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1. INTRODUCCIÓN
Los metales pesados constituyen un riesgo potencial para la salud pública, así como para la biodiversidad vegetal y animal. Se ha reportado que la presencia de metales pesados está asociado a enfermedades como cáncer, daños hepáticos y renales [1], [2]. Los riesgos de contaminación de suelos por metales pesados generalmente se relacionan con actividades industriales como la minería [3], [4] y la explotación petrolera, siendo las fuentes potenciales de contaminación las aguas residuales, los lodos de cervecería y papelería, así como, los compost no tratados, entre otros [5], [6], [7], por lo que la probabilidad de encontrar suelos contaminados es más factible en zonas urbanas y periurbanas que en zonas agrícolas [8].
Las actividades agrícolas también pueden contaminar el suelo a largo plazo, debido al uso de fertilizantes y agroquímicos, en cuya constitución se encuentran metales pesados como el cobre [9], [10]; asimismo el uso prolongado de compost y aguas residuales sin tratar pueden conllevar al incremento de los niveles de metales pesados en el suelo, arrojando valores superiores a los permitidos en la legislación nacional e internacional.
La acumulación de metales pesados en el suelo se potencia por las interacciones que allí ocurren, como la formación de complejos con compuestos orgánicos o la adsorción en la micela coloidal. En principio estas propiedades le permitirían actuar al suelo como filtro ambiental; sin embargo, las actividades agrícolas que incluyan cambios en el pH pueden hacer disponibles estos metales, bajo el riesgo que estos sean traslocados a la planta [11], al igual que en suelos arenosos, donde existe la posibilidad de que los mismo se lixivien, contaminando las aguas subterráneas [12], [13].
La evaluación de los niveles de metales pesados es una obligación para los productores agrícolas y los agrotécnicos, dado que hoy en día los parámetros de calidad exigen productos libres de contaminantes, con el fin de garantizar a los consumidores un producto con calidad e inocuidad.
Dado esto, y considerando que la zona agrícola de Turén se ha caracterizado durante más de 30 años por el uso excesivo de agroquímicos, lo cual potencia el riesgo de contaminación por metales pesados, el objetivo de esta investigación fue evaluar la concentración de metales pesados en suelos y los riesgos de fitotoxicidad asociado a la presencia de los mismos.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1 Materiales
La investigación se realizó en suelos agrícolas de la localidad de Turén bajo diferentes sistemas de labranza. Las características y ubicación del suelo, así como los sistemas de labranza usado, se describen a continuación:
2.1.1 Ubicación y características del sitio de estudio
El estudio tuvo lugar en un suelo Fluventic Haplusteps, limoso, fino, mixto calcáreo isohipertérmico, bajo dos sistemas de labranza: labranza convencional (LC) y labranza cero o siembra directa (SD), ubicado en la localidad de Turén, al noroccidente de Venezuela, coordenadas entre 9° 00’16” y 9° 29’04” de latitud norte y los 68° 39’ 50” y 69° 12’ 17” de longitud oeste, con altura sobre el nivel del mar de 160 m, precipitación anual promedio de 1424 mm y una temperatura media anual de 27 °C. El suelo bajo estudio, se encuentra ubicado en la planicie aluvial de desborde del río, con poca pendiente general (inferior al 0,3 %) y topografía regular y plana. Se seleccionaron dos sitios de muestreo en cada sistema de manejo en función de su posición fisiográfica, tomando como referencia la parte alta y baja de la napa de limo de desborde sobre la cual se identificó el suelo. A continuación, se describe el manejo de los dos sistemas (Figura 1).
2.1.2 Siembra directa
Considerando las características descritas anteriormente del suelo y su ubicación, el manejo de este sistema consistió en diez años sin labranza donde se sembró bajo un sistema de rotación maíz (Zea mays L), girasol (Helianthus annuus) y maíz-leguminosa, para el control de malezas se usó un herbicida preemergente: glifosato, 2 L ha-1 con 2,4-D 500 cc ha-1.
Posemergente: atrazina, 1 kg ha-1, con dos aplicaciones, la fertilización durante la siembra fue usando el fertilizante compuesto (10-20-20), en dosis de 300 kg ha-1 y urea: 100 kg ha-1 como reabono en dosis de 150 kg ha-1 de urea, la cual fue aplicada 25 días después de la siembra; asi como la aplicación de 50 kg ha-1 de KCl, vía foliar. La Semilla usada fue tratada con thiodicarb + imidacloprid, se realizó Quema de residuos de cosecha de maíz, mientras que los residuos de girasol permanecen en la superficie. Siembra de maíz en junio. La Densidad de siembra usada fue de 80,000 semillas ha-1.
