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 Bernabé, A. V. 1996. Alternativas de tratamiento de aguas residuales domésticas para su rehuso agrícola en la UAAAN. Saltillo, Coahuila. pp: 23 – 76. Cortés, B. J., J. N. Silva y M. Bolívar-Duarte. 1991. Evaluación de las aguas residuales con fines de riego agrícola antes y después de un tratamiento físico – biológico. XXIV Congreso Nacional de la Ciencia del Suelo. Sociedad Mexicana de la Ciencia del Suelo. Pachuca, Hgo. p. 70. González, T. J., J. A. Delijorge G. y A. Vázquez L. 2001. Recuperación y reutilización de las aguas residuales en la producción agrícola y pecuaria de las zonas áridas. XI Congreso Nacional de Irrigación. Guanajuato, México. pp: 38 – 42. Méndez, G. T., L. Rodríguez D. y S. Palacios M. 2000. Impacto del riego con aguas contaminadas, evaluado a través de presencia de metales pesados en suelos. Terra 18: 277 – 288. Mendoza, H. J. M. 1983. Diagnóstico climático para la zona de influencia inmediata de la Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro. Coahuila, México. Norma Oficial Mexicana NMX-AA-003-1980. 1980. Aguas residuales. Muestreo. Declaratoria de vigencia. Diario Oficial de la Federación . México, D. F. Norma Oficial Mexicana NOM-OO1-ECOL-1996. 1997. Límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas residuales en agua y bienes nacionales. Diario Oficial de la Federación. México, D. F. Peijnenburg, W, A. Baerselman, T. Jager, D. Leenders, L. Posthuma y R. Van Veen. 2000. Quantification of metal bioavailability for lettuce (Lactuca sativa L.) in field soils. Arch. Environ. Contam. Toxicol. 39:420-30 Rodríguez D., L. y T. Méndez G. 1995. Disponibilidad de Fe, Mn, Zn, Pb, Cr y Cd en los cultivos más comunes en el municipio de Atlixco, Puebla. pp. 33. In: Memorias del XXVI Congreso Nacional de la Ciencia del Suelo. Cd. Victoria, Tamps. 200