INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS ANALÍTICOS

INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS ANALÍTICOS
1. INTRODUCCIÓN.
Tras el trabajo analítico, tanto de las aguas como de los sedimentos acuáticos, se obtienen
un conjunto de resultados que requieren ser “interpretados” (generalmente en el sentido de
determinar si los valores encontrados son elevados, normales, reducidos, ...).
A tal fin, es evidente que se necesita establecer a partir de qué valores se considerará que
las aguas y sedimentos están contaminados. Es de destacar la dificultad que presenta fijar estos
valores, ya que tanto la composición de las aguas como la de los sedimentos están muy
influenciadas por las características del medio geológico en el que se encuentran, o por el que
discurren (en el caso de las aguas) y puede ocurrir que la composición “natural” de un agua o un
sedimento presente concentraciones notablemente elevadas de metales o de sales (sulfatos,
cloruros, carbonatos, etc.) cuya “procedencia natural” conviene conocer para diferenciarla de una
posible contaminación posterior. También se debe tener en cuenta que, en el caso de las aguas, al
hablar de contaminación (o de nivel de calidad) se debe hacer referencia a un uso determinado,
así por ejemplo, un agua de buena calidad para riego, puede ser inaceptable para el consumo
humano.
En este tema se describen diversos procedimientos que se emplean para estudiar la calidad
de las aguas y sedimentos. También se exponen una serie de métodos que permiten valorar la
corrección de un conjunto de resultados analíticos.
2. CALIDAD DE LAS AGUAS.
Una primera forma de abordar el estudio de la calidad de las aguas, es en función del uso
al que se van a destinar y se basa en la medida de ciertos parámetros físicos, químicos y
biológicos y una posterior comparación de los resultados con valores que se consideren
admisibles. En España se dispone de normativa para los siguientes usos: consumo humano,
destinada a potabilización, vida piscícola, cría de moluscos y baños públicos. A título de ejemplo,
en las tablas adjuntas se incluyen los reglamentos relativos a vida piscícola y baños públicos.
1
Tabla 1. Calidad de aguas para preservar la vida piscícola.
Tabla 2. Calidad de aguas superficiales destinadas a baños públicos.
2
También se han fijado valores límites para vertidos a cauces públicos (tabla 3), así como
los denominados “objetivos de calidad”, no obstante, estos últimos se han establecido, en casi
todos los casos, para aguas afectadas directamente por vertidos. Entre éstos destacan los fijados
en la Orden de 14 de febrero de 1997 (BOJA de 4 de marzo de 1997) por la que “se clasifican las
aguas litorales andaluzas y se establecen los objetivos de calidad de las aguas afectadas
directamente por vertidos”.
Tabla 3. Valores límites para vertidos a cauces públicos.
3
2.1 Índices compuestos
A la hora de comparar la calidad de aguas de distintas procedencias, el método consistente
en la comparación de diversos parámetros físicos, químicos o biológicos, en general, da lugar a
una situación confusa final, ya que de esta comparación, sólo se puede deducir que cada agua
presenta unos parámetros más desfavorables que otras, pero como generalmente no hay una
concordancia total y clara, el resultado final no suele ser concluyente.
Por dicho motivo, se utilizan los índices compuestos, los cuales definen la calidad del
agua mediante un solo número que resume sus características más importantes. Estos índices
compuestos permiten fácilmente:
-
Comparar la calidad del agua en diferentes lugares y momentos.
-
Valorar los efectos de los vertidos contaminantes en los ríos y estudiar los procesos de
autodepuración que se producen.
El proceso para la definición de estos índices, consta de los siguientes pasos:
-
Selección de parámetros significativos, que se lleva a cabo por un grupo de especialistas.
Los parámetros escogidos, no son necesariamente siempre los mismos; los caracteres del
medio físico concreto que se pretende estudiar, y la finalidad del estudio, serán factores
importantes a la hora de determinar cuales son los parámetros seleccionados.
-
Importancia de cada uno de los parámetros y consiguiente asignación de pesos. El
procedimiento habitualmente seguido es el mismo: recurrir a la opinión de especialistas.
-
Formulación del índice. En general, toma la forma de suma ponderada de los valores de
cada parámetro por el peso asignado a éstos.
2.1.1 Índices de calidad ambiental, ICA.
