Absorción de metales pesados en la vía agua – suelo

Absorción de metales pesados en la vía agua – suelo – planta en producción
con agua residual bajo condiciones semidesérticas
Absorption of Heavy Metals in Manner Water – Soil – Plant in Production with
Residual Water under Semiarid Conditions
Rascón Alvarado Emilio1, Peña Cervantes Edmundo2†, Bolívar Duarte Mnauela2,
Cortés Bracho Javier de Jesús2, García Carrillo Mario2, López Cervantes Rubén2,
Cantú Sifuentes Mario2, Narro Farias Eduardo Alberto3
Resumen
La ausencia de investigación local sobre el comportamiento de metales
pesados adicionados por el riego agrícola motivó esta investigación. El objetivo fue
cuantificar las acumulaciones de algunos metales pesados en la vía agua de riego
- suelo – planta en producción de acelga (Beta vulgaris L.) y regado con tres tipos
de agua residual, y una de primer uso, como testigo. El riego por gravedad, en
lámina neta de 20 milímetros diarios, fue a cada 2, 4, 6 y 8, días; evaluando el
estrato 0.00 – 0.30 metros. El trabajo fue por 10 meses, a campo abierto, en
bloques al azar y con muestreos trimestrales. Los resultados mostraron que el
cultivo alcanzó a remover las adiciones por riegos, además de cantidades
importantes del contenido inicial en suelo, sobre todo de níquel y zinc. El orden del
contenido promedio de metales totales en suelo fue: Cu < Ni < Pb < Zn; con 9.88,
17.56, 67.09 y 76.83. Para su fracción soluble promedió Cu < Ni < Pb < Zn; con
ND, ND, 1.45 y 2.11. La cantidad adicionada por riegos durante el experimento fue
Pb < Cu < Ni < Zn; con ND, 1.28, 598.44 y 833.39, en µg. El orden de las
concentraciones en hoja de planta fue: Cu < Ni < Pb < Zn, con 2.98, 5.78, 10.94 y
33.88; en µg . g-1, respectivamente. Entre los tipos de agua y las frecuencias de
riego, empleados no se apreciaron diferencias estadísticas, lo que, bajo las
condiciones aplicadas, favorece la irrigación con aguas residuales como las
usadas.
Palabras clave: Uso agrícola, aplicaciones al suelo.
Abstract
The absences of local investigation on the behavior of heavy metals added
for the agricultural irrigation motivate this investigation. The objective was to
quantify the accumulations of some heavy metals in the manner water of irrigationsoil - plant, in production of chard (Beta vulgaris L.) watered with three types of
residual water, and drawing one of first use like witness. The irrigation by gravity, in
net plate of 20 daily millimeters, was each 2, 4, 6 and 8, days; evaluating the
stratum 0.00 – 0.30 meters.
__________________________
1
estudiante postgrado, UAAAN
maestro investigador, UAAAN
3
asesor externo
†
Autor responsable, [email protected]
2
194
The work was for 10 months, with no boundaries given, with blocks at random and
with three month samplings. The results showed that cultivation removed the riders
of irrigation, in addition to important quantities of initial contents of soil, mainly
nickel and zinc. The order of average contents of total metals at soil were: Cu < Ni
< Pb < Zn; with 9.88, 17.56, 67.09 and 76.83. For its soluble fraction it averaged
Cu < Ni < Pb < Zn; with ND, ND, 1.45 and 2.11.
The quantity added by irrigations during the experiment was Pb < Cu < Ni < Zn;
with ND, 1.28, 598.44 y 833.39, in µg. The order of concentrations in leaf of plant
was: Cu < Ni < Pb < Zn, with 2.98, 5.78, 10.94 y 33.88; in µg . g-1, respectively.
Between the types of water and the frequencies of irrigation employed, no
statistical difference was appraised, but under the applied conditions, it favors
irrigation with residual waters like the ones used.
Key words: Agricultural use, applications to soil.
Introducción
El empleo de las aguas residuales para la producción agrícola merece ser
abordada en vista de que a nivel mundial se acentúa la carencia de agua de
primer uso, o bien, esta se requiere destinarla a usos humanos más primordiales,
ayudando así, incluso, a disminuir la contaminación del medio ambiente que
padecen algunas áreas (González et. al, 2001). Esta opción de uso adquiere más
relevancia en una zona como la nuestra, que recibe precipitaciones escasas. Una
razón de peso contra este destino a tales recursos es el hecho de que
mayormente las aguas de desecho conllevan la presencia de componentes
negativos que provocan iguales efectos al suelo, cultivos y al personal que entra
en contacto con estos materiales. A pesar de esfuerzos de investigadores locales
como Cortés et al. (1991) y Bernabé (1996), hace falta ahondar en el posible
empleo agrícola positivo de estas descargas. Así, en este trabajo, el objetivo fue
investigar la dinámica de algunos metales pesados adicionados mediante riego
agrícola y su destino en suelo y planta.
