acumulación de as, cd, pb en suelos y cultivos afectados por jales mineros

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Acumulación de As-Cd-Pb en suelos y cultivos afectados por jales mineros M. del C. Garay-Hernández 1,* , M. del R. Paredes-Lara 2,+ , J. Hernández-Martínez 3,+ 1 Profesora del Área de Ciencias de la Salud-UAZ/[email protected] 2 Asesora Externa de la Unidad Académica de Agronomía-UAZ/[email protected] 3 Profesor de la Unidad Académica de Agronomía-UAZ/[email protected] +María del Carmen Garay Hernández; Tel y fax +4-929-256-690 ext.6693, 6124 Laboratorio no. 21 Edificio L1. CAMPUS UAZ Siglo XXI, Carretera Guadalajara Km 6, Ejido la Escondida, Zacatecas, Zacatecas. Área del Conocimiento: (aquella en la que clasifiquen los organizadores del congreso su ponencia). e.g. Evaluación de impacto ambiental (EN CURSIVAS)) Resumen: Estudios sobre los jales mineros del Estado de Zacatecas reportan que estos han afectado en el 8.45% de su territorio. Por ejemplo, la Unidad Minera “El Bote”, ubicada en ciudad Argentum, a la salida oeste de la capital, contribuyó con azolves que han provocado la contaminación de los suelos agrícolas de las comunidades de Fco. I. Madero, Noria de Gringos y La Pimienta. Por esto, se muestrearon los suelos y cultivos para evaluar la acumulación de As, Cd y Pb. El muestreo fue del tipo exploratorio e implicó 28 muestras de suelos y cultivos. La profundidad del muestreo fue de 30 cm y los cultivos encontrados fueron: frijol, maíz, trigo, avena y chile. Los análisis se realizaron siguiendo las normas de la EPA y NOM-147-SEMARNAT/SSA1-2004. El Arsénico en el suelo promedió 382 mg kg -1 y los cultivos con más acumulación fueron frijol, chile y trigo (286, 255 y 154 mg kg -1 respectivamente). El Cadmio en el suelo promedió 6.9 mg kg -1 y los cultivos con mayor acumulación fueron chile y avena (6.1 y 5.6 mg kg -1 respectivamente). El Plomo en el suelo promedió 268 mg kg -1 y los cultivos que más acumularon fueron chile, maíz y frijol (12.8, 11.8 y 11.2 mg kg -1 ). Palabras Clave: Bio-acumulación; metales pesados; contaminación; suelos agrícolas; cultivos.

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Se realiza un estudio en los jales mineros para saber que tipo de metales pesados se encuentran en el suelo y que plantas absorben y bio-acumulan algunos de estos metales

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Page 1: Acumulación de as, CD, Pb en Suelos y Cultivos Afectados Por Jales Mineros

Acumulación de As-Cd-Pb en suelos y cultivos afectados por

jales mineros

M. del C. Garay-Hernández1,*

, M. del R. Paredes-Lara2,+

, J. Hernández-Martínez3,+

1Profesora del Área de Ciencias de la Salud-UAZ/[email protected]

2Asesora Externa de la Unidad Académica de Agronomía-UAZ/[email protected]

3Profesor de la Unidad Académica de Agronomía-UAZ/[email protected]

+María del Carmen Garay Hernández; Tel y fax +4-929-256-690 ext.6693, 6124 Laboratorio no. 21

Edificio L1. CAMPUS UAZ –Siglo XXI, Carretera Guadalajara Km 6, Ejido la Escondida, Zacatecas,

Zacatecas.

Área del Conocimiento: (aquella en la que clasifiquen los organizadores del congreso su ponencia). e.g.

