Tierra Tropical (2014) 10 (1): 37-44 MACROINVERTEBRADOS COMO BIOINDICADORES DE CALIDAD DE AGUA C.J. Barrera y B. Kohlmann 1 Universidad EARTH Las Mercedes de Guácimo, Limón, Costa Rica Recibido 26 de noviembre 2013. Aceptado 2 de febrero 2014. RESUMEN Esta investigación se basó en la evaluación de calidad de aguas usando bioindicadores. Se estudiaron sitios afectados por aguas residuales de la planta empacadora de banano en la Universidad EARTH, y un sitio sin aguas residuales. Se realizaron muestreos de macroinvertebrados y de agua para análisis fisicoquímicos. El método utilizado fue BMWP-CR (Biological Monitoring Working Party), adaptado para Costa Rica. En los sitios de vertido de aguas residuales se encontraron los organismos más representativos, los taxa Tubifex, Oligochaeta y Mollusca, indicadores de contaminación con materia orgánica. Basado en la correlación estadística mediante el método PLS, entre macroinvertebrados y componentes fisicoquímicos, se concluyó que la mayor correlación negativa se da entre la cantidad de organismos con el amonio, fosfatos y DQO. Se recomienda un tratamiento de aguas de la planta empacadora de banano. Palabras clave: bioindicadores, biomonitoreo, BMWP-CR, calidad de agua, macroinvertebrados. ABSTRACT This research was conducted to evaluate water quality using bioindicators. Two places were studied with the influence of wastewater generated from the banana packing plant at EARTH University, and one locality without any wastewater discharge. Information was gathered by sampling macroinvertebrates and sampling water for physical-chemical analyses. The method employed was the BMWP-CR (Biological Monitoring Working Party), which has been adapted to Costa Rica. In the wastewater discharge area, the most representative taxa found were, Tubifex, Oligochaeta and Mollusca, all of them indicators of high organic matter pollution. Based on statistical correlations using the PLS method, between macroinvertebrates and physical and chemical variables, a negative correlation existed between the number of organisms and the ammonium, phosphate, and COD present in water. Therefore, a water treatment is recommended for the banana-packing plant. Key words: bioindicators, biomonitoring, BMWP-CR, water quality, macroinvertebrates. INTRODUCCIÓN En su uso como medio de eliminación de desechos, el agua sufre cambios considerados como contaminación. Esta se puede dar por la incorporación de sustancias o elementos ajenos al agua que limita su uso. Existen contaminantes físicos, químicos y biológicos. Entre los físicos están la temperatura y la radiación. La contaminación química está dada por sustancias diferentes 1 Contacto: Bert Kohlmann (bkohlman@earth.ac.cr) ISSN: 1659-2751
38 Barrera y Kohlmann / Tierra Tropical (2014) 10 (1): 37-44 presentes en el agua, las sustancias que están con mayor frecuencia son los nitratos y los fosfatos. Los contaminantes de origen biológico son principalmente materia orgánica y microorganismos (Chapman, 1992). Los ecosistemas acuáticos continentales (lóticos y lénticos), más que ningún otro ecosistema, son los que han sufrido más impacto por la actividad humana que ningún otro ecosistema. Los desechos industriales y domésticos de una población cada vez más creciente, tienen como destino final los ríos y en último término, el mar. La fauna de muchos ríos ha desaparecido o se ha visto sustancialmente reducida por estos motivos (Espino et al., 2000). Antes de retornar el agua utilizada a las fuentes naturales o antes de su reutilización es importante una evaluación de calidad para medir la efectividad del sistema de descontaminación (en caso de que exista un sistema de descontaminación). De las metodologías diseñadas para el estudio biológico de las aguas, la más utilizada es la basada en el estudio de macroinvertebrados acuáticos. La razón de esto radica en su tamaño, el cual es relativamente grande, son apreciables a simple vista, son fácilmente capturados (en muestreos) y reflejan las alteraciones