El índice de calidad ambiental fue uno de los más utilizados en España. Los parámetros
del índice son los siguientes:
4
pH
Consumo de permanganato
Salinidad
Impurificación aparente
Conductividad
Coliformes
Temperatura
Oxígeno disuelto
Amoníaco
Detergentes
El término impurificación aparente se refiere a condiciones que son ofensivas a la vista o
al olfato y que afectan al aspecto del río.
-
Valor asignado a los parámetros. Se establecen escalas variables de 0 a 100 que permiten
obtener valores a partir de los resultados de los análisis.
-
Peso de los parámetros. Del 1 al 4, en función de la importancia de cada parámetro.
Obtenidos estos valores se aplica la fórmula:
I.C.A . =
∑ Ci Pi
K
∑ Pi
donde:
Ci= Valor obtenido del análisis.
Pi= Peso del parámetro.
K = Constante que varía de 1 a 0.25, según la impurificación aparente del agua.
Dicha fórmula permite obtener un valor de 0 a 100, como I.C.A. y define la situación de
forma que si el agua tiene una buena calidad su valor estará próximo a 100 y cuanto peor sea su
calidad más bajo será dicho número.
2.1.2 Índice de calidad general, I.C.G.
El índice de calidad general ha sido desarrollado por Provencher y Lamontagne del
Ministerio de Riquezas Naturales del Estado de Quebec (Canadá).
El índice se define por la siguiente expresión matemática:
5
n
I . C . G . = ∑ Qi x Pi
L =1
Los valores de Qi dependen de las concentraciones de los distintos parámetros en el agua
analizada, pueden oscilar entre cero y cien, siendo el valor cero el que corresponde al nivel
pésimo y cien al óptimo. Los valores de Qi se pueden calcular mediante expresiones matemáticas,
o con la ayuda de unas gráficas. A título de ejemplos se presentan las gráficas y las ecuaciones
correspondientes a nitratos, partículas en suspensión y pH.
NITRATOS
6
PARTÍCULAS EN SUSPENSIÓN
PH
7
Los valores de Pi permiten ponderar la influencia de las distintas variables analíticas.
A cada una de las variables se les asigna a priori un coeficiente “a” de valores
comprendidos entre 1 y 4, que mide la influencia relativa de cada uno, con el siguiente criterio
general:
a=1
Parámetro muy importante
a=2
Parámetro de importancia media
a=3
Parámetro de importancia débil
a=4
Parámetro dudoso o poco significativo
El valor Pi que corresponde a cada variable se calcula mediante la fórmula:
Pi =
1 / ai
n
∑ 1/ a
i
1
En el cuadro adjunto, se recogen los 23 parámetros utilizados en este índice, su coeficiente
asignado y, en la última columna, el tipo de variable (x para las básicas e y para las
complementarias).
8
Parámetro
Coeficiente a
Tipo
Oxígeno disuelto
1
x
Materias en suspensión
1
x
pH
1
x
Conductividad
1
x
DQO
3
x
DBO5
1
x
Coliformes totales
1
x
Cloruros
2
y
Sulfatos
2
y
Fosfatos totales
3
x
Calcio
3
y
Magnesio
4
y
Sodio
4
y
Nitratos
3
x
Detergentes
1
y
Cianuros
1
y
Fenoles
1
y
Cadmio
1
y
Cobre
2
y
Cromo hexavalente
1
y
Mercurio
1
y
Plomo
1
y
Cinc
1
y
9
El cuadro que se incluye a continuación desarrolla todas las operaciones necesarias para
obtener el I.C.G. que corresponde a unos resultados analíticos concretos.
CÁLCULO DE UN I.C.G.
Valor
Qi
a
Pi
Qi x Pi
Oxígeno disuelto
3.2
36
1
0.143
5.148
Materias en suspensión
38
96.4
1
0.143
13.785
pH
7.4
96
1
0.143
13.728
Conductividad
660
67.2
1
0.143
9.610
DQO
4.5
66.4
3
0.047
3.121
DBO5
5.6
46.7
1
0.143
6.678
*
-
-
-
-
Cloruros
25.5
97.4
-
-
-
Sulfatos
212.6
83
-
-
-
Fosfatos totales
2.25
40
3
0.047
1.880
Calcio
95.2
100
-
-
-
Magnesio
20.9
94.4
-
-
-
Sodio
15.7
96.1
-
-
-
Nitratos
12.4
95
3
0.047
4.466
Detergentes
0.02
98.4
-
-
-
Cianuros
0.00
100
-
-
-
Fenoles
0.002
60
1
0.143
8.580
Cadmio
0.00
100
-
-
-
Cobre
0.00
100
-
-
-
Cromo hexavalente
0.00
100
-
-
-
Mercurio
0.00
100
-
-
-
Plomo
0.00
100
-
-
-
Cinc
0.00
100
-
-
-
Parámetro
Coliformes totales
(*) Se carece del dato correspondiente.