Evaluación de impacto ambiental (EN CURSIVAS))

Resumen: Estudios sobre los jales mineros del Estado de Zacatecas reportan que estos han

afectado en el 8.45% de su territorio. Por ejemplo, la Unidad Minera “El Bote”, ubicada en

ciudad Argentum, a la salida oeste de la capital, contribuyó con azolves que han provocado

la contaminación de los suelos agrícolas de las comunidades de Fco. I. Madero, Noria de

Gringos y La Pimienta. Por esto, se muestrearon los suelos y cultivos para evaluar la

acumulación de As, Cd y Pb. El muestreo fue del tipo exploratorio e implicó 28 muestras de

suelos y cultivos. La profundidad del muestreo fue de 30 cm y los cultivos encontrados

fueron: frijol, maíz, trigo, avena y chile. Los análisis se realizaron siguiendo las normas de la

EPA y NOM-147-SEMARNAT/SSA1-2004. El Arsénico en el suelo promedió 382 mg kg-1

y los cultivos con más acumulación fueron frijol, chile y trigo (286, 255 y 154 mg kg-1

respectivamente). El Cadmio en el suelo promedió 6.9 mg kg-1

y los cultivos con mayor

acumulación fueron chile y avena (6.1 y 5.6 mg kg-1

respectivamente). El Plomo en el suelo

promedió 268 mg kg-1

y los cultivos que más acumularon fueron chile, maíz y frijol (12.8,

11.8 y 11.2 mg kg-1

).

Palabras Clave: Bio-acumulación; metales pesados; contaminación; suelos agrícolas;

cultivos.

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SUMMARY: The reports of some studies on pollution from mine tailings in the State of

Zacatecas mention that the 8.45% of the state of Zacatecas is affected by them. For example,

the mining unit "El Bote", located in City Argentum, off west of the capital, contributed to

sedimentation that caused the contamination of agricultural soil communities Fco I. Madero,

Noria de Gringos and La Pimienta. For the above and the value of assessing the

accumulation of As, Cd and Pb in this area, we sampled soils and crops. The exploratory

survey was that involved 28 samples of soil and crops 28. The sampled soil depth was 0-30

cm and the crops found were: beans, corn, wheat, oats and chili. Analyses were performed

according to USEPA standards and NOM-147-SEMARNAT/SSA1-2004. The average

arsenic in the soil was 382 mg kg-1

and further accumulation crops were beans, chilli and

wheat with 286, 255 and 154 mg kg-1

respectively. The average cadmium in soil was 6.9 mg

kg-1

and crops with greater accumulation chilli and oats were 6.1 and 5.6 mg kg-1

each. The

average lead in soil was 268 mg kg-1

and crops with greater accumulation were the chilli,

corn and beans with 12.8, 11.8 and 11.2 mg kg-1

respectively. It concluded that the

contended the 382 mg kg-1

of As in the standard set NOM-147-SEMARNAT/SSA1-2004 is

exceeded and the same goes with the limits set by the Codex Alimentarius for crops, a

situation that represents a public health problem in the short, medium and long term.

Keywords: Bio accumulation; heavy metals; pollution; agricultural soils; crops.

1. Introducción

El suelo es parte del ecosistema y es un hábitat para una gran cantidad de organismos, pero al

mismo tiempo, es quizás el componente más puesto en peligro por la degradación y contaminación.

Esto último ocurre por la influencia de una gran variedad de agentes contaminantes que están presentes

en las diversas actividades humanas: industria, agricultura, entre otras [1,2].

El rebasar los umbrales establecidos para los contaminantes es una de las cuestiones clave en la

investigación ambiental a nivel mundial. Sobre todo, porque éstos están en constante movimiento en

los ecosistemas y por su gran capacidad de transferencia en la cadena alimenticia [3].

Los metales pesados son muy peligrosos para los seres vivos en general, pues poseen una gran

toxicidad debido a su elevada tendencia a la acumulación, misma que es causada frecuentemente por la

imposibilidad de parte del organismo afectado en mantener los niveles necesarios de excreción [4].

El suelo acumula y concentra los metales pesados, debido a su capacidad de retención, sobre todo en

las capas superficiales. De hecho, la acumulación de los metales pesados tiene lugar en la parte

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biológicamente más activa del suelo, de modo que los metales pueden ser fácilmente accesibles para

los cultivos [5].

Las plantas se han clasificado en tres tipos: excluyentes, indicadoras y acumuladoras, en función de su

comportamiento ante la presencia de metales en el ambiente [6]. La fitoextracción o fitoacumulación es

la captación de metales contaminantes por las raíces de las plantas o por su acumulación en tallos y

hojas. Algunas plantas absorben cantidades extraordinarias de metales en comparación a otras [7]. Los

tallos al igual que las raíces pueden constituir un importante órgano para el almacenamiento de agua,

minerales y carbohidratos. Las señales químicas provenientes de la raíz, de naturaleza hormonal como

mineral, regulan las relaciones hídricas, así como el metabolismo de las hojas y tallos. Una vez

absorbidos por las raíces, estos pueden ser traslocados por medio del xilema a la parte aérea de la

planta, así como transferidos al floema o depositados en la raíz o células de las hojas [8].

