Introducción

La rápida urbanización y la intensa actividad humana han hecho de las ciudades un foco de consumo de recursos y emisiones atmosféricas; esto genera diversos problemas ambientales que incluyen la contaminación por metales pesados, la cual, en suelos y sedimentos urbanos, es de gran interés debido a la diversidad de fuentes de emisión y a su toxicidad, propiedades no biodegradables y comportamiento acumulativo ^1,2.

Los sedimentos viales (SV) surgen de la deposición de partículas sólidas sobre la superficie en tiempo seco (p. ej., entre eventos de precipitación). De esta manera, se consideran como sumideros de metales pesados que provienen de diversas fuentes de contaminación (emisiones de escapes de vehículos, pastillas de frenos, fugas de aceite, mobiliario urbano y chimeneas industriales), lo cual permite su uso como medio de caracterización ambiental (indicador) en áreas urbanas ^3,4.

La experiencia en la gestión de la contaminación vial ha evidenciado una relación directa entre el crecimiento urbano y las cargas contaminantes asociadas a los SV y, por lo tanto, con las cargas vertidas en los sistemas de drenaje, cuerpos de agua, suelo y atmósfera de áreas aledañas. Las superficies viales representan solo una pequeña parte del paisaje urbano; no obstante, su elevado grado de impermeabilidad favorece la contribución de significativas cargas de metales pesados durante los eventos de precipitación y escorrentía superficial ^5,6. Además, los SV acumulados en tiempo seco pueden afectar la salud de las personas por un deterioro de la calidad del aire, el suelo y la vegetación del entorno cuando estos son suspendidos por el viento y la turbulencia inducida por el tráfico vehicular ⁷.

Los anteriores fenómenos meteorológicos y antropogénicos (escorrentía, viento y turbulencia del tráfico) permiten sugerir la posibilidad de contacto dérmico, inhalación e ingestión de metales pesados por parte de los ciudadanos, lo que resulta en una afectación sobre el medio natural urbano. Dado que, por lo general, los metales pesados no son biodegradables (acumulativos) y no se conocen sus mecanismos homeostáticos, es muy probable que elevadas concentraciones generen efectos negativos sobre la vida biológica y la salud pública urbana ⁸.

En seres humanos, los SV propician acumulación en tejidos grasos y en el sistema circulatorio y generan efectos adversos sobre el sistema nervioso central y el funcionamiento de los órganos internos; además, actúan como cofactores en enfermedades como el cáncer ⁹.

El estudio de la contaminación metálica asociada con los SV es de interés creciente debido al control de las fuentes puntuales de polución; a la cantidad de metales pesados descargados en los sistemas acuáticos, el suelo y la atmósfera de áreas urbanas, y a su significancia sobre la salud pública urbana.

El objetivo principal de este artículo de revisión es presentar una identificación y análisis de los factores físicos (FF) que intervienen en el fenómeno de acumulación de metales pesados en el sedimento depositado sobre superficies viales; esto con el fin de facilitar la toma de decisiones en el control de la contaminación metálica por escorrentía y la gestión de la salud pública urbana. La revisión se fundamenta en los tres metales pesados más reportados por investigaciones previas sobre SV ¹⁰: plomo (Pb), zinc (Zn) y cobre (Cu). Además, se identifica la relación entre el contenido metálico y los FF que intervienen en el proceso de acumulación.

Materiales y métodos

Sistema de búsqueda bibliográfica

Si se asume que las variables más significativas de un fenómeno ambiental podrían ser citadas o estudiadas con mayor frecuencia, entonces se puede estimar la importancia de los FF identificados a través de su frecuencia de citación en documentos científicos. Aunque la anterior hipótesis no es necesariamente cierta, esta fue usada en la presente investigación como un lineamiento de búsqueda y análisis.

