Recibido: 13 octubre 2021
Aceptado: 09 marzo 2022
Disponible: 29 marzo 2022
El uso de métodos analíticos alternativos es una necesidad para la determinación de microelementos con fines de fertilidad de manera rápida, de menor costo y con resultados similares a los procedimientos analíticos ya estandarizados, por lo cual el objetivo de este trabajo fue comparar el método con fluorescencia total de rayos X (TXRF) con los resultados obtenidos para la determinación de los microelementos Cu, Mn, Fe y Zn por absorción atómica. Para ello, se cuantificaron los contenidos de Cu, Mn, Zn y Fe en dos aridisoles, uno ubicado en un bosque natural con alto contenido de materia orgánica (PS1), y otro con bajo contenido de materia orgánica (PS2), como consecuencia de la actividad agrícola intensiva, cuyas muestras se tomaron a una profundidad de diez centímetros. La cuantificación de los microelementos se realizó mediante absorción atómica (método estándar) y con TXRF, método alternativo propuesto. En ambos casos se realizó, previamente, la extracción de los microelementos con acetato de amonio. Para cada condición se tomaron tres muestras con diez repeticiones para treinta unidades experimentales. Los datos fueron analizados mediante prueba de T de Student, con un valor de P<0.05. Los resultados mostraron que en ambos suelos el método por difracción de rayos X presentó valores similares a los obtenidos por absorción atómica para el Mn y el Zn, pero sobreestimó los valores de Cu y Fe, por lo que el uso de este método analítico puede ser usado con seguridad para determinar Mn y Zn, pero no de Cu y Fe. El uso de este método es atractivo debido a su rapidez y menor uso de reactivos, disminuyendo los riesgos de contaminación y obteniendo resultados confiables para la determinación de microelementos con fines de fertilidad o análisis de riesgos de contaminación.
Palabras clave: Análisis químico, contaminación del suelo, impacto ambiental, microelementos.
In soil fertility evaluation, new alternative analytical methods should be proposed to determine microelements in a fast and inexpensive way, but with results similar to those obtained with standardized analytical procedures. Therefore, the objective of this study was to compare the results of the determination of four microelements (Cu, Mn, Fe, and Zn) by two methods: (1) Total X-Ray Fluorescence (TXRF) and (2) atomic absorption. For this purpose, Cu, Mn, Zn, and Fe contents were quantified in two aridisols: one located in a natural forest with high organic matter content (PS1) and another one with low organic matter content (PS2) as a result of intensive agricultural activity. The samples were taken at a depth of ten centimeters. The quantification of microelements was carried out by TXRF (alternative method proposed here) and atomic absorption (standard method). In both cases, microelements were previously extracted with ammonium acetate. At each location, three samples were taken with ten replicates, which totals thirty experimental units. The data were analyzed using Student’s t-test with a p-value < 0.05. The results showed that, in both soils, TXRF presented values similar to those obtained by atomic absorption regarding Mn and Zn, but it overestimated the values of Cu and Fe. Hence, TXRF can be safely employed to determine Mn and Zn, but not Cu or Fe. This method is attractive due to its speed and lower use of reagents, decreasing the risks of contamination and obtaining reliable results for the determination of microelements for soil fertility or contamination risk analysis.
Keywords: Chemical analysis, soil contamination, environmental impact, microelements.