Metodología experimental
Caracterización del Área Experimental. El experimento se realizó a campo
abierto, en una superficie de 60 x 20 m 2, a los 25° 21’29” latitud norte, 101° 01’ 59”
de longitud oeste y 1 767 metros de altura; dentro del Campus de la Universidad
Autónoma Agraria “Antonio Narro” (UAAAN) en Buenavista, Saltillo, Coahuila,
México; con temperatura media anual de 19.8 °C y precipitación media anual de
298.5 milímetros (Mendoza, 1983).
Aguas de riego
Se emplearon los siguientes tipos con diversos tratamientos (Cuadro 1).
Previo al inicio de los riegos y con el apoyo del Centro de Investigación en
Química Aplicada (CIQA), se realizaron tres muestreos simples y los análisis
debidos en parámetros de interés, de acuerdo a la Norma Oficial Mexicana – AA –
003 – 1980, (NOM, 1980). La determinación de mercurio y arsénico se hizo en
espectrofotómetro de absorción atómica Varian 250 y los restantes metales en
195
espectrofotómetro de plasma ICP Termo Jarrel Ash – Iris y horno de microondas
MARS 5.
Muestreo de suelo y planta
Antes de iniciar las aplicaciones de agua y posteriormente a cada tres
meses, se muestreó el suelo en el estrato 0.00 – 0.30 metros. Las muestras fueron
preparadas para la determinación de metales totales (digestión con solución 2:1
de ácido clorhídrico : perclórico) y solubles (Lindsay y Norvell, 1978) en suelo, se
efectuaron mediante espectrofotómetro de absorción atómica, en el Departamento
de Suelos de la Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro. En este mismo
equipo se determinaron a partir del destilado de follaje calcinado los metales en
planta.
Establecimiento en campo
En una distribución de bloques al azar, se estuvo regando por gravedad con
cuatro tipos de agua, a frecuencias de riego de cada 2, 4, 6 y 8 ; días. Con los 16
tratamientos, cada uno con cuatro repeticiones, se totalizaron 64 unidades
experimentales, las que se trazaron como áreas de 1 metro cuadrado. En cada
una de estas se trasplantaron, a los 15 días de germinación, nueve plantas de
acelga (Beta vulgaris L.) a 0.30 m entre sí y; con lámina neta de riego por
gravedad de 20 milímetros, para cada frecuencia. El análisis estadístico de los
datos se realizó mediante Minitab 14 y la prueba de Medias en Mstat – C.
Cuadro 1 Identificación de recursos de riego y sitio de muestreo.
Tipo de agua y tratamiento
Identificación
Sitio de muestreo y abasto
Residual doméstica
primario y secundario
(R UA)
Campus de la UAAAN
Laguna de almacenamiento
Residual urbana municipal
ninguno
(R MP)
Ejido “El Mesón”, Ramos Arizpe, Coahuila
Arroyo Municipal Saltillo – Ramos Arizpe
Residual doméstica
terciario
(R EF)
Esc. Forestal Carr. Saltillo–Zacatecas Km.
6.5
Salida a riego de áreas verdes
Pozo Profundo
primer uso
(P UA)
UAAAN
Salida a riego de áreas agrícolas
Muestreos posteriores a las aplicaciones
Cada tres meses, y mediante el empleo de barrena, se realizaron
muestreos al estrato superior del suelo, en cada tratamiento; así como en tres
hojas representativas, en cuanto a edad fisiológica, en una planta de acelga (Beta
vulgaris I.) al azar, de cada tratamiento.
Resultados y discusión
Contenidos en agua de riego y suelo
Los contenidos de metales pesados en las aguas residuales, en su
mayoría, estuvieron por debajo de los límites permisibles para su empleo agrícola;
a excepción de mercurio (Cuadro 2), el cual muestra contenidos al límite (NOM001-ECOL-1996, 1997), pero sin alcanzar a ser detectado en suelo en ningún
196
muestreo. Durante el lapso del trabajo, a pesar de que mediante los riegos se
adicionaron al suelo 28.20 y 47.00, µg.m 2, de mercurio y cromo, respectivamente;
ambos no lograron ser detectados en suelo o en planta. Este hecho no significa
que tales elementos se encuentren ausentes en tales sitios, sino que, pueden
estar acomplejados o adsorbidos a los coloides del suelo, o forman compuestos
insolubles por efecto del pH alcalino y los carbonatos (Méndez et al., 2000). El
arsénico y cadmio, presentaron la particularidad de que no lograron ser detectados
en los tipos de agua y, tampoco se apreciaron en suelo.
