FITORREMEDIACIÓN IN SITU PARA LA RECUPERACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS (PLOMO Y CADMIO) Y EVALUACIÓN DE SELENIO EN LA FINCA FURATENA ALTA EN EL MUNICIPIO DE ÚTICA (CUNDINAMARCA)

Autora: JOHANNA KATERIN CORDERO CASALLAS cod.064072048

Directora: Ingrid Alexandra Rivera Díaz Ingeniera Agrícola M.Sc.

UNIVERSIDAD LIBRE Facultad de Ingeniería Ingeniería Ambiental Bogotá 2015

CONTENIDO

Pág

1. INTRODUCCIÓN

13

2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

14

3. JUSTIFICACIÓN

16

4. OBJETIVO 4.1

Objetivo general

17

4.2

Objetivo específico

17

5. MARCO REFERENCIAL

18

5.1

Marco de antecedentes

18

5.2

Marco de teórico

20

5.2.1

Metales pesados

20

5.2.2

Cadmio

20

5.2.3

Plomo

5.2.4

Cromo

22

5.2.5

Mercurio

22

5.2.6

Selenio

23

5.2.7

Fitorremediación

24

5.2.8

Fitoextracción

24

21

2

5.3

Marco conceptual

25

5.3.1

Suelo

25

5.3.2

Contaminación

25

5.3.3

Suelo contaminado

25

5.3.4

Toxicidad

26

5.3.5

Biorremediación

26

5.3.6

In situ

26

5.3.7

Forraje

26

5.3.8

Absorción

26

5.3.9

Volatilización

27

5.3.10 Tolerancia

27

5.3.11 Remoción

27

5.3.12 Recuperación

27

5.4

MARCO LEGAL

27

5.5

MARCO GEOGRAFICO

29

6. DISEÑO METODOLÓGICO

32

6.1

Fase 1

32

6.1.1

Recopilación y revisión de documentación e información secundaria

32

6.2

Fase 2

32

6.2.1

Ubicación y reconocimiento de zona de estudio

32

6.2.2

Toma de muestra de suelo inicial

34

6.2.3

Análisis de esta primera muestra de suelo

39

3

6.2.3.1

Análisis físicos

39

6.2.3.2

Análisis químicos

40

6.2.3.3

Realización de siembra

40

6.3

Fase 3

42

6.3.1

Tomas de muestreo en la zona de estudio

42

6.3.2

Medición

42

6.4

Fase 4

42

6.4.1

Evaluación y análisis de resultados

42

7. RESULTADOS Y DISCUCIÓN

43

7.1

Clase textural y color

43

7.2

Porcentaje de humedad

44

7.3

Porosidad

45

7.4

pH

45

7.5

Conductividad

46

7.6

Porcentaje de Carbono orgánico

47

7.7

Nitrógeno total

48

7.8 7.9 7.10

Capacidad de intercambio catiónico Bases intercambiables

49 49

Contenido de elementos menores

50

7.10.1 Zinc

50

7.10.2 Cobre

52

4

7.10.3 Manganeso

53

7.10.4 Hierro

54

7.11

55

Metales pesados

7.11.1 Cromo

56

7.11.2 Cadmio

57

7.11.3 Plomo

58

7.11.4 Mercurio

60

7.11.5 Selenio

60

7.12

Porcentaje de germinación

61

7.13

Muestreo control

62

7.13.1 pH

63

7.14

64

Muestreo final

7.14.1 pH

65

7.15

66

Resultados compilación de muestreos de metales pesados

7.15.1 Cadmio

66

7.15.2 Plomo

70

7.16

74

Diseño experimental

7.16.1 pH

74

7.16.2 Cadmio

76

7.16.3 Plomo

80

8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

83

8.1

83

Conclusiones 5

8.2

Recomendaciones

85

9. BIBLIOGRAFÍA

86

6

LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1. Descripción de normatividad aplicable

28

Tabla 2. Determinación de color y textura obtenidos del muestreo inicial de suelos