Los denominados microelementos son aquellos que se encuentran a bajas concentraciones en el suelo [
Muchos de estos microelementos constituyen la base de fungicidas a base de cobre, que representan hasta un 14 % del total de agroquímicos usados [
Metales pesados es un término global, el cual es empleado para referirse a aquellos metales clasificados como contaminantes ambientales, que poseen características intermedias entre los metales y los no metales de acuerdo con sus propiedades de enlace y ionización [
Entre los metales pesados se encuentran dos grupos limitantes que son elementos esenciales como el Fe, Mn, Zn, Cu, Co y Mo, presentándose como elementos beneficiosos Ni, Cr y los no esenciales, los cuales se considera que no tienen ninguna función biológica como el Cd, Hg, Pb y As, llegando a ser tóxicos cuando su aporte es excesivo y afectan negativamente el crecimiento y reproducción de los organismos, pudiendo causar hasta la muerte [
Los metales pesados pueden contaminar el suelo y el agua, siendo las principales fuentes de contaminación la actividad minera [
La importancia de los microelementos en la producción vegetal ha sido reportada por [
El papel de estos microelementos en la fisiología vegetal ha sido reportado por diversos autores, por ejemplo, el Fe, Cu y Zn son importantes en la producción de biomasa y calidad de hortalizas [
Dada la importancia de los microelementos, bien sea por las funciones que cumplen dentro de las plantas, o por los riesgos para la salud que constituyen los metales pesados, ya que su exposición está asociada a problemas de salud como cáncer [
Entre las técnicas usadas para la cuantificación se encuentra la absorción atómica, la cual requiere pasos previos como la extracción con acetato de amonio, sodio o cloruro de amonio, lo que puede incrementar el costo por el uso de reactivos químicos, así como a la eficiencia del método al determinar menos muestras [
A pesar de las desventajas de este método, su eficiencia puede ser mejorada usando la técnica de digestión de muestra asistida por microondas, la cual ha sido probada con éxito en la determinación foliar de micronutrientes [
Entre las técnicas analíticas más frecuentemente empleadas para determinar el contenido de microelementos metales pesados se encuentran la espectrometría de masa inducida por plasma [
Aunque los métodos de análisis anteriormente mencionados son muy sensibles para la identificación y cuantificación de los microelementos, las mismas son muy costosas en relación con la espectroscopia de absorción atómica (EAA), la cual es muy empleadas en la mayoría de los laboratorios analíticos de suelo.
Dada las desventajas de la EAA debido a los altos costos, exposición a reactivos que aumentos los riesgos de enfermedades laborales, a la dificultad para la eliminación de residuos, cuya eliminación es difícil, además de las limitaciones para procesar un gran número de muestras en periodos cortos de tiempo, surgen alternativas como la TXRF, cuyo protocolo ha sido estandarizado, resultando en una precisión y reproducibilidad, al momento de las terminaciones analíticas.
Las ventajas de este método están en la reducción del tiempo de análisis, el menor uso de reactivos y la disminución de los riesgos de contaminación ambiental y enfermedades profesionales, por la exposición a agentes químicos, sin embargo, su confiabilidad para la determinación de microelementos con fines de fertilidad en suelo o de metales pesados para análisis de contaminación debe ser comprobada.
Adicionalmente, para la determinación de microelementos en suelos por fluorescencia de rayos X se requiere una infraestructura relativamente menos costosa, es una técnica instrumental no destructiva y de mínimos requerimientos para la preparación de las muestras, particularmente reactivos, como se mencionó previamente; no obstante, se requiere la realización de ensayos de laboratorio para la estandarización del protocolo de determinación.
En este sentido, [
En este mismo orden de idea, [
Tomando como base la importancia de la determinación de microelementos con fines de fertilidad, pero usando protocolos de análisis confiables y ambientalmente seguros, el objetivo de este trabajo fue comparar el método TXRF con los resultados obtenidos para la determinación de los microelementos Cu, Mn, Fe y Zn por absorción atómica. Dado que la investigación se llevó a cabo en dos suelos contrastantes uno con alto contenido de materia orgánica y vegetación natural (SP1), y otro bajo condiciones de fuerte intervención antrópica y bajo contenido de materia orgánica (SP2), además de la estandarización del método con fines de fertilidad bajo las condiciones edafoclimáticas antes descritas, el método podrá ser usado para cuantificar el impacto ambiental sobre la concentración de metales pesados en suelos.
2.1 Descripción de área de estudio
El estudio se llevó a cabo en la depresión de Quíbor (estado Lara, Venezuela), la cual se caracteriza por tener once series de suelos, entre ellas las series: Chaimare (8 %), Quíbor (30 %) y Palo Negro (3 %) que abarcan más del 40 % de las 37 286 has. El estudio se realizó en dos sectores, el sector Quíbor, ubicado en las coordenadas 433 874 m este y 1 096 272 m norte, y el sector Ojo de Agua, ubicado en las coordenadas 428 987 m este y 1 105 744 m norte.
