MAPEO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS CONTAMINADAS POR NITRATOS Y BACTERIAS EN EL ESTADO DE YUCATÁN, MÉXICO. Armando Cabrera1 ; Julia Pacheco1,2, Javier Frías1 , José Ramírez1 ; Manuel Ramírez1 1

Coordinación Académica de Ingeniería Ambiental, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Yucatán. 1 Avenida Industrias no Contaminantes por Anillo Periférico Norte, Mérida Yucatán, México. Tel. (999) 9410191 ext. 129; Fax (999) 9410189 E-mail: [email protected]. 2 Universidad Nacional Autónoma de México. Instituto de Geofísica, Circuito Exterior, Ciudad Universitaria, C.P. 04510 México D. F.

RESUMEN El acuífero del estado de Yucatán, es altamente vulnerable a todo tipo de contaminación. El contaminante más común en el agua subterránea, es el nitrato, debido a su estabilidad química. Su presencia en concentraciones mayores a 45 mg/l es potencialmente peligrosa, ya que puede causar metahemoglobinemia infantil y posibles desarrollos de cáncer. Asimismo, las enfermedades gastrointestinales causadas por bacterias patógenas, constituyen un problema de salud pública en especial en niños menores de un año. Para conocer el grado y extensión de la contaminación por nitratos y bacterias en el agua subterránea, se seleccionaron 112 pozos. Los resultados mostraron que las concentraciones de nitratos y coliformes fecales tuvieron una gran variación, que su distribución sigue de manera general la dirección preferencial del flujo regional y que respecto a la profundidad, su comportamiento es inverso. Asimismo, la concentración de estos contaminantes se relaciona de manera directa con los diferentes usos del suelo. INTRODUCCIÓN La concentración de nitratos y bacterias coliformes fecales en el agua subterránea, típicamente muestran una variabilidad significativa en muchas direcciones: con la profundidad, con la ubicación espacial y con las actividades humanas que se desarrollan y a menudo, esas variaciones están relacionadas. El reconocimiento de esta variabilidad es importante para entender la extensión del problema y diseñar programas para mitigarlo. No es fácil conocer la ocurrencia y distribución de nitratos y coliformes fecales para una región; sin embargo, para el estado de Yucatán, el tamaño de la región y la poca diversidad en el uso del suelo así como en el clima y la hidrogeología, hacen factible tal propósito. Diversos estudios acerca de la contaminación por nitratos en aguas subterráneas, han mostrado que generalmente existe una relación inversa entre las concentraciones de nitratos y la profundidad por debajo de la superficie o por debajo del nivel freático (Freeze and Cherry, 1979; Libra et al., 1990; Ritter y Chirnside, 1984). Esta relación puede considerarse en función del tiempo y de las actividades, por ejemplo, en muchas áreas este tipo de contaminación data de hace algunas décadas cuando el empleo de fertilizantes nitrogenados se incrementó como una consecuencia al incremento de la producción agrícola. En muchos acuíferos, las tasas de transporte vertical y lateral son bajas y los solutos derivados de la superficie, como es el caso de los nitratos, pueden acumularse en la porción superior del acuífero con un movimiento gradual lento hacia abajo por difusión o dispersión hidrodinámica.

Algunos aspectos de la variabilidad espacial son los relacionados con los usos de la tierra, que de manera implícita involucran las diferentes cargas de Nitrógeno al subsuelo a través de las principales actividades antropogénicas que se desarrollan en cada área. Así, los problemas de contaminación por nitratos y bacterias en pozos rurales, han sido atribuidos a sistemas sépticos inapropiados, mala construcción o ubicación de los pozos y otros problemas locales como es el uso de fertilizantes o la cría de animales (Walker, 1973). Asimismo, el desarrollo de unidades intensivas de cría de animales, ganado vacuno y porcícola, ha generado problemas muy localizados debido a que el volumen de excreta generado es mayor que el utilizado en otras actividades. Esta situación es de importancia en lugares en los que se tienen suelos con buen drenaje, porque se facilita la lixiviación del nitrato hacia el nivel freático. Aún cuando se pueden distinguir claramente las fuentes locales (puntuales) para una región determinada, frecuentemente estas fuentes no pueden explicar la amplia contaminación regional por nitratos que ocurre en un acuífero (Hallberg, 1989).