Se utilizaron las bases de datos electrónicas Springer, ScienceDirect y Google Scholar con el objeto de establecer un orden de importancia para los FF identificados. La metodología de revisión sistemática de la literatura fue desarrollada de forma exclusiva para la presente investigación y estuvo constituida por tres fases:

La primera fase de búsqueda se realizó para detectar artículos y libros en inglés sobre la contaminación metálica asociada con los SV. En la revisión bibliográfica se utilizaron las siguientes palabras clave asociadas con el objetivo principal de la investigación: "urban road runoff'' y "heavy metal". El período de investigación estuvo comprendido entre el 1 de enero de 1970 y el 31 de diciembre de 2015. Se revisó el contenido total de los artículos y libros en formato PDF incluidos en las bases de datos utilizadas y se detectaron 2 289 documentos en Springer, 2 624 en ScienceDirect y 16 100 en Google Scholar (Tabla 1). Google Scholar fue la única base de datos que incluyó en los análisis los mismos documentos detectados por las otras dos bases de datos.

Tabla 1

Fases 1 y 2 de la metodología desarrollada para la revisión bibliográfica.

Luego, se desarrolló una segunda fase de revisión bibliográfica donde se incluyeron palabras clave adicionales en inglés a partir de las temáticas reportadas por los filtros de búsqueda de las bases de datos ScienceDirect y Scopus. Esta fase fue desarrollada para identificar los FF involucrados en el fenómeno de acumulación de metales pesados en los SV (Tabla 1 ). La búsqueda excluyó los factores químicos (pH de la precipitación y escorrentía y lixiviación de los SV) y biológicos (contenido de materia orgánica en los SV) que podrían estar involucrados en este fenómeno.

Por último, se desarrolló una tercera fase de revisión con respecto a las referencias bibliográficas incluidas en los documentos detectados en la fase 1 por la base de datos ScienceDirect. Se mantuvo la misma combinación de palabras clave y línea de tiempo de la fase 2 y se detectaron y analizaron los resúmenes de 503 documentos. Las bases de datos Springer y Google Scholar no fueron utilizadas en esta fase debido a que sus motores de búsqueda no contaron con la opción de exploración exclusiva en las referencias bibliográficas de los documentos detectados.

Como resultado, se seleccionaron 79 documentos para la construcción del presente artículo de revisión. El principal criterio de inclusión para los documentos seleccionados fue el reporte de la concentración de 2 de los 3 metales pesados bajo investigación (Pb, Zn y Cu). Es decir, se excluyeron los documentos con información cualitativa. Para la construcción de cada sección se utilizaron los siguientes documentos: 37 sobre precipitación, 23 sobre uso del suelo y 30 sobre tráfico. En algunos casos, por la temática, el mismo artículo se incluyó en dos secciones.

Análisis bibliográfico

Se desarrolló un índice que relacionó el número de documentos detectados en las fases 1 y 2 de la metodología aplicada para la revisión bibliográfica (p. ej., frecuencia de citación). Esto se realizó con el objetivo de establecer un orden de importancia a través de cuartiles (Q) para los once FF detectados. El índice tuvo una variación entre 0 y 1 (Q1: 0.75-1.0; Q2: 0.5-0.75; Q3: 0.25-0.50; Q4: 0.0-0.25). Para precipitación en la base de datos ScienceDirect se detectaron 1 899 documentos en la fase 2 dentro de los 2 624 documentos detectados en la fase 1; esto generó un índice de 0.724 (1 899/2 624=0.724). En promedio, los estudios citaron con mayor frecuencia la precipitación (Q1: 0.751), el uso del suelo (Q2: 0.622) y el tráfico (Q2: 0.546) como FF dominantes del proceso de acumulación de metales pesados en los SV.

Para identificar la posible relación entre las variables de las matrices desarrolladas para cada FF, se realizó un análisis clúster utilizando el programa informático SPSS® versión 18.0. Los datos (variables) fueron estandarizados por medio de puntajes Z antes del análisis clúster y se calcularon las distancias euclidianas de similitud entre las variables. Entonces, se aplicó sobre los datos estandarizados un análisis jerárquico por medio del método de Ward. A partir de los grupos detectados, y para analizar su relación, se aplicaron las pruebas estadísticas t-Student, coeficiente de correlación de Pearson y análisis de regresión lineal; también se utilizaron estadísticos descriptivos para profundizar la discusión entre variables.

A partir de los documentos seleccionados, las variables detectadas y analizadas para cada FF fueron: precipitación (área continental del estudio; concentración ^g/l) de Pb, Zn y Cu, y año del estudio), uso del suelo (residencial, comercial, industrial y rural) y tráfico (densidad promedio de tráfico (vehículos/día); área continental; fracción de tamaño del SV; concentración (mg/kg) de Pb, Zn y Cu, y año del estudio).

Resultados

Precipitación (Q1)

La Tabla 2 presenta una revisión de las concentraciones de metales pesados detectadas en la fracción soluble del agua de escorrentía vial. Esta revisión fue realizada para evaluar el transporte producto del lavado ejercido por la escorrentía superficial sobre los metales pesados asociados con los SV; es decir, como medio de transmisión de metales pesados desde las superficies viales hacia los cuerpos hídricos receptores y hacia los sistemas de conducción y tratamiento del agua pluvial. Lo anterior podría sugerir la ingestión y contacto dérmico de metales pesados por parte de comunidades que se abastecen o recrean con este tipo de aguas superficiales.

Tabla 2

Concentración de metales pesados en la fracción soluble de la escorrentía vial, revisión cronológica.

Tabla 2, (cont.)

Concentración de metales pesados en la fracción soluble de la escorrentía vial, revisión cronológica.

El análisis clúster permitió la identificación de cuatro racimos en la Tabla 2: 1) concentraciones de Zn y Cu, 2) concentraciones de Pb y Cu, 3) área continental y 4) año del estudio. Los racimos 1 y 2 estuvieron agrupados en un nivel superior, quizás implicando una relación entre estos. Los resultados mostraron una posible relación entre los racimos 3 y 4 y los racimos 1 y 2. A continuación se presentan los análisis y discusiones a partir de los resultados obtenidos de la prueba estadística de clúster.

Como se observó en la Tabla 2, se reportaron amplias fluctuaciones en la concentración de los metales pesados en estudio (valores mínimos y máximos), sugiriendo que los aportes e importancia de las fuentes contaminantes variaron de forma significativa en el ambiente vial. De igual forma, se insinuó una amplia variación en las concentraciones de metales a las cuales estuvieron expuestas los residentes y usuarios de los corredores viales.

La prueba t-Student emparejada mostró que existieron diferencias significativas entre las concentraciones de Pb y Zn (t=-4.453, gl=30, p<0.01) y Zn y Cu (t=4.315, gl=33, p<0.01). Sin embargo, no existieron diferencias significativas entre las concentraciones de Pb y Cu (t=0.810, gl=31, p=0.424). La concentración promedio de Zn fue 4.9 y 5.4 veces superior a la de Pb y Cu, respectivamente. Los resultados mostraron que las concentraciones de metales tuvieron la siguiente secuencia en la fracción soluble de la escorrentía vial: Zn > Cu > Pb. A partir de los metales pesados en estudio, se sugirió al Zn como el elemento más abundante en la fracción soluble de los sistemas hídricos urbanos sobre los cuales se vertieron aguas de escorrentía vial.

Además, la anterior secuencia en la concentración de metales pesados coincide con la reportada en pruebas de lixiviación de laboratorio (lavado ácido) sobre los SV ^11,42,45,46. Los resultados sugieren que el Zn registró mayor afinidad con la fracción soluble del escurrimiento vial mientras que el Pb y el Cu registraron mayor afinidad con la fracción sólida. Es decir, los SV quizá actuaron como sumideros de Pb y Cu. Por lo tanto, se insinuó que en sistemas hídricos urbanos (quebradas, ríos y humedales) con vertidos de escorrentía vial sus sedimentos acumularon elevadas cantidades de Pb y Cu, deteriorando la salud humana y ambiental del entorno acuático.

El coeficiente de correlación de Pearson fue utilizado para evaluar la afinidad en el origen de los metales pesados reportados en la Tabla 2, p. ej., la fuente de contaminación. Los resultados mostraron que existió una correlación positiva de media a considerable entre las concentraciones de Cu y Pb en la fracción soluble de la escorrentía vial (r=0.62), sugiriendo la existencia de una fuente común o dominante para estos metales en el ambiente vial; quizás el tráfico vehicular. Los coeficientes de correlación lineal entre las concentraciones de Pb y Zn fueron 0.37 y de Zn y Cu 0.26 (correlaciones positivas entre débiles y medias), lo que insinuó la existencia de diversas fuentes de contaminación para estos metales en el ambiente vial.

Los datos en la Tabla 2 mostraron la existencia de una correlación lineal negativa de media a considerable entre la concentración de Pb (µg/l) en la fracción soluble del escurrimiento vial y el año (Y) del estudio (r-Pearson=-0.56; p<0.01; df=32; Pb=-10.33*Y+20779). A lo largo de la historia, las emisiones provenientes de los escapes de vehículos han contribuido con la mayor parte del Pb en el escurrimiento vial; no obstante, la reducción del Pb en la gasolina ha resultado en una reducción de su concentración alrededor de una décima parte de los niveles reportados por las investigaciones a principios de 1970 ⁴⁷. En el presente estudio, los resultados mostraron en promedio que la reducción internacional de la concentración de Pb en el escurrimiento vial ha sido de 10.3 μg/l por año. Esto demuestra cómo la reducción de Pb en la gasolina ha sido una medida de control efectiva en el marco de la salud pública urbana.

Por último, los resultados sugirieron una variabilidad continental en las concentraciones de metales pesados en la fracción soluble de la escorrentía vial. Las medianas de las concentraciones de Pb, Zn y Cu de países europeos fueron entre 47% y 203% superiores a las registradas en Norteamérica, siendo las medianas de países asiáticos al menos 187% superiores a las norteamericanas. Es probable que estas diferencias se registraran debido a que la información asiática correspondió a áreas densamente urbanizadas de ciudades de China (Shanghai, Guangzhou y Beijing) y Japón (Tokyo). Kayhanian et al.⁴⁸ reportaron resultados similares y mencionaron que una de las posibles razones para estas diferencias fue la menor densidad de vehículos por kilómetro registrada en Norteamérica. Lo anterior sugiere un control diferenciado por parte de las instituciones de salud pública y ambiental, es decir, con respecto a las zonas urbanas densamente pobladas (habitantes/hectárea) y con elevadas densidades de tráfico (vehículos/día).

Uso del suelo (Q2)

La Tabla 3 presenta una revisión de las concentraciones de metales pesados asociados con los SV para diferentes usos del suelo (recolectado en tiempo seco): residencial, comercial, industrial y rural. Se observó la existencia de amplias variaciones en las concentraciones según el uso del suelo (valores mínimos y máximos). Lo anterior sugirió una exposición de la población residente y usuaria de los corredores viales bajo un amplio rango de concentración de metales pesados, independiente del uso del suelo.

Tabla 3

Concentración de metales pesados asociados con los sedimentos viales para diferentes usos del suelo, recolectado en tiempo seco.

Tabla 3, (cont.)

Concentración de metales pesados asociados con los sedimentos viales para diferentes usos del suelo, recolectado en tiempo seco.

El análisis clúster permitió identificar tres principales racimos de acuerdo a los usos del suelo reportados en la Tabla 3: 1) residencial, 2) comercial y 3) industrial. Los resultados sugirieron la siguiente secuencia porcentual en el grado de contaminación por metales pesados: 50.9% para comercial, 49.7% para industrial y 37.4% para residencial. Sin embargo, una prueba t-Student mostró que no existieron diferencias significativas entre las concentraciones de los usos comercial e industrial (Pb-t=1.335, gl=8, p=0.109; Zn-t=0.661, gl=8, p=0.263; Cu-t=1.069, gl=7, p=0.160). Por lo tanto, la secuencia en el grado de contaminación por metales pesados en los SV según el uso del suelo fue la siguiente: comercial e industrial > residencial > rural; lo que evidenció que los organismos de control de la salud pública y ambiental urbana deben prestar especial atención a las áreas de uso comercial e industrial.