2.2 Suelos a estudiar
Para el estudio se usaron dos muestran de suelos contrastantes; la primera pertenece a un suelo clasificado como Typic Haplocambids, denominado (PS1), ubicado en la serie Quíbor, el cual se caracterizó por ser arcillosa fino, mixta, no ácida, isohipertérmica, que tiene una CE menor a 1.0 dS m-1, el suelo posee alto porcentaje de limo, lo que hace que sea susceptible de ser erosionado [
La segunda muestra corresponde a un suelo clasificado como Vertic Haplocambids, denominado PS2, ubicado en la serie Palo Negro, la cual es una de las mayores actividades agrícolas en la depresión de Quíbor, el cual se caracterizó por arcilloso muy fino, mixto, no ácido, isohipertérmico, con arcilla > 50 %, con la diferencia que su conductividad eléctrica fue > 2.0 dS m-1. En la Tabla 1 se describen las características texturales y químicas de ambos suelos.
El criterio para establecer que los suelos son contrastantes se basa en el tipo de uso de la tierra, dado que desde el punto de vista taxonómico ambos pertenecen a la misma clase de suelo (Haplocambids). En el primer suelo, el uso de la tierra es bosque natural, lo que hace que posee mayor materia orgánica, mientras que, en el segundo suelo, el uso de la tierra ha sido agrícola, para la producción de hortalizas, donde el uso excesivo de agroquímicos ha conducidos a la alcalinización y salinización del suelo, a pesar de poseer condiciones edafoclimáticas similares al primero. Este criterio fue aplicado previamente en la zona para estudios de calidad de suelo [
En relación con la vegetación y el tipo de uso, ambos sitios se caracterizan por presentar una vegetación natural muy escasa, compuesta principalmente por plantas xerofíticas como el cují (Prosopis juliflora). El primer sitio se encuentra bajo vegetación natural observando la presencia de islas de vegetación con asaciones de vegetación con costras biológicas de musgos y líquenes, mientras que el segundo se encuentra fuertemente intervenido, principalmente por el pastoreo extensivo del ganado ovino y caprino.
2.3 Diseño experimental
El experimento fue completamente al azar y se evaluaron dos tipos de contrastante de suelo, uno denominada PS1 con alto contenido de materia orgánica, bajo vegetación natural y no salino, ubicada en la serie Quíbor, y otro denominado PS2, el cual es altamente intervenido por actividad agrícola, tiene bajo contenido de materia orgánica y es salino, ubicado en la serie Palo Negro. En ambos suelos se tomaron muestra alteradas a una profundidad de diez centímetros, tomando treinta muestras por suelo, en cada uno se evaluaron dos métodos de cuantificación: uno por absorción atómica y otro por TXRF. En total se evaluaron dos suelos (PS1 y PS2), en cada uno de ellos se hicieron diez repeticiones y dos métodos (absorción atómica y fluorescencia de rayo X de reflexión total) con tres réplicas cada uno para treinta unidades experimentales
2.4 Diseño de muestreo
Para realizar el muestreo y las determinaciones en campo se realizó un reconocimiento preliminar en cada sitio y se identificaron al menos tres condiciones: un suelo con costra biológica dentro del parche de vegetación (PS1) y un suelo sin costra biológica ni vegetación visible (PS2).
Con base en este reconocimiento se hizo un muestreo aleatorio estratificado, ubicando en cada condición tres (3) microparcelas de 0.5 x 0.5 m c/u, dentro de un área de 10 x 10 m. La profundidad de muestreo fue de (0-2.5 cm). Se tomaron cinco muestras no disturbadas, utilizando cilindros metálicos de 2.5 cm de altura y 7.5 cm de diámetro. Estas muestras fueron extraídas utilizando un martillo de goma y una tabla para introducir el cilindro en el suelo, teniendo la precaución de no alterar la costra.
2.5 Determinación por absorción atómica
Para la cuantificación se usó el método de espectrometría en llama por aspiración directa, usando un equipo Analyst 2000 de Perkin Elmer; previo a ello, los elementos a analizar (Cu, Mn, Fe y Zn) fueron extraídos del suelo usando como extractante ácido acético 0.1 M en una relación 10:1. Una vez extraído, se cuantificó por absorción atómica en llama de acetileno a una longitud de onda de 228.8 nm en un rango de calibración de 0.5-5 mg L-1.