METODOLOGÍA Descripción del área de estudio De los 106 municipios que existen en Yucatán, se tomaron como base los 40 municipios muestreados en el proyecto “Impacto del uso del suelo en la concentración de nitratos del agua subterránea en el estado de Yucatán” y se completaron los datos con un muestreo realizado en los meses de junio a septiembre de 2000, como parte del proyecto “Determinación y prueba de un índice de contaminación por nitratos en el acuífero cárstico de Yucatán”. En total, se tienen datos de pozos profundos utilizados con fines de abastecimiento a la población de 92 municipios (87%) y los correspondientes a 55 pozos someros (52%). Cabe mencionar que en las poblaciones rurales del estado de Yucatán es cada día más difícil encontrar pozos someros en uso, ya que el gobierno del estado, como parte de sus programas ha procurado dotar a cada una de las poblaciones con un sistema de abastecimiento consistente en un pozo profundo de aproximadamente 50 metros y de los cuales se extrae el agua a una profundidad de aproximadamente 20 metros por debajo del nivel freático, por lo que los pozos someros ya no se usan para fines de abastecimiento, algunos son usados para riego, en actividades recreativas y ocasionalmente cuando el sistema de abastecimiento tiene alguna falla. Métodos de campo Se ubicaron geográficamente los pozos de muestreo correspondientes a ambos proyectos, con la finalidad de lograr una distribución espacial precisa de las concentraciones de nitratos y coliformes fecales; para esto, se utilizó una estación de posicionamiento (GPS) y se realizaron, en donde fue posible, mediciones de profundidad al nivel freático con un medidor de nivel. Las muestras para las determinaciones de nitratos fueron preservadas con ácido sulfúrico, ya que los lugares de muestreo por lo general distaban del laboratorio; la densidad de organismos coliformes fecales se determinó mediante la siembra en campo, ya que se dispuso de incubadoras bacteriológicas de campo, con lo que se minimizó el error por el manejo de la muestra (APHA, AWWA, WEF, 1992).

Métodos de laboratorio Las determinaciones de nitratos se hicieron en el laboratorio siguiendo la técnica de espectrofotometría de luz ultravioleta. El control de calidad para los resultados analíticos de las concentraciones de nitratos se hizo con base en los valores del porcentaje de error iónico, el cual fue fijado en 10%, de acuerdo a los métodos establecido para análisis de aguas (APHA, AWWA, WEF, 1992).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Distribución de nitratos y coliformes fecales respecto a la profundidad de extracción del agua en el pozo. El amplio rango de valores observados para los resultados de estos contaminantes, mostraron distribuciones multimodales más que normales, por lo que el uso de la mediana y otras técnicas estadísticas “no paramétricas” son más apropiadas (Jhonson y Wichern, 1982). Los datos de nitratos y bacterias coliformes fecales obtenidos en las aguas de los pozos someros (a nivel freático) y los pozos profundos (20 metros por debajo del nivel freático), muestran esta relación. Esta tendencia de la distribución es típica para los contaminantes del agua subterránea derivados de la superficie terrestre, tal como es el caso de los nitratos y las bacterias coliformes fecales (Figs. 1 y 2).

Figura 1. Distribución de nitratos en pozos someros y profundos.

Figura 2. Distribución de organismos coliformes fecales en pozos someros y profundos.

Variabilidad espacial y distribución respecto a la profundidad del nivel freático. Uno de los factores que se cree que controla la relación entre la profundidad y las concentraciones de nitratos, es la profundidad al nivel freático, la cual está directamente relacionada con el espesor de la zona insaturada y las propiedades de los suelos y del material geológico superficial. Las características de estos materiales inciden directamente en los procesos de atenuación de la contaminación. En regiones en donde la zona insaturada es de espesor variable, esta relación con la profundidad puede reflejarse en las variaciones espaciales, debido principalmente a las diferentes tasas de transmisión de agua de recarga y nitratos al acuífero. Sin embargo, en áreas cársticas en las que el desarrollo del carst ha afectado el acuífero carbonatado mediante el desarrollo de fracturas, cavidades y conductos de disolución, tal comportamiento puede no ser proporcional, ya que la ocurrencia de tales manifestaciones cársticas es azarosa. El estado de Yucatán, es una planicie con abundantes manifestaciones cársticas que impiden que los procesos de atenuación tengan efecto, aún en las áreas en donde se tienen los mayores espesores de la zona insaturada, dando por resultado una contaminación por nitratos de naturaleza difusa y extendida, que no tiene alguna relación

con la profundidad al nivel freático (Figs. 3 y 4). De igual manera, la contaminación bacteriológica por organismos coliformes fecales es independiente de la profundidad al nivel freático y para algunas áreas, como es el caso del área costera, el comportamiento de la contaminación es contrario a lo que sucede en regiones en las que la zona insaturada toma un papel determinante en los procesos de atenuación para la contaminación bacteriológica(Fig. 5).

Figura 3. Distribución de profundidades al nivel freático (metros) en el estado de Yucatán.

Figura 4. Distribución de nitratos (mg/l) en pozos someros del estado de Yucatán.

Figura 5. Distribución de densidades de coliformes fecales (UFC/100 ml) en pozos someros del estado de Yucatán. Debido a que la interpretación gráfica puede ser difícil de interpretar, se utilizó la técnica estadística no paramétrica de Kruskal-Wallis (Jhonson y Wichern, 1982) con un nivel de significancia de 0.05, para probar que no existe diferencia significativa entre las concentraciones promedio del nitrato con respecto a la profundidad del nivel freático en los pozos estudiados. Para esto, se consideraron los datos distribuidos en tres muestras en función de la profundidad al nivel freático; en la primera, se consideró el nivel de 0.0 a 10.0 metros; en la segunda de 10.1 a 20.0 metros y para la tercera, de 20.1 a 30 metros; y se formuló la siguiente hipótesis nula: “no existe diferencia estadística significativa entre las concentraciones promedio de nitratos en el agua subterránea con respecto a las profundidades al nivel freático", esto es, respecto al espesor de la zona insaturada. El resultado de la prueba estadística nos llevó a aceptar la hipótesis nula planteada y concluir con un 99% de nivel de confianza, que no existe diferencia significativa entre las concentraciones promedio de nitratos con relación al espesor de la zona insaturada, lo que nos condujo a apoyar la interpretación gráfica de que la contaminación por nitratos y bacterias coliformes fecales en el agua subterránea del estado de Yucatán, se debe a la distribución azarosa de la presencia de fracturas, cavidades y conductos de disolución en la región. También cabe mencionar, que en la zona costera la ausencia de coliformes fecales, es debido a las costumbres de clorar directamente las fuentes de abastecimiento somero.

