determinacion de cobre y zinc en suelos acondicionados con lodos

DETERMINACION DE COBRE Y ZINC EN SUELOS ACONDICIONADOS CON
LODOS RESIDUALES A DIFERENTES TIEMPOS
Jorge.LUGO de la F., Laura.SANTANA B., Hortencia SANCHEZ R.,
Rocío VACA P. y Pedro DEL AGUILA J.
Laboratorio de Edafología y Ambiente. Facultad de Ciencias UAEM. Instituto
Literario No. 100 Toluca 50,000 México [email protected]
Palabras claves: Cobre, Zinc, lodo residual.
RESUMEN
Los metales se encuentran naturalmente en diversas concentraciones en rocas y
suelos. En la actualidad debido a actividades antropogénicas han aumentado las
concentraciones de dichos metales en el ambiente, lo cual es casi imposible de
revertir por su persistencia en el mismo. Al depositar lodos residuales (LR) en un
suelo, es probable que este vaya a modificar la concentración de metales pesados
en el suelo, especialmente por Cobre y Zinc; aunque el propio suelo necesita de
estos elementos como fuente de micronutrimentos. Tales metales se incorporan al
suelo y de ahí a la cadena trófica por lo que si están en altas concentraciones
pueden considerados ser elementos tóxicos tanto para el hombre, animales y
plantas; en este trabajo se determinaron Cu y Zn tanto totales y disponibles en
suelos adicionados con lodos a diferentes tiempos, (2, 3, 5 y 7 años). Para esto se
hizo un muestreo preferencial en la planta tratadora donde se depositaron los lodos a
los diferentes tiempos; se determinaron en laboratorio, pH, materia orgánica (MO) y
los metales Zn y Cu siguiendo las normas establecidas. Los resultados obtenidos en
cuanto al pH son que los LR depositados hace 3 años tuvieron el valor más elevado,
mientras que los otros tratamientos presentaron un valor más bajo que el testigo,
para la MO los tratamientos mostraron una mayor cantidad de MO en las zonas
donde se depositaron los LR con relación al testigo. Para los metales totales
encontramos que el sitio donde se depositaron los lodos hace 3 años es el que
menos cantidad de Cu y Zn presenta, mientras que para los metales disponibles
podemos observar que cobre 5 años se encuentra con un porcentaje mayor de
disponibilidad y el Zinc presenta mayor disponibilidad a 2 y 3 años.
INTRODUCCIÓN
La disposición de lodos sigue siendo un grave problema en nuestro país,
recientemente se ha aprobado el poder disponer de los lodos en suelos agrícolas
tomando en cuenta tanto parámetros físicos y químicos, así como metales pesados.
Los metales pesados son peligrosos porque tienden a bioacumularse, esto es un
aumento en la concentración de un producto químico en un organismo biológico en
un cierto plazo, comparada a la concentración del producto químico en el ambiente.
Sin embargo, las plantas Toluca norte y oriente disponen sus lodos en los mismos
terrenos de la tratadora, por lo que es de interés determinar metales pesados para
1
conocer como se han modificado sus concentraciones a lo largo del tiempo. Con el
advenimiento de la industrialización ha aumentado notoriamente el uso de los
metales pesados ya que presentan propiedades adecuadas para diverso fines. En la
actualidad han aumentado las concentraciones de dichos metales en el ambiente, lo
cual es casi imposible de revertir por su persistencia en el mismo. Los suelos pueden
contaminarse con metales por contacto directo con residuos de actividades
industriales que forman parte de los lodos después del tratamiento y la depuración de
aguas residuales.
La aplicación de los lodos residuales en suelos agrícolas puede implicar por
un lado la reducción de una fuente de contaminación y por el otro el
aprovechamiento de un recurso de bajo costo que permite mejorar las propiedades
físicas, químicas y biológicas del suelo pudiendo así aumentar su productividad;
mejorando la cantidad y calidad de materia orgánica disponible para el cultivo
Se considera metal pesado a aquel elemento que tiene una densidad igual o superior
a 5 gr/cm3 cuando está en forma elemental, o cuyo número atómico es superior a 20.
