cambios en la disponibilidad de metales en suelos agrcolas

CAMBIOS EN LA DISPONIBILIDAD DE METALES EN SUELOS ENMENDADOS
CON BIOSÓLIDOS
Lorena MORALES REYES1, José Víctor TAMARIZ FLORES2, Abel CRUZ
MONTALVO2 y Rosalía CASTELÁN VEGA2
1
Escuela de Biología, BUAP, 2Departamento de Investigación en Ciencias
Agrícolas-ICUAP. 14 Sur 6301, Col. San Manuel, C.P. 72570, Puebla, Pue, Tel
222-255500-7359. E-mail: [email protected], [email protected]
Palabras clave: disposición, acumulación, lodos, maíz
RESUMEN
Actualmente, el municipio de Puebla se encuentra generando grandes cantidades
de biosólidos producidos en las plantas tratadoras de agua residual, buscar la vía
de eliminación o utilización mas viable de estos residuos para provocar el menor
impacto en los ecosistemas resulta primordial; parece ser que su uso agrícola es
una alternativa ecológica y económicamente aceptable bajo ciertas condiciones de
manejo. Sin embargo, debido a los procesos fisicoquímicos que intervienen en los
tratamientos de agua residual, los biosólidos tienden a acumular metales pesados
hecho que ocasionaría problemas de contaminación del suelo y del ecosistema en
general. Es por ello que una de las principales limitantes del uso de biosólidos en
la agricultura es el peligro potencial que se puede presentar al incorporar
concentraciones elevadas de metales. Dichas concentraciones pueden ser
incorporadas a las plantas e introducirse a la cadena alimenticia del hombre y
otros animales. Por lo que es necesario vigilar que estas concentraciones no
sobrepasen a los valores límites para una producción agrícola sana.
El objetivo de este estudio es valorar los cambios en la disponibilidad de Plomo,
Cadmio, Cromo, Níquel, Cobre, Zinc y Manganeso en suelos que han recibido los
lodos residuales y en donde se ha cultivado maíz( zea mays). Se seleccionaron
cuatro parcelas que han recibido diferentes dosis de biosólidos y cuatro parcelas
sin ellos. Se determinó la concentración de metal total (extraído con HNO3, 4N) y
metal disponible (extraído con DTPA) a una profundidad de 0-30 cm de suelo. La
disponibilidad del metal se calculó mediante la relación metal DTAPA/ metal HNO3.
El contenido en base seca de metales pesados en los tejidos vegetales de maíz
con el método de digestión (H2SO4 y H2O2 al 30%) y se estableció la correlación
con la disponibilidad calculada. La incorporación de biosolidos dio como resultados
que la materia orgánica se incrementó hasta 4 veces con respecto al contenido
inicial, siendo éste el efecto más significativo de la incorporación de los biosólidos,
además de mejorar las propiedades físicas, la actividad microbiana y aumentar
considerablemente la fuente de nutrientes. Las concentraciones más elevadas
para Cu, Ni, Pb, Zn, Fe y Mn se encontraron en el horizonte superficial, lo que se
debe a la incorporación de biosólidos, sin embargo los contenidos de los metales
extraíbles se encuentran dentro de los valores normales para suelos de uso
agrícola a excepción del Pb que rebasa con 8 ppm el límite máximo permitido.
Para loa demás metales nos se encontraron valores que rebasaran los límites
1
máximos permitidos, Los contenidos en los horizontes subsuperficiales presentan
una diferencia significativa con respecto al horizonte superior, según el ANOVA
realizado. La disponibilidad de los metales no excedió del 35 % y presento
diferentes orden para cada tipo de suelo. No se encontró correlación entre los
contenidos de metales en las Plantas y la disponibilidad calculada.