En 1956, en el diario La Provincia, se publicó el reporte de un derrame de la presa de jales de la Unidad

Minera “El Bote”, en donde, los azolves se depositaron hasta las tierras agrícolas de las comunidades

de Francisco I. Madero, Noria de Gringos y La Pimienta. Esto, debido al acarreo del material por

medio de los arroyos que confluyen en el área. Así, existe aún una zona que se ha tornado improductiva

para los cultivos [9]. Esto último lo confirma [10] al afirma que los jales son tóxicos para los

organismos vivos y son inhibidores de los factores ecológicos, afectando así el crecimiento de las

plantas.

El presente trabajo evaluó las concentraciones de Arsénico, Cadmio y Plomo en diferentes suelos y

cultivos afectados por las partículas de los jales depositados en las comunidades de Francisco I.

Madero, Noria de Gringos y La Pimienta. Esto, porque existen las condiciones para inferir que los

niveles de concentración de estos metales pesados son superiores a los establecidos por la NOM-147-

SEMARNAT/SSA1-2004.

2. Materiales y Métodos

El estudio se realizó en suelos agrícolas que pertenecen al municipio de Zacatecas, en donde en

su mayoría se establecen cultivos bajo condiciones de temporal y menor proporción de riego. Se cultiva

frijol, maíz, avena, cebada, trigo, calabaza, chile, ajo, cebolla y frutales [11]. El plan de muestreo se

desarrolló siguiendo las indicaciones de la norma mexicana: NMX-AA-132-SCFI-2006, misma que

determina que se deben de considerar elementos como: toma de muestra, manejo, preparación,

procesamiento de la muestra, tipo de muestreo, localización, distribución de los sitios de muestreo y

obtención de una muestra representativa.

El tipo de muestreo practicado se conoce como exploratorio y la distribución de los sitios de muestreo

se hizo considerando un patrón de dispersión de los jales influenciado por los vientos. La zona de

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muestreo se localiza en las proximidades de los jales depositados en los terrenos agrícolas de las

comunidades. El diseño corresponde a un marco que circunscribe el depósito de jales: el cuadro

exterior tiene cuatro kilómetros por lado y el interior dos kilómetros. Así se cubrió una superficie de 16

km2. El lado norte del cuadrado exterior se ubicó a los 22°49’30” de latitud norte y, el lado sur, se

ubicó a los 22°47’06’’ de latitud norte. El lado oeste del mismo cuadro se ubicó a los 102°42’18” de

longitud oeste y, el lado este, a los 102°39’54” longitud oeste.

El tamaño de muestra se ajustó a 28 sitios. También, el muestreo tuvo características del tipo

estratificado o zonificado, ya que las muestras de suelo se colectaron en función de tres diferentes

zonas: a) zona I o próxima a los jales, que representaría la máxima contaminación; b) zona II o

intermedia; y, c) zona III o más alejada o de baja contaminación. Por último, el muestreo fue

sistemático, ya que las muestras de suelo se obtuvieron en base a una cuadrícula de 500 metros de lado.

La geo-posición de los puntos se hizo con un GPS 76, marca GANMIM. La obtención de las muestreas

fue dentro de parcelas cultivadas, 10 metros hacia dentro a partir de la orilla más cercana (Cuadro 1).