2.6 Análisis por fluorescencia de rayo X de reflexión total (TXRF)
Las muestras fueron pasadas por un tamiz de 2 mm y procesadas en un mortero de ágata. Para el análisis se pesaron 0.5 g de suelo, por cada muestra se añadieron 10 ml de ácido acético 0.1 M (extractante), se agitó por treinta minutos y se dejó reposar; para la cuantificación se hicieron tres repeticiones por muestra, los cuales fueron colocados en viales de Eppendorf. Se agregó a cada muestra 0.5 ml de una solución de Cobalto (10 mg L-1) como patrón interno, se preparó un blanco de ácido acético 0.1 M + 0.5 ml de Cobalto, se colocaron las muestras sobre reflectores de cuarzo, se secaron sobre plancha de calentamiento y se llevaron al equipo para irradiar por tres minutos.
2.7 Análisis de los datos
Para establecer las diferencias entre los métodos evaluados se aplicó la prueba de T de Student, usando el paquete estadístico Infostat para la comparación de muestras pareadas, usando un valor de probabilidad de P<0.05.
Los resultados observados en la Tabla 2, muestran que en la muestra de suelo PS1 los valores de Cu y Fe fueron sobreestimados cuando se determinaron por TXRF, mientras que para el caso de del Mn y el Zn los valores fueron estadísticamente similares, por lo que el uso de TXRF es confiable para la determinación de estos dos últimos elementos.
Un comportamiento similar fue observado para el caso de la muestra del suelo TXRF, donde los valores de Cu y Fe fueron sobrestimados cuando se cuantificaron por TXRF, no así para el caso del Mn y el Zn, donde no se obtuvieron valores estadísticamente iguales, cuando se compararon los métodos.
Los valores de Cu cuantificados por ambos métodos están por debajo de los reportado por [
Los valores de Mn están por debajo de los reportados por [
Los resultados encontrados se consideran bajos y se corresponden a la naturaleza y uso de los suelos, ya que el Fe está asociado bien a la presencia de óxidos de Fe, condición típica de suelos ácidos, o al Fe residual por la actividad industrial; asimismo, en el Zn los valores fueron relativamente bajos al ser determinado por ambos métodos, siendo el Zn un elemento asociado a la fracción mineral y otro parte a la fracción orgánica del suelo (ver Tabla 3).
En el caso de la muestra PS2, la cual posee un contenido de MO menor a la muestra PS1, los valores de Cu superan a los encontrados en la muestra SP1, por lo que el Cu no puede estar asociado a la formación de complejos órgano-minerales, sino más bien a una fuente de contaminación antropogénica. Es de enfatizar, que la segunda zona evaluada corresponde a suelo de una actividad agrícola marcada y, posiblemente, al uso de fungicidas con alto contenido de cobre [
Para el caso del Mn no se observaron diferencia ente los valores obtenidos por ambos métodos analíticos, los cuales fueron ligeramente inferiores a los reportados en la muestra PS1 a pesar de que la disponibilidad de Mn puede aumentar en suelos de pH alcalaíno y a mayor contenido de sales. Como corresponde a las características edáficas de la muestra PS2, no se observó un incremento de este.
Con respecto al Fe, los valores encontrados fueron superiores a los reportados en la muestra PS1. Esta tendencia fue observable para ambos métodos analíticos. Como se mencionó previamente, el Fe está asociado a la presencia de óxidos de Fe en el suelo, principalmente aquellos de naturaleza acida, o producto a la contaminación industrial. En el caso de la muestra PS2, el Fe puede provenir de la fracción oxidable, sin embargo, estos suelos presentan bajo contenido de materia orgánica.
En relación con el contenido de Zn, los valores fueron estadísticamente similares entre ambos métodos analíticos (P<0,05), los mismos superaron los observados en la muestra PS1, por los que el bajo contenido de materia orgánica, los valores de Zn no están asociado a la formación de organoelementos, pero sí puede estar relacionado en la fracción asociada a los carbonatos, dado que los suelos de la muestra PS2 son de una fuerte reacción calcárea. Estos resultados contradicen a los reportados por [
Cuando se compara la tasa de error entre ambos métodos (Tabla 4), se observa que para el caso del Cu y el Fe en ambas muestras (PS1) y (PS2) la tasa de error supera el 10 %, siendo mayor el error en el suelo con mayor contenido de materia orgánica, mientras que la tasa de error fue menor del 10 % para el caso del Mn y el Zn, sin embargo, se observó un ligero aumento del error en el suelo con mayor contenido de sales.
