Variación temporal en el contenido de metales pesados en suelos regados con aguas residuales. Sesión Especial: Geoquímica Ambiental

Transcripción

1 Variación temporal en el contenido de metales pesados en suelos regados con aguas residuales Sesión Especial: Geoquímica Ambiental María Chapela Lara*, Christina Siebe Grabach** *Posgrado en Ciencias de la Tierra, UNAM **Instituto de Geología, UNAM RESUMEN En este trabajo se compararon muestras de tres tipos de suelo (vertisol, feozem y leptosol) regados durante distintos periodos de tiempo con aguas residuales en el Valle del Mezquital, en muestras compuestas tomadas en las mismas parcelas en 1990 y en Las propiedades estudiadas fueron ph, C.E. y el contenido de Cu, Zn, Pb, Cd, C total, N total y C orgánico. Se encontró que existe una fuerte correlación positiva entre el contenido de metales pesados, el tiempo bajo riego, el Nt y el C orgánico. En general el contenido de metales pesados aumenta con el tiempo bajo riego de acuerdo a una regresiones lineales simples con R 2 que van de 0.73 (Pb) a 0.91 (Cd). Las pendientes de las rectas obtenidas son diferentes para cada metal, con Zn<Cu<Pb<Cd, lo cual significa que tienen distintas tasas de acumulación. Respecto al tipo de suelo, las líneas ajustadas también tienen pendientes distintas (VR<PH<LP). Los contenidos de N total y C orgánico, indicadores del contenido de materia orgánica del suelo, se ajustan mejor a una curva exponencial que alcanza un máximo entre 40 y 50 años. El ph muestra una ligera tendencia a disminuir con el tiempo bajo riego, especialmente en vertisoles. La diferencia en el contenido de metales pesados es mayor en los primeros años bajo riego y prácticamente inapreciable a partir de 80 años. Aunado a ello encontramos que la varianza de los datos es mayor en los sitios con más tiempo bajo riego, por lo que en los sitios que se han regado durante 80 o 99 años las variaciones están dentro del error estándar. Por ello es recomendable que para el monitoreo de cambios en el tiempo en el contenido de estos metales se realice un muestreo más detallado en las parcelas que han sido regadas un mayor número de años. 1. Introducción El Valle del Mezquital, en el sur del estado de Hidalgo, es una región de clima semisecotemplado, por lo que la agricultura intensiva depende del riego con aguas residuales provenientes de la Ciudad de México (BGS-CNA, 1998), práctica que comenzó desde 1886 (Gutiérrez Ruiz et al, 1995). El área irrigada ha aumentando paulatinamente, por lo 82

2 que es posible encontrar parcelas que han sido regadas por varios periodos de tiempo (desde 0 hasta 99 años). Además de agua, el riego con aguas residuales proporciona nitrógeno, fósforo y materia orgánica a los suelos, factores que contribuyen a aumentar la productividad agrícola (Siebe, 1998). Sin embargo hay preocupación sobre los efectos ambientales que pueden tener la acumulación de otras sustancias agregadas con el riego, como coliformes fecales, sales, surfactantes, nitratos y metales pesados (Siebe y Cifuentes, 1995). 2. Metodología En este estudio se tomaron muestras en los mismos sitios que fueron analizados en un estudio en 1990, cuando se seleccionaron parcelas agrícolas regadas durante 4, 16, 31, 60 y 80 años (Siebe, 1994). Para cada localidad se muestrearon parcelas en tres posiciones del piedemonte extendido, que corresponden a leptosoles (LP), feozems (PH) y vertisoles (VR). Como control se eligieron también dos parcelas no estudiadas en 1990 que se encuentran bajo cultivo de temporal (nunca han sido regadas con aguas residuales). Cada parcela seleccionada fue dividida en cuadrantes de aproximadamente las mismas dimensiones. Dentro de cada uno se tomaron entre 12 y 16 núcleos para formar una muestra compuesta. Estas muestras se secaron y tamizaron. Una alícuota de la fracción <2 mm se procesó en un molino de ágata hasta obtener una muestra homogénea de partículas menores a 20 µm. Para las muestras colectadas en 2009 y las archivadas de 1990 se determinaron el ph, la conductividad eléctrica (CE), el carbono total (Ct) y el nitrógeno total (Nt) por métodos convencionales. El carbono orgánico (Corg) se determinó siguiendo el procedimiento de oxidación con dicromato de potasio modificado de Lichterfelder (Schlichting, et al., 1995). Para lograr una extracción pseudo-total, las muestras pulverizadas fueron digeridas con agua regia (ácidos clorhídrico y nítrico 3:1) en horno de microondas (Schlichting, et al., 1995). Las concentraciones de los metales se midieron por espectrofotometría de absorción atómica de flama (Cu, Zn y Pb) o de grafito (Cd). Los análisis estadísticos se realizaron en el programa GenStat (Versión 12). 3. Resultados Con el análisis exploratorio de los datos encontramos que las concentraciones obtenidas para los cuatro metales no rebasan los límites máximos permisibles estipulados por la Comisión de Comunidades Europeas (1986) para suelos agrícolas tratados con lodos residuales (McGrath, 1994) y se encuentran un orden de magnitud por debajo de las concentraciones de referencia totales que la NOM-147-SEMARNAT/SSA establece como límite para remediar suelos contaminados con superficie menor a 1 ha (Semarnat, 2007). La relación entre las variables estudiadas se analizó con una matriz de correlación, en la que destacan las fuertes correlaciones positivas que tienen entre sí las concentraciones de 83