Cuadro 1. Geo-posicionamiento de los sitios de muestreo

No. de

muestra

Latitud Longitud Cultivos No. de

muestra

Latitud Longitud Cultivos

I 22°48’54” 102°41’42” Maíz XV 22°48’54” 102°41’06” Trigo

II 22°48’18” 102°42’03” Maíz XVI 22°48’54” 102°40’48” Avena

III 22°47’42” 102°41’42” Maíz XVII 22°47’56” 102°40’30” Avena

IV 22°47’06” 102°41’06” Maíz XVIII 22°47’42” 102°41’24” Avena

V 22°48’18” 102°41’42” Maíz XIX 22°47’42” 102°40’48” Frijol

VI 22°49’12” 102°42’03” Maíz XX 22°47’24” 102°41’06” Frijol

VII 22°48’32” 102°40’30” Maíz XXI 22°48’32” 102°41’42” Frijol

VIII 22°47’42” 102°41’06” Maíz XXII 22°49’12” 102°41’06” Chile

IX 22°48’54” 102°40’30” Trigo XXIII 22°48’18” 102°40’30” Chile

X 22°49’30” 102°41’06” Trigo XXIV 22°48’18” 102°42’18” Chile

XI 22°48’18’’ 102°40’12” Trigo XXV 22°47’24” 102°42’03” Chile

XII 22°49’12” 102°40’12” Frijol XXVI 22°47’24” 102°40’12” Chile

XIII 22°48’54” 102°41’24” Avena XXVII 22°48’18” 102°39’54” Chile

XIV 22°47’56” 102°41’42” Avena XXVIII 22°47’42” 102°40’30” Maíz

El equipo de muestreo consistió en pala de aluminio, bolsas de polietileno, guantes de latex,

marcadores, etiquetas y flexómetro para medir la profundidad del suelo. La muestra se obtuvo a una

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profundidad de 0.30 m y de un kilo de peso, para representar la capa arable. Al mismo tiempo, se

colectó una planta del cultivo establecido sobre el sitio muestreado, colocándose ésta en una bolsa de

papel. El período de muestreo fue del cuatro de septiembre al 11 de octubre de 2008.

Los análisis de laboratorios se basaron en las normas de la EPA y la NOM-147-SEMARNAT/SSA1-

2004. La digestión se hizo en base al método 3015A de EPA. La determinación de As, Cd y Pb fue en

base a NOM-147-SEMARNAT/SSA1-2004. El grado de contaminación del suelo se estimó con

referencia a la misma norma mexicana (Arsénico, 22 mgkg-1

; Cadmio, 37 mgkg-1

; Plomo, 400 mgkg-1

).

En el caso de las plantas, la Organización Mundial de la Salud (OMS) propone los niveles siguientes:

maíz (As, 0.1 mg kg-1

; Cd, 0.1 mg kg-1

; Pb, 0.2 mg kg-1

), frijol (NR, 0.1, NR), trigo (NR, 0.2, 0.2),

avena (NR, 0.1, 0.2).

Los análisis estadísticos se hicieron aplicando las técnicas de análisis de varianza y prueba de medias

múltiples de Tukey, según cada caso, y utilizando el programa de cómputo SAS. El análisis fue

particular para cada contaminante. A las muestras de suelo se les practicaron los análisis siguientes: a)

Por su orientación geográfica: norte, sur, este y oeste; b) Por su rumbo geográfico o punto cardinal:

norte, noreste, este, sureste, sur, suroeste, oeste y noroeste; y, c) Por su zona de influencia: cercana,

intermedia y alejada. A las muestras de los cultivos se les organizó en un arreglo factorial, con los

factores siguientes: a) Por el tipo de cultivo: avena, chile, frijol, maíz y trigo; y, b) Por la parte

morfológica del cultivo: raíz, tallo, hojas, fruto y semilla.

3. Resultados

Los resultados de los análisis de varianza en Arsénico por orientación, punto cardinal y zonal

demuestran que no existe diferencia significativa entre los grupos organizados; es decir, la dispersión

del Arsénico se da en forma homogénea en todas las direcciones y zonas. En el Cuadro 2 se presentan

los promedios de concentración de Arsénico en el suelo y, en donde, la prueba de Tukey no estima en

ellos diferencias estando cercas o lejos de los jales.

Los resultados de los análisis de varianza en Cadmio por orientación, punto cardinal y zonal

demuestran que no existe diferencia significativa entre los grupos; es decir, la dispersión del Cadmio se

da en forma homogénea en todas las direcciones y zonas. En el Cuadro 2 se presentan los promedios de

concentración del Cadmio en el suelo y, en donde, la prueba de Tukey no estima en ellos diferencias

estando cercas o lejos de los jales.

En cuanto al Plomo en el suelo, si existe una diferencia entre las zonas, no así para la orientación o en

los puntos cardinales. En la primera zona es mayor el grado de acumulación (Cuadro 2).