que se dan en el medio (Posada, 2000). De esta manera, ha resurgido el interés sobre las técnicas de evaluación rápida para el monitoreo de calidad del agua en varios países. En estos métodos se emplean a las comunidades biológicas existentes en los medios acuáticos y se hace énfasis en el bajo costo de la investigación, un muestreo reducido y un análisis más eficiente de los datos. Entre las comunidades más utilizadas están los macroinvertebrados; su utilidad como indicadores para determinar la calidad de aguas se ha incrementado. Su muestreo es simple y resulta menos costoso que la mayor parte de las técnicas analíticas del laboratorio. En muchos países se ha adoptado su identificación a nivel familiar en estudios de monitoreo biológico para la evaluación de los grados de contaminación de los ríos, sin ser necesaria la identificación a nivel de especie. Es por ello que el uso de los macroinvertebrados acuáticos como indicadores de calidad de agua tiene cada vez más aceptación entre los ecólogos y es uno de los métodos usados en la evaluación de los impactos ambientales causados por el desarrollo de proyectos de ingeniería que en alguna forma afectan los ecosistemas acuáticos (Roldán, 2003). A la técnica del uso de macroinvertebrados como indicadores se le conoce como biomonitoreo y está basada en la reacción y sensibilidad de distintos organismos vivos a diversas sustancias contaminantes presentes en el ambiente. Es la evaluación de los efectos de una sustancia toxica sobre ciertos organismos. De esta manera, la toxicidad de un compuesto se mide a través de diferentes parámetros biológicos, como las alteraciones en el desarrollo y en funciones vitales, entre otros (Segretin, 2007). En este proyecto se buscó biomonitorear diferentes cuerpos de aguas en la Universidad EARTH, comprobando grados de contaminación en caso de haberlos y realizar monitoreos fisicoquímico de los cuerpos de agua para correlacionar los resultados. METODOLOGÍA Los muestreos se realizaron en tres puntos en ríos y quebradas de la Universidad EARTH, ubicada en la provincia de Limón en Costa Rica, en el cantón de Guácimo, Distrito Mercedes, Iroquois (83 0 35 14,4 E y 10 0 13 7,2 N). El primero punto a evaluar (P1) fue en las aguas residuales de un canal proveniente de la Planta Empacadora de Banano. Estas aguas desembocan en la quebrada del Centro de Cosechas, la segunda punta a evaluar (P2). El tercer punto fue río Dos Novillos (P3) (Figura 1). El clima de esta zona es de tropical húmedo, de vida tipo bosque
Barrera y Kohlmann / Tierra Tropical (2014) 10 (1): 37-44 39 húmedo premontano que es parte de una región rica en biodiversidad. La altura promedio es de 70 msnm, con una temperatura promedio anual de 25 C y precipitación promedio anual de 3465 mm (Universidad EARTH, 2013). Figura 1. Canal de la Planta Empacadora de Banano (P1), desembocadura del canal de la planta empacadora en la quebrada Centro de Cosechas (P2) y río Dos Novillos (P3). El muestreo de macroinvertebrados se realizó en cada uno de los tres puntos escogidos de forma quincenal, durante cinco meses, de abril a agosto del 2013. El muestreo se realizó en las orillas y el fondo de las quebradas y canal para lograr un panorama más amplio y completo de la población de organismos en los puntos. El método Biological Monitoring Working Party (BMWP-CR), adaptado para Costa Rica es un método práctico para evaluar la calidad del agua usando los macroinvertebrados como indicadores. El método requiere llegar hasta el nivel de familia y los datos son cualitativos según la presencia. El sistema va de 1 a 10 de acuerdo con la tolerancia de los diferentes grupos de contaminación (Schäfer, 1997). Las familias más sensibles a la contaminación reciben un puntaje de 10 (agua de buena calidad), y las más resistentes reciben un puntaje de 1 (agua de mala calidad). Las sumas de los puntajes de todas las familias proporcionan el porcentaje total del BMWP-CR. El valor de índice obtenido permite determinar la calidad del agua