1. INTRODUCCIÓN

Los denominados microelementos son aquellos que se encuentran a bajas concentraciones en el suelo ^[1] en comparación a los llamados macroelementos principales, como el P, K, Ca y Mg; entre ellos están el Cu, Zn, Mn, Fe, Co y B; si bien estos se encuentran en cantidades pequeñas cumplen funciones importantes para el metabolismo de las plantas; sin embargo, cuando su concentración está en cantidades elevadas en el suelo se constituyen en metales pesados, lo cuales son, en su mayoría, tóxicos ^[2].

Muchos de estos microelementos constituyen la base de fungicidas a base de cobre, que representan hasta un 14 % del total de agroquímicos usados ^[3], lo que puede conllevar a la acumulación de metales pesados en el suelo. En el caso de Zn, Mn y Fe, la deposición inadecuada de desechos sólidos urbanos (DSU) y el uso excesivo de abonos orgánicos sin tratamiento previo pueden llevar a la acumulación de estos metales en el suelo ^[4].

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 ^[5].

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 ^[6].

Los metales pesados pueden contaminar el suelo y el agua, siendo las principales fuentes de contaminación la actividad minera ^[7], riego con agua residuales ^[8], deposición prolongada de residuos, los cuales interactúan en el suelo y pasan al agua por lixiviación, el uso de algunos agroquímicos que contienen estos elementos en su composición y el uso de abonos orgánicos compostados inadecuadamente.

La importancia de los microelementos en la producción vegetal ha sido reportada por ^[9], quienes encontraron un aumento en los rendimientos del tomate (Solanum licopersicum) cuando fue suplementado con diferentes concentraciones de los microelementos Fe, Cu y Zn.

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 ^[10], mientras que el Zn es un activador enzimático ^[9] y el Cu desempeña un papel importante en la fotosíntesis, respiración, desintoxicación de radicales superóxidos y lignificación ^[11].

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 ^[12], problemas hepáticos renales o neurológicos ^[13], es necesario su cuantificación para minimizar el riesgo de las actividades asociada a su presencia, promover actividades mineras y agrícolas sostenibles y proponer acciones de biorremediación.

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 ^[14].

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 ^[15] y en suelos ^[16]. Adicionalmente, en años recientes se han desarrollado técnicas más rápidas y seguras como la fluorescencia de rayo X de reflexión total (TXRF), la cual permite la medición directa de la muestra, reduciendo el uso de extractante y aumentando el rendimiento de la muestra; sin embargo, es necesario estandarizar las mismas con los protocolos existente para la determinación de metales pesados o microelementos en suelos ^[17].

Entre las técnicas analíticas más frecuentemente empleadas para determinar el contenido de microelementos metales pesados se encuentran la espectrometría de masa inducida por plasma ^[18], la espectrometría de emisión atómica inducida por plasma y el análisis por activación neutrónica ^[19].

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, ^[20] afirman que uno de los procedimientos que ha resultado más eficientes y cuyos límites están dentro de los rangos de detección al comparase con muestras certificadas es la fluorescencia de rayos X por energía dispersiva (FRX-ED), la cual es una técnica nuclear no destructiva que permite el análisis multielemental de grandes volúmenes de muestras, de manera independiente del estado físico en que se encuentre y a un costo relativamente bajo.

En este mismo orden de idea, ^[21] señalan que la técnica FRX-ED para la determinación de las concentraciones de Cu, Fe, Mn, Ni y Zn ha sido validada con herramientas estadísticas en muestras de suelos, teniendo como ventaja que la misma no requiere de tratamiento previo en la preparación de los estándares

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. MATERIALES Y MÉTODOS

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 ^[22].

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.

Tabla 1 Características físicas y químicas de suelos bajo estudio 

Nota: F: franco; FL: franco limoso; FAL: franco arcillo limoso, Unidades: arena, limo y arcilla (%); MO (g kg^-1), pH (adimensional); CE (dS m^-1)

Fuente: elaboración propia.

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 ^[23] y ^[24].

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.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

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.

Tabla 2 Valores de microelementos en suelos con alto contenido de materia orgánica y bajo condición natural (PSI) determinado por dos métodos analíticos 

Nota: Muestras analizadas 30; valores de Cu, Mn, Fe y Zn expresados en mg kg^-1 valor de probabilidad usado P<0.05-

Fuente: elaboración propia.

