
así como sus correspondientes fracciones solubles e insolubles.
b) Suspensiones acuosas y orgánicas, con sus respectivas fracciones solubles e
insolubles para el SRM 1649a (Polvo Urbano) DURF.
Después de 2 horas de exposición, la evaluación cuantitativa y cualitativa del daño al ADN
desnudo se realizo con la medición de la absorbancia a 260 y 280 nm y la relación
obtenida A260/A280. La exposición del ADN de timo de cordero a dosis equivalentes de
(4.8 m3/ml) de muestras heterogéneas (espacio-temporal) de PA del AMCM y partículas
subrogadas, confirman la presencia de especies que lesionan al ADN. Un gran número de
muestras de suspensiones de PM2.5 y sus correspondientes extractos acuosolubles e
insolubles catalizados con H2O2, inducen un daño oxidativo significativo al ADN
comparados con un control de ADN sin tratar.
En la tabla 13 se muestra un ejemplo de cómo se trataron los resultados para
posteriormente hacerse los gráficos donde se puede observar con una mayor claridad el
daño causado al ADN por las distintas fracciones (solubles, insolubles y suspensiones)
tanto de las PM2.5 como de el DURF.
Este último es un polvo urbano perfectamente caracterizado y se utiliza como patrón de
los resultados que se obtendrán, en el se realizaron los extractos tanto en su fracción
orgánica como en su fracción acuosa con el fin de ver en qué caso existe un mayor daño.
Estos resultados se muestran en las figuras 12 y 13 respectivamente y se puede observar
que la fracción orgánica genera un mayor daño en la fracción insoluble y la fracción
acuosa en la suspensión.
27
Tabla 13. Ejemplo del tratamiento de datos de las PM 2.5, capturadas el 07/06/08
Condición M A260 M
A280
%DNA
260 REC.
%DNA
280 REC
% DAÑO
260
%DAÑO
280
M
A260/A280
%
A260/A280
Control 1.4985 0.802 100 100 0 0 1.8685 1
H2O2 0.514 0.2746 34.2994 34.2394 65.7005 65.7605 1.8718 1.0017
Suspensión 1.2595 0.6648 84.0469 82.8927 15.9530 17.1072 1.8945 1.0139
Suspensión
con H2O2
0.3054 0.1412 20.3794 17.605 79.6205 82.3940 2.1628 1.1575
Soluble 1.3004 0.6874 86.7795 85.7107 13.2204 14.2892 1.8918 1.0124
Soluble
con H2O2
0.2202 0.0892 14.6940 11.1284 85.305 88.8715 2.4672 1.3204
Insoluble 1.1342 0.5813 75.6889 72.4812 24.3110 27.5187 1.9512 1.0442
Insoluble
con H2O2
1.0943 0.563 73.0231 70.1995 26.9768 29.8004 1.9436 1.0402
Ilustración 9. Gráfica de % daño al ADN vs los diferentes extractos en agua.
En las siguientes figuras se muestran los gráficos donde se puede observar el daño
causado al ADN de timo de cordero expuesto a las PM2.5 de diferentes regiones. En la Fig.
10 se ve como el daño causado al ADN cuando es expuesto únicamente al H2O2 es de
aproximadamente un 11 % y que este daño aumenta de manera considerable cuando se
le agregan las PM2.5, esto ocurre para los dos ejemplos señalados en la gráfica con las
28
tres fracciones analizadas, también se puede observar que cuando exponemos el ADN
únicamente a las PM2.5 el daño causado es mucho menor. Esta misma tendencia se
presenta en la Fig 11. Donde se muestra el daño causado por las partículas colectadas en
la región de Xalostoc.
Ilustración 10. Gráfica de % daño al ADN vs los diferentes extractos en agua de PM2.5 recolectadas en Merced.
Ilustración 11. Gráfica de % daño al ADN vs los diferentes extractos en agua de PM2.5 recolectadas en Xalostoc.
29
Ilustración 12. Gráfica de % daño al ADN con la fracción orgánica del DURF.
Ilustración 13. Gráfica de % daño al ADN con la fracción acuosa del DURF.
30
IV.- CONCLUSIONES
El estudio realizado se enfoco principalmente en la evaluación del contenido de metales
solubles en medio acuoso y ácido en partículas atmosféricas PM2.5, colectadas durante el
primer semestre el año 2008 en tres regiones del AMCM y su comparación con el daño
que algunas de estas muestras inducen en el ADN de timo de cordero.