En suelo, aunque los contenidos totales de los elementos presentes fueron
significativos, la fracción soluble se apreció bastante reducida, evidenciando la
poca reactividad de estos materiales y su fácil acumulación en distintos sitios de
las cadenas productivas, caso del suelo, en este proceso (Peijnenburg et al.,
2000). Para esto, cobre y níquel se agrupan con promedio de 13.72 µg.g–1 de
elemento total y sin presencia en fase soluble (Cuadro 2). Zinc y plomo, en
cambio, por una mayor abundancia y solubilidad, alcanzaron a promediar 71.96
µg.g–1 de elemento total y 1.78 µg.g–1 –solamente 2.47% de solubilidad– en la
fracción soluble.
Tanto en aguas de riego como en suelo, el pH fue ligeramente alcalino, con
conductividad eléctrica baja y alto nivel de carbonatos en suelo (Cuadro 2). Estas
condiciones tienden a favorecer la precipitación de los metales mencionados con
lo que se coadyuva a su acumulación en suelo y disminución en su solubilidad
(Rodríguez y Méndez, 1995), pero latente riesgo de incorporación a cadenas
tróficas.
Cuadro 2
Límites máximos permisibles y contenidos promedio (µg.g–1) de metales
pesados en aguas residuales y suelo, nativos de la zona Saltillo - Ramos Arizpe;
Coahuila, México.
MÁXIMO PERMISIBLE
(NOM-001-ECOL-1996)
R E S U L T A D O S
Tipo de agua
Suelo
Riego
PD†
Total
ELEMENTO
Arsénico
0.40
Cadmio
0.10
Cobre
6.00
Cromo
1.00
Mercurio
0.01
Níquel
4.00
Plomo
10.00
Zinc
20.00
R UA
ND‡
ND
0.02
0.02
0.01
0.41
ND
ND
R MP R EF
ND
ND
ND
ND
0.02
0.04
0.02
0.01
0.01
0.01
0.62
0.54
ND
ND
0.94
0.39
P UA
ND
ND
0.02
ND
0.01
0.34
ND
ND
pH
CE§
ST¶
CaCO3 totales††
8.30
1.23
0.91
7.89
2.52
2.48
7.66
0.80
0.48
7.24
1.00
0.67
†Promedio
Soluble
Inicial
Final
ND
ND
ND
ND
10.00 10.00
ND
ND
ND
ND
23.00
6.00
73.00 70.00
78.00 86.00
7.63
0.96
7.74
0.98
47.68
48.02
Inicial
ND
ND
ND
ND
ND
ND
1.00
2.00
‡ND = No detectable con estándar de menor concentración
diario
¶Sólidos totales (µg.g–1)
eléctrica (dS . m–1)
†† Carbonatos totales (%, peso/volumen)
§Conductividad
197
Final
ND
ND
ND
ND
ND
ND
2.00
3.00
Presencia de elementos en hoja de planta
Cobre. Entre frecuencias de riego no aparecieron diferencias estadísticas
entre tipos de agua ya que estas promediaron 2.98 µg.g–1 de cobre en follaje seco
de planta. Sin embargo, en el análisis por fecha de muestreo, se apreció que a los
180 días de plantación, con un promedio de 6.25 µg.g–1, el agua R EF fue
estadísticamente superior a los restantes tipos de agua que promediaron
solamente 1.90 µg.g–1; ello explicable por la doble concentración de este elemento
en tal agua (Cuadro 2) respecto a los demás tipos de agua. Durante el
experimento el agua de riego contribuyó con 31.28 µg, mientras que la planta logró
extraer 348.72 µg; para 317.44 µg extra y, que se entiende, provinieron del suelo.
