La contaminación ambiental por metales pesados y la seguridad alimentaria asociada es una preocupación mundial importante hoy en día. Aunque naturalmente se presentan contenidos en la corteza terrestre, son los factores antropogénicos como los procesos de industrialización, el riego con aguas residuales de procesos industriales y la dependencia de fertilizantes fosfatados, los que han aumentado la biodisponibilidad de metales pesados como cadmio y plomo en el medio ambiente afectando particularmente el sistema suelo-planta. Los metales pesados son contaminantes peligrosos, no biodegradables debido a sus altos tiempos de vida media [¹], y su presencia en agricultura afecta el principio de seguridad alimentaria que deben profesar las naciones, ya que no es posible asegurar la disponibilidad de alimentos libres de metales pesados tóxicos para los consumidores en las cadenas tróficas, y el principio de seguridad en la salud pública [¹,²].

La contaminación por metales pesados está influenciada de manera natural por proceso de meteorización de minerales y las erupciones volcánicas [³], sin embargo, en las últimas décadas, la concentración de cadmio en el medio ambiente ha aumentado más que otros metales pesados debido al uso de fertilizantes fosfatados, procesos galvánicos, elaboración de pigmentos y la industria del cemento; por su parte la contaminación por plomo ha crecido a causa de la mala disposición, manejo de baterías de plomo y la estabilización de pigmentos y pinturas [⁴,⁶]. Mientras que los contenidos de cromo han aumentado por procesos de la industria de la curtiembre y procesos de galvanizado, al igual que el níquel. Debido a la alta movilidad del suelo y la disponibilidad de estos metales, hay preocupación acerca de la fitotoxicidad y los consecuentes riesgos sobre el consumidor final en las cadenas tróficas [⁴], en este sentido el cadmio es considerado como un carcinógeno humano clase I de acuerdo a la agencia internacional para la investigación en cáncer (IARC) [⁵], mientras que el plomo después del arsénico, se reportó como la segunda sustancia más peligrosa por la Agencia para Sustancias Tóxicas y el Registro de Enfermedades [⁷]. Por otro lado, el níquel causa alergias en personas expuestas que puede producir bronquitis crónica, disminución de la función pulmonar, cáncer de los pulmones y los senos nasales [⁸]; el cromo es altamente cancerígeno y puede producir efectos sistémicos, inmunológicos, neurológicos, genotóxicos, entre otros [⁹]. Estos metales se difunden en las cadenas alimentarias principalmente por el uso de aguas de riego no óptimas para los cultivos, en Colombia, por ejemplo, se utilizan aguas residuales crudas o parcialmente tratadas de origen doméstico, pecuario, industrial y agroindustrial para el riego de cultivos. En la Sabana de Bogotá, en el distrito de riego y drenaje de la Ramada, se riegan 3.500 hectáreas de cultivos de hortalizas, flores y pastos con agua bombeada del río Bogotá [¹⁰,¹¹].

Desde su nacimiento en el municipio de Villapinzón, el río Bogotá recibe contaminación proveniente de curtiembres en su mayoría artesanales presentes en este municipio tras su recorrido de 380 km. En su recorrido el río recibe los vertimientos domiciliarios e industriales de 42 municipios incluyendo municipios con alta presencia de industrias de diferentes sectores económicos, y además recibe los vertimientos de Bogotá y de su sistema hídrico (ríos Salitre, Fucha y Tunjuelo), que albergan aproximadamente un 19% de la población del país en donde se genera aproximadamente un 26% de la actividad económica nacional [¹²,¹³].

Aunque se reporta que el río recibe aproximadamente 51,62 toneladas al mes de metales pesados provenientes de vertimientos industriales, de acuerdo a lo expresado por la Corporación Autónoma Regional CAR, en el acuerdo 043 de 2006 [¹⁴], por el cual se establecen los objetivos de calidad del agua para la cuenca del río Bogotá a lograr en el año 2020, la cual indica que de acuerdo a los usos que se le da al río, las concentraciones de metales son aceptables, y sólo se recomienda que en los ambientes localizados donde puntualmente se presentan excesos en los niveles de estos metales se lleven a cabo las medidas necesarias de contingencia.