Los principales resultados aportan evidencias y apoyan las siguientes conclusiones:
1. La distribución de metales de transición del tipo, Cr, Cu, Fe, Mn, Pb, Ti y Zn en las
PA depende de la región y el tiempo de recolección
2. La evaluación de la concentración de las PA, no da una idea de la cantidad de
tóxicos que contienen.
3. Los resultados obtenidos sugieren que algunos de los metales comparten fuentes
de emisión, situación que también se observa al compararlo con algunos de los
contaminantes criterios.
4. Los metales de transición asociados a las PA contribuyen al potencial genotóxico
de estas, debido a que indujeron daño cuando fueron evaluadas en el modelo
acelular in vitro de ADN de timo de cordero,
5. Tanto los componentes acuosolubles e insolubles de las PA del AMCM son
responsables del daño que las partículas completas generan.
V.- RECOMENDACIONES PARA TRABAJO FUTURO
1. Utilización de otras fuentes de energía que sustituyan a los combustibles fósiles.
2. Respeto y cumplimiento de los mecanismos de control de emisiones vehiculares e
industriales.
3. Transporte público no contaminante y eficiente.
4. Normas de calidad de contaminantes atmosféricos más rigurosas que permitan
mejorar la calidad del aire para protección de la salud pública.
31
VI. BIBLIOGRAFÍA:
1. Aldape FJ, Flores MR, Oiaz R., Miranda J, Cahill TA y Morales JR. 1991 a. Two
year study of elemental composition of atmospheric aerosols in Mexico City.
International Journal of PIXE 1:373-388.
2. Norma Oficial Mexicana NOM-025-SSA1-1993, Salud Ambiental. Criterios para
evaluar el valor límite permisible para la concentración de material particulado.
3. Aldape FJ, Flores MR, Oiaz RV, Morales JR, Cahill TA y Saravia L. 1991 b.
Seasonal study of the composition of atmospheric aerosols in Mexico City.
International Journal of PIXE 1:355-371.
4. Brits E, Schoeters G and Verschaeve. 2004. Genotoxicity of PM10 and extracted
organics collected in an industrial, urban and rural area in Flanders, Belgium.
Environmental Research 96: 109-118.
5. Brunekreef B and Holgate ST. 2002. Air pollution and health. The Lancet 360
(9341): 1233-1242.
6. Burnett RT, Brook J, Dann T, Delocia C, Phillips O, Cakmak S, Vicent R., Goldberg
MS, Krewski D. 2000. Inhalation Toxicology 12 (4):15 – 39.
7. Castellanos MA, Salazar S y Gómez BL. 1991. Influencia de la composición del
suelo en el aerosol atmosférico de cuatro zonas de México. Atmósfera 4:165 -176.
8. Cavaluzzi M, Borer P. 2004. Revised UV extinction coefficients for nucleoside-5’-
monophosphates and unpaired DNA and RNA. Nucleic Acids Research 32: No.1
9. Chianelli RR, Yácaman M.J., Arenas J. y Aldape F.(1998).Atmospheric
nanoparticles in photocatalytic and thermal production of atmospheric pollutants.
Journal of Hazardous Substances Research 1: 1-17. 2002
10. Chow JC, Watson JG, Edgerton SA and Vega. 2002. Chemical composition of
PM2.5 and PM10 in Mexico City during winter 1997. The Science and Total
Environment 287:177-201.
11. Clarke, RW, Antonini JM, Hemenway DR, Frank R, Kleeberger SR, and Jakab GJ.
2000. Inhaled particle-bound sulfate: effects on pulmonary inflammatory responses
and alveolar macrophage function. Inhalation Toxicoogyl 12:169-86.
32
12. Gutiérrez MEC, Olivos MO, De Vizcaya AR and Cebrián GM. 2005. Chemical
characterization of extractable water soluble matter associated with PM10 from
México City during 2000. Chemosphere 61(5):701-710
13. Harrison RM and Yin J. 2000. Particulate matter in the atmosphere: which particle
properties are important for its effects on health?. The Science and Total
Environment 249: 85-101.
14. Hyung S, Soo H, Byung M.2005. Effects of Chemical Carcinogens and
Physicochemical Factors on the UV Spectrophotometric Determination of DNA.
Journal of Toxicology and Environmental Health Part A. Volume 68, Number 23-24
: 2081 – 2095
15. Karlsson HL, Nygren J and Möller L. 2004. Genotoxicity of airborne particulate
matter: the role of cells-particle interaction and of substances with adduct-forming
and oxidizing capacity. Mutat Res 565: 1-10.