43

Tabla 3. Determinación de relaciones entre magnesio, calcio y potasio

49

Tabla 4.Compilación bloques completos del muestreo de pH en el suelo

74

Tabla 5.Resultados prueba ANOVA del muestreo para pHen el suelo

75

Tabla 6.Resultados prueba Tukey para el muestreo de pH en el suelo

76

Tabla 7.Compilación bloques completos del muestreo control para cadmio

76

Tabla 8.Resultados prueba ANOVA del muestreo control para cadmio

76

Tabla 9.Resultados prueba Tukey para el muestreo control para cadmio

77

Tabla 10.Compilación bloques completos muestreo final para cadmio

78

Tabla 11.Resultados prueba ANOVA para el muestreo final para cadmio

78

Tabla 12.Resultados prueba Tukey para el muestreo final para cadmio

79

Tabla 13.Compilación bloques completos del muestreo control para plomo

80

Tabla 14.Resultados prueba ANOVA del muestreo control para plomo

80

Tabla 15.Compilación bloques completos muestreo final para plomo

81

Tabla 16.Resultados prueba ANOVA para el muestreo final para plomo

82

7

LISTA DE GRÁFICOS Pág Gráfica 1. Proceso general de fitoextracción

25

Gráfica 2. Mapa ubicación del municipio de Útica

30

Gráfica 3. Adaptado de Útica, Cundinamarca

31

Gráfica 4. Punto de muestreo de la finca Furatena Alta Útica, Cundinamarca

35

Gráfica 5. Comportamiento del porcentaje de humedad en los diferentes lotes

44

Gráfica 6. Descripción porcentaje de porosidad de los diferenes lotes

45

Gráfica 7. Comportamiento del pH en los diferentes lotes

45

Gráfica 8. Comportamiento de conductividad en los diferentes lotes

46

Gráfica 9. Comportamiento del porcentaje de carbono orgánico en los diferentes lotes

47

Gráfica 10. Comportamiento del nitrógeno total en los diferentes lotes

48

Gráfica 11. Comportamiento capacidad de intercambio catiónico en los diferentes lotes 49 Gráfica 12. Concentración de zinc encontrado en los tres lotes

50

Gráfica 13. Concentración de zinc en material vegetal en los diferentes lotes

51

Gráfica 14. Concentración de cobre en suelo en los diferentes lotes

52

Gráfica 15. Concentración de cobre en material vegetal en los diferentes lotes

53

Gráfica 16. Concentración de manganeso en suelo en los diferentes lotes

53

Gráfica 17. Concentración de manganeso en material vegetal en los diferentes lotes

54

Gráfica 18. Concentración de hierro en suelo en los diferentes lotes

54

Gráfica 19. Concentración de hierro en material vegetal en los diferentes lotes

55

Gráfica 20. Concentración de cromo en suelo en los diferentes lotes

56

Gráfica 21. Concentración de cadmio en suelo en los diferentes lotes

57

Gráfica 22. Concentración de cadmio en material vegetal en los diferentes lotes

58

Gráfica 23. Concentración de plomo en suelo en los diferentes lotes 8

59

Gráfica 24. Concentración de plomo en suelo en los diferentes lotes

60

Gráfica 25. Concentración de mercurio en suelo en los diferentes lotes

60

Gráfica 26. Concentración de selenio en suelo en los diferentes lotes

61

Gráfica 27. Porcentaje de germinación de las diferentes semillas

61

Gráfica 28. pH en suelo en los diferentes lotes

63

Gráfica 29. pH en suelo en los diferentes lotes

65

Gráfica 30. Concentración de cadmio en el lote la Laguna

66

Gráfica 31. Concentración de cadmio en el lote el Churrusco

67

Gráfica 32. Concentración de cadmio en el lote el Plan

67

Gráfica 33. Concentración de cadmio en el material vegetal en los tres lotes

68

Gráfica 34. Porcentaje de remoción de Cadmio en los tres puntos de muestreo

69

Gráfica 35. Concentración de plomo en el lote la Laguna

70

Gráfica 36. Concentración de plomo en el lote el Churrusco

70

Gráfica 37. Concentración de plomo en el lote el Plan

71

Gráfica 38. Concentración de plomo en el material vegetal de los lotes

72

Gráfica 39. Porcentaje de remoción de plomo en los tres puntos de muestreo

73

Gráfica 40. Concentración promedio de pH en suelo con respecto a cada muestreo

74

Gráfica 41. Concentración promedio de cadmio con respecto a cada uno de los tratamientos en el muestreo control

76

Gráfica 42. Concentración promedio de cadmio con respecto a cada uno de los tratamientos en el muestreo final

78

Gráfica 43. Concentración promedio de plomo con respecto a cada uno de los tratamientos en el muestreo control 80

9

Gráfica 44. Concentración promedio de plomo con respecto a cada uno de los tratamientos en el muestreo final 81

10

LISTA DE FOTOGRAFIAS Pág Fotografía 1. Ganado perteneciente a la finca Furatenaalta

27

Fotografía 2. Vista panorámica de la finca Furatena Alta

29

Fotografía 3. Sendero ingreso a la finca Furatena Alta.