Sin embargo, se reporta que el riego constante con aguas contaminadas por causas antropogénicas aumentan las concentraciones de los metales pesados en los suelos y por lo tanto aumenta la biodisponibilidad de esto a las plantas cultivadas en estos terrenos [²,¹⁵,¹⁷]. Los cultivos de hortalizas comerciales y residenciales a menudo se encuentran en zonas urbanas y están sujetas a contaminación antropogénica de diversas fuentes, como: desechos urbanos e industriales, industrias mineras y de fundición y metalúrgicas [²]. En el caso de Bogotá, mediciones realizadas en la cuenca media del río Bogotá en el municipio de Soacha demuestran que cultivos de hortalizas como lechuga, apio y brócoli, presentan contenidos mayores a los límites permitidos por normas internacionales tanto para cadmio como para plomo [¹⁰], lo cual es una alerta para las autoridades nacionales y de países en desarrollo donde se presenta este fenómeno [²,¹⁶].

En este estudio se realiza un diagnóstico de la cantidad de metales pesados plomo (Pb), cromo (Cr), cadmio (Cd) y níquel (Ni), en suelos de cultivo influenciados por aguas de la cuenca media del río Bogotá, con el fin de caracterizar la problemática ambiental a nivel suelo en el departamento de Cundinamarca, Colombia, teniendo como referencia la medición del índice de geoacumulación.

Materiales y métodos

Muestreo

Las muestras de suelos se tomaron de acuerdo a la norma ISO 18400:2018 (parte 205) [¹⁸], a 30 cm de profundidad, de suelos de cultivo en diferentes municipios influenciados por la ribera de la cuenca media del río Bogotá o que utilizan aguas de uso agrícola provenientes del distrito de riego la Ramada y el distrito de Riego Bojacá-La Herrera, alimentados en gran parte por aguas del río Bogotá, con ubicaciones de acuerdo a la tabla 1. Se tomaron 10 submuestras de cada zona de muestreo, se mezclaron para finalmente tomar la muestra definitiva. Las muestras del municipio de Facatativá se consideran en este ensayo como control debido a que es el lugar más alejado de las influencias del río Bogotá, de los considerados en este estudio.

Tabla 1. Ubicación de los sitios de muestreo. 

Análisis de suelos

El suelo colectado se guardó en bolsas de plástico, fue secado a temperatura ambiente (20°C), homogeneizado, molido y tamizado a una malla de 2 mm para la cuantificación de metales pesados. El contenido de metales pesados contaminantes se calculó por espectrofotometría de absorción atómica con horno de grafito de fuente continua de alta resolución (HR-CS GFAAS por sus siglas en inglés) con un espectrofotómetro ContrAA 700 con horno de grafito (Analitik Jena, Jena – Alemania), de acuerdo al método de la ISO 11047-1998 [¹⁹], aún vigente. La extracción de las muestras de suelo se realizó por el sistema de digestión asistida por microondas Top Wave (Analitik Jena, Jena – Alemania), mediante el método de Mehlich que permite la extracción de microelementos utilizando como solución extractante ácido clorhídrico (HCl) 0,05M y ácido sulfúrico (H₂ SO₄ ) 0.05M recomendado para todo tipo de suelos.

Las condiciones de análisis para cada uno de los metales analizados se pueden observar en la tabla 2, y las ecuaciones para las curvas de calibración preparadas con patrones de calibración de 1000 ppm cada elemento (Panreac) y su coeficiente de correlación lineal (R² ) se pueden observar en la tabla 3.

Los análisis se realizaron en el laboratorio de Espectrofotometría de la Universidad Escuela Colombiana de Carreras industriales ECCI.

Tabla 2. Parámetros analíticos optimizados para análisis de metales pesados por HR-CS GFAAS. 

Tabla 3 Curvas de calibración para análisis de metales pesados por HR-CS GFAAS. 