INTRODUCCIÓN
Puebla está generando numerosas toneladas de biosólidos producidos en las
plantas tratadoras de aguas residuales (PTAR), unos de los problemas a resolver
es, buscar la vía de eliminación o utilización más viable de estos residuos, para
provocar el menor impacto en los ecosistemas. La mejor opción en cuanto a
costos y equipo es esparcirlos en terrenos agrícolas, porque se pueden reciclar
nutrientes, los cuales son útiles desde el punto de vista agronómico. Los residuos
orgánicos han sido utilizados por el hombre desde tiempos remotos para abonar
los suelos dedicados a la agricultura y a la ganadería. En la depuración de aguas
residuales urbanas se producen importantes cantidades de residuos.
Los biosólidos son ricos en materia orgánica, nitrógeno y fósforo que los hace
potencialmente útiles como fertilizantes. Además mejoran las propiedades físicas y
químicas del suelo como la densidad, estructura, porosidad retención de agua, pH,
capacidad de intercambio catiónico, entre otros; todo lo cual puede reflejarse en
un incremento en el rendimiento de los cultivos (Sposito, 1989)
La aplicación de lodos residuales a suelos agrícolas es una práctica habitual en
países desarrollados por razones prácticas y económicas (Ottaviani et al., 1991).
Sin embargo, debido a los procesos fisicoquímicos que intervienen en los
tratamientos de estas aguas, los biosólidos tienden a acumular metales y
compuestos orgánicos poco biodegradables presentes en las aguas residuales.
Ello ocasionaría problemas para el suelo y para la salud pública. Estos biosólidos,
en la actualidad no cuentan con estudios básicos e integrales para su utilización,
para que ambientalmente no produzcan impactos negativos graves, dado su alta
carga de patógenos y metales.
Por ello es importante alcanzar estándares de calidad para los biosólidos que se
esparcen en los terrenos de cultivo para evitar que los suelos sufran
modificaciones irreversibles. La búsqueda de alternativas para la minimización y
reutilización de los distintos residuos generados, son los nuevos desafíos que el
hombre tiene que abordar para un futuro sustentable. La aplicación de biosólidos a
Agroecosistemas degradados, modifican directamente sus propiedades físicas,
químicas y biológicas, por lo que tienen un papel fundamental en la recuperación
de la calidad de los mismos. La eficiencia de estos biosólidos como fertilizantes
depende de diversos factores, entre los que está el tipo de suelo y el cultivo
empleado, la calidad del biosólido y los factores ambientales que van a incidir
directamente sobre los procesos de mineralización y la disponibilidad de nutrientes
para la planta (Gallardo-Lara y Nogales, 1987).
2
Por estos motivos, la dosis de aplicación se suele fijar en función de los
requerimientos del cultivo de: N, P, requerimientos nutricionales, tanto en el tiempo
como en la dosis, con el fin de minimizar la contaminación del suelo y los mantos
acuíferos. La productividad del suelo aumenta frecuentemente, a causa del
llamado efecto de la materia orgánica que se produce después de la aplicación de
lodos residuales. El presente estudio tiene como objetivo evaluar la disponibilidad
de los metales Pb, Cd, Cr, Cu, Zn, Ni y Mn en los suelos enmendados con
biosólidos en la parte centro de W del Municipio de Puebla, en el ciclo agrícola
verano – otoño 2005.
MATERIALES Y MÉTODOS
Localización de la zona de estudio.
El estudio se realizó en la localidad de Atotonilco y La Paz Tlaxcolpan
pertenecientes al municipio de Puebla. Se localizan en la parte centro de W del
estado de Puebla. Sus coordenadas geográficas son: los paralelos 18° 50’ 42” y
19° 13’ 48” latitud norte, y los meridianos 98° 00’ 24” y 98° 19’ 42” de longitud
occidental, Fig 1. Tiene una superficie de 524.31 Km2, que lo ubica en el lugar
número cinco con respecto a los demás municipios del estado de Puebla.
Cuenta con 457 localidades de las cuales las más importantes son: Puebla de
Zaragoza, cabecera municipal y capital del estado; Ignacio Romero Vargas, San
Baltazar Campeche, San Francisco Totimehuacán, San Felipe Hueyotlipan, La
Libertad, San Andrés Azumiatla y San Baltazar Tetela, que forman parte de las 17
juntas auxiliares (Marneau, 1988).
