1. Introducción

La minería es una actividad indispensable para el desarrollo de las sociedades, sin embargo, es una de las actividades antropogénicas más contaminantes cuando no se ejecuta de forma adecuada (^{Bundschuh et al., 2012}; ^{Peng et al., 2022}). Esta actividad contamina el medio ambiente cuando se liberan y transportan los elementos potencialmente tóxicos (EPT) al entorno, porque afectan al ecosistema y a la población (^{Kamunda et al., 2016}; ^{Ramappa & Muniswamy, 2017}).

La acumulación de metales pesados en el suelo es una vía directa para que se introduzcan los EPT en el medio ambiente (^{Pernía Santos et al., 2018}; ^{Susunaga Miranda et al., 2021}), los cuales afectan a la flora y fauna (^{Hernández-Baranda et al., 2019}; ^{Londoño Franco et al., 2016}), y, consecuentemente, a la cadena alimenticia de los seres humanos (^{Lozano et al., 2022}; ^{Peng et al., 2022}). Asimismo, la contaminación puede llegar al sistema hídrico a través de la escorrentía y contaminar el agua superficial y/o subterránea no solo en la zona minera, sino en una región más amplia (^{Escobar-Segovia et al., 2021}; ^{Wu et al., 2017}).

En países en vías de desarrollo, la contaminación por actividad minera es latente y provoca un impacto en la situación cultural, física y socioeconómica de las poblaciones (^{Harish & David, 2015}), pues en algunos casos los controles aplicados sobre el sector minero son ineficientes e inadecuados, y en otros, dichos controles no existen (^{Tarras-Wahlberg et al., 2001}). Además, el incremento de la minería ilegal ha producido una grave contaminación ambiental en lo que respecta a los vertidos de los EPT. En Taltal, Chile, por ejemplo, se registraron valores altos de concentraciones de As, Cd, Cu, Zn y Pb relacionadas con los vertidos de una mina abandonada al noroeste de la ciudad (^{Reyes et al., 2020}). Además, muchos casos de contaminación de los suelos en las áreas mineras han sido reportados en Latinoamérica y otras partes del mundo (^{Harish & David, 2015}; ^{Zelenkovskiy et al., 2021}).

En Ecuador, la situación no es diferente y en casi todas las regiones mineras metálicas del país se han ido depositando a lo largo del tiempo volúmenes considerables de residuos que provienen de la actividad minera (^{Peña-Carpio & Menéndez-Aguado, 2016}). En el país, la minería artesanal, pequeña, mediana y a gran escala es una actividad económica, en la cual el oro, la plata y el cobre son los principales productos del sector minero metálico (^{Ministerio de Energía y Recursos Natural No Renovables & Viceministerio de Minas, 2020}). La extracción del oro en el sector de minería artesanal y de pequeña escala (MAPE) es una de las principales fuentes de ingreso, pues representa el 94 % del oro producido en Ecuador (^{Ministerio del Ambiente, Fondo para el Medio Ambiente Mundial, Organización de las Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial & Artisanal Gold Council, 2020}); sin embargo, en ciertas áreas mineras hay una gestión inadecuada de residuos, lo que ha producido la contaminación ambiental y, a su vez, la imagen negativa de la industria minera (^{Tarras-Wahlberg et al., 2001}).

La zona de estudio de esta investigación se ubicó en el cantón de Ponce Enríquez, sector donde se asientan varias minas dedicadas a la extracción de material aurífero. Los investigadores que han desarrollado estudios en la zona han reportado altos contenidos de metales pesados y metaloides en las aguas superficiales y los sedimentos (^{Appleton et al., 2001}; ^{Carling et al., 2013}; ^{Prodeminca, 1998}; ^{Tarras-Wahlberg et al., 2000}), además del riesgo potencial que supone para la salud de la población expuesta a los sedimentos contaminados en los ríos de la zona (^{Jiménez-Oyola et al., 2021}); sin embargo, hay escasa información sobre la calidad de los suelos en las comunidades del sector. En este contexto, el objetivo para este estudio fue evaluar la calidad del suelo en los núcleos poblados cercanos a las zonas de explotación minera aurífera de cara a una futura evaluación de riesgos para la salud de los habitantes del sector.

2. Metodología

2.1. Zona de estudio

El campo minero Ponce Enríquez está ubicado al suroeste del país en la provincia de Azuay. La geología de este distrito minero es parte de la Unidad geológica Pallatanga que limita la Cordillera Occidental, por lo que las formaciones datan del cretácico al cuaternario (^{Cuervas-Mons et al., 2017}). Las actividades de exploración de la zona comenzaron en 1973 y la minería a pequeña escala se empezó a desarrollar a partir de la década de los 80 (^{Appleton et al., 2001}).