Tráfico (Q2)

La Tabla 4 presenta las concentraciones de metales pesados asociadas con los SV en tiempo seco para diferentes densidades de tráfico. El análisis clúster permitió la identificación de seis racimos: 1) concentraciones de Zn y Cu, 2) concentración de Pb, 3) densidad de tráfico, 4) área continental, 5) año del estudio y 6) fracción de tamaño analizada. Los racimos 1, 2 y 3 estuvieron agrupados en un nivel superior, lo que pudo implicar una relación entre estos. También se evidenció una probable relación entre los racimos 4, 5 y 6 y los racimos 1 y 2. A continuación, se presentan los análisis y discusiones a partir de los resultados obtenidos de la prueba de clúster.

Tabla 4

Concentración de metales pesados asociados con sedimentos viales a partir de diferentes densidades de tráfico, recolectado en tiempo seco.

Tabla 4, (cont.)

Concentración de metales pesados asociados con sedimentos viales a partir de diferentes densidades de tráfico, recolectado en tiempo seco.

Los resultados sugirieron que no existió correlación significativa entre la densidad de tráfico y las concentraciones de Pb y Zn asociadas con los SV en tiempo seco (fracción de tamaño <2000μτη) para todos los estudios reportados en la Tabla 4. Sin embargo, se observó una correlación lineal positiva entre débil y media con la concentración de Cu (r-Pearson=0.39, gl=30).

Un análisis similar fue realizado teniendo en cuenta solo la fracción de tamaño <250μm (Tabla 4). Los resultados mostraron la existencia de una correlación lineal positiva de débil a media entre la densidad de tráfico (DT) y las concentraciones de Pb (r-Pearson=0.48, p=0.029, gl=16, Pb=0.0084*DT+246). Para el Cu, los resultados mostraron una correlación lineal de media a fuerte (r-Pearson=0.73, p<0.01, gl=17, Cu=0.0040*DT+127.5). Los resultados sugirieron que la relación entre la densidad de tráfico y las concentraciones de metales pesados asociados a los SV fueron más evidentes para la fracción de tamaño <250μΓη. Quizás, las partículas emitidas por las fuentes contaminantes de metales pesados estuvieron asociadas con tamaños <250μm, incrementando el potencial de inhalación de los metales por parte de los usuarios y residentes de los corredores viales.

Se reportaron amplias fluctuaciones en la concentración de los metales pesados asociados con los SV en tiempo seco (Pb: 14-2296, Zn: 51-2133, Cu: 45-771 mg/kg), lo que sugiere que los aportes y la importancia de las fuentes contaminantes variaron de forma significativa en el ambiente vial. Una prueba t-Student emparejada mostró que existieron diferencias significativas entre las concentraciones de Zn y Cu (t=4.696, gl=29, p<0.01). Sin embargo, también mostró que no existieron diferencias significativas entre las concentraciones de Pb y Zn (t=-1.582, gl=26, p=0.126) y Pb y Cu (t=1.849, gl=26, p=0.076). Por lo tanto, los resultados sugirieron que las concentraciones metálicas asociadas con los SV en tiempo seco tuvieron la siguiente secuencia: Zn > Pb > Cu; es decir, el metal pesado más abundante fue el Zn. En el presente estudio se evidenció una tendencia similar para la fracción soluble de la escorrentía vial (p. ej., en tiempo de lluvia).

Con el objetivo de evaluar la afinidad en el origen de los metales reportados en la Tabla 4, se realizó un análisis con el coeficiente de correlación de Pearson. Los resultados mostraron una correlación positiva de media a considerable entre las concentraciones de Zn y Cu asociadas con los SV en tiempo seco (r=0.63), lo que sugiere la existencia de una fuente común o dominante para estos metales en el ambiente vial, quizá el tráfico vehicular. Los coeficientes de correlación lineal entre las concentraciones de Zn y Pb fueron 0.38 y de Cu y Pb, 0.16 (correlaciones positivas entre muy débiles y medias); esto sugiriere la existencia de diversas fuentes de contaminación para Pb en el ambiente vial, p. ej., los escapes de vehículos, la pintura vial, el desgaste del pavimento o las emisiones industriales.

