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PREVENCIÓN Y CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN DEL SUELO

 

El propósito de la inclusión de este tema en el marco del análisis de las variables a considerar al establecer una política para el desarrollo de sistemas integrales de gestión de residuos sólidos, es proporcionar elementos conceptuales y criterios para proteger los suelos al disponer en ellos los residuos, evaluar los riesgos derivados de su contaminación e identificar opciones para su restauración.

 

CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL SUELO

 

DEFINICIÓN

El suelo puede ser definido como la parte de la tierra no sumergida en el agua, compuesta por partículas sueltas no consolidadas, de diferentes tamaños y de un espesor que varía de unos centímetros a unos cuantos metros. Éste es un medio conformado por fases sólida, líquida y gaseosa y con elementos y compuestos de tipo orgánico e inorgánico, con una composición variable en el tiempo y en el espacio, al que afectan factores físicos, químicos, biológicos y climáticos por una parte y por otra la acción del hombre a través de procesos de contaminación directos e indirectos y mediante otras actividades (confinamiento de residuos, construcción, agricultura, impermeabilización, etc.).

 

CARACTERÍSTICAS GENERALES

Factores físicos

En la mayoría de los casos las partículas que componen al suelo son de origen mineral, provenientes de la degradación de rocas ígneas (granitos y basaltos) y/o de rocas sedimentarias (esquistos, gres y calizas). Los principales elementos de los que se componen las partículas son: oxígeno, silicio, aluminio, fierro, calcio, sodio, potasio y magnesio.

Las partículas minerales tienen tamaños muy variables: pueden ser rocas o gravas de centímetros o incluso metros de diámetro, hasta arenas, limos y arcillas cuyos tamaños van desde los dos milímetros hasta tamaños menores a los 0.002 mm de diámetro. Esta variación en el tamaño de las partículas es muy importante ya que, excluyendo a rocas y gravas, la proporción de arenas, limos y arcillas en un suelo (textura), determinarán en gran medida las propiedades físicas y químicas de éste.

Arenas. Son definidas como partículas menores a los 2 mm pero mayores a los 0.05 mm. Debido a su tamaño y forma, los espacios entre éstas son grandes permitiendo el paso del aire y del agua, además de contar con una superficie de contacto pequeña. Por lo anterior, los suelos arenosos tienen poca capacidad para retener el agua.

Limos. Son definidos como partículas menores a los 0.05 mm pero mayores a los 0.002 mm. Los limos poseen una mayor superficie de contacto y un menor tamaño de los espacios entre ellos, por lo que tienen una mayor capacidad de retención del agua y cierta plasticidad, cohesión y capacidad de adsorción.

Arcillas. Son definidas como partículas de tamaño menor a 0.002 mm, al ser las arcillas partículas tan pequeñas tienen una superficie de contacto mucho más grande que las arenas y los limos, lo que les confiere una gran capacidad para adsorber agua, nutrientes y gases (es importante recordar que la adsorción es un fenómeno de superficie).

Otro componente muy común de los suelos es la materia orgánica, la cual está formada por una gran variedad de sustancias, producto de las actividades metabólicas (pasadas y presentes) de plantas y otros organismos vivos, así como de los remanentes de seres vivos sujetos a procesos de descomposición llevados a cabo por los diversos microorganismos presentes en el suelo.

En periodos que van desde horas hasta siglos, la materia orgánica de un suelo se pierde en forma de CO2 producto de la respiración microbiana; para que la cantidad de materia orgánica se mantenga en el suelo, es necesario que éste continuamente la reciba mediante adiciones de residuos animales y/o vegetales.

La materia orgánica representa una pequeña fracción de un suelo típico (1% a 6% en peso), aún así su función es muy importante ya que ésta favorece la retención del agua y de otros minerales por el suelo, además de que su degradación provee a la vegetación de elementos indispensables (p. ej. fósforo, azufre y nitrógeno) para su desarrollo y para llevar a cabo sus diversas funciones metabólicas.

Aproximadamente, la mitad del volumen de un suelo está compuesto por poros de diversos tamaños, los cuales están ocupados por aire y/o agua. El agua presente en estos poros nunca es agua pura ya que en ella se encuentran disueltos cientos de iones orgánicos e inorgánicos cuya función es esencial, ya que de aquí son tomados los nutrientes requeridos por las plantas. Si existe una saturación de agua o el suelo está muy compactado, eliminando la presencia de los poros, la distribución de los gases en el suelo no se llevará a cabo de una manera adecuada, afectando a sus funciones normales.

La dinámica natural de la estructura (DNE) de un suelo es un proceso complejo debido a la diversidad, a la interdependencia y al número de factores condicionantes que inciden en ella. A continuación se indican los principales factores que inciden sobre la dinámica natural de la estructura.

 

  • Precipitaciones

  • Relieve

  • Microrelieve

  • Desecación - humectación

  • Hielo - deshielo

  • Agentes biológicos

  • Residuos

 

El suelo es un medio complejo y dinámico en constante evolución. El suelo y el subsuelo no pueden ser considerados como entidades separadas. Tienen diversas funciones: como filtro amortiguador y transformador, productor de alimentos, hábitat biológico y reserva genética, medio físico para la construcción, fuente de materias primas y herencia cultural.

 

Factores biológicos

La actividad biológica en un suelo se refiere, principalmente a la descomposición de la materia orgánica, así como a la formación de compuestos orgánicos específicos a partir de las rocas y minerales presentes. Los principales actores en estos procesos son los microorganismos y los vegetales superiores.

 

Bacterias. Son éstas las principales responsables de las reacciones bioquímicas que se llevan a cabo en un suelo, principalmente las de óxido/reducción que proporcionan la energía necesaria a los microorganismos. Una de las principales reacciones de éste tipo es la oxidación de los compuestos de carbono, seguida por la mineralización de la materia orgánica generándose bióxido de carbono. Otras reacciones importantes que llevan a cabo las bacterias involucran al azufre (S), nitrógeno (N, reacción de nitrificación), fierro (Fe) y manganeso (Mn).

 

Hongos y líquenes. Seres que intervienen en la colonización de zonas muy húmedas, y se ha encontrado que sus secreciones ácidas y su tendencia a formar complejos intervienen significativamente en los procesos de disolución de los minerales.

 

Rizósfera. Las raíces de los vegetales, en muchos casos en conjunción con sistemas radiculares más complejos, como es el caso de las micorrizas, actúan sobre su entorno extrayendo nutrientes (como potasio y fósforo), mediante reacciones de intercambio aniónico. Así mismo, los carbonatos son disueltos mediante la acción de las raíces.

Fauna. Tiene un papel secundario en las reacciones que tienen lugar en el suelo.

 

Factores biológicos en la formación de estructuras edafológicas. Los factores biológicos tienen una función decisiva en la formación de nuevas estructuras edafológicas, las cuales son muy distintas de las estructuras originales provenientes de la roca madre. Éstos factores formarán agregados (conjunto de partículas de un suelo formando una masa compacta) con tamaños y porosidades muy variados que como se ha visto, proporcionarán al suelo características especiales.

 

Transformaciones de la materia orgánica en el suelo. El suelo tiene una gran cantidad de materia orgánica en diferentes estados de descomposición. Existen cuatro procesos básicos mediante los cuales se lleva a cabo la transformación de la materia orgánica:

 

  • Acción de factores climáticos.

  • Desintegración mecánica por los organismos presentes en el suelo.

  • Descomposición bioquímica.

  • Transformación a cