Cuantificación de cadmio y plomo en rábanos y cebollas cultivados en San Pablo Ahuatempa, Puebla.

Abstract

Resumen: En los últimos años, el volcán Popocatépetl ha mostrado una actividad considerable, expulsando ceniza a lo largo de varios kilómetros. Aunque se reconoce que la ceniza volcánica contiene nutrientes beneficiosos para los cultivos, su composición también incluye metales pesados, que en grandes cantidades pueden causar problemas de salud en los seres humanos. Este fenómeno ha desatado debates sobre si la ceniza volcánica podría tener beneficios para los cultivos cercanos. Para abordar esta cuestión, se seleccionaron dos hortalizas locales, la cebolla y el rábano, de San Pablo Ahuatempa, Puebla. Dado que estas plantas son fitoacumuladoras de metales, se utilizó un espectrofotómetro de absorción atómica y procesos como el secado y pulverización para estudiar la presencia de cadmio y plomo. Los resultados revelaron que, en el caso de la cebolla, los niveles de cadmio se encuentran por debajo del límite diario de 0.1 microgramos por kilogramo de peso corporal establecido por la OMS para una persona de 70 kg. Sin embargo, el consumo de una cebolla de 300 gramos representaría aproximadamente el 23% del límite diario. En contraste, un solo rábano contiene 1.24 mg, superando significativamente el límite diario del Codex alimentario de 0.01, representando alrededor del 252% del límite diario. Dada la presencia de cadmio y plomo que excede los límites establecidos, se recomienda ampliar la investigación para abarcar áreas potencialmente contaminadas. Este estudio proporciona información sobre la presencia de metales en las hortalizas seleccionadas, destacando la necesidad de una mayor investigación en la seguridad alimentaria de la región.

Objetivos: 1. Realizar una revisión bibliográfica a través de una búsqueda en literatura científica con el fin de reconocer la presencia de metales pesados en alimentos. 2. Identificar las hortalizas con mayor actividad fitoacumuladora en las parcelas cercanas al volcán donde se cultivan. 3. Identificar el método de muestreo adecuado con la finalidad de obtener las muestras representativas para su análisis. 4. Preparar las muestras para el análisis de metales pesados con el propósito de determinar la cantidad de metales presentes en las muestras. 5. Analizar las muestras mediante técnicas analíticas (espectrofotometría de absorción atómica) apropiadas para determinar y cuantificar la concentración de metales pesados en las muestras. 6. Interpretar los resultados obtenidos a través de gráficas para compararlos con los límites de seguridad establecidos por las autoridades sanitarias.

Metodología: La metodología que será presentada a continuación fue basada en investigación de campo y experimentación en laboratorio. Durante el proceso de desarrollo, se realizaron análisis y se llevaron a cabo experimentos en instalaciones de la universidad, lo que contribuyó a los resultados obtenidos.

Trabajo de campo: Para identificar el lugar para recoger los tubérculos, se visitó un mercado al aire libre en Atlixco, en la colonia Álvaro Obregón, Puebla. Durante esta exploración, se reconocieron las hortalizas locales, al tiempo que se estableció contacto con vendedores, productores y cultivadores en áreas cercanas al volcán Popocatépetl.

Fig. 1. Col. Álvaro Obregón, Atlixco, Puebla, se sitúa el mercado al aire libre en las calles 11 sur, 13 poniente y 15 poniente Recolección de muestra Los rábanos se recolectaron por un método de muestreo aleatorio simple porque la temporada de cosecha de este tubérculo es muy corta, por lo que las plantas maduras ya se habían sacado de la tierra en parcelas cercanas. Utilizando un proceso de selección al azar se obtuvieron 35 muestras que llevaban un día fuera del suelo. Solo se utilizó la parte comestible y se desecharon las hojas y tallos.

Fig. 2. Muestras ya cosechadas de rábano

La recolección de muestras de cebolla se realizó en octubre, estratégicamente sincronizada con la disponibilidad estacional de verduras en la región. Para este proceso se hizo una selección del terreno en San Pablo Ahuatempa, Puebla, con dimensiones cercanas a una hectárea. De esta manera, se procuró obtener datos que reflejaran las propiedades de las cebollas cultivadas en dicho contexto geográfico y temporal.

Fig. 3. Ampliación de la zona de Puebla, San Pablo Ahuatempan y la parcela donde se realizó la recolección de muestras

La Figura 4 ofrece una guía visual para el muestreo de suelos agrícolas, destacando la importancia de la precisión en la recolección para obtener datos representativos en el análisis de metales [18].

Fig. 4. Diagrama de muestreo probabilístico sistemático en X

. Fig. 5. Muestras de cebolla ordenadas idénticamente al muestreo

Se tomaron 6 ejemplares de cebollas ubicadas en cada punto indicado (extremo superior derecho e izquierdo, extremo inferior derecho e izquierdo y centro), así se logró abarcar cada espacio [18].

Fig. 6. Parcela de recolección en San Pablo Ahuatempa

Fig. 7. Muestras de cebollas recolectadas

Conservación de la muestra: Dado que el analito consiste en metales pesados altamente estables, se preservaron las muestras mediante su congelamiento para mantener los elementos de interés en la muestra.

Proceso de la muestra: En la Fig. 8 se puede consultar los pasos del proceso Fig. 8. Diagrama de flujo para procesar la muestra.

Lavado El procedimiento inicial implicó la limpieza de las muestras con agua corriente. Este paso fue esencial para eliminar cualquier contaminante superficial. Después se sumergieron en agua destilada para eliminar los metales del agua, asegurando la pureza y la calidad de las muestras para su análisis [19].

Secado Como siguiente paso, se cortaron las muestras en porciones pequeñas para un secado rápido. Se pusieron en una bandeja y se colocaron en una estufa de laboratorio de modelo "3481 M Imperial V Laboratory Oven". Se programó la estufa a una temperatura de 110°C y se mantuvo durante 24 horas continuas. Este proceso permitió la eliminación de la humedad en las muestras y evitó posibles alteraciones que podrían surgir con métodos más rápidos o temperaturas más elevadas [19].

Fig. 9. Muestras antes de pasar al proceso de secado.

Molienda Cuando los trozos se secaron, se usó una licuadora para pulverizar y obtener una consistencia más fina. Posteriormente, para refinar la muestra, los materiales pulverizados fueron sometidos a un proceso de machacado en un mortero de porcelana [17]. El siguiente paso implicó un tamizado, llevado a cabo mediante mallas de diferentes tamaños: 3 mm, 177 μm y 100 μm. Este proceso de tamizado, realizado con precisión, tuvo como objetivo seleccionar las partículas según su tamaño, eliminando las impurezas no deseadas y asegurando que la muestra final consistiera en partículas homogéneas [20].

Digestión de las muestras En el proceso de digestión de una muestra, se requirió la preparación de 50 mL de una disolución de ácido nítrico (HNO3) al 50%. La cantidad necesaria de mililitros de una solución al 70% se determinó mediante la siguiente fórmula: v1=((0.5)(50 ml))/0.7 =35.7142mL (1) Por lo tanto, se necesita un volumen de 35.71 mL de la solución inicial. El proceso de preparación continuó con la adición de 35.7142 mL de ácido nítrico (HNO3) al 70% en un matraz de 50 mL, seguido por la incorporación del volumen restante utilizando agua ionizada. Posteriormente, se pesó en una balanza analítica 1 gramo de la muestra previamente pulverizada y se añadió en el ácido nítrico [21]. En una parrilla se implementó un sistema de digestión a reflujo. Se trasvasa la preparación anterior al matraz de bola. Es importante mantener una temperatura constante a 102 °C por 2 horas 30 minutos [19].

Filtrado La solución resultante de la digestión se filtró al vacío para eliminar los restos de materia orgánica [21]. Fig. 10. Visualización de la muestra a lo largo de los procesos de transformación físicos y químicos

Espectrofotometría de absorción atómica Se tomó una sesión de capacitación con un espectrofotómetro de absorción atómica modelo Agilent Technologies, 200 series AA, mostrado en la Fig. 11. Donde se determinaron los parámetros y el proceso de lectura de elementos.

Fig.11. Espectrofotómetro de absorción atómica modelo Agilent Technologies, 200 series AA

Parámetros Corriente de lámpara: 4 mA Combustible: acetileno Soporte: aire Estequiometría de llama: oxidante También se siguieron recomendaciones hechas por el fabricante: La absorbancia muestra una fuerte dependencia de la corriente de la lámpara. Asimismo, tiene una sensibilidad significativa con la absorbancia respecto al flujo de la llama, lo cual enfatiza la necesidad de ajustarlo cuidadosamente para alcanzar la máxima sensibilidad.

Tabla 1: Longitudes de onda según con su ancho de hendidura y rango óptimo de trabajo según la concentración buscada de analito. Longitud de onda (nm) Ancho de hendidura (nm) Rango óptimo de trabajo (μg/mL) 228.8 0.5 0.02-3.00 326.1 0.5 20-1000

Longitud de onda: Las longitudes de onda se ajustan según la concentración de Cd en la muestra. El manual de uso del equipo “Method Development ePrimer” sugiere dos longitudes de onda: 228.8nm y 326.1nm. Se optó por usar la de 228.8 nm porque está en el rango óptimo de trabajo.

Fig. 12. Modelo de lámpara Agilent Technologies de cadmio utilizada.

El espectrofotómetro funciona con estándares de cadmio y plomo para generar la curva de calibración. En este proceso, se evaluó la solución STOCK y se midieron 5 puntos más de la curva.

Fig. 13. Estándares de cadmio y plomo.

Se hicieron diferentes soluciones que abarcaban una concentración de 1, 3, 5, y 10 mg/L. Para el stock o solución madre de donde se obtuvieron las 5 siguientes se usó la fórmula 2, la cual es útil para saber cuánta solución estándar necesitamos v1=((400mg/L)(100 ml))/(1000 mg/L)=40 ml de estándar (2) Para las 5 soluciones de la curva de calibración se utilizaron las fórmulas 3-7. v1=((10mg/L)(100 mL))/( 400mg/L)=2.5 ml de stock (3) v1=((8mg/L)(100 mL))/( 400mg/L)=2 ml de stock (4) v1=(5 mg/L)(100 mL)/(400 mg/L)=1.25 ml de stock (5) v1=(3mg/L)(100 mL)/(400mg/L)=0.75 ml de stock (6) v1=(1mg/L)(100 mL)/(400mg/L)=0.25 ml de stock (7) Con los datos obtenidos se realizan las disoluciones aforando las mezclas con agua destilada en matraces de 50 mL. Estas son leídas a través de espectrofotometría de absorción atómica. Se elaboró una curva de calibración en la que se identifica el crecimiento de la absorbancia con respecto a las concentraciones, como vemos en la Fig.14.

Fig. 14. Curva de calibración.

Resultados: Cadmio (Cd) La absorbancia de la curva de calibración hecha con los cinco estándares nos arrojó resultados congruentes, ya que las lecturas aumentaban de forma proporcional y gradual de acuerdo con nuestras concentraciones de Cd.

Tabla 2. Estándares con sus respectivas absorbancias y concentraciones Estándar Absorbancia Concentraciones (mg/L) Rábano 1 0.0007 1 Rábano 2 0.0013 3 Rábano 3 0.0018 5 Rábano 4 0.0021 8 Rábano 5 0.0025 10

Fig. 14. Curva de calibración con los puntos obtenidos de los estándares (en azul) y la línea de tendencia (en rojo).

La línea de tendencia en la curva de calibración tiene la siguiente pendiente.

y=5201.6x-3.1707 (8) El espectrofotómetro lee la absorbancia y al sustituirla en la fórmula de pendiente se tiene como resultado las siguientes concentraciones.