Ponce Enríquez es una de las áreas mineras auríferas más importantes de Ecuador. En el campo minero Ponce Enríquez, según el catastro minero del país, hay un total de 352 concesiones mineras: 111 de pequeña minería, 233 de minería artesanal y 8 de libre aprovechamiento(^{ARCOM, 2017}). Sin embargo, esta zona se ha caracterizado por escenarios de contaminación debido a la mala gestión de los residuos mineros (^{Appleton et al., 1996}; ^{Appleton et al., 2001}; ^{Escobar-Segovia et al., 2021}; ^{Ministerio del Ambiente de Ecuador & Programa de Reparación Ambiental y Social, 2015}; ^{Peña Carpio & Menendez-Aguado, 2016}). El 60 % de ellas cuentan con instalaciones de relaves que por lo general están construidas sin las normas de seguridad que garanticen su estabilidad física y química (^{Jordá et al., 2017, julio 19–21}), lo que ha ocasionado diversos escenarios de contaminación por la rotura de dichas instalaciones y la descarga de relaves a los ríos (^{Ruiz, 2020}).

Figura 1 Localización de los sitios de muestreo 

2.2. Muestreo y análisis de laboratorio

La campaña de muestreo se hizo en 2018, donde se recogieron 58 muestras del suelo (Figura 1). Las muestras fueron recolectadas con una pala en áreas públicas, patios, jardines y zonas de cultivo, a una profundidad de entre 5 y 20 cm. Después, fueron desagregadas, homogeneizadas, molidas y tamizadas (tamiz de 2 mm) para su posterior almacenamiento y análisis. La concentración de As, Cd, Cu, Cr, Ni, Pb, y Zn se determinó mediante espectroscopia de emisión óptica con plasma acoplado inductivamente (ICP-OES). Además, para asegurar la calidad de los resultados, se empleó material de referencia certificado NIST San Joaquin soil (2709a). Se obtuvo valores de desviación estándar menores al 5 %. La determinación de pH se estableció con un medidor multiparamétrico Orion Star A215 Thermo Scientific.

2.3. Procesamiento de los datos

Los datos se analizaron estadísticamente utilizando el software libre R (^{R Core Team, 2019}). Se utilizó estadística descriptiva para evaluar la tendencia de los datos; además, se empleó el coeficiente de correlación de Spearman para evaluar las relaciones entre los elementos estudiados, dicho coeficiente se apoya en valores jerarquizados de cada variable, mas no en los datos que no estén procesados. La correlación de Spearman se emplea para evaluar la relación monótona que cambia al mismo tiempo entre dos variables continuas u ordinales; asimismo, permite evaluar relaciones en las que intervienen variables ordinales (^{Restrepo & Gonzáles, 2007}). En este caso se evaluó la relación entre los metales y metaloides.

De igual forma, se hizo un análisis de conglomerados, o análisis clúster, multivariante utilizando el método de Ward, para estudiar las similitudes entre las observaciones en las muestras de los suelos y sus ubicaciones. El análisis de conglomerados es ampliamente aplicado para clasificar un conjunto de individuos en diferentes grupos bajo algún criterio de homogeneidad (^{López, 2018}). Para este caso, el análisis de conglomerados se hizo en el lenguaje de programación R y los conglomerados se catalogaron de acuerdo con el contenido de los metales y metaloides en el suelo. A partir de los datos obtenidos, se elaboró un mapa con la distribución espacial de los conglomerados y se analizó el grado de contaminación según el contenido de metales y metaloides. Este proceso se llevó a cabo mediante el software ArcMap 10.8.1.

3. Resultados y discusión

3.1. Concentración de metales y metaloides en los suelos

El resumen estadístico de la concentración de metales pesados y metaloides en las muestras analizadas se presenta en la Figura 2, mientras que en la Figura 3 constan los patrones de distribución espacial de los elementos analizados en comparación con los lineamientos de calidad establecidos por la legislación ecuatoriana en el TULSMA (^{Decreto Ejecutivo 3516, 2015}). En cuanto al LMP, se observó que

· El LMP para el As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb y Zn fue de 12, 0.5, 0.4, 25, 19, 19 y 60 mg/kg, respectivamente.

· La concentración de Ni y Cr en el 100 % de las muestras del suelo se encontraba por encima del LMP.

· Para el Cu y Zn, en el 90 % de las muestras superaron el LMP.

· Para el Cd, As y Pb, el 64 %, 26 % y 21 % de las muestras presentaron concentraciones por encima del LMP, respectivamente.

En cuanto al percentil 50, los contenidos de metales y metaloides siguen el orden decreciente Ni>Zn>Cu>Cr>Pb>As>Cd. De manera general, se observó una amplia variabilidad en los contenidos de Cu (14.5-1125.51 mg/kg), Zn (47.86-430.43 mg/kg), Ni (78.77-442.96 mg/kg) y Cr (12.06 – 214.28 mg/kg), donde el Cu fue el metal que presentó mayores contenidos en las muestras analizadas, mientras que el Pb y Cd tuvieron los contenidos más bajos en la zona estudiada.

Cabe destacar que el As, un metaloide considerado de alta peligrosidad por sus efectos en la salud de las personas que están expuestas a este contaminante (^{Martin & Griswold, 2009}) se presentó en las muestras analizadas en el orden de 0.68-200.27 mg/kg; los mayores contenidos detectados en la zona correspondieron a localizaciones puntuales al sur y norte de la zona de estudio.