Níquel
Como este elemento presenta alta movilidad, en follaje, a partir del segundo
muestreo se observaron contenidos promedio de 7.35 µg.g–1, llegando inclusive a
9.94 µg.g–1 en el último muestreo, valor estadísticamente superior. Entre tipos de
agua, se apreció que el desarrollo de planta en aguas cercanas a pH neutro y
menos carga orgánica (Cuadro 2), favoreció las acumulaciones del elemento en
follaje, como sucedió en R EF con 5.25 µg.g–1 y, contrario a los 1.06 µg.g–1 al
aplicar agua R MP. Se contabilizó que el agua de riego suministró 598.44
microgramos de los 676.38 que la planta acumuló (Figura 1). De cualquier
manera se aprecia agotamiento del elemento en suelo, ya que al final del trabajo
se tuvo de contenido total, solamente 6.00 µg.g–1 de los 23 µg.g–1 iniciales (Cuadro
2).
Microgramos totales por aspecto
7000
3 - (1+2)
6000
3(acumulado planta)
2 (soluble suelo x 1000)
5000
1(de riegos)
4000
3000
-
2000
+
NOTA:
+ = [3 > (1+2)]
+
1000
- = [3 < (1+2)]
0
Cr
Figura 1
Hg
Cu
Ni
Pb
Metales pesados monitoreados
Zn
Totales en evaluación de metales pesados por riego con agua residual
Plomo
198
Contenido en hoja
1
(µg . g ¯ )
El análisis estadístico por frecuencias de riego no mostró diferencias entre
las mismas y arrojando un promedio de 10.94 µg.g–1 del elemento en follaje seco.
Sin embargo, entre tipos de agua, las aplicaciones de R UA y R EF, con promedio
de 12.34 µg.g–1 fueron estadísticamente superiores. Los muestreos evidenciaron
que en el primero y tercero períodos trimestrales, las acumulaciones en planta
fueron mayores con 12.56 µg.g–1 y 12.13 µg.g–1 respectivamente, relacionado ello
a mejores condiciones climáticas para el desempeño fisiológico del cultivo.
45
P UA
40
R EF
Promedio
35
30
R MP
25
R UA
20
0
90
180
270
360
Días del experimento
Figura 1 Niveles de zinc en hoja de acelga regada con cuatro tipos de agua.
La planta acumuló (Figura 1) durante el lapso de observación un total de 1
280.20 microgramos, mientras el suelo de fracción soluble manifestó poseer 103
175 microgramos de Pb en el volumen de suelo explorado por raíces. Así, al
absorber la planta solamente una fracción muy pequeña del disponible en suelo –
1.24% aproximadamente–, mostró que este elemento fue difícil de remover del
suelo bajo las condiciones aplicadas.
Zinc
Mientras R UA y R MP provocaron menos contenido en planta hacia el final
del experimento, con R EF y P UA sucedió al contrario (Figura 2). Por otra parte,
el incremento, al punto antes mencionado, en R EF fue de solo 6.54% y en P UA
23.43%. Estos incrementos van relacionados a valores de pH más cercano a la
neutralidad, menos conductividad eléctrica y carencia de carga orgánica (Cuadro
2).
Uniendo las acumulaciones promedio de R EF y R MP por riegos de 833.39
microgramos del elemento con los 150 137.05 microgramos solubles en suelo y a
disposición de cada planta y, al haber logrado esta acumular 3 964.64
microgramos durante las observaciones, se aprecia un 2.63% de absorción del
material a disposición.
A excepción de lo sucedido con el plomo, en que no se alcanzó a
contabilizar lo suministrado por los riegos, para los demás elementos revisados,
las extracciones efectuadas por el cultivo sobrepasaron las cantidades
introducidas por los riegos; de modo que, además alcanzó a sustraer del suelo,
199
para cobre 317.44 unidades, para níquel 77.94 y en zinc 3131.25, en microgramos
de elemento por planta.
Conclusión
Las cantidades de elementos adicionados al suelo mediante el riego así
como cantidades importantes de lo contenido inicialmente en suelo, alcanzaron a
ser removidas por el cultivo empleado. Las aguas y frecuencias de riego
empleadas mostraron comportamiento parecido, lo que favorece el empleo de esta
agua en riego agrícola.
Literatura citada
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agrícola en la UAAAN. Saltillo, Coahuila. pp: 23 – 76.
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Nacional de la Ciencia del Suelo. Sociedad Mexicana de la Ciencia del Suelo. Pachuca,
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Méndez, G. T., L. Rodríguez D. y S. Palacios M. 2000. Impacto del riego con aguas contaminadas,
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Norma Oficial Mexicana NMX-AA-003-1980. 1980. Aguas residuales. Muestreo. Declaratoria de
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Federación. México, D. F.
Peijnenburg, W, A. Baerselman, T. Jager, D. Leenders, L. Posthuma y R. Van Veen.
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200