10
∑
1
=7
ai
∑ Qi x Pi = = 66.996 = I . C . G .
La columna 2 contiene los valores obtenidos por análisis; de ellos se deducen, por medio
de los gráficos o las fórmulas anteriores, los niveles de Qi de cada parámetro (columna 3).
En la columna 4 figura el coeficiente “a” que debe de ser aplicado, debiendo resaltarse
que las variables de tipo “y” o complementarias sólo intervienen en el cálculo del I.C.G. cuando
les corresponde un Qi menor o igual a 60, por dicho motivo, solo los fenoles (Qi=60) intervienen
en el cálculo (los restantes parámetros complementarios presentan niveles Qi superiores a 60).
La suma de los inversos de los coeficientes “a “ es 7, y por lo tanto, los valores Pi resultan
de dividir cada 1/a por siete, (columna 5).
En la última columna figuran los productos Qi x Pi y su suma total es el I.C.G. buscado,
que resulta ser de 66.996.
Queda únicamente por matizar el significado del I.C.G. según los diferentes valores que
puede presentar cada índice. Para cualquier tipo de índice, calculado por el método expuesto, y
por lo tanto para el I.C.G., es válida la siguiente clasificación:
Entre 100 y 90
Excelente
Entre 90 y 80
Buena
Entre 80 y 70
Intermedia
Entre 70 y 60
Admisible
Entre 60 y 0
Inadmisible
Es conveniente también tener en cuenta, al trabajar con los índices de calidad, que si algún
valor Qi resultase nulo para un determinado parámetro, el agua es rechazable por ese sólo
concepto, aunque la media ponderada resultante pudiera tener un valor alto.
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2.2 Índices biológicos
Estos métodos biológicos se basan en el distinto grado de tolerancia de los organismos a
los cambios físicos o químicos del medio en que viven.
En cualquier medio acuático natural, digamos un tramo o sección de un río determinado,
existe un conjunto de organismos que son capaces de vivir en las condiciones de ese tramo o
sección y que están más o menos adaptados a ellas. Cuando se produce una contaminación del
lugar, las condiciones de vida de esos organismos varían, y entonces puede suceder que dichos
organismos puedan seguir viviendo en el mismo sitio. Esto puede deberse a una contaminación
leve que no afecta demasiado al medio, bien porque sea pequeña la cantidad de contaminante
vertida o por producirse momentáneamente y ser desplazada aguas abajo con rapidez debido a
una fuerte velocidad de corriente. O por el contrario, puede suceder que no puedan seguir
viviendo en el mismo lugar después de producida la contaminación y entonces serán desplazados
por otros organismos mejor adaptados a las nuevas condiciones, con el consiguiente resultado de
su disminución en el número de individuos, o de su total desaparición dentro de la comunidad.
De lo anterior se deduce que la estructura del sistema biológico, referente a las especies
que lo forman y a su abundancia, es un reflejo fiel del estado o grado de contaminación de las
aguas, y en este concepto están basados los métodos biológicos desarrollados a partir del estudio
de las muestras de organismos vivos procedentes de las mismas.
Estos métodos biológicos presentan las siguientes ventajas:
1ª
Son capaces de reflejar la presencia de cualquier compuesto o elemento nocivo en las
aguas, que podría pasar desapercibido en los análisis químicos cuando éstos son difíciles
de realizar o no van encaminados directamente a su estudio, porque los organismos que
viven en el río son consecuencia del total de los factores ecológicos, y responden a todos
ellos en conjunto.
2ª
Evitan los resultados demasiado alarmantes en el caso de contaminaciones concentradas y
de poca duración, que pueden resultar en los análisis químicos si éstos se han realizado
justo en el momento del vertido, y en cambio detectan la contaminación, quizás más leve
12
pero constante, que puede quedar desatendida en aquellos y ser más perjudicial para los
organismos vivos.
El problema se plantea cuando se intenta aplicar estos estudios a un caso práctico
concreto. Sólo la identificación correcta de las especies que se encuentran en una comunidad,
puede servir para la elaboración de índices fiables y esta identificación requiere una
especialización importante.