30

Fotografía 4. Primer lote seleccionado de la finca Furatena Alta

30

Fotografia 5. Segundo lote seleccionado el Churrusco de la finca Furatena Alta

31

Fotografía 6. Tercer lote seleccionado el Plan de la finca furatena alta

31

Fotografia 7. Retiro de la cobertura vegetal en la Laguna

32

Fotografia 8. Corte del suelo en forma de V en la Laguna Alta

33

Fotografia 9. Conformación de la muestra de suelo en la Laguna.

33

Fotografia 10. Retiro cobertura vegetal en el Churrusco.

34

Fotografia 11. Corte en V en el Churrusco.

34

Fotografia 12. Zona donde se realizo el muestreo en el Plan

35

Fotografia 13. Corte en V en el Plan.

35

Grafico 4. Punto de muestreo de la finca Furatena Alta Útica, Cundinamarca

39

Fotografia 12. Retiro de malezas y labranza superficial de tipo manual azadón

39

Fotografia 13. Distribución de semillas y riego.

40

Fotografia 14. Diferentes especies sembradas en el primer lote (Brachiaradecumbens, Mombasa y combinación de especies) 60 Fotografia 15. Diferentes especies sembradas en el segundo lote (Brachiaradecumbens, Mombasa y combinación de especies) 61 Fotografia 16. Diferentes especies sembradas en el tercer lote (Brachiaradecumbens, Mombasa y combinación de especies). 11

61

Fotografia 17. Diferentes especies sembradas en el primer lote (Brachiaradecumbens, Mombasa y combinación de especies). 63 Fotografia 18. Diferentes especies sembradas en el segundo lote (Brachiaradecumbens, Mombasa y combinación de especies) 63 Fotografia 19. Diferentes especies sembradas en el tercer lote

12

63

1. INTRODUCCIÓN La contaminación de suelos es un tema que debe ser estudiado de forma indefinida con el fin de desarrollar soluciones en pro de mejorar las condiciones del medio ambiente. El impacto y el nivel de deterioro de estos tipos de suelo para uso agrícola y ganadería arraiga el uso de metodologías las cuales permitan que en un periodo relativamente corto se mejore la calidad de este y de igual forma se reduzcan los niveles de contaminación del mismo. Para la selección de una alternativa de descontaminación se hace necesario que esta preserve la estructura física y las propiedades biológicas del suelo, además de tener en cuenta el tipo de contaminación al que se enfrenta; y las condiciones del suelo y la zona en general. En este estudio se hace referencia a niveles tóxicos de metales pesados los cuales están generando impacto en la etapa de desarrollo de especies y la fertilidad de las mismas en las actividades desarrolladas en la zona de estudio como son la agricultura y la ganadería; además que también pueden estar perjudicando indirectamente la salud humana. Dentro de las metodologías existentes se tiene la fitorremediación el cual es un método que aprovecha las capacidades de las plantas para la reducción de contaminantes en suelo(CARPENA & BERNAL, 2007). La finalidad de este estudio se enfoca en realizar una evaluación de las condiciones del suelo en general sabiendo de ante mano que la zona determinada para el estudio se ubica como selenifera. Además se busca establecer a que elementos contaminantes se deben tratar y por ultimo determinar la capacidad de reducción de metales pesados realizado por las diferentes especies empleadas para este fin. En síntesis el estudio se desarrolló en una finca donde se seleccionaron tres lotes a diferente distancia de una quebrada en cercanía a la finca de nombre Agua Puerca (Desemboca en el rio Negro, aguas abajo del sector urbano en límite con el municipio de Guaduas y se encuentra margen izquierda de este); en donde se determinó las concentraciones de los contaminantes de plomo, cadmio, cromo, mercurio y selenio de los suelos por separado para establecer si había diferencia en la concentración de los elementos contaminantes en el suelo de la zona; y a continuación se realizó el tratamiento de los mismos en donde se empleó la fitorremediación como estrategia de recuperación de suelos evaluando su eficacia para la remoción de elementos contaminantes. Para lo anterior se manejaron dos especies de gramíneas de nombre BrachiariaDecumbens y Mombasa buscando determinar cuál de las dos era más conveniente utilizar en la zona por su capacidad de remoción y acumulación de estos elementos tóxicos en sus tejidos.

