Seasonal variability, geochemical control and probabilistic health risk assessment of high fluoride groundwater in the Gangetic floodplain of Eastern Uttar Pradesh

Resumen Técnico: Variabilidad Estacional, Control Geoquímico y Evaluación Probabilística del Riesgo para la Salud de las Aguas Subterráneas con Alto Contenido de Fluoruro en la Llanura Aluvial del Ganges en el Este de Uttar Pradesh

Planteamiento del Problema
La contaminación de las aguas subterráneas representa una amenaza crítica para la salud pública, particularmente en regiones donde las poblaciones dependen fuertmente de los acuíferos para necesidades de consumo y domésticas. En la llanura media del Ganges en el este de Uttar Pradesh, India, la contaminación por fluoruro (F⁻) es una preocupación significativa. Aunque el fluoruro es un micronutriente necesario, las concentraciones que exceden los 1.5 mg/L pueden provocar fluorosis. Estudios previos han destacado la prevalencia de altos niveles de fluoruro en la India, afectando aproximadamente a 120 millones de personas, sin embargo, existe la necesidad de evaluaciones integrales que incorporen la variabilidad hidrogeoquímica estacional, los controles geoquímicos y modelos probabilísticos de riesgo para la salud para abordar las incertidumbres en las evaluaciones de exposición.

Metodología
El estudio empleó un enfoque de muestreo de cuadrícula sistemática (6x6 km) a través de cinco distritos (Jaunpur, Azamgarh, Mau, Chandauli y Ghazipur) cubriendo un área de 14,548.58 km².

• Muestreo: Se recolectaron un total de 470 muestras durante la estación de pre-monzón (PrM) y 491 muestras durante la estación de post-monzón (PoM).
• Análisis de Laboratorio: Las muestras fueron analizadas para determinar cationes mayores (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺), aniones (F⁻, Cl⁻, SO₄²⁻, HCO₃⁻, NO₃⁻, PO₄³⁻), pH, conductividad eléctrica (EC) y sólidos disueltos totales (TDS). El fluoruro se determinó mediante el método SPADNS, y el Uranio (U) se analizó mediante fluorimetría.
• Modelado Geoquímico: Se calcularon los Índices de Saturación (SI) para minerales (fluorita, calcita, dolomita, etc.) utilizando PHREEQC para comprender los procesos de disolución y precipitación. Se utilizaron diagramas de la serie de puntos y de Gibbs para inferir los procesos hidrogeoquímicos dominantes.
• Evaluación de la Contaminación: Se calculó el Índice de Contaminación de las Aguas Subterráneas (PIG) para cuantificar la extensión de la contaminación basándose en los pesos relativos asignados a diversos parámetros químicos.
• Evaluación del Riesgo para la Salud:
  • Enfoque Determinista: Se calcularon la Ingesta Diaria Crónica (CDI) y el Cociente de Peligro (HQ) para tres grupos de edad: Infantes (2–6 años), Niños (7–18 años) y Adultos (>18 años).
  • Enfoque Probabilístico: Se realizó una Simulación de Monte Carlo (MCS) con 10,000 iteraciones utilizando Oracle Crystal Ball para abordar las incertidumbres en los parámetros de entrada (concentración de F⁻, tasa de ingestión, peso corporal, frecuencia/duración de la exposición).
  • Análisis de Sensibilidad: Se llevó a cabo una evaluación de sensibilidad para identificar los parámetros más influyentes que impulsan los riesgos para la salud.