Fig 1. Localización de la zona de estudio
3
Muestreo de suelos. Se tomaron por el método del zig-zag muestras individuales
en las cuatro parcelas que han recibido biosólidos a dos diferentes profundidades
0 – 30 cm. De igual forma se hizo para las cuatro parcelas que no han recibido los
biosólidos Las muestras individuales se mezclaron y homogenizaron para obtener
muestras compuestas de las parcelas con biosólidos y sin biosólidos. Las
muestras fueron secadas a temperatura ambiente y a la sombra. Tamizadas en
malla de acero inoxidable del número 10. Se almacenaron adecuadamente para
realizar los análisis.
Muestreo de plantas. Para determinar el contenido de metales en las plantas se
tomaron 10 individuos de cada parcela a los cuarenta días de la siembra. Se
determinó el contenido de metales en las muestras compuestas en base seca en
raíz tallo y hojas. Realizándose una digestión ácida (H2O2 y H2SO4).
Análisis Fisicoquímicos de biosólidos
pH 1:2
Conductividad Eléctrica dS/m
Materia Orgánica %
Las metodologías fueron según la NOM-021-RECNAT-2000.
Extracción de Metales para determinar: Pb, Cd, Cr, Ni, Cu, Zn y Mn ( Williams,
1987)
Análisis Fisicoquímicos de suelos
pH
Materia orgánica
Conductividad Eléctrica
N, P, K, Ca++, Mg++, Na.
Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC)
Las metodologías fueron según la NOM-021-RECNAT-2000.
Extracción de Metales para determinar: Pb, Cd, Cr, Ni, Cu, Zn y Mn. ( Williams,
1987).
Plantas. El contenido de metales pesados en los tejidos vegetales se realizó
mediante el método de digestión ácida con H2O2 y H2SO4 (Wolf, 1982).
Fig. 2 Aspecto de la disposición de biosolidos en la zona de estudio
4
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los análisis realizados a los biosolidos se presentan en la tabla 1.
Tabla 1. Resultados de los análisis fisicoquímicos a los
biosolidos
Parámetro
pH 1:2/suelo:agua
Conductividad Eléctrica dS/ m
% Materia orgánica
Cadmio ppm
Cobre ppm
Níquel ppm
Plomo ppm
Zinc ppm
Cromo ppm
Manganeso ppm
Valor
7.2
1.9
41.0
8.0
120
78
92
295
2.0
191
Los resultados indican que estos biosolidos no rebasan los límites máximos
permisibles de los metales en estudio según la NOM-004-SEMARNAT-2002, y
corresponden a un biosolidos tipo B. Por lo cual se pueden aplicar a los suelos con
el fin de mejorar sus propiedades y elevar el contenido de nutrientes.
Las propiedades fisicoquímicas de los suelos se dan en la tabla 2.
Tabla 2. Análisis fisicoquímico de los suelos, valores promedio de las 4 parcelas
Parámetro
M 1 Sin biosolidos M2 Con biosolidos
pH 1:2/suelo:agua
6.3
7.3
Textura
Francoarcilloarenosa
Franca
% Arena
52
49
% Limo
22
23
% Arcilla
26
28
Conductividad Eléctrica dS/ m
0.51
0.85
Materia Orgánica %
0.55
2.2
Nitrógeno total %
0.038
0.195
Fósforo disponible ppm
6
161
Potasio intercambiable meq/ 100g
0.45
0.55
Calcio intercambiable meq/ 100g
12
21
Magnesio intercambiable meq/ 100g
4
3.1
Sodio intercambiable meq/ 100g
0.98
1.1
El pH en los suelos con biosólidos presentó un ligero incremento, no obstante se
mantuvo en el rango de ligeramente ácido. La textura cambió debido a la
incorporación de más fracciones finas, las cuales están unidas a la materia
5
orgánica. La conductividad eléctrica se vio ligeramente afectada debido a la
cantidad de sales incorporadas por los biosólidos. La materia orgánica se
incrementó hasta cuatro veces el contenido inicial, siendo este último el efecto
más significativo de la incorporación de los biosólidos, además de mejorar las
propiedades físicas, la actividad microbiana y aumentar considerablemente la
fuente de nutrientes.
En la tabla 3 se muestran las concentraciones de los metales.
Tabla 3. Contenido de metales en ppm, valores promedio de las
4 parcelas
Parcelas con biosolidos
Parcelas sin biosolidos
Total
Disponible
Total
Disponible
Cu
12
2.7
2
0.4
Cd
2
0.49
1
0.19
Cr
11
2.1
1
0.21
Ni
4
1.3
2.5
0.82
Pb
14
4.6
2.2
0.60
Zn
121
28
1.0
0.23
Mn
110
17
1.2
0.31
Las concentraciones totales para Cu, Cd, Cr, Ni, Pb, Zn, Fe y Mn muestran un
incremento significativo, en las parcelas con biosolidos que se debe a la
incorporación de estos residuales, no obstante, los contenidos de los metales se
encuentran dentro de los valores normales para suelos de uso agrícola. En cuanto
al contenido de metal disponible los valores se encuentran en concentraciones por
arriba a los adecuados, en los suelos con biosolidos. En los suelos sin biosolidos
se encuentran en niveles bajos, mostrando un efecto significativo debido a la
incorporación de biosolidos.
La disponibilidad calculada mediante la relación metal disponible/ metal total se
presenta en la tabla 4.
Tabla 4. Disponibilidad relativa de metales en la zona de estudio (%)
Parcelas con biosolidos
Parcelas sin biosolidos
Cu
22.5
20
Cd
24.5
19
Cr
19
21
Ni
32.5
32.8
Pb
32.8
27.3
Zn
23
23
Mn
15.5
25.8
Para los suelos con biosolidos el orden de la disponibilidad relativa es:
Pb > Ni > Cd > Zn > Cu > Cr > Mn
6
Para los suelos sin biosolidos el orden de la disponibilidad relativa es:
Ni > Pb > Mn > Zn > Cr > Cu > Cd
Ningún metal rebasa el 35% de la disponibilidad relativa, lo que indica que las
condiciones de los suelos en esta zona no permiten que las formas disponibles de
los metales se encuentren en concentraciones elevadas. El cambio en el manejo
agronómico de estos suelos pueden modificar las condiciones del suelo que nos
lleven a incrementar estas disponibilidades por lo cual es necesario monitorear
permanentemente las condiciones de pH y REDOX del suelo.
Las concentraciones del los metales en estudio, determinados en el granos de
máiz se presenta en la tabla 5.
Cu
Cd
Cr
Ni
Pb
Zn
Mn
Tabla 5. Contenido de metales en granos de máiz
Parcelas con
Parcelas
Valores de referencia
biosolidos
sin
( Kabata,1992)
biosolidos
4
0.5
5
1.9
0.25
3
1.1
0.6
3
4.2
1.1
5
3.2
2.4
10
16
8
35
11
6
26
Se observa un incremento en las concentraciones en los suelos con biosolidos
pero no se rebasa a las reportadas en los trabajos de Kabatas, 1992.
Al realizar el análisis estadístico no se encontró una correlación significativa entre
la disponibilidad relativa y el contenido de metal en el grano. Probablemente a que
se requiere de mayor numero de muestras.
CONCLUSIONES
La disponibilidad de metales por la incorporación de biosolidos no se incrementó
significativamente para los metales en estudio, debido a que las condiciones del
suelo que pueden influir en esta disponibilidad no se modificaron.
Es importante continuar con el monitoreo de esta disponibilidad ya que el cambio
en el manejo agronómico de estos suelos puede modificar la disponibilidad de
metales para los cultivos.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos al Sistema Operador de Agua Potable del municipio de Puebla, por
el apoyo y las facilidades para la realización de este trabaja y en particular a la
Dirección de Proyectos Especiales.
7
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