13

2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA En Colombia se han determinado zonas contaminadas con diferentes elementos entre los que se encuentran los metales pesados como cadmio, plomo, cromo, mercurio, selenio, entre otros que tienen consecuencias negativas para el ambiente. Uno de los casos se encuentra el municipio de Útica - Cundinamarca, específicamente en la finca Furatena Alta; en donde se han encontrado un alto contenido de metales pesados en el interior de sus suelos, los cuales están generando efectos negativos en la producción agrícola y ganadera. Los altos niveles de metales pesados presentes en suelos y agua, utilizada para riego agrícola radican principalmente, que pueden ser acumulados en estos sistemas de suma importancia para la agricultura. Por su carácter no biodegradable, la toxicidad que ejercen sobre los diferentes cultivos y su biodisponibilidad, pueden resultar peligrosos. Cuando el contenido de metales pesados en el suelo alcanzanniveles que rebasan los límites máximos permitidos causan efectos inmediatos como inhibición del crecimiento normal y el desarrollo de las plantas, y un disturbio funcional en otros componentes del ambiente así como la disminución de las poblaciones microbianas del suelo. Por otra parte, pueden ser absorbidos por las plantas y así incorporarse a las cadenas tróficas; pueden pasar a la atmósfera por volatilización y pueden ser movilizados a las aguas superficiales o subterráneas(PRIETO MÉNDEZ, GONZÁLES RAMIREZ, RÓMAN GUTIERREZ, & PRIETO GARCIA, 2009). Con respecto al municipio de Útica se tiene conocimiento de que sus suelos se caracterizan por un alto contenido de selenio hecho que acarrea consecuencias negativas para la salud humana y animal. Para el caso de los animales se sabe que si se dan niveles superiores de concentración de selenio de 0,5 ppm en la alimentación del ganado puede causar enfermedades como intoxicaciones crónicas; caracterizadas por enflaquecimiento, pelo áspero y perdida de pelo; además crecimiento alargado de las pezuñas, rigidez, cojera, atrofia del corazón y cirrosis hepática (PACHON, TOVAR, URBINA, & MARTINEZ, 2005). La ingesta de selenio por el hombre va directamente asociada con la cantidad y la frecuencia con que se ingiere este elemento a través de los alimentos o el agua. Los problemas clínicos que van asociados directamente con el consumo de este elemento en concentraciones elevadas causan síntomas de selenosis crónica que aparecen cuando las concentraciones de dicho elemento presente en los alimentos son de 10 a 200 veces más elevadas que las normales (55 mcg/día para adultos). Entre las enfermedades que puede causar la toxicidad de este elemento en el ser humano se encuentran: dermatitis, simantología cardiaca, hepática y gastrointestinal, edema pulmonar, la caries, entre otras. (MARTINEZ ECHAVARRIA, 1992) La exposición al nivel local del ser humano a un elemento como el mercurio ocasiona irritación de la piel, mucosa y es sensibilizante de la piel. La exposición generalizada al 14