Tabla 3. Resultados de espectrofotómetro en cebollas. Muestra de cebolla Absorbancia Concentraciones (mg/L) Esquina Inferior izquierda 0.0018 6.01218 Esquina Superior izquierda 0.0009 1.42074 Centro 0.0014 3.97154 Esquina superior Derecha 0.002 7.0325 Esquina inferior Derecha 0.0023 8.56298 PROMEDIO 5.399988

Fig. 14. Gráfica de los resultados obtenidos de la tabla 3 ordenados por absorbancia. El primer punto de mayor a menor es la esquina superior izquierda (ESI) el segundo punto es el centro (C), el tercer punto es esquina superior derecha (ESD), el cuarto punto es la esquina superior derecha y el quinto punto es la esquina inferior derecha (EID)

Los resultados de las pruebas de un terreno de cebolla muestran concentraciones de Cd medida en miligramos por litro (mg/L), recolectados por muestreo en X del terreno estudiado. La absorbancia, obtenida a través de un espectrofotómetro, varía en cada muestra: desde 0.0009 hasta 0.0023. Estas absorbancias se han convertido a concentraciones, oscilando entre 1.42074 mg/L y 8.56298 mg/L. El promedio de concentración para todas las ubicaciones es de aproximadamente 5.4 mg/L. Estos datos proporcionan información sobre la distribución de la sustancia en el terreno de cebolla, siendo útiles para comprender la variabilidad y la concentración promedio en diferentes secciones del área muestreada.

Tabla 4. Resultados obtenidos con espectrofotómetro de la relación absorbancia concentración de las muestras de y promedio de las concentraciones. Muestra Absorbancia Concentraciones (mg/L) Rábano 1 0.0041 17.74586 Rábano 2 0.0038 16.21538 Rábano 3 0.0044 19.27634 Rábano 4 0.0035 14.6849 Rábano 5 0.0047 20.80682 PROMEDIO 17.74586

Fig. 15. Grafica de los resultados obtenidos de la tabla 4 ordenados por absorbancia

Los resultados del muestreo aleatorio simple de rábanos presentan la absorbancia y concentración de una sustancia medida en miligramos por litro (mg/L) en cada prueba. Los valores de absorbancia, obtenidos a través de un espectrofotómetro, varían entre 0.0035 y 0.0047. Estos valores se han convertido a concentraciones, que van desde 14.6849 mg/L hasta 20.80682 mg/L. El promedio de concentraciones en estas muestras específicas es de 17.74586 mg/L. Estos datos proporcionan información sobre la presencia y distribución de la sustancia en diferentes rábanos muestreados, permitiendo evaluar la variabilidad en la concentración de la sustancia en la muestra aleatoria seleccionada. El estudio detallado de los límites diarios recomendados y las concentraciones promedio de cadmio (Cd) en cebollas y rábanos revela datos importantes al considerar la seguridad alimentaria. Para la cebolla, aunque la concentración promedio del consumo de un kilo de cebolla, se sitúa por debajo del límite diario de 0.1 microgramos por kilogramo de peso corporal establecido por la OMS para una persona de 70 kg (equivalente a 7 mg/kg de ingesta por día), el consumo de una sola cebolla de 300 g representa aproximadamente 1.62 mg, lo que equivale al 23% del consumo diario. Es crucial destacar que una dieta típica no se compone solo de cebollas, lo que podría aumentar la dosis diaria de cadmio al considerar otros alimentos contaminados. Además, hay muchas personas que no superan los 70 kg, por lo que su tolerancia diaria baja. Especialmente si consideramos a niños, que deberían tener una exposición menor a toxinas. En estos casos una sola cebolla puede representar un potencial riesgo. A pesar de que un kilo de cebollas se mantiene por debajo del límite diario de la OMS, superan significativamente el límite establecido por el Codex Alimentarius para bulbos, con un valor de 0.05 mg/kg. Este hallazgo subraya la importancia de considerar diferentes estándares internacionales al evaluar la seguridad alimentaria. Como se mostró en los resultados obtenidos y presentados en tabla 3, se encuentra un promedio de 5.39 mg/kg, representando un 10798%. En contraste, los rábanos presentan una situación más preocupante. Un kilo de rábano exhibe una concentración que supera el límite diario establecido por cualquier organización y el límite del Codex para bulbos, tomando en cuenta que los rábanos suelen pesar 70 g, Entonces en un solo rábano tenemos la cantidad de 1.24 mg, contrastando con el Codex alimentario que dicta un límite de 0.01 representan aproximadamente un 252% del límite diario. Esta situación plantea una seria preocupación, especialmente considerando que la concentración promedio de cadmio en rábanos es significativamente mayor (17.74586 mg/L) en comparación con las cebollas.