2.1.3 Labranza convencional
Se hizo mecanización con tres o dos pases de rastra (profundidad 10 - 15 cm), el sistema de siembra fue de rotación maíz-girasol, el control de malezas fue químico, usando el Herbicida preemergente: Pendimethalin, 3 L ha-1. Posemergente: atrazina, 1 kg ha-1. La Fertilización durante la siembra se hizo aplicando el fertilizante compuesto (10-20-20) en dosis 300 kg ha-1, y 15 días después de la siembra se hizo un reabono con urea a razón de 150 kg ha-1, la semilla no recibió pretratamiento, se realizó Quema de residuos de cosecha de maíz y girasol, la siembra de maíz fue en junio con una densidad de siembra: 80000 semillas ha-1.
2.2 Métodos
Para llevar a cabo la investigación, los procedimientos consistieron en muestreo de suelo, evaluación de los atributos químicos del mismo y análisis estadísticos. Los métodos usados son descritos a continuación:
2.2.1 Diseño muestreo de suelo
Se realizó un muestreo en la napa alta (NA) y en la napa baja (NB). De cada sistema de manejo se delimitó un área de 900 m2 que se dividió en cuadrículas de 3 x 3 puntos, distanciados a 10 m entre sí, para un total de 9 puntos de muestreo. El muestreo de suelo se realizó antes de la siembra de maíz. En cada punto se tomaron muestras disturbadas de suelo a dos profundidades (0-10 y 10-20 cm), con tres repeticiones. Los análisis se realizaron en el Laboratorio de Suelos de la Unidad de Investigación de Suelos y Nutrición Mineral de Plantas del decanato de Agronomía de la UCLA (UISNMP) y la Unidad de Análisis Instrumental.
2.2.2 Atributos químicos evaluados
A las muestras de suelo, secadas y tamizadas (2 mm), se les determinó el contenido de arcilla, limo y arena por método de Bouyoucos [14], los mismo que el del carbono orgánico [15]; el pH, mediante determinación potenciométrica en relación suelo - agua 1:2,5; la conductividad eléctrica (CE), usando conductímetro en relación suelo- agua 1:2,5; la capacidad de intercambio (CIC), por extracción con cloruro de amonio y cuantificación por absorción atómica; la capacidad de intercambio catiónico (CIC), se realizó siguiendo los métodos descritos por [16].
Para el determinar el contenido de Cd, Cu, Co, Zn, Fe, Mn, Ni, Ar y Se en suelos bajo dos sistemas de labranza (convencional y siembra directa) en dos posiciones fisiográficas (napa alta y napa baja), se tomaron 2 gramos de suelos, los cuales fueron previamente pesados y secados al aire por 24 horas; una vez seca, las muestras fueron molidas usando un mortero de ágata, donde posteriormente se colocaron en un portamuestra plástico; asimismo, para la florescencia de rayo X se usó una pistola de fluorescencia Bruker Tracer III-V PXRF (aka "gun"); para la cuantificación de los elementos, se usaron los programas (Bruker X-rayOps, S1PXRF 3.8.30 and Spectra 7.2.1.1).
2.2.3 Análisis estadístico
Según el muestreo realizado, el análisis estadístico consistió en realizar un estudio de varianza mediante comparación de las posiciones fisiográficas y profundidades en cada sistema de manejo por separado. El modelo estadístico aplicado se corresponde con un experimento factorial con dos factores: posición fisiográfica (NA y NB) y profundidad (0-10 y 10-20 cm). Para cada combinación de posición y profundidad se tomaron 9 muestras.
En los casos necesarios, se realizaron comparaciones de medias por la prueba de la diferencia honestamente significativa (DHS) de Tukey (p<0,05); asimismo se determinaron estadísticas básicas como la media y la desviación estándar. Los análisis estadísticos se realizaron usando el paquete estadístico InfoStat versión 1.1 (2002).
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El suelo bajo estudio fue un Fluventic Haplustep, el cual fue descrito en una investigación preliminar [17], el mismo se caracterizó por presentar texturas francas a arcillosas (Tabla 1) y valores medianos de contenido de materia orgánica y de capacidad de intercambio catiónico.
Tabla 1 Distribución de tamaño de partículas de un suelo bajo dos sistemas de labranza en dos posiciones fisiográficas a dos profundidades
Fuente: elaboración propia.
En la Tabla 2 se muestra el contenido de metales pesados en el suelo, bajo dos posiciones fisiográficas en dos sistemas de labranza.
Tabla 2 Contenido de metales pesados bajo dos sistemas de labranza en dos posiciones fisiográficas a dos profundidades
Fuente: elaboración propia.