Los resultados son contrarios a los reportados por [
La calidad de este método analíticos puede ser interpretado en función de los criterios señalado por [
Cuando se comparan los valores de los elementos químicos en ambas muestras de suelo mediante TXRF (Figura 1), se tiene que los elementos químicos fueron más elevados en las muestra PS2 que corresponde a suelos con fuerte intervención antrópica, particularmente los valores más elevados se observaron en el Fe; el aumento de la concentración de estos elementos químicos es debido a la fuerte actividad antrópica, particularmente del uso excesivo de agroquímicos y a la aplicación de abonos orgánicos sin supervisión de su calidad [
En el caso de las determinaciones realizadas por absorción atómica (Figura 2) se observa el mismo comportamiento, encontrándose que los valores más altos se hallaron en el suelo con mayor intervención antrópica y bajo contenido de materia orgánica (PS2). Como se mencionó previamente, el aumento de la concentración de microelementos obedece a un uso excesivo de fertilizantes y a la posible aplicación de abonos orgánicos con residuos de metales pesados por un inadecuado proceso de compostaje.
Los valores de cobre por ambos métodos están por debajo de lo reportado en países de Europa central con alta actividad minera e industrial. [
Para el caso de del Zn, los valores están por debajo del promedio reportado por [
En el caso del Mn, los valores para ambos suelos fueron superiores a los reportados por [
Los resultados obtenidos muestran que la técnica de fluorescencia de rayos X de reflexión total es técnicamente factible para el monitoreo de la presencia de microelementos en suelos, particularmente en zonas con riesgos de contaminación, bien sea por actividad industrial, minera o asociada al uso excesivo de agroquímico. Esta técnica ofrece ventajas comparativas a la absorción atómica por ser más rápida y usar menos cantidad de reactivos, lo cual minimiza los costos y ofrece resultados confiables a corto plazo.
El uso de TRXF resulto eficiente para la cuantificación de Mn y Zn al encontrarse valores similares cuando se cuantificaron por absorción atómica, lo que constituye una alternativa viable para la determinación de microelementos con fines de fertilidad y de metales pesados en suelos, así como evaluar los riesgos de contaminación y su impacto sobre el ecosistema derivados de actividades antrópicas, como la minería, la explotación de hidrocarburos y la agricultura, siendo esta última la principal actividad económica de la depresión de Quíbor.
La cuantificación por TRXF sobreestimó los valores de Cu y Fe, particularmente en los suelos con valores elevados de materia orgánica, como los encontrados en el suelo bajo vegetación natural (PS1) ubicada en la serie de suelo Quíbor, lo que constituye una limitación para la determinación de microelementos en suelos orgánicos, así como aquellos sometidos a un manejo agroecológico a largo plazo basado en el uso de compost, la cual es una práctica agronómica en aumento en la zona.
Los valores más altos de todos los elementos evaluados se encontraron en las muestras de suelo donde se reportó una mayor actividad antrópica, debido al empleo excesivo de agroquímicos y la aplicación de abonos orgánicos sin control alguno, lo cual puede estar conllevando a la contaminación del suelo, por lo que se requiere de una rápida y precisa cuantificación de los mismos que ayudaría a diseñar estrategias de biorremediación y fitorremediación para su eliminación y evitar así los riesgos ambientales y sanitarios por la exposición estos, particularmente en los suelos de la serie Palo Negro, donde los valores de Fe y Mn son superiores a los reportados en otras zonas agrícolas de Latinoamérica, producto ellos de una explotación hortícola intensiva basada en el uso prolongado de agroquímicos.
Los autores agradecen al Consejo de Desarrollo, Humanístico y Tecnológico (CDCHT) por el apoyo logístico y financiamiento a través del Programa de Estímulo a la Investigación (PEILA).
Los autores manifiestan que no existe ningún conflicto de interés, ya sea financiero, profesional o personal que pudiera surgir de la publicación del presente artículo, ya que el financiamiento principal de este trabajo proviene de una institución pública sin fines de lucro: la Universidad Centroccidental Lisandro Alvarado.
Duilio Torres: planteamiento y desarrollo de la investigación, así como el asesoramiento y la revisión del manuscrito.
Lué Merú Marcó: asesor del trabajo de investigación.
Carlos Gómez: colaboración en el desarrollo de metodología.
Yelitza García-Orellana: asesoramiento y revisión del manuscrito.