Cálculo del índice de geoacumulación (I-geo)

El índice de geo-acumulación (I-geo) propuesto por Müller (1969) [²⁰], es ampliamente utilizado para evaluar la contaminación a través de la relación de la concentración de un analito en la matriz de estudio frente a los valores de referencia o control. El índice de geoacumulación se calcula de acuerdo a la ecuación (1) [²¹,²²]:

(1)

donde C_n es la concentración medida del metal contaminante n (mg/kg) en el suelo, B_n es el valor de fondo geoquímico (mg/kg) del elemento en la muestra control (para este caso se tomó al municipio de Facatativá) y el factor de 1.5 es introducido para reducir al mínimo los efectos de las posibles variaciones en los valores de fondo que puede atribuirse a efectos litogénicos [²¹,²³]. El resultado del I-geo da una medida del grado de contaminación de un suelo o sedimento y los clasifica en siete categorías de acuerdo a la tabla 4.

Tabla 4. Clasificación del grado de contaminación de suelos de acuerdo al cálculo del I-geo (21). 

Resultados y discusión

El contenido de metales pesados cromo, cadmio, níquel y plomo medido en las seis zonas de muestreo por HR-CS GFAAS se pueden observar en la tabla 5.

Tabla 5. Contenido de metales pesados en suelos medidos por HR-CS GFAAS.(Los valores se reportan como promedio ± desviación estándar, diferente letra en cada columna significan diferencias significativas en el contenido del metal entre lugares de muestreo de acuerdo a un test de Tukey p<0.5) 

Tomando como suelo control el de Facatativá, puesto que es el suelo que se encuentra más alejado del río, se calculó el índice de geoacumulación y se clasificó. En la figura 1 se puede observar el I-geo para cada metal en cada lugar de muestreo (La gráfica de radar permite visibilizar el nivel de contaminación, valores negativos se interpretan como suelos no contaminados, valores más alejados del centro se interpretan como suelos más contaminados para cada parámetro), y en la tabla 6 el resultado de acuerdo a la clasificación resultado del cálculo del I-geo si se tiene en cuenta la clasificación de la tabla 4 reportada por Eqani et al. [²¹] y Hanif et al. [²³].

Figura 1. Índices de geoacumulación para cada suelo y contaminante. 

Tabla 6. Clasificación de los suelos analizados de acuerdo a su Igeo.Clase 0 no contaminado, clase 6 extremadamente contaminado – ver tabla 4. 

En el presente estudio se encuentra que el caso más preocupante es el del contenido de metales pesados en el municipio de Sibaté. Respecto al contenido de cromo, aunque las concentraciones del metal encontradas son menores al promedio reportado como mundial por Machado et al. [²⁴], se puede sugerir de acuerdo a los valores encontrados que hay una contaminación antropogénica, ya que los niveles de cromo son considerablemente más altos en comparación con las demás zonas de muestreo estudiadas. Los altos niveles de cromo en los suelos y sedimentos son con frecuencia asociados con proceso industriales que incluyen fundiciones e instalaciones para galvanizado, pero son las curtiembres una de las fuentes más importantes de este contaminante [²⁵]. En Colombia sobresalen las curtiembres de los municipios de Villapinzón en el nacimiento del río Bogotá, y las curtiembres del barrio San Benito en Bogotá que depositan sus desechos en el río Tunjuelo, afluente del río Bogotá. Problemas con contaminación con cromo con altos índices de geoacumulación se han encontrado también en regiones de Brasil asociados al proceso de las curtiembres en el estado de Minas Gerais [²⁵,²⁶].

Respecto al plomo, sólo las zonas de muestreo más cercanas al río presentan algún grado de contaminación, lo cual sugiere que son las zonas que mayor geoacumulación tienen en estos metales pesados, siendo Sibaté nuevamente, donde se presentan la mayor contaminación (extremadamente contaminado en plomo), encontrando resultados mayores a los reportados como promedio mundial [²⁴]. Los resultados reportados para plomo en el municipio de Sibaté supera lo encontrado en otros estudios en suelos de cultivo de hortalizas como tomate y repollo en Etiopía [²] y en la región del Caspio al sur de Rusia en cultivos de diferentes hortalizas [²⁷], sin embargo, son menores a los reportado en la ciudad de Huixian, China [¹⁵] y en Daye, China [²⁸] que mostraron niveles de contaminación más elevados.