2.2.1 Principales tipos de índices biológicos.
Los índices utilizados para medir la calidad de las aguas por métodos biológicos pueden
dividirse en dos grandes grupos: Indices de contaminación e índices relacionados con la
estructura de la comunidad. Este último grupo, puede subdividirse en índices taxonómicos y
tróficos.
-
Indices de contaminación. Casi todos se basan en la observación de la progresiva
pérdida de componentes animales que sufre el ecosistema acuático al crecer los niveles de
contaminantes. Uno de los métodos más utilizados es el de "saprobios", basado en el
hecho de que en cualquier río, después de un vertido, se observan varias zonas de
contaminación decreciente, según nos alejamos de la sección donde fue producido y cada
una de estas zonas alberga comunidades de organismos distintas, que le son
características.
Existen catálogos muy completos de las especies que viven en las aguas, donde se
indica para cada una de ellas su grado de afinidad con estas zonas establecidas (pueden
estar presentes en varias, pero en general serán más abundantes en sólo una de ellas) y su
valor como indicador del estado del agua en que viven. La presencia simultánea de varias
especies indicadoras de una determinada zona, servirá para conocer el grado de
contaminación o de alejamiento del foco contaminante de la zona estudiada, y su posible
recuperación.
-
Indices taxonómicos. Basados en la composición taxonómica de la comunidad, miden la
diversidad de la población, y reflejan el estado o calidad de las aguas al admitir que
13
cualquier impacto exterior reduce la diversidad de ésta. Entre los índices más conocidos,
se pueden citar el de Margalef y el de Shanon.
-
Indices tróficos. Refiriéndonos a la diversidad de la biocenosis en cuanto a sus distintos
grupos o niveles tróficos, también sucede que un cambio ajeno a los intrínsecos del
ecosistema, puede motivar una variación en la proporción de los productores,
consumidores o descomponedores (en aguas contaminadas son más abundantes los dos
últimos grupos). Basados en este fenómeno, existen varios índices denominados tróficos
que sirven para calcular estas proporciones e indicar de esta forma el estado o calidad de
las aguas. Uno de los más utilizado y conocido es el índice de Gabriel.
3. CONTAMINACIÓN DE SEDIMENTOS.
Los contaminantes que entran a formar parte de los ecosistemas acuáticos, se comportan
según un ciclo biogeoquímico complejo (ver figura 1), quedando parte de ellos acumulados en los
sedimentos (materia que habiendo estado suspendida en un líquido, agua, se deposita en el fondo
por su mayor densidad). Sin embargo, los contaminantes retenidos en los sedimentos no tienen
porqué quedar permanentemente fijados a éstos, sino que pueden removilizarse o solubilizarse de
nuevo y volver al agua, cuando cambian las condiciones del medio (fuertes corrientes, procesos
de dragados, cambios en el pH y/o potencial redox, acción de microorganismos,...), actuando
entonces los sedimentos como una fuente de contaminación.
Agua
Entrada
Organismos
vivos
Salida
Organismos
bentónicos
Sedimento
Figura 1. Ciclo biogeoquímico de los contaminantes en los ecosistemas acuáticos.
14
Entre los contaminantes de los sedimentos acuáticos destacan los metales, dada la elevada
toxicidad de muchos de ellos para los seres vivos. En este sentido, se puede afirmar que una alta
contaminación por metales puede llegar a producir verdaderos desastres como el ocurrido en la
bahía de Minamata, en Japón, donde tras el consumo de pescado contaminado por mercurio
procedente de vertidos industriales, murieron decenas de personas y muchas otras quedaron
seriamente afectadas. Por todo ello, en este apartado nos centraremos en el estudio de los metales
en los sedimentos.
Para cuantificar el grado de contaminación por metales de una zona, hay que tener
presente que los metales forman parte de la composición natural de los sedimentos. Por ello, es de
gran importancia determinar sus concentraciones naturales, sin contaminar (niveles de fondo).
Estos niveles de fondo se pueden estimar por los siguientes métodos:
-
Emplear valores medios obtenidos de la bibliografía. Numerosos autores han cuantificado
las concentraciones medias de metales representativas de los distintos constituyentes de
materiales sedimentarios sin contaminar: esquistos arcillosos, arenas, formaciones
detríticas, etc. Los valores medios en los esquistos arcillosos dados por Turekian son los
tomados usualmente como valores de referencia. A pesar de no ser un método muy
riguroso, la comparación con estas concentraciones de referencia aparece como un
método rápido y práctico para detectar el enriquecimiento de los metales en los
sedimentos y cuantificar así el grado de contaminación.