según las categorías (Cuadro 1). Cuadro 1. Calidad del agua. BMWP-CR Nivel de Calidad >120 Aguas de excelente calidad 101-120 Aguas de calidad buena, no contaminadas o no alteradas de manera sensible 61-100 Aguas de calidad regular, contaminación moderada 36-60 Aguas de calidad mala, contaminadas 16-35 Aguas de calidad mala, muy contaminadas <15 Aguas de calidad mala, extremadamente contaminadas Los análisis para el área química abarcaron ph, DBO, DQO, nitratos y fosfatos. Las muestras de agua para estos análisis se tomaron al mismo tiempo que se realizó el muestreo de los macroinvertebrados. Se tomó una muestra por punto evaluado, y el tamaño de la muestra de 1 L. Las muestras se analizaron en el Laboratorio de Suelos y Aguas de la Universidad EARTH. El análisis estadístico se basó en el método de regresión parcial de mínimos cuadrados (PLS) mediante el programa estadístico InfoStat (Di Rienzo et al., 2011), para correlacionar las variables fisicoquímicas con los organismos, y así determinar la idoneidad de los grupos
40 Barrera y Kohlmann / Tierra Tropical (2014) 10 (1): 37-44 biológicos como bioindicadores. Partial Least Squares o regresión (PLS) es una manera rápida, eficiente y óptima para un criterio basado en el método de covarianza; debido al alto número de variables analizadas, donde estas variables explicativas están correlacionadas (Tejeda et al., 2012). Para la determinación de las varianzas de medias, donde las poblaciones evaluadas no presentaron distribución normal y cuyas observaciones no fueron dadas en escalas de intervalos se realizó un ANOVA para datos no paramétricos mediante la prueba de Kruskal-Wallis, con comparaciones de medias en pares y pruebas estadísticas. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Para realizar el muestreo se siguió la metodología del BMWP-CR, adaptado para Costa Rica y su referencia para determinar la calidad de agua (Cuadro 1) en los sitios analizados. Se realizaron análisis biológicos, así como fisicoquímicos, durante cinco meses. La precipitación (Figura 2) influyó en el proceso de análisis, desde el muestreo de campo hasta los resultados, ya sean de los biomonitoreos o de los análisis físico-químicos. Este es un factor que no se puede controlar y durante los meses de mayor lluvia los muestreos se vieron afectados. Se determinó que en las épocas lluviosas se complica la recolección de organismos indicadores y también afectó las muestras de agua para los análisis físico-químicos, ya que son cuerpos de agua pequeños y la precipitación podía cambiar mucho su caudal y la transparencia del agua cuando arrastraba sedimentos o suelo. 100 80 Precipitación (mm) 60 40 20 0 abril mayo junio julio agosto septiembre Meses (2013) Figura 2. Precipitación durante los meses de muestreo en 2013. Los resultados indicaron que las aguas, en todos los puntos muestreados, fueron de calidad mala o contaminada (Cuadro 2). Este resultado puede ser por varias razones, y entre los más importantes, por la falta de tratamientos de descontaminación de las aguas residuales de las actividades agrícolas. El hecho de que en ambos puntos de vertido de la planta empacadora, hayan aparecido los taxa Tubifex, Oligochaeta, Chironomidae, y la mayor cantidad de moluscos, indican una gran contaminación con materia orgánica de esas aguas. Estas familias viven en aguas en curso cargadas de materia orgánica, resisten contaminación por materia orgánica muy