Similar al plomo, los resultados para cadmio muestran que la zona de Sibaté presenta el mayor grado de contaminación comparado con las otras muestras, siendo clasificado como clase 5 (fuertemente contaminado a extremadamente contaminado), sin embargo, el contenido es 6 veces más alto al 1,1 mg de Cd/kg de suelo, reportado como promedio mundial [²⁴], lo cual sugiere un alto efecto por causas antropogénicas. En el estudio, las muestras de la localidad de Bosa y el municipio de Tenjo clasificaron a las muestras medidas, como suelos moderadamente contaminados. El municipio de Sibaté presentó contenidos de cadmio más elevados a los reportados en la región de Daye, China [²⁸], Mojo, Etiopía [²] y Huixian, China [¹⁵].

El níquel presenta la situación particular de que el suelo que se usó como control resulta ser el segundo con mayor contenido, razón por la cual los demás suelos se clasifican como no contaminados, a excepción del suelo de Siberia el cual se clasificó en la categoría de No contaminado a moderadamente contaminado. Sin embargo, los contenidos de níquel encontrados son inferiores a otros reportes como el de suelo de cultivo de tomate (1.86±0.05 mg de Ni/kg de suelo) y repollo (4.13±0.20 mg de Ni/kg de suelo) en la región de Mojo en Etiopia [²], y mucho menor comparado con el valor reportado como promedio mundial en [²⁴] , lo cual sugiere que los suelos no muestran contaminación por níquel.

Los resultados obtenidos muestran una acumulación de los metales analizados en el suelo. Al respecto, se debe aclarar que la concentración total en el suelo no se relaciona necesariamente con la biodisponibilidad para la planta, ya que esta está influenciada por las características propias del suelo como el pH (el cual puede fijar los metales por precipitación si el pH es básico), la capacidad de intercambio catiónico (CIC), el potencial redox, cantidad de materia orgánica que puede aumentar la formación de complejos que dificultan la disponibilidad a la planta [²⁹], cantidad de arcillas que junto con altas CIC y cantidad de materia orgánica, poseen un alto número de sitios cargados eléctricamente que pueden retener iones [²], la interacción con microrganismos propios del suelo que también pueden interactuar con los metales pesados [³⁰], entre otras propiedades. Algunos metales como, el Cd y el Zn son bastante móviles y las plantas los absorben fácilmente, y el proceso se favorece en suelos ácido con bajos CIC [²⁹,³⁰] mientras que, el Cu y el Pb se adsorben fuertemente en las partículas del suelo, lo que reduce su disponibilidad para las plantas [²⁹].

Además, las características propias de cada planta influyen en las cantidades de metales pesados que se pueden absorber. Algunas plantas están adaptadas genéticamente para crecer y reproducirse en suelos contaminados con metales pesados, y otras han desarrollado ecotipos tolerantes capaces de sobrevivir en ambientes tóxicos [³⁰]. Eissa y Negim en 2018 [¹⁶], Yang y et al. (2018) [²⁸] y Intawongse y Dean (2007) [²⁹], demostraron que metales pesados como los estudiados en el presente estudio, se bioacumulan en hortalizas como la lechuga, espinaca y zanahoria, además se translocan entre los diferentes tejidos de la planta, sugiriendo un riesgo en el consumo de hortalizas cultivadas en áreas contaminadas con metales pesados, por lo que se sugiere realizar mediciones en plantas cultivadas en estos suelos, calcular el índice de bioacumulación, que muestra la transferibilidad de los metales pesados a las plantas [¹⁶,¹⁷] y el factor de translocación que muestra el movimiento de los metales pesados entre tejidos de la misma planta [¹⁶], así como las características fisicoquímicas del suelo, para comprobar la magnitud del riesgo.

Conclusiones

El estudio realizado encontró que las concentraciones de cromo particularmente, son elevadas de acuerdo al índice de geoacumulación, clasificando el suelo como extremadamente contaminado para la zona de muestreo de Sibaté. En el mismo municipio se encuentra contenidos más altos de plomo y cadmio comparado contra el promedio mundial. Claramente las zonas con mayor contaminación se pueden identificar en las cercanías del río. Los suelos analizados son utilizados como suelos de cultivo, razón por la cual es posible que haya contaminación por estos metales en alimentos de consumo frecuente como las hortalizas, particularmente la lechuga, cultivada principalmente en las zonas de estudio. Se recomienda realizar mediciones sobre plantas para tener una mayor visión del impacto.