16. Knaapen AM, Shi T, Borm PJA, Schins RPF. 2002. Soluble metals as whell as the
insoluble particle fraction are involved in cellular DNA damage induced by
particulate matter. Mol cell Biochem 234/235: 317-326.
17. Laden F, Neas MN, Dockery DW and Schwartz J. 2000. Association of fine
particulate matter from different sources with daily mortality in Six US cities.
Environmental Heatlh Perspectives 108: 941-947.
18. Mathew R. Heala, Leon R. Hibbsa,1, Raymond M. Agiusb, Iain J. Beverland. 2005.
Total and water-soluble trace metal content of urban ackground PM10, PM2.5 and
black smoke in Edinburgh, UK. Atmospheric Environment 39: 1417–1430
19. Miranda J, Morales JR, Cahill TA, Aldape F and Flores J. 1992. A study of
elemental contents in atmospheric aerosols in Mexico. Atmosfera 5(2): 95 - 108.
20. Morawska L, Moore MR and Ristovsky ZD. 2004. Health Impacts of Ultrafine
Particles Desktop Literature Review and analys. The Australian Departament of the
Enviroment and Heritage ISBN 0 642 55055 7.
21. Múgica V, Maubert M, Torres M, Muñoz J and Rico E. 2002. Temporal and spatial
variations of metal content in TSP and PM1o in Mexico City during 1996-1998.
Journal of Aerosol Science 33:91-102.
33
22. Nikolaos S. Thomaidis B, Evangelos B, Panayotis A and Siskos. 2003.
Characterization of lead, cadmium, arsenic and nickel in M2:5 particles in the
Athens atmosphere, Greece Chemosphere 52: 959–966.
23. OMS Organización Mundial de la Salud y el Programa de las Naciones Unidas
para el Medio Ambiente, 1992.
24. Pichs R. 2002. Las Dimensiones energética y ambiental en las negociaciones del
ALCA. IV Seminario de la Red de Economía Mundial. La Habana.
25. Salazar S, Bravo JS y Castellanos, MA. 1989. Identificación de la fracción mineral
del aerosol atmosférico en una Zona Urbana de la Ciudad de México por medio de
difracción y fluorescencia de rayos X. Atmósfera 2: 103-110.
26. Sauer P, Müller M and Kang J. 1998. Quantitation of DNA. QIAGEN News 2: 23-
26.
27. SMA - GDF (Secretaría de Medio Ambiente. Dirección General de Prevención y
Control de la Contaminación).
28. www.sma.df.gob.mx/imecaweb/mapas/descrip_pm.html
29. SMA-GDF (Secretaría de Medio Ambiente. Dirección General de Prevención y
Control de la Contaminación) 2001. Informe anual de la Calidad del aire en el Valle
de México 1999. pgs. 5 - 13
30. Sorensen M, Autrup H, Hertel O, Wallin H, Knudsen LE and Loft S. 2003. Personal
exposure to PM2.5 and biomarkers of DNA damage. Cancer Epidem Biomar and
Prev 12: 191-196.
31. Tsai FC, Apte MG and Daisey JM. 2000. An exploratory analysis of the relationship
between mortality and the chemical composition of airborne particulate matter.
Inhal Toxicol 12:121-135.
32. US-EPA (1999b).Compendium of Methods for the Determination of Inorganic
Compounds in Ambient Air. Unites States Environmental Protection Agency
EPA/625/R-96/010a. Compendium of Method IO-3.2. Determination of Metals in
Ambient Particulate Matter using Atomic Absorption (AA) Spectroscopy .
33. US-EPA (1999c).Compendium of Methods for the Determination of Inorganic
Compounds in Ambient Air. Unites States Environmental Protection Agency
EPA/625/R-96/010a. Compendium of Method IO-3.3.
34
34. US-EPA. 2001. Air Quality Criteria for Particulate Matter. United States
Environmental Protection Agency Vol 2. Washington, DC:U.S.EPA Office of
Research and Development. EPA/600/P-65/001bF.
35. Vega E, Reyes E, Sánchez G, Ortiz E, Ruiz M, Chow J, Watson J and Edgerton S.
2002. Basic statistics of PM2.5 and PM1o in the atmosphere of Mexico City. The
Science and Total Environmental 287: 167-176.
36. Vega E, Reyes E, Wellens A, Sánchez G, Chow J, Watson J. 2003. Comparison of
continous and filler basad mass measurements in Mexico City. Atmospheric
Environment 37: 2783-2793.