Para los dos sistemas de labranza evaluados, no se observaron diferencias significativas (P <0,05) al comparar el contenido de metales pesados entre profundidad. Sin embargo, se encontraron diferencias significativas debido a la posición fisiográfica para Ni y Zn en el suelo bajo labranza convencional, no así para el resto de los metales pesados.Los metales pesados fueron determinados por fluorescencia de rayos X, el cual es un método más rápido que el de la espectroscopia de absorción atómica, y no existe subestimación de las concentraciones de metales pesados, que ocurre por la interacción entre los metales y la materia orgánica del suelo y los colides del mismo que impiden una extracción completa de estos.
Los resultados indican que las concentraciones Ni y Zn fueron afectadas por los cambios texturales debido a la posición en el paisaje, generando acumulación en las posiciones más bajas debido a la escorrentía.
En ambos sistemas de labranza se observó una tendencia a la acumulación de metales pesados en la napa baja, encontrándose que la acumulación de arcilla está relacionada al incremento de metales pesados en el suelo, debido a que estas poseen cargas negativas en su superficie o en el espacio interlaminar que confiere a los suelos la capacidad de retener elementos [18], lo cual esta correlacionado con la capacidad de intercambio catiónico (CIC).
En general, a mayor CIC, mayor es la cantidad de ion adsorbido [19], [20], por lo que el mayor contenido de metales pesados fue encontrado en la napa baja.
Asimismo, los minerales del suelo están formados por óxidos como los de titanio, silicio, hierro, manganeso y aluminio, siendo los tres últimos los más importantes en la retención de metales pesados [21], [22], [23]. Los más abundantes son los óxidos de hierro y pueden adsorber metales traza como Co, Cr, Mn, Mo, Ni, V y Zn. En el suelo estudiado predominaron los óxidos de silicio, titanio, hierro y manganeso, lo que favoreció la adsorción de los metales pesados (Figura 2).
Fuente: elaboración propia.
Figura 2 Composición mineral del suelo bajo: siembra directa (A. napa alta y B. napa baja) y labranza convencional (C. napa alta y D. napa baja), respectivamente, en la Colonia Agrícola de Turén
La acumulación de metales en el suelo no solamente fue afectada por los factores edáficos como el contenido de arcilla y la CIC, sino que el sistema de manejo influyó en el contenido de metales pesados; en tal sentido se observó, en el caso del cobalto y el cadmio, que el contenido de metales pesados fue mayor en los sistemas de labranza bajo siembra directa en comparación con los sistemas bajo labranza convencional. Aunque, a largo plazo, los sistemas de siembra directa mejoran las propiedades físicas del suelo, debido a que se requiere mayor aplicación de agroquímicos, los cuales en su composición poseen residuos de metales pesados.
En tal sentido, los suelos donde a lo largo de muchos años se han aplicado fertilizantes fosfatados, poseen mayor riesgo de acumulación de metales pesados [24], [25]. Esto se debe a la presencia de impurezas de la materia prima (roca fosfórica). Por otra parte, los metales pesados, que se encuentran en concentraciones variables, persisten en los fertilizantes comerciales. De tal forma, los fertilizantes fosfatados son portadores de cadmio, cinc, cobalto, cobre, cromo, flúor, níquel, plomo y muchos otros elementos químicos, incluyendo componentes radioactivos [26], [27]. Estos elementos no sólo se acumulan en los suelos, sino que, dado que algunos como el cadmio poseen formas solubles en los fertilizantes, su utilización durante largos períodos de tiempo también causa una mayor contaminación.
Ahora bien, para evaluar los riesgos de contaminación por metales pesados, se compararon los valores obtenidos con concentraciones de metales pesados totales de referencia esperados en suelos agrícolas y con límites máximos permitidos según la legislación ambiental de Chile[3], Canadá [28] y la Unión Europea (Tabla 3), encontrándose que los valores de cobalto superan la norma europea; los de níquel y cobre, la norma canadiense; y los de cadmio y zinc superan todas las legislaciones ambientales reportadas en esta investigación.
Tabla 3 Comparación del contenido de metales pesados totales en suelo bajo siembra directa (SD) y labranza convencional (LC) con valores de referencia y límites máximos permitidos (LMP)
Fuente: elaboración propia.