3 los cuatro metales pesados (mayor a 0.9), así como buenas correlaciones con el nitrógeno total y con el carbono orgánico, especialmente para el cobre. La correlación con el tiempo bajo riego también es alta, indicando que al aumentar el tiempo bajo riego el contenido de metales pesados aumenta también. Además el carbono orgánico tiene un coeficiente de correlación alto respecto al Nt (0.90) y moderado respecto al tiempo bajo riego (0.50), comportamiento que muestra también el Nt (0.63). Al comparar la concentración de metales pesados en los suelos estudiados con el tiempo que llevan bajo riego encontramos que existe una relación directamente proporcional que se ajusta razonablemente a una línea recta. Los coeficientes de determinación (R 2 ) son de 0.87 para el Cu y el Zn, de 0.73 para el Pb y de 0.91 para el Cd. Esto quiere decir que una regresión lineal simple explica alrededor del 80% de la varianza para cobre, zinc y plomo, y el 91% para el cadmio. Las pendientes de las rectas obtenidas representan la tasa de acumulación de los metales en el suelo, y son diferentes para cada uno de los metales con Zn<Cu<Pb<Cd. También se obtienen para cada metal líneas rectas cuyas pendientes son mayores para los vertisoles, seguidas de los feozems y los leptosoles (VR<PH<LP), por lo que las tasas de acumulación de los metales son distintas en cada unidad de suelo. De la comparación de las medias de los metales pesados se tiene que en general en los sitios con menores periodos de riego con aguas residuales las concentraciones de los cuatro metales pesados son mayores en 2009 que en 1990, mientras que a partir de 50 años bajo riego las diferencias no son apreciables o incluso la concentración en 2009 es menor que en 1990 (Pb y Cd). También es notable que las rectas ajustadas a los datos de 2009 tienen menores pendientes que las de 1990 en todos los casos. Este patrón es más marcado para el plomo, lo cual significa que para este elemento la tasa de acumulación ha disminuido en forma significativa durante las últimas dos décadas. Por otra parte, pudimos observar que en los datos obtenidos para los metales pesados la desviación estándar aumenta con el tiempo bajo riego siguiendo una tendencia lineal, de modo que al aumentar el tiempo bajo riego la varianza podría llegar a encubrir los cambios en el tiempo que estamos estudiando. Por ello es importante analizar qué proporción de esta varianza se debe a variaciones dentro de cada parcela (variabilidad espacial), entre las parcelas seleccionadas o a los análisis de laboratorio. Con el análisis estadístico de probabilidad máxima del residuo (REML) encontramos que para todas las variables el principal componente de la varianza está entre parcelas, tanto para muestras colectadas en 1990 como en Esto es, la varianza puede atribuirse a las diferencias entre las parcelas seleccionadas (el tipo de suelo y el tiempo bajo irrigación con aguas negras) y solamente al tiempo bajo riego si separamos los datos en grupos del mismo tipo de suelo. Otra manera de analizar los cambios en las parcelas muestreadas tanto en 1990 como en 2009 es realizar la resta entre los valores que se obtuvieron para cada una de las muestras. Los patrones de cambio en la diferencia entre las concentraciones de los metales pesados indican que durante los primeros 35 o 40 años de riego la tasa de acumulación de metales es mayor que cuando se tienen mayores periodos bajo de riego, aunque de forma menos marcada para el cadmio y el zinc. 84