Tabla 5. Limites seguros por día Cd Pb OMS 0.1 μg por kg de peso corporal en 70 kg. 0.01 μg por cada kg en adultos. FDA 0.07 μg en personas adultas. 2.5 μg por cada kg de peso corporal. COFEPRIS 0.007 μg/kg. 0.01 μg/kg.

La concentración de los resultados se puede atribuir a la identificación del rábano como un hiperacumulador de cadmio. La capacidad del rábano para acumular concentraciones significativamente mayores de cadmio en comparación con la cebolla respalda la consistencia de los hallazgos. Los hiperacumuladores son plantas que tienen la capacidad única de absorber y acumular grandes cantidades de metales pesados del suelo. [22] En este contexto, el hecho de que un solo rábano pueda superar ampliamente los límites diarios recomendados y establecidos para la ingesta de cadmio indica una mayor sensibilidad de esta planta a la absorción de este metal, por lo tanto, requiere una atención especial en términos de consumo humano.

Plomo (Pb) Para la detección de plomo en las muestras se hizo uso del equipo UV-visible, puesto que el manual del espectrofotómetro de absorción atómica menciona que para la cuantificación de este metal es necesario una maquina especial llamada “Horno de grafito”, sin embargo, podemos identificar su presencia por medio de la espectroscopia UV-visible, con lo que se sometió a este proceso las muestras ya realizadas. Fig. 16. Gráfica del barrido del equipo de espectrofotometría UV-Visible. Se muestra el rango de la longitud de onda de 280-290 nm donde se buscó la presencia del plomo donde se observan las bandas que sugieren la presencia de plomo.

El plomo se detecta a partir de una longitud de onda de 283,3 nm, para la evaluación de la presencia del Pb se buscó dentro de un rango de 280-290 nm. En los resultados obtenidos por la espectrofotometría de UV-visible se observó una banda en la longitud de onda de 280.0 nm por lo que se puede suponer la presencia de plomo en una muestra de cebolla ya que presenta una absorbancia de 4.2953. También se encontró otra banda en la longitud de onda de 284.9 nm, la cual se encuentra dentro del rango previamente establecido con una absorbancia de 9.83, que es mayor a la muestra previamente analizada, y corresponde a una muestra de rábano. Las concentraciones de plomo permitidas en hortalizas son muy bajas, por lo que cualquier concentración encontrada de este metal puede llegar a ser dañina.

Conclusión: En el transcurso de este proyecto, se llevaron a cabo análisis sobre las cantidades de bulbos de cebolla y rábano en San Pablo Ahuatempa, Puebla, afectados por la actividad reciente del volcán Popocatépetl. Los resultados obtenidos revelaron datos relevantes en relación con la presencia de metales pesados, especialmente cadmio y plomo, en las muestras analizadas. Las concentraciones de cadmio superaron las normativas establecidas por la Organización Mundial de la Salud (OMS) según el CODEX, indicando un riesgo potencial para la salud. La presencia de plomo en las hortalizas estudiadas plantea un riesgo para la salud pública, ya que este metal puede tener efectos adversos en las personas, especialmente en el desarrollo cognitivo de niños y la salud general de los adultos. El ámbito técnico, fue favorecido por la aplicación de técnicas analíticas. La espectrofotometría de absorción atómica y UV-visible demostró ser una herramienta para cuantificar la presencia de metales en las muestras, validando la metodología utilizada en este estudio. Aunque se lograron realizar todos los procesos de la muestra, los resultados indican claramente que el uso de ceniza volcánica como fertilizante natural debe reconsiderado, buscando otro método alternativo. La presencia de metales pesados en concentraciones perjudiciales plantea riesgos tanto para la salud humana como para la seguridad alimentaria en la región estudiada. En resumen, este proyecto ofrece una comprensión crítica de los impactos potenciales de la actividad volcánica en la calidad de los cultivos locales, subrayando la necesidad urgente de medidas preventivas y regulaciones para salvaguardar la salud humana y la seguridad alimentaria en estas regiones vulnerables. Este proyecto puede servir como base para futuras investigaciones de mayor alcance, esto para corroborar que los análisis hechos sean correctos, dado que por ética científica no se puede basar en los datos obtenidos de un solo estudio con muestras limitantes.