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Cuadro 2. Promedio de las concentraciones de As, Cd y Pb en el suelo en base a las tres zonas

Zona Concentración en mg kg-1

Arsénico Cadmio Plomo

I 453ª 8.75ª 350ª

II 312ª 4.75ª 103b

III 384ª 4.00a 88b Nota.- Cantidades con la misma letra no tienen diferencias significativas.

Con respecto a la acumulación de As por los cultivos, se observó que si hay una diferenciación entre

especies (Cuadro 3). Aunque, esta situación no se presenta entre las partes de las plantas, ni en la

interacción de ambos factores (Cuadro 4).

Cuadro 3. Promedio de las concentraciones de As, Cd y Pb en los cultivos

Cultivo

Concentración en mg kg-1

Arsénico Cadmio Plomo

Frijol 286.8ª 2.6b 11.2ª

Maíz 18.2b 2.5b 11.8ª

Trigo 154.5ª 2.9b 8.7b

Avena 30.7b 5.6ª 5.9b

Chile 255.8ª 6.1ª 12.8ª Nota.- Cantidades con la misma letra no tienen diferencias significativas.

Cuadro 4. Promedio de las concentraciones de As, Cd y Pb en las partes de las plantas

Cultivo

Concentración en mg kg-1

Arsénico Cadmio Plomo

Raíz 109.4ª 5.5ª 19.6ª

Tallo 83.8ª 3.3b 11.5ª

Hoja 128.2ª 4.4ª 10.0a

Semilla 115.6ª 2.3b 6.0a

Fruto 57.9ª 2.3b 19.0a Nota.- Cantidades con la misma letra no tienen diferencias significativas.

En la bio acumulación de Cadmio por los cultivos si existe una diferencia significativa, ya que las

especies que presentaron mayor acumulación fueron frijol, maíz y trigo (Cuadro 3). El mismo hecho se

presentó en los órganos de la raíz y la hoja (Cuadro 4). Aquí, la interacción no fue significancia.

Page 7: Acumulación de as, CD, Pb en Suelos y Cultivos Afectados Por Jales Mineros

En relación al Pb y los cultivos, resultó que frijol, maíz y chile fueron los que más cantidad acumularon

es sus tejidos (Cuadro 3). Mientras que los órganos de las plantas no mostraron diferencias

significativas (Cuadro 4), ni tampoco la interacción.

4. Discusión

La zona de estudio presenta una concentración promedio de Arsénico de 382 mg kg-1

, mismo

que es superior al nivel establecido en la norma. Este promedio del As en el suelo es semejante al

encontrado por [12] en Santa Bárbara, Chihuahua, y en donde los suelos afectados por jales inactivos

de sulfuros metálicos presentaron un promedio de 401 mg kg-1

. Aunque, [13] en Sevilla, España,

reportó que los suelos agrícolas de esa región presentan niveles de As que varían de 10 a 1204 mg kg-1

.

Con respecto a la acumulación de As por los cultivos, se observó que si hay una diferenciación entre

especies. Aunque, esta situación no se presenta en las partes de las plantas. [14] menciona que los

suelos contaminados por los residuos de minas son los que contienen más Arsénico y causan una bio

acumulación bastante importante en todo tipo de plantas que sobre ellos se establecen. Sin embargo,

[15] menciona que la bio acumulación tiene un límite según la especie vegetal, el tipo de arsénico, la

concentración de éste y el régimen de humedad en el suelo.

Con respecto al Cadmio en el suelo, sus concentraciones están por debajo del nivel crítico señalado por

la norma, prácticamente en toda la zona de estudio. El promedio general de 6.9 mg kg-1

de Cadmio es

semejante al encontrado por [12], en Santa Bárbara, Chihuahua, ya que ellos encontraron que un

promedio de concentración de 13.2 mg kg-1

. Así como lo hallado por [13] en Sevilla, España, en donde

varió de 0.2 a 9 mg kg-1

.