Nota: Línea de color rojo según la normativa ecuatoriana (Decreto Ejecutivo 3516, 2015)

Figura 2 Diagramas de caja de la concentración de metales y metaloides en las muestras del suelo mgkg comparadas con el LMP 

Con respecto a la distribución espacial de los EPT en el área de estudio, no se observó una tendencia definida para los parámetros analizados y su ubicación (Figura 3), ya que existían muestras con altos contenidos de metales y/o metaloides (>LMP) en toda la zona de estudio. Finalmente, el pH en los suelos varió entre 3.31 y 8.21; el 60 % de las muestras indicaban condiciones ácidas.

Los resultados fueron comparados con otros estudios hechos en otras zonas de explotación minera en el mundo. Como resultado, los valores de Ponce Enríquez fueron más altos que los de las áreas de extracción minera en Baiyin y Guangdong en China (^{Li et al., 2006}; ^{Sun et al., 2018}), pero considerablemente más bajos que los reportados por ^{Pavilonis et al. (2017)} en los Andes bolivianos. Con base en los resultados, es recomendable hacer estudios detallados que permitan determinar los contenidos naturales de los elementos de interés, dado que no se cuenta con valores de fondo local para hacer evaluaciones más concluyentes.

Nota: Círculo verde indica punto de muestreo donde valor registrado fue inferior al LMP; círculo rojo valor superior al LMP; las estrellas representan los poblados.

Figura 3 Distribución espacial del contenido de metales pesados y metaloides mgkg en las muestras del suelo en comparación con los LMP de la legislación ecuatoriana 

3.3. Correlación de Spearman y análisis clúster

La Tabla 1 y la Figura 4 presentan los resultados de la correlación de Spearman y el análisis de conglomerados, respectivamente. Se detectaron fuertes correlaciones positivas entre As-Cd, Cr-Ni y Cu-Ni y correlaciones positivas moderadas entre Cr-Cu y Pb-Zn. Esto guarda relación con la geología y mineralización de la zona, que corresponde a un yacimiento rico en sulfuros, esto incluye a la pirrotina, la arsenopirita y la calcopirita como los minerales más comunes. Otros minerales encontrados en la zona fueron epidota, galena, hematita, molibdenita, cuprita y malaquita (^{Vega Oyola, 2013}; ^{Escobar-Segovia et al., 2020}). En este contexto, la explotación y extracción de metales puede haber producido la liberación y transporte de estos elementos, además de la generación de residuos al medio y, en particular, a los suelos del entorno.

Tabla 1 Correlación de Spearman 

En el análisis de conglomerados se identificó 4 grupos: C1, C2, C3 y C4. El grupo C1 presentó un mayor nivel de contaminación debido a los altos contenidos de los EPT. A continuación, se describen las características de cada uno de los conglomerados.

· C1: altos contenidos de As, Cd, Cu, Pb y Zn

· C2: contenidos bajos de Cr y Ni, alto contenido de Zn

· C3: altos contenidos de Ni y Cr

· C4: bajos contenidos de As, Cd y Cr; alto contenido de Ni

Espacialmente, los conglomerados no presentaron patrones definidos, sin embargo, los suelos con mayores contenidos de los EPT (C1) se encontraban al sur del área de estudio (Figura 4).

Nota: Estrellas representan los poblados.

Figura 4 Análisis de conglomerados 

4. Conclusiones

El estudio reveló una alta concentración de metales pesados en los suelos de los núcleos poblados cercanos a las áreas de explotación minera aurífera del campo minero Ponce Enríquez. Se detectaron concentraciones de metales pesados y metaloides que sobrepasan el LMP según la normativa ecuatoriana; el Cr y Ni está por encima del límite en todas las muestras analizadas, seguido del Cu, Zn, Cd y Pb en menor proporción y sin un patrón definido.

En cuanto al análisis estadístico, se identificó una correlación positiva entre As-Cd, Cr-Ni, Cu-Ni y moderada entre Cr-Cu, Pb-Zn, lo que puede estar relacionado con factores geológicos y mineros que inciden en la liberación de estos elementos a los suelos. Con respecto al análisis de conglomerados, no se presentaron patrones definidos, sin embargo, la zona sur del área de estudio es la que tiene mayores contenidos de elementos potencialmente tóxicos en las muestras de suelo analizadas.

Este estudio preliminar demuestra la alta concentración de elementos potencialmente tóxicos en los suelos de las zonas pobladas aledañas a las áreas de explotación minera.

Se llegó a registrar concentraciones de Cr de 214.28 mg/kg y 442.96 mg/kg para el Ni, cuando el LMP es de 0.4 y 0.38, respectivamente. En el 100 % de las muestras del suelo se registraron valores de Cu y Ni por encima del LMP, en el 90 % de Cu y Zn y en 64 %, 26 % y 21 % de Cd, As y Pb, respectivamente.