Su presencia en la corteza terrestre es inferior al 0,1% y casi siempre menor del
0,01%. Los micronutrientes se requieren en pequeñas cantidades, o cantidades
traza, por las plantas y animales; todos ellos son necesarios para que los organismos
completen su ciclo vital pero superado un cierto umbral se vuelven tóxicos. Dentro de
este grupo están: As, B, Co, Cr, Cu, Mo, Mn, Ni, Se y Zn, entre otros.
En los suelos, la cantidad de cobre es variable, oscila entre 5 y 500 ppm.
Normalmente se halla como Cu+2 (Navarro, 2000). La disponibilidad de cobre
depende en gran medida de aquellos factores que influyen en su fijación sobre el
complejo arcilloso-húmico del suelo (Loué 1988). Los efectos residuales de las
aplicaciones de Cu han sido reconocidos durante algún tiempo, los efectos
residuales de los tratamientos de Cu duran mucho tiempo y bajo condiciones de
campo pueden ser adecuados por lo menos por ocho años, dependiendo de la
magnitud de la aplicación y de tipo de suelo (Mortvedt, 1983). Las aplicaciones
continuas de Cu superiores a las necesidades para la nutrición normal de las plantas
puede llegar a producir problemas de toxicidad, muchas veces relacionadas a los
efectos del Cu en la captación y utilización de otros elementos por las planta
(Mortvedt, 1983). El contenido medio de zinc en la corteza terrestre es alrededor de
700 ppm (Loué 1988) mientras que en suelos agrícolas el contenido total puede
oscilar entre 10 y 300 ppm, el Zn disponible para las plantas se encuentra por debajo
de las 10 ppm (Navarro, 2000). En comparación con el cobre, el zinc es más móvil,
por el hecho de que se puede encontrar como sulfuro (Loué 1988). Es por eso que
se tiene un control en los países que optan por esta practica en cuanto a las dosis de
aplicación de lodos residuales en función del tipo de cultivo. Con esto el propósito de
este trabajo fue determinar cobre y zinc en suelos acondicionados con lodos
residuales para conocer como se han modificado sus concentraciones a lo largo de
los años. El Zinc en cantidades excesivas puede ser toxico para las plantas y en
cantidades excesivas pueden estar disponible para influenciar la captación y
metabolismo de otros elementos
El pH se define como el logaritmo inverso de la concentración de iones de
hidrógeno que al medirse en el suelo nos indica el grado de saturación de bases que
dependen de la arcilla dominante dependiendo del valor, presentan un factor
2
importante en la movilidad y adsorción de los metales pesados (López y López,
1990; Smith, 1999).
La materia orgánica proviene de los derivados de las plantas y organismos
vivientes o muertos del suelo por lo tanto, desempeña varias funciones importantes
en los suelos, puesto que se origina de los residuos vegetales (Millar y Turk 1981).
La materia orgánica no solo es una fuente de alimentación para los microorganismos
que habitan en la tierra (Moscoso, 2003), también presentan gran influencia sobre
muchas características físicas y químicas del suelo, por ejemplo; aumenta la
capacidad de retención de agua, regula el pH a través de su capacidad
amortiguadora, entre otros. (Martínez, 2004).
METODOLOGÍA
Se colectaron muestras de suelo al azar en sitios en donde se habían
depositado lodos residuales hacia 2, 3, 5 y 7 años en la Planta Tratadora Toluca
Norte, por los datos proporcionados por la planta tratadora se cree que depositaron
alrededor de 500 tn ha-1 (base seca) de LR en los sitios escogidos para esto,
posteriormente las muestras, se secaron, molieron, homogenizaron y tamizaron a
una malla de 2 mm para determinarles pH por la norma AS-13 1997, Materia
Orgánica por el método de Walkley Y Black modificado (1947), además se determinó
Zinc y Cobre por el método AS-32-2002 de la NORMA Oficial Mexicana NOM-021RECNAT-2000, en un espectofotómetro Perkin Elmer 3110, precedida de una
digestión ácida en un horno de microondas CEM Mars 5. La s normas señaladas
establecen las especificaciones para estudios, muestreo y análisis de suelos.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El pH del suelo es probablemente la característica química más importante del
suelo, el conocimiento de este es necesario para entender procesos químicos
importantes tales como movilidad de iones, cinética y equilibrio de precipitación y
disolución y la disponibilidad de nutrimentos para las plantas.