4 El ph en cloruro de calcio de las muestras va de 6.33 a 8.24, lo cual significa que estos suelos tienen una reacción que va de ligeramente ácida a moderadamente alcalina. Los mayores valores de ph se encontraron en muestras de un LP que lleva entre 10 y 12 años bajo riego; los valores más ácidos en un VR regado durante 84 años. Respecto al tiempo bajo riego hay una dispersión considerable de los datos, pero es posible observar una ligera tendencia a la acidificación en las parcelas que han sido irrigadas un mayor número de años. Las medias del ph por parcelas de 1990 permanecen relativamente constantes al aumentar el tiempo bajo riego, mientras que las de 2009 muestran una ligera tendencia a la baja, que es enmascarada por las altas desviaciones estándar de las muestras obtenidas en parcelas con tiempos de irrigación intermedios (40 a 60 años). Al comparar las diferencias de ph en los tres tipos de suelo, encontramos que todos los vertisoles presentan acidificación con una diferencia máxima de 0.68 unidades; feozems y leptosoles presentan un fenómeno similar en la mitad de las parcelas analizadas, con una diferencia máxima de 0.75 y de 0.91 unidades de ph, respectivamente. Esto puede deberse a que con las aguas residuales se agregan grandes cantidades de amonio disuelto, que al nitrificarse en el suelo libera protones. El nitrógeno total y el carbono orgánico parecen aumentar constantemente en los primeros 30 años para luego estabilizarse y aumentar ligeramente hasta los 100 años bajo riego. Este comportamiento se aproxima, más que a una línea recta como en el caso de los metales pesados, a una exponencial que alcanza un máximo. Las diferencias en los contenidos de nitrógeno total y carbono orgánico muestran una alta dispersión de los datos, pero puede apreciarse una ligera tendencia a la baja, i. e., al aumentar el tiempo bajo riego se tiene una menor acumulación de estos elementos en el suelo. 4. Conclusiones De lo encontrado en este estudio podemos concluir que: 1) Hay una fuerte correlación positiva entre el tiempo que una parcela lleva bajo riego y la concentración de Cu, Zn, Pb y Cd que se ajusta bien a una regresión lineal simple, lo que permite estimar las concentraciones futuras de estos elementos. 2) El contenido de metales pesados es distinto en los tres tipos de suelo estudiados con vertiosoles<feozems<leptosoles, lo cual probablemente se debe a que los suelos más profundos (vertisoles) reciben láminas de riego mayores que los someros (feozems). 3) Las tasas de acumulación en el suelo de los cuatro metales estudiados no son constantes y parecen disminuir con el tiempo. Esto significa que al aumentar el tiempo bajo riego, la capacidad del suelo para inmovilizar los metales es menor. 4) El nitrógeno total y el carbono orgánico, indicadores del contenido de materia orgánica del suelo, se ajustan mejor a un modelo exponencial que alcanza un 85

5 máximo alrededor de los 40 años bajo riego, lo cual implica que la acumulación de la materia orgánica que se agrega por el riego no es por tiempo indefinido. 5) El ph presenta una tendencia a disminuir a medida que se incrementa el tiempo bajo riego, especialmente en vertisoles. La acidificación es un factor determinante en la movilización de los iones con cargas positivas, como Cu, Zn, Pb y Cd. La combinación de estos hechos significa que, aunque actualmente las concentraciones de metales pesados en suelos del Valle del Mezquital no son peligrosas debido al efecto amortiguador del suelo, hay indicadores de que puede estarse alcanzando el umbral de saturación. En este escenario el suelo ya no sería capaz de retener la totalidad de la carga de metales pesados aportada por las aguas residuales, con lo que éstos podrían lixiviarse al acuífero o bien ser absorbidos por las plantas e incorporarse a la cadena trófica. Por ello es imperativo realizar un monitoreo regular de las parcelas regadas con aguas residuales empleando métodos de muestreo y de análisis que sean capaces de detectar los cambios en sus concentraciones antes de que se observen efectos ambientales adversos. Al respecto, en este estudio encontramos que la principal fuente de varianza se encuentra entre las parcelas, por lo que elegir sitios con distintos tiempos bajo riego es un enfoque adecuado para detectar cambios temporales en el contenido de metales pesados. No obstante, hay que considerar que la varianza aumenta con el tiempo bajo riego, por lo que para detectar cambios en parcelas regadas por más de 50 años es recomendable realizar un muestreo más detallado que el que empleamos. Referencias British Geological Survey (BGS)-National Water Commission of Mexico (CNA), Impact of Wastewater Reuse on Groundwater in the Mezquital Valley, Hidalgo State, Mexico, BGS Technical Report WD/95/24, Keyworth. Chapela Lara, M. (2010). Variabilidad temporal en el contenido de metales pesados en suelos regados con aguas resiudales en el Valle del Mezquital: México, D.F., Universidad Nacional Autónoma de México, Tesis de maestría. Gutierrez-Ruız M.E., Siebe C., Cifuentes E., Sommer I., Environmental aspects of land application of wastewater from Mexico City metropolitan area: a bibliographical review and analysis of implications: Environmental Reviews, 3, McGrath S.P., Chang A.C., Page A.L., Witter E., Land application of sewage sludge: scientific perspectives of heavy metal loading limits in Europe and the United States: Environmental Reviews 2, Schlichting E., Blume H.P., Stahr K., 1995, Bodenkundliches Praktikum: Blackwell Science, Berlin. Semarnat, Norma Oficial Mexicana NOM-147-SEMARNAT/SSA que establece criterios para determinar las concentraciones de remediación de suelos contaminados por arsénico, bario, berilio, cadmio, cromo hexavalente, mercurio, 86

6 níquel, plata, plomo, selenio, talio y/o vanadio: México, D. F., Diario Oficial de la Federación, 2 de marzo de 2007, 69 p. Siebe C., Akkumulation, Mobilität und Verfügbarheit von Schwermetallen in langjährig mit Abwassar bewässerten Boden Zentralmexikos: Hohenheimer Bodenkundliche Hefte 17, Stuttgart, Institut fur Bodenkunde und Standortslehre, Universitat Hohenheim. Siebe C., Nutrient inputs to soils and their uptake by alfalfa through long-term irrigation with untreated sewage effluent in Mexico: Soil Use Manage, 13,1-5. Siebe C., Cifuentes, E., Environmental impact of wastewater irrigation in central Mexico: an overview: International Journal of Environmental Health Research, 5,