Los resultados indican que hay que prestar atención a los contenidos de Co, Cu y Cd en ambos sistemas de manejo, especialmente en SD, porque el Cu se encuentra por encima de algunos de los niveles de referencia permitidos en suelo, mientras que el Co y el Cd superan significativamente en todos los casos el límite máximo permisible. Los niveles de cobalto superaron los 200 mg kg-1, lo cual está por encima del máximo permitido en diversas normas ambientales. Algunos autores sugieren que cuando el cobalto supera los 100 mg kg-1 en el suelo se deben realizar tratamientos de remediación, lo cual incluye el uso de plantas y microrganismos. Aunque la concentración de cobalto está en niveles superiores a los permitidos, los riesgos de movilidad y translocación a las plantas son bajos. Se ha reportado que este metal es fuertemente adsorbido por los óxidos de hierro y manganeso, así como los carbonatos, además que forma quelatos con la materia orgánica [29] [30]. De igual forma, en pH alcalinos la movilidad de este elemento resulta muy baja [31].
En el caso del cadmio (Tabla 4), las fuentes de contaminación están asociadas a las actividades industriales: minería, aplicación de enmiendas para mejorar las propiedades físicas y químicas del suelo y el uso de fertilizantes fosfatados [32] [33]. Este último aspecto es fundamental en la zona bajo estudio, dado que se ha reportado [34] que, en los llanos venezolanos, donde se encuentra la localidad de Turén, se aplican cantidades excesivas de fertilizantes fosfatados. La distribución y disponibilidad de los metales pesados en el perfil del suelo está determinada por las características físicas, químicas y biológicas de este sistema, que influyen sobre la actividad y concentración de los metales en la solución del suelo y, por ende, afectan su disponibilidad. Entre estas variables se destacan el contenido y tipo de arcillas y la CIC [35].
Tabla 4 Contenido promedio de cadmio disponible en suelos bajo dos sistemas de labranza en dos posiciones fisiográficas a dos profundidades
Fuente: elaboración propia.
En suelos con alta capacidad de intercambio catiónico y alto contenido de arcilla se espera que la disponibilidad de cadmio sea baja, ya que el mismo quedará adsorbido en las partículas de arcillas, evitando que sea tomado por las plantas o pase a las aguas subterráneas [33]. Del mismo modo, en suelos de Mariara, al centro de Venezuela, con características físicas y químicas similares a la de la presente investigación (contenido mediano de materia orgánica, textura arcillosa y alta CIC), se presentó una alta capacidad de adsorción de cadmio.
Sin embargo, en los suelos estudiados, la concentración de cadmio disponible es muy elevada, con valores superiores a 30 mg kg-1 en el sistema de labranza convencional, mientras que en los sistemas de siembra directa este valor se reduce por debajo de 18 mg kg-1, el cual es similar a lo reportado por [36]. En la colonia agrícola de Turén se aplican cantidades excesivas de fertilizante fosfatado, lo que está asociado a concentración de cadmio elevada.
El caso de la contaminación por cobre en zonas agrícolas venezolanas es debido a la aplicación constante de agroquímicos que usan al cobre como su elemento principal. Estos resultados coinciden con los reportados en otras regiones latinoamericanas, donde las malas prácticas en el uso de agroquímicos han provocado serios problemas de contaminación. [37] reportaron que en varias zonas de Costa Rica se encontraron contenidos de cobre en la capa arable de hasta de 2000 mg kg-1. El promedio de cobre en los suelos naturales en el mundo se encuentra en el ámbito de 13 a 24 mg kg-1, mientras que en suelos contaminados por el metal se han reportado valores de hasta 4622 mg kg-1, en sitios cercanos a fundiciones. La absorción de cobre es básicamente independiente y está relacionada, en primer lugar, con los niveles de cobre disponible en el suelo. La disponibilidad de cobre para las plantas es menor en los suelos alcalinos y mayor en los suelos ácidos.
4. CONCLUSIONES
La acumulación de metales pesados en suelos de Turén, tanto en el sistema de labranza convencional como en el de siembra directa, son producto del uso continuo de agroquímicos, en particular de la fertilización fosfatada. Asimismo, la acumulación de metales pesados estuvo relacionada a una mayor acumulación de arcillas y CIC en las posiciones fisiográficas bajas, pues los valores más altos de metales pesados fueron encontrados en la napa baja, debido a un mayor contenido de arcilla y materia orgánica, aumentando la retención de nutrientes y el contenido de cationes.
Por otra parte, la mayor acumulación de zinc y níquel se asocia a mayores valores en contenido de arcilla y CIC en el suelo, lo cual mantiene a los metales pesados fuertemente adsorbidos en la micela coloidal.
De igual forma, las altas concentraciones de cobalto, níquel y cadmio estuvieron por encima de lo permitido en la mayoría de las normas internacionales, lo que representa un riesgo de fitotoxicidad para los cultivos sembrados en la zona, por lo que se recomienda tomar medidas de biorremediación para su eliminación del suelo y evitar los problemas de contaminación que a largo plazo contaminen las aguas y puedan afectar la salud de las poblaciones cercanas.