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 ^[24], quienes en suelo mexicanos encontraron valores entre 1.8 y 2.8 mg kg^-1. Cabe destacar que estos autores señalan que el Cu se asocia fuertemente a la materia orgánica debido a su facilidad para formar complejos órgano-minerales, disminuyendo así su biodisponibilidad. Particularmente, los suelos del sitio PS1 poseen un alto contenido de materia orgánica.

Los valores de Mn están por debajo de los reportados por ^[25] en suelos agrícolas, cuyos valores oscilaron entre 20.0 y 79.0 mg kg-1, lo que contradice lo reportado por diversos autores, quienes señalan que en suelos con pH alcalino y alto contenido de carbonatos aumenta la disponibilidad de este elemento, a diferencia de lo proporcionado por estos autores, quienes no encontraron Fe disponible en los sitios muestreados (PS1 y PS2), reportando valores entre 4.26 y 5.31 mg kg^-1.

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).

Tabla 3 Valores de microelementos en suelos con bajo contenido de materia orgánica y fuerte intervención antrópica (PS2) determinados por dos métodos analíticos 

Nota: Muestras analizadas 30; valores de Cu, Mn, Fe y Zn expresados en mg kg^-1 valor de probabilidad usado P<0.05

Fuente: elaboración propia.

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 ^[3].

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 ^[25], quienes no encontraron que Zn estuviese asociado ni a la fracción orgánica ni la de carbonatos en suelos agrícolas mexicanos.

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.

Tabla 4 Porcentaje error al comparar la cuantificación de microelementos por TXRF con espectroscopia de absorción atómica en dos aridisoles contrastante 

Fuente: elaboración propia.

Los resultados son contrarios a los reportados por ^[21], quienes encontraron que, al comparar los valores de Cu, Fe, Mn, Ni y Zn con patrones certificados, estos presentan límites de detección y cuantificación dentro de los criterios de aceptación, con porcentajes de reproducibilidad y repetitividad por debajo del 5 %. En esta investigación, este resultado fue similar para el caso del Mn y Zn, pero difirió en el caso del Cu y el Fe, cuya tasa de error fue superior al 5 %, contradiciendo lo encontrado por estos investigadores, que reportaron que para el Fe el error se encuentra por debajo del 1 %.

La calidad de este método analíticos puede ser interpretado en función de los criterios señalado por ^[26], quien considera que el método es aceptable sí está entre 25 % y 50 %, e inaceptable para la cuantificación si el error supera el 50 %. Para esta investigación resultó excelente para el Mn y el Zn, y aceptable para el Cu y el Fe, según lo anteriormente expuesto.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 ^[3] y ^[4].

Fuente: elaboración propia.

Figura 1 Valores de microelementos en aridisoles contrastante determinados por TRXF 

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.

Fuente: elaboración propia.

Figura 2 Valores de microelementos en aridisoles contrastantes determinados por absorción atómica 

Los valores de cobre por ambos métodos están por debajo de lo reportado en países de Europa central con alta actividad minera e industrial. ^[27] reportan valores de 53.41 mg kg^-1 en Chipre, 41.22 mg kg^-1 en Italia; 33.11 en Malta, 27.97 mg kg^-1 en Grecia, 27.71 mg kg^-1 en Bulgaria y 23.38 mg kg^-1 en Rumania. La mayor concentración de cobre en Chipre está relacionada con la actividad minera ^[28]; asimismo, la aplicación de fungicidas y el uso de estiércoles está asociada a la contaminación por cobre.

Para el caso de del Zn, los valores están por debajo del promedio reportado por ^[20] en suelos agrícolas (140 mg kg¹), de las normas de regulación holandesa (700 mg kg^-1) y el límite permitido en suelo (300 mg kg^-1). Respecto al Fe, los valores fueron similares, incluso en la muestra PSI, con 6.33 mg kg^-1, superando al valor encontrado por ^[20] en suelos contaminados cubanos con 5.95 mg kg^-1.

En el caso del Mn, los valores para ambos suelos fueron superiores a los reportados por ^[29], quienes encontraron valores entre 0.5 y 1.2 mg kg^-1 en 3 regiones agrícolas del Perú dedicadas a la siembra de cacao (Teobroma cacao); sin embargo, los valores encontrados no fueron considerados fitotóxicos. Estos autores señalan que las variaciones estuvieron asociadas al contenido de arcilla y pH. Se ha reportado que el contenido de Mn es mayor en suelos con alto contenido de CaCO₃ como ocurre en la mayoría de los aridisoles.

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.

4. CONCLUSIONES

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.