-
Realizar un estudio con la profundidad. Las composiciones encontradas en las capas más
profundas de los sedimentos son aproximadamente constantes, y representan la
composición natural de los sedimentos de la zona. Se estima que un perfil de 1 m es
suficiente para cubrir los últimos 100-200 años de historia del sedimento.
-
Comparar con sedimentos de áreas sin contaminar.
En la determinación de los niveles de enriquecimiento de metales en sedimentos, resulta
de gran utilidad poder cuantificar la extensión de la contaminación antropogénica en cada área
estudiada; con este objeto se han desarrollado los denominados Indices de Contaminación. Uno
de los más utilizados es el "Indice de Geoacumulación" diseñado por Müller y que viene dado por
la siguiente expresión:
15
⎛ Cn ⎞
⎟
Igeo = log2 ⎜
⎝ 1,5 Bn ⎠
donde, Cn es la concentración del elemento n en el sedimento, y Bn representa el valor de fondo.
El "Indice de Carga Contaminante" introducido por Tomlinson et al. es el primero que
consideró conjuntamente la totalidad de los metales analizados en los distintos puntos de
muestreo, a través del cálculo de los denominados factores de contaminación (F.C.=
concentración del metal en el sedimento contaminado/valor base del metal). El Indice de Carga
Contaminante se obtiene mediante la ecuación:
ICC = (FC1 x FC2 x FC3 x... FCn )1/n
Este índice resulta útil para comparar globalmente niveles de contaminación en distintos
puntos y para estudiar su evolución con el tiempo.
4. VALORACIÓN DE LA CORRECCIÓN DE LOS ANÁLISIS.
Los procedimientos que se exponen a continuación para la valoración de la corrección de
los análisis son aplicables de forma específica a las muestras de agua para las que se han
realizado análisis relativamente completos. Entre ellos se incluyen la conductividad, y los
principales componentes aniónicos y catiónicos.
4.1 Equilibrio de cationes y de aniones
Debido a las cargas eléctricas contrarias de aniones y cationes, teóricamente, en un
análisis de agua correcto, la diferencia entre la suma de cationes (SC) y la suma de aniones (SA),
expresados ambos en miliequivalentes por litro, debe ser nula.
Sin embargo, una serie de factores entre los que se cuentan errores de determinación
(instrumentales o humanos) e iones no tenidos en cuenta, hacen que en la práctica pueda existir
cierta diferencia entre ambas sumas.
16
La diferencia entre ambas sumas que puede ser aceptable depende de las características
del agua y se establece como sigue:
Suma aniones
(meq/l)
Diferencia
aceptable
0 - 3.0
±0.2 meq/l
3.0 - 10.0
±2 %
20.0 - 800
±2 - 5 %
Cuando la diferencia entre las sumas se expresa como porcentaje, este se calcula mediante
la expresión:
diferencia en % = 100
SC - SA
SC + SA
4.2 Conductividad eléctrica y sumas iónicas
El contenido de sales de un agua determinará su conductividad eléctrica, estando bien
establecidas las relaciones iónicas para soluciones puras. Las aguas naturales constituyen
soluciones mixtas y aunque en este caso resulta más difícil establecer la relación entre sales en
solución y conductividad eléctrica (CE), diversos estudios han determinado que el parámetro K,
definido como:
K=
CE
CE
o, lo que es lo mismo, K =
SC
SA
fluctúa entre 80 y 110 (cuando la CE se expresa en µS/cm y la SC o la SA en meq/l).
Este índice no tiene el carácter determinante del anterior pero sí brinda una idea de la
corrección de los resultados analíticos.
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BIBLIOGRAFÍA
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Españolas. Estado Actual e Investigación. Geoforma Ediciones.1995.
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Aguas Superficiales Realizados por el Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo,
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APHA-AWWA-WPCF; Métodos Normalizados para el Análisis de Aguas Potables y Residuales.
Díaz de Santos. 1992.
FÖRSTNER, U.; Contaminated Sediments. Springer-Verlag. 1989.
MINGO MAGRO, J.; La Vigilancia de la Contaminación Fluvial. Tratamiento de los Datos de
Control Analítico. Dirección General de Obras Hidráulicas. 1981.
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