mercurio en casos de intoxicaciones agudas fuertes, produce una intensa irritación en las vías respiratorias, es productor de bronquitis, neumonías, bronqueolitis, y otras enfermedades respiratorias. En intoxicaciones crónicas y a dosis bajas produce debilidad, pérdida de peso, diarrea, inflamación de encías, fatiga, sabor metálico, insomnio, e indigestión. En intoxicaciones crónicas y a dosis altas produce: irritabilidad, alucinaciones, llanto, excitabilidad, depresiones, tristeza, psicosis, crisis. En casos de exposición a altas dosis en forma oral, colapsa el aparato digestivo, siendo mortal en horas(PERÉS VAZQUEZ, 2011). El cadmio es un metal sumamente tóxico, además de cancerígeno. En madres expuestas al Cadmio produce serias afecciones con lesiones para el embarazo, presencia de proteína en la orina, irritación gastrointestinal, náuseas, vómitos y dolor. La intoxicación crónica causa severos daños renales, debido a que este elemento se acumula en los riñones. Además disminuye la actividad pulmonar, produciendo enfisema, y cáncer pulmonar(PERÉS VAZQUEZ, 2011). Los síntomas precoces por la ingesta de plomo son: fatiga, dolores de cabeza, dolores óseos, dolores abdominales, trastornos del sueño, dolores musculares, impotencia, trastornos de conducta, y otros. Síntomas avanzados: anemia, cólicos intestinales, náuseas y vómitos, enfermedad renal, impotencia sexual, delirio, esterilidad, daños al feto, hipertensión arterial, estreñimiento agudo, afectación de los nervios, enfermedad ósea, problemas de cáncer y muerte(PERÉS VAZQUEZ, 2011). Las afecciones locales del cromo son: sobre la piel causan dermatitis, sensibilización de la piel, es irritante de la piel y mucosas afecciones generales: produce tos, bronquitis crónica, ulceraciones del tabique nasal y piel, dolores respiratorios y de cabeza, hemorragia nasal, dermatitis aguda(PERÉS VAZQUEZ, 2011). Por otro lado es vital tener en cuenta que aunque en la zona se evidencia la afectación de un metal como el selenio, también cabe la posibilidad de que este no sea el elemento contaminante que cause las afectaciones por lo que se puede encontrar algún otro elemento que sea el causante de la problemática presentada que va asociada a la salud humana y animal. Por último es importante resaltar que las problemáticas ambientales generadas por lo toxico que pueden ser algunos elementos al ingresar al ambiente ponen en riesgo la calidad de vida de la comunidad y su actividad productiva (COSTA & LOPEZ LAFUENTE, 2007).

15

3. JUSTIFICACIÓN La contaminación por metales pesados se debe manejar ya que estos elementos pueden quedar retenidos por procesos de adsorción, de complejación y de precipitación, ser absorbidos por las plantas y así incorporarse a las cadenas tróficas. También pueden pasar a la atmosfera por volatilización y movilizarse a las aguas superficiales y subterráneas; y causar impactos negativos en el medio ambiente, la salud humana y animal.(LORA SILVA & BONILLA GUTIERREZ, 2010). Una opción que permite mitigar la contaminación por metales pesados es la fitorremediación la cual es una estrategia dentro de la biorremediación que se enfoca en el uso de especies vegetales y la capacidad de ellas de absorber, acumular y tolerar altas concentraciones de sustancias contaminantes. Por medio del sistema de interacción sueloplanta se busca extraer el elemento selenio u otro metal determinando como disminuir su contenido en este tipo de suelos, buscando minimizar el impacto causado por este mineral y por tanto el riesgo que genera a esta población y a su producción agrícola (CARTES INDO, 2005). Para lo anterior se propuso evaluar una estrategia como la fitorremediación in situ la cual es una alternativa que por medio de absorción por parte de las plantas y su capacidad de concentrar dichos elementos en las hojas permita disminuir el contenido de metales pesados presentes en el suelo y así mitigar problemáticas posteriores generadas por la contaminación de estos elementos. La importancia de la recuperación de estos suelos radica en que son una fuente de producción agrícola y avícola; y su producción se está viendo afectada por la intromisión de elementos como los metales pesados que disminuyen la calidad de los productos generados de las actividades económicas desarrolladas en la zona.

16

4. OBJETIVO

7.5

Objetivo general: Evaluar la fitorremediación in situ como estrategia en la recuperación de suelos contaminados por selenio u otros metales pesados en la finca Furatena alta en el municipio de Útica-Cundinamarca

7.6

Objetivo específico: Determinar el nivel de concentración de selenio u otros metales en suelo de la finca furatena alta en el municipio de Útica-Cundinamarca y su posibilidad como agente contaminante en esta zona. Evaluar la eficacia de la fitorremediación in situ para la remoción de elementos contaminantes (metales pesados) en suelos de la finca Furatena alta en el municipio de Útica-Cundinamarca.

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8

MARCO REFERENCIAL

5.1 Marco de antecedentes: En España en estudios realizados en el 2001 por la universidad de Santiago de Compostela se realizó un análisis de la problemática del selenio en suelos contaminados del Estado de California (EE. UU.), y se reveló que por medio de la capacidad de bioacumulación es decirla absorción por parte de las plantas acuáticas y de volatilización de Se por parte de las plantas y microorganismos se logró disminuir la concentración de Se. Tiempo después de haber estudiado varias especies vegetales se logró determinar que la Brassicajunceaes una planta capaz de acumular Se y además de tolerar salinidad, aunque cabe resaltar que lo extraído por las plantas fue