Barrera y Kohlmann / Tierra Tropical (2014) 10 (1): 37-44 41 superior a la que toleran la mayoría de organismos, y por ende son usados como indicadores de contaminación (Martins et al., 2006). Fueron los casos extremos ubicados en los puntos P1 y P2, que presentaron estos organismos capaces de habitar por extensos periodos en aguas con concentraciones muy bajas de oxígeno (Figueroa et al., 2003). Cuadro 2. Índice de calidad de agua en diferentes sitios de muestreo, utilizando el BMWP-CR. Lugar Puntaje Calidad de Agua Canal Empacadora (P1) 23 Aguas de calidad mala, muy contaminadas Quebrada Centro de Cosechas (P2) 13 Aguas de calidad muy mala, extremadamente contaminadas Río Dos Novillos (P3) 67 Aguas de calidad regular, contaminación moderada Se realizaron monitoreos fisicoquímicos de los cuerpos de agua en los puntos evaluados. Para la mejor interpretación de los resultados obtenidos se manejaron ciertos parámetros establecidos por la legislación de Costa Rica (MINAE, 2007). De todos los resultados obtenidos (Cuadro 3), en los puntos muestreados que tenían influencia directa de las aguas residuales se encontraron concentraciones químicas mayores a los rangos aceptados. Las aguas del canal de la Planta Empacadora de Banano (P1), así como las muestras tomadas a 200 m de este canal, en la quebrada Centro de Cosechas (P2), presentaron valores que indicaron contaminación. El río Dos Novillos, que no tiene influencia de las aguas residuales, presentó concentraciones dentro de los rangos aceptables en la mayoría de los casos. Cuadro 3. Análisis fisicoquímicos de las aguas y clases de agua en que se ubican los sitios de muestreo según estos parámetros. Parámetro P1 Clase P2 Clase P3 Clase ph 7.18 1 7.25 1 7.3 1 Turbidez (NTU) 5.82 1 2.19 1 1.82 1 DBO 5 (mg/l) 13.1 4 5.2 3 3.9 2 DQO (mg/l) 59.3 4 16.3 1 10.2 1 Sólidos totales (mg/l) 688 3 905 3 660 3 NO 3 (mg/l) 5.27 2 0.66 1 0.07 1 PO 4 (mg/l) 0.56 2 0.11 2 0.02 1 Parámetros establecidos por el reglamento de Costa Rica para la evaluación y clasificación de la calidad de cuerpos de agua superficiales, donde Clase 1 es el agua más limpia y Clase 5 el agua más contaminada (MINAE, 2007). Se evaluaron las características biológicas y fisicoquímicas de los puntos, donde se observaron correlaciones y diferencias significativas entre las variables. Se realizó una regresión lineal por mínimos cuadrados, usando el método PLS (del inglés, Partial Least Squares) del programa InfoStat. Es un método estadístico multivariado que resulta particularmente útil cuando se desea predecir un conjunto de variables dependientes desde un conjunto (relativamente grande y
42 Barrera y Kohlmann / Tierra Tropical (2014) 10 (1): 37-44 correlacionado) de variables predictoras. El PLS se usa para determinar correlación entre dos juegos de variables (Di Rienzo et al., 2011). Las variables con mayor correlación positiva con el ordenamiento de los sitios demostraron ser la cantidad de organismos, el número de Plecoptera, y el puntaje del BMWP-CR de las aguas analizadas; mientras que la mayor correlación negativa se da con la cantidad de amonio. Los radios correspondientes a estas variables tuvieron la mayor proyección y en direcciones opuestas (Figura 3). Figura 3. Triplot de la correlación entre una matriz de interacción de elementos fisicoquímicos y biológicos, sobre los tres puntos de recolecta. Los valores relativamente más altos de las variables fisicoquímicas se proyectaron hacia el P2, quebrada Centro de Cosechas; esto podría explicar los valores bajos de macroinvertebrados con respecto a los otros cuerpos de agua analizados. El P1, canal de la Planta Empacadora de Banano, tuvo valores intermedios de componentes fisicoquímicos y presencia de organismos. El P1 es la zona de descarga de las aguas residuales; sin embargo, el P2 que fue marcado a 200 m aguas abajo del P1, se vio mayormente afectado por las variables observadas (Figura 3). Siguiendo esta interpretación, el mayor impacto de las aguas residuales de la empresa no se presentó al descargarse en la quebrada natural, sino que lo hizo al desplazarse por este cuerpo de agua superficial y posteriormente influyendo en los hábitats más alejados. En el P3, río Dos Novillos, se dieron los puntajes de organismos indicadores de calidad de aguas más altos, al igual que las mayores cantidades de macroinvertebrados presentes en las muestras. Estas muestras casi no sufrieron impacto por parte de las variables fisicoquímicas (Figura 3). La razón de esto es que el lugar de muestreo de este punto no se encontraba bajo la influencia de aguas residuales.