Resultados Clave

• Hidrogeoquímica: Las aguas subterráneas fueron predominantemente alcalinas (pH 6.9–8.6). En la estación PrM, la interacción roca-agua, la meteorización de silicatos y el intercambio iónico gobernaron la química. En la estación PoM, la disolución de minerales alcalinos y las actividades antropogénicas influyeron en la calidad. El Sodio (Na⁺) fue el catión dominante, y el bicarbonato (HCO₃⁻) fue el anión dominante.
• Concentración de Fluoruro: Se detectaron altos niveles de fluoruro en el 73.40% de las muestras durante la PrM y en el 38.69% durante la PoM. La distribución espacial mostró concentraciones más altas en regiones planas de las llanuras aluviales jóvenes y antiguas.
• Controles Geoquímicos: El estudio identificó la disolución de la fluorita y la precipitación de la calcita como los principales mecanismos que controlan el enriquecimiento de fluoruro.
  • El 98.29% (PrM) y casi el 100% (PoM) de las muestras estaban subsaturadas con fluorita, lo que promueve la disolución.
  • El 85.53% (PrM) y el 66.40% (PoM) de las muestras estaban sobresaturadas con calcita, lo que conduce a la precipitación de Ca²⁺ y una subsecuente relación inversa con el fluoruro (ya que la eliminación de Ca²⁺ evita la precipitación del fluoruro).
  • Se observó una correlación positiva entre F⁻ y pH/Na⁺/HCO₃⁻, y una correlación negativa con Ca²⁺.
• Índice de Contaminación (PIG): La contaminación de las aguas subterráneas fue más pronunciada en la estación PoM. Mientras que las muestras de PrM se situaron mayoritariamente en la categoría de "insignificante", las muestras de PoM mostraron un desplazamiento hacia las categorías de contaminación "baja", "moderada" y "muy alta", particularmente en Ghazipur, Azamgarh y Jaunpur, atribuido al recarga monzónica que transporta contaminantes antropogénicos.
• Evaluación del Riesgo para la Salud:
  • Resultados Deterministas: Se encontró que los infantes y los niños corren un mayor riesgo (HQ > 1) en ambas estaciones. Los adultos se mantuvieron generalmente dentro del rango seguro (HQ < 1) durante la PoM, pero mostraron riesgo durante la PrM.
  • Resultados Probabilísticos: La simulación de Monte Carlo refinó estos hallazgos. Mientras que los métodos deterministas sugerían riesgos para niños y adultos, el enfoque probabilístico confirmó que solo la población infantil está consistentemente en alto riesgo (HQ > 1 en el percentil 95) en todos los distritos y estaciones. Los niños y adultos se consideraron seguros bajo el modelado probabilístico.
• Análisis de Sensibilidad: La concentración de fluoruro en el agua subterránea fue identificada como el factor más sensible que influye en el riesgo para la salud para todos los grupos de edad. La tasa de ingestión fue el segundo factor más dominante, particularmente para los infantes en distritos específicos.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que el estudio proporciona una evaluación crítica y multifacética de la calidad del agua subterránea en la llanura aluvial del Ganges, yendo más allá de los modelos deterministas estáticos para incorporar la incertidumbre probabilística.

• Perspectiva Mecanicista: Establece que la disolución de la fluorita junto con la precipitación de la calcita, impulsada por condiciones alcalinas e intercambio iónico, es el principal motor geoquímico del alto contenido de fluoruro en esta región.
• Diferenciación de Riesgos: El estudio destaca que, mientras los modelos deterministas pueden sobreestimar los riesgos para los grupos de mayor edad, el modelado probabilístico confirma que los infantes (2–6 años) son el grupo demográfico más vulnerable, lo que requiere intervenciones dirigidas.
• Dinámicas Estacionales: La investigación subraya la significativa variabilidad estacional en los niveles de contaminación, siendo la estación de post-monzón la que presenta un aumento en la contaminación debido al lixiviado de insumos antropogénicos.
• Implicación de Política: Los autores afirman que sus hallazgos resaltan la necesidad urgente de estrategias de mitigación de aguas subterráneas y de reducción de la exposición humana, particularmente para los infantes, para asegurar una gestión sostenible de los recursos hídicos y la protección de la salud pública en la región.

El estudio concluye que el monitoreo continuo y la integración de evaluaciones probabilísticas de riesgo para la salud son esenciales para desarrollar estrategias efectivas para mitigar la exposición al fluoruro en la llanura aluvial del Ganges.