Similar a la fracción soluble del escurrimiento vial, en los SV depositados en tiempo seco se observó una correlación lineal negativa de media a considerable entre la concentración de Pb y el año (Y) del estudio (r-Pearson=-0.62, gl=27, p<0.01, Pb=-32.682*Y+65887). Además, también se observó una variabilidad continental similar en las concentraciones de metales pesados asociadas con los SV en tiempo seco. Las medianas de las concentraciones de Pb, Zn y Cu de países europeos fueron 5-412% superiores a las registradas en Norteamérica, siendo las medianas de países asiáticos al menos 59% superiores a las norteamericanas (Tabla 4).

Conclusiones

La presente revisión muestra que los FF más investigados del fenómeno de acumulación de metales pesados en los SV son la precipitación (Q1), el uso del suelo (Q2) y el tráfico vehicular (Q2). Es decir, estos FF son los principales a considerar dentro del desarrollo de políticas de control de la contaminación en el marco de la salud pública y ambiental de áreas urbanas. Por lo tanto, una visión integral en este marco debe considerar dos escenarios con sus correspondientes FF clave: el meteorológico (FF: precipitación) y el antropogénico (FF: uso del suelo y tráfico).

A partir de lo anterior, se debe priorizar el desarrollo de medidas de control para los escenarios meteorológicos de lluvia, como la construcción de sistemas de intercepción-tratamiento de la escorrentía vial: pavimentos permeables, trincheras de infiltración y estanques de retención, y el tiempo seco, que permite la optimización de la frecuencia del barrido mecánico vial; todo lo anterior seguido de medidas de control para el escenario antropogénico como control de emisiones en áreas industriales y reducción del tráfico en vías congestionadas.

Escenario meteorológico: los resultados sugieren que las concentraciones de los metales pesados tienen una tendencia similar en tiempo seco y de lluvia. Es decir, existe un comportamiento semejante entre las concentraciones de los metales asociados con los SV en tiempo seco y la fracción soluble producto del lavado ejercido por la escorrentía. Los resultados evidencian que el Zn es el metal pesado con mayor presencia en el ambiente vial, seguido por el Pb y el Cu. Además, el Zn tiene mayor afinidad con la fracción soluble del escurrimiento vial, mientras que el Pb y el Cu la tienen con la fracción sólida (sedimentos).Escenario antropogénico: a partir del análisis en el uso del suelo, los resultados muestran que la secuencia en el grado de contaminación por metales pesados en los SV es: comercial > industrial > residencial. De esta manera, se establece un orden de intervención diferenciado según el uso del suelo para las instituciones encargadas del control de la salud pública y ambiental en áreas urbanas. Por lo tanto, se debe prestar especial atención a vías en áreas de uso comercial e industrial.

Existe una correlación positiva de media a fuerte entre las concentraciones de Pb y Cu y de Zn y Cu en la fracción soluble del agua de escorrentía y el SV recolectado en tiempo seco, respectivamente. Esto insinúa la existencia de una fuente común o dominante para los metales pesados en el ambiente vial, probablemente el tráfico vehicular. Las partículas emitidas por las fuentes de contaminación de metales pesados están, en su mayoría, asociadas con tamaños <250μm, incrementando el potencial de inhalación por parte de residentes y usuarios de los corredores viales.

Por último, la investigación permite ampliar el conocimiento acerca del comportamiento de los metales pesados asociados con los SV, conocimiento que es de utilidad para los organismos públicos y privados involucrados en la gestión de la salud pública y ambiental encargados de vigilar y controlar la calidad del agua, el aire y el suelo y de diseñar e implementar estrategias de limpieza en el ambiente vial. De esta manera, el presente artículo se convierte en un documento de apoyo para mostrar opciones en la toma de decisiones para la gestión de la escorrentía vial y la contaminación metálica en superficies urbanas.

Agradecimientos

Al Grupo de Investigación en Ingeniería Ambiental de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas de Bogotá por el apoyo logístico durante la construcción del presente manuscrito.

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Notas

Notas de autor

*Correspondencia: Carlos Zafra-Mejía. Grupo de Investigación GIIAUD, Facultad de Medio Ambiente y Recursos Naturales, Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Carrera 5 este No. 15-82, oficina 407. Teléfono: +57 1 3239300, ext.: 4040. Bogotá D.C. Colombia. Correo electrónico:czafra@udistrital.edu.co.

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