Variabilidad espacial de las concentraciones de nitratos en pozos profundos. Para el estado de Yucatán, el mapeo de las concentraciones de nitratos en pozos profundos de aproximadamente 50 metros, en los cuales el agua se extrae a 20 metros por debajo del nivel freático, mostró una configuración en la que se observó una contaminación regional con valores desde prácticamente cero hasta aproximadamente 130 mg/l. Asimismo, las mayores concentraciones de nitratos se tuvieron en el agua que subyacen áreas en donde se desarrollan actividades antropogénicas como la agricultura, la porcicultura y la ganadería. Las

concentraciones más altas se determinaron para la región sur del estado, área correspondiente a la zona con la mayor actividad agrícola del estado, lo que indica que la agricultura es la fuente de nitratos que puede contribuir de manera significativa a la contaminación regional difusa, más que otras fuentes puntuales en las que el efecto puede notarse a nivel freático. Aún cuando la dirección preferencial del flujo regional para el estado de Yucatán es de sureste a noroeste, la configuración para la contaminación por nitratos mostró una tendencia general decreciente en dirección hacia la costa (Fig. 6).

Figura 6. Distribución regional de la contaminación por nitratos en pozos profundos del estado de Yucatán.

CONCLUSIONES La presencia de coliformes fecales en las aguas de los pozos someros, mostró que la mayoría está contaminada con materia fecal; no así los pozos profundos, en los que se mostró una mínima presencia de esta contaminación. La presencia de coliformes fecales en estos pozos, es debida probablemente a la ruptura de los ademes o a que el agua es extraída a menor profundidad. No existen procesos de atenuación para los nitratos y bacterias coliformes fecales en el área de estudio, dando por resultado una contaminación por nitratos de naturaleza difusa y extendida. Las concentraciones de nitratos y coliformes fecales no tienen relación directa con la profundidad al nivel freático. La prueba estadística de Kruskal-Wallis, confirmó que no existe diferencia estadísticamente significativa entre las concentraciones promedio de nitratos con relación al espesor de la zona insaturada.

La concentración de nitratos en los pozos profundos mostró una contaminación regional con valores desde prácticamente cero hasta 130 mg/l. Además, se observó que las concentraciones más altas de nitratos correspondieron a las áreas en las que se desarrollan actividades antropogénicas como la agricultura, la ganadería y la porcicultura.

AGRADECIMIENTOS Al CONACYT, por el financiamiento de los proyectos: "Impacto del uso del suelo en las concentraciones de nitratos del agua subterránea del estado de Yucatán", Clave A910736 y "Determinación y prueba de un índice de contaminación por nitratos en el acuífero cárstico de Yucatán", Clave 27912T. Al Sistema de Investigación Regional Justo Sierra del CONACyT, por el financiamiento económico para la realización del proyecto "Delimitación de una zona de reserva hidrogeológica para el abastecimiento de agua potable a la ciudad de Mérida, Yucatán", Clave 980607. J. Pacheco, agradece al CONACYT, la beca otorgada para la realización de estudios de doctorado y a los participantes en el proyecto por el trabajo realizado.

REFERENCIAS

APHA, AWWA, WEF. (1992) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 18 th. edition. Clesveri L.S., Eaton A.D. y A.E. Greenberg (Eds.) Washington, D.C. USA. Freeze, R.A., Cherry, J.A. (1979) Groundwater. Prentice-Hall, Inc. New Jersey, USA. Hallberg, G.R., 1986, Overview of Agricultural Chemicals in Ground water., in Proceedings of the Conference on Agricultural Impacts on Ground Water., National Water Well Association, Dublin, Ohio, 1-63 pp. Jhonson, R.A., Wichern, D.W. (1982) Applied Multivariate Statistical Analysis. Prentice-Hall Libra, R.D., Hallberg, G.R., Hoyer, B.E. (1990) Impact of agricultural chemicals on ground water quality in Iowa, in Ground Water Quality and Agricultural Practices. Deborah M. Fairchild. Lewis Publishers. 185-215 pp. Ritter, W.F., and Chirnside, A.E.M., 1984, Impact of land use on ground-water quality in Southern Delaware: Gound Water, v. 22, no, 1, 38-47 pp. Walker, W.H., 1973, Ground-water nitrate pollution in rural areas: Ground Water, v. 11, no. 5, 19-22 pp.