Barrera y Kohlmann / Tierra Tropical (2014) 10 (1): 37-44 43 CONCLUSIONES Los datos obtenidos con los dos métodos indicaron que están relacionados, aunque sean variables diferentes e independientes. Los dos métodos son complementarios, y por lo tanto se podría recomendar usarlos en conjunto, para poder obtener de forma más completa y específica los datos sobre calidad de aguas. En un contexto general se pudo comprobar que donde había mayor concentración de componentes fisicoquímicos había menos presencia de organismos indicadores de calidad de agua. Esto fue notable en los cuerpos de aguas que estuvieron influidos de forma directa por las aguas residuales de la Planta Empacadora de Banano. El P3, el río Dos Novillos, que no tenía relación con aguas residuales, presentaron los valores más altos de calidad de agua. Este punto de muestreo fue importante al momento de marcar un testigo dentro de la Universidad EARTH. Esta información se dio la oportunidad para determinar la existencia de un impacto negativo en los cuerpos de agua como consecuencia de aguas mal tratadas. Tomando como referencia la información recolectada durante cinco meses, con muestreos bisemanales, y con el posterior análisis de los datos adquiridos mediante los métodos BMWP-CR y de análisis fisicoquímicos, se pudo concluir que el tratamiento que la Planta Empacadora de Banano de la Universidad EARTH le da a sus aguas residuales es poco o nulo. Esta afirmación se basó en los resultados obtenidos, que demostraron cuerpos de aguas naturales afectados en su calidad a causa de excesos de componentes ajenos a su sistema. Por lo tanto, se recomienda un tratamiento de las aguas de la Planta Empacadora, previo a su vertido a aguas externas. AGRADECIMIENTOS Este estudio se pudo realizar gracias al financiamiento brindado por la Administración Académica y la Unidad de Investigación de la Universidad EARTH, Guácimo, Costa Rica. LITERATURA CITADA Chapman, D. 1992. Water quality assessments: a guide to the use of biota, sediments and water in environmental monitoring. London (UK.): Chapman and Hall. 585 p. Di Rienzo, JA.; Casanoves, F.; Balzarini, MG.; González, L.; Tablada, M. y Robledo, CW. 2011. InfoStat: software estadístico [programa de cómputo]. Versión 2011. Córdoba (AR): Universidad Nacional de Córdoba, Grupo InfoStat. Disponible para descarga en el World Wide Web: <http://www.infostat.com.ar>. Espino, G.; Hernández, S. y Carvajal, J. 2000. Organismos indicadores de la calidad de agua y de la contaminación (bioindicadores). 1era ed. México (MX): Comisión Nacional de Agua. 633 p. ISBN 968-856-853-8. Figueroa, R.; Valdovinos, C.; Araya, E. y Parra, O. 2003. Macroinvertebrados bentónicos como indicadores de calidad de agua de ríos del sur de Chile. Revista Chilena de Historia Natural, vol. 76 p. 275-285. Martins, RT.; Stephan, NNC. y Alves, RG. 2006. Tubificidae (Annelida: Oligochaeta) as an indicator of water quality in an urban stream in southeast Brazil. Acta Limnol., vol. 20, no. 3, p. 221-226.
44 Barrera y Kohlmann / Tierra Tropical (2014) 10 (1): 37-44 MINAE (Ministerio de Ambiente y Energía de Costa Rica). 2007. Reglamento para la evaluación y clasificación de la calidad de cuerpos de aguas superficiales. Decreto Ejecutivo: 33903. La Gaceta, setiembre, vol. 129, no. 178, p.7. Posada, J. 2000. Caracterización fisicoquímica y biológica de la calidad de agua de la cuenca de la quebrada Piedras Blancas, Antioquia, Colombia. Revista Biología Tropical, marzo, vol. 48, no. 1, p. 59-70. Roldán, G. 2003. Bioindicadores de la calidad de aguas en Colombia : uso del método BMWP Colombia. 1 era ed. Medellín (CO): Universidad de Antioquia. 170 p. Colección Ciencia y Tecnología. ISBN 958-655-081-08. Schäfer, A. 1997. Biogeographie der Binnengewässer. Alemania (DE): Teubner Studienbucher. 258 p. Segretin, ME. Biomonitoreo ambiental y tratamiento de efluentes. Argentina (AR): ArgenBio. 8 p. Tejeda, Y.; Guerra, V.; Sánchez, J. y Carrasco, R. 2012. Utilización combinada de métodos exploratorios y confirmatorios para el análisis de la actividad antibacteriana de la cefalosporina (Parte I). Revista Investigación Operacional, vol. 33, no. 3, p. 47-55. Universidad EARTH. 2013. Base de datos climáticos [documento en Excel]. Guácimo (CR). Actualizado mensualmente.