En cuanto a la bio acumulación de Cadmio por los cultivos de frijol, maíz y trigo. En el caso del frijol,

[16] encontraron que la bio acumulación de este metal se dio en un rango 0.1 a 1.0 mg kg-1

; siendo

también los órganos más importantes la raíz y las hojas. En el maíz, [17] encontraron que este acumula

cadmio en los granos en un rango que va de 0.01 a 0.51 mg kg-1

, mientras que en [16] la variación

fluctuó de 0.1 a 1.4 mg kg-1

; siendo la raíz y las hojas las partes que más acumularon: 1.1 y 1.4 mg kg-1

respectivamente. En el trigo, [17] encontraron que durante el desarrollo de este cultivo, en áreas donde

se existe la minería, la acumulación de cadmio fue de un rango de 0.09 a 0.71 mg kg-1

.

El Plomo en el suelo promedió 268 mg kg-1

. Este resultado es comparable con los obtenidos por [18],

en la cuenca de Guadalupe-Bañuelos, Zacatecas, en donde en el área agrícola se localizaron cuatro

sitios con altos niveles de plomo (433, 512, 586 y 868 mg kg-1

), siendo el promedio general de 111 mg

kg-1

; es decir, menos de la mitad del reportado en el presente. Mientras que en Santa Bárbara,

Chihuahua, [12] encontraron un promedio de 1413 mg kg-1

. Así mismo, [19] en Australia, reportan

acumulaciones que fluctúan entre los 6500 y 7921 mg kg-1

. Con respecto a esto último, vale mencionar

Page 8: Acumulación de as, CD, Pb en Suelos y Cultivos Afectados Por Jales Mineros

que [20] expresan que las concentraciones de un contaminante tienen que ver con el origen geológico

de los desechos mineros y con el tratamiento de amalgamiento que reciben antes de su traslado a la

planta industrial de transformación.

En relación al Pb y los cultivos de frijol, maíz y chile. En un estudio de [21] en suelos contaminados

con 249 mg kg-1

, al evaluar la bio acumulación en dos leguminosas del género Vicia, maíz, trigo y

canola, encontraron que el trigo fue el que acumuló la mayor cantidad de plomo (380 mg kg-1); lo cual

difiere con el presente.

Con respecto a la bio acumulación de Pb en los órganos de las plantas, [16] observaron diferencias

significativas entre betabel, calabacita, frijol, cebada, mostacilla, maíz, alfalfa, entre otras. Así, en las

hojas, el frijol acumuló 8 mg kg-1

y el maíz 5 mg kg-1

, mientras que en la raíz el maíz capturó 8 mg kg-1

y el frijol 0.6 mg kg-1. Por igual, [22] afirma que la cantidad de plomo presente en el suelo influye

para promover una mayor bio acumulación.

5. Conclusiones

La homogeneidad de la dispersión del As y Cd en los suelos agrícolas, hacia los diversos puntos

cardinales, hace suponer que los vientos, junto con las labores agrícolas que se han realizado por años,

han contribuido a generar esta condición. No obstante, la excepción ocurre con el Pb, ya que su

densidad impide su traslado a largas distancias, por lo que se acumulación es mayor en la zona I.

La fisiología de las plantas y la acumulación del elemento contaminante en el suelo, son condiciones

que determinan su bio acumulación en los algunos cultivos y órganos muestreados, por tal motivo

resulta de gran importancia que en el corto plazo, se diseñen estrategias encaminadas a la remediación

de los suelos afectados, ya que el destino de la producción, que se obtiene de ellos, es la familia del

productor, sus animales y los mercados local y regional. Así, la venta y el consumo de estos productos

ponen en riesgo la salud pública.

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[18] Santos-Santos Elvira, Yardo-Ramírez Mario, Gavilán García Irma, 2006, Analysis de arsenic, lead

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[19] Arche Michel y Coldwell Robert A, 2004, Response of six australian plant species to heavy metal

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[20] Salinas Elieazar, Rivera Isauro, Carrillor Raúl, 2004, Mejora para proceso de cianuración de oro y

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[21] Qin-Ren Wang, Xiu-Mei Liu y Dong Yi-Ting, 2002, Responses of legume and non-legume crop

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[22] Salas Rafael, 2002, Herramientas de diagnóstico para definir recomendaciones de fertilización

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Agradecimiento a las siguientes personas: M en C J Manuel Macías Patiño, I.Q. Sara González

y Q.A Esteba Favela por su colaboración en el presente articulo.