Gráfica de pH por KCl
Gráfica de pH por Agua
6.4
6.8
6.2
6
6.4
pH KCl
pH por Agua
6.6
6.2
6
5.8
5.6
5.8
5.4
5.6
5.2
5.4
5
Testigo 2 años 3 años 5 años 7 años
Testigo 2 años 3 años 5 años 7 años
Tratamientos
Tratamientos
Figura 1 a. pH medido en Agua para
Figura 1 b. pH medido en KCl
3
El pH medido en agua como se observa en la gráfica 1ª muestra que los
tratamientos de 2, 5 y 7 años se comporta similar al testigo y se consideran como
valores moderadamente ácidos, mientras que en el tratamiento de 3 años el valor se
va acercando a la neutralidad. El ANOVA dio como resultado que el tratamiento de 3
años presentó diferencias significativas (F = 4.65 p< 0.05) contra todos los
tratamientos, con estos valores a excepción de 3 años, algunos de los elementos
tóxicos podrán quedar disponibles al medio y metales como Cu y Zn se vuelven más
solubles (Ross, 1994).
En relación al pH en KCl, el tratamiento de 3 años es el único que tiene
valores de moderadamente ácido y los demás tratamientos se consideran
fuertemente ácidos, igualmente se muestra diferencia entre 3 años y los demás
tratamientos (F= 6.79 p< 0.05) .
Es evidente que la concentración de materia orgánica aumenta al agregar los
lodos residuales, independiente de la edad de agregación, por lo tanto se observa
que el suelo testigo presenta una baja concentración de materia orgánica.
Entre los tratamientos con lodos, se observa que al suelo al que se le agregó
lodo residual hace dos años tiene un mayor contenido de materia orgánica a
diferencia de los tratamientos de tres, cinco y siete años, la gráfica 2 nos señala que
estos últimos tres tratamientos son parecidos, esto puede ser debido al paso del
tiempo y a la posible incorporación o degradación de materia orgánica del suelo.
A los tratamientos a los que se les adicionó lodos residuales aumentaron
significativamente (F=18.57 p< 0.05) con respecto al testigo. Esto puede ser debido
sobre todo en los tiempos más largos ( 5 y 7 años) a una mineralización del carbono
y también a la transformación de MO en compuestos húmicos; se sabe que los
ácidos húmicos inmovilizan a los metales (Schnitzer y Khan, 1972), sin embargo, al
observar un aumento en la cantidad de MO y un descenso en los valores de pH, se
puede encontrar un incremento en la movilidad y disponibilidad de metales pesados
(Abdelrahman y Al-Ajmi, 1994; Kuo y Baker, 1980).
Gráfica de Materia Orgánica
% Materia Orgánica
24
20
16
12
8
4
0
Testigo 2 años 3 años 5 años 7 años
Tratamientos
Figura 2. Porcentaje de MO
4
En la tabla 1 se muestran los datos tanto de Cu y Zn total y disponible, en esta
se observa que el testigo presenta valores muy bajos con relación a todos los sitios
donde los LR fueron agregados. Sin embargo, resalta el tratamiento de 3 años, que
fue el más bajo de todos; es probable que el manejo dado a los LR en los sitios de
disposición en este sitio, se halla dispersado de una manera mas homogénea y que
por lo tanto tenga que ver con los datos obtenidos, cabe señalar que los demás
tratamientos no tuvieron ese manejo homogéneo.
Cu total
Cu dis
Zn total
Zn dis
mg Kg-1
18.8
1.72
57
9.4
Testigo
205.7
49.76
695.9
160.9
2 años
69.3
17.51
297.4
71.37
3 años
215.3
68.15
847.2
179
5 años
265.5
25.4
910.25
176.6
7 años
Tabla 1. Concentración de Cu y Zn total y disponible en los sitios muestreados
En la Fig. 3 se observa el cobre total en la columna de color rosa y el
disponible en color beige; donde el cobre disponible está por debajo de 31% en los
cinco tratamientos, el tratamientos de cinco años es el que presenta el mayor
porcentaje de cobre disponible, probablemente debido al proceso de intemperismo,
mientras que el tratamiento de 7 años presentó únicamente el 15%; el testigo
presentó 9% disponible del cobre total. El Cu pudiera estar integrado a la materia
orgánica, adsorbido como catión intercambiable al complejo húmico-cúpricos y en la
disolución del suelo. La formación de estos complejos se atribuye a la unión del Cu2
a los grupos funcionales carboxilo, carbonílicos y fenólicos o en estructuras
porfirínicas, ampliamente presentes en las sustancias húmicas del suelo (Mortvedt,
1983).
Esta fijación del cobre por la materia orgánica se han considerado por muchos
investigadores como la causa principal de la aparición de la deficiencia en las plantas
creciendo en suelos con alto contenido orgánico. Sin embargo, esta opinión no esta
totalmente aceptada, ya que otras investigaciones han puesto de manifiesto un
resultado contrario, es decir, que el cobre se encuentra mas disponible en suelos
ricos en materia orgánica que en suelos minerales (Navarro, 2000).
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Cu Dis
Cu Total
Testigo
2 años
3 años
5 años
7 años
Figura 3. Porcentaje de disponibilidad para el Cu
5
El tener pH ácidos ocasiona efectos de toxicidad por los metales ya que estos
se solubilizan al descender el valor, también hace que la nitrificación sea lenta y la
fijación del amonio disminuya, por lo tanto una fuerte acidez en el suelo solubiliza al
cobre con las posibles perdidas que pueden llegar a provocar una deficiencia. Si
recordamos las figuras 1a y 1b los suelos tienden a ser ligeramente ácidos, condición
favorable para que el Cobre esté como Cu2+ ya sea en la solución del suelo o en el
complejo de cambio. Cuando el pH aumenta, la cantidad de cobre fijado a la materia
orgánica tiende a disminuir, ya que al aumentar la concentración de OH-, hay una
disminución de la adsorción del cobre en la materia orgánica (Navarro, 2000).
En la Fig. 4 se observa el comportamiento del zinc en los cinco tratamientos,
de color rosa el zinc total y de beige el disponible; el zinc total se encuentra por arriba
del 76%, este metal esta relacionado con los silicatos primarios, los minerales
primarios y la materia orgánica. El tratamiento tres años presenta un 24% de zinc
disponible, seguido del tratamiento dos años con un 23%.
100 %
90 %
80 %
70 %
60 %
Zn Dis
50 %
Zn To t al
40 %
30 %
20 %
10 %
0%
Test ig o
2 año s
3 año s
5 años
7 años
Figura 4. Porcentaje de disponibilidad para el Zn
Cuando el suelo es ácido, el Zinc se encuentra más disponible; revisando las
graficas 1a. y 1b. (pH) y al compararlas con la gráfica 4 (Zinc) los pH de los
tratamientos 2, 5 y 7 años, son ligeramente ácidos por lo tanto el porcentaje de Zinc
disponible es mayor que el de los otros tratamientos. Al aumentar el pH tiende a
insolubilizarse como hidróxido haciendo mas disponible el Zinc en el pH de 6 y 7.
CONCLUSIONES
El pH se vio aumentado solamente en el tratamiento a 3 años.
La materia orgánica aumento en todos los sitios en donde se adicionaron lodos
residuales, siendo el tratamiento más reciente el que presenta la mayor cantidad.
El tratamiento a 3 años es el que presentó las menores concentraciones de metales.
6
A pesar de contar con los valores más elevados de pH el sitio 3 años, presentó la
mayor disponibilidad de Cu y Zn.
La concentración de lodos residuales va a influir directamente en las disponibilidad
de los metales pesados, el porcentaje de materia orgánica y los valores de pH.
REFERENCIAS
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Ross, M. S. Toxic metals in soil-plant systems. John Wiley & Sons. pp 63-152.
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Smith, S.R. (1996) Agricultural Recycling on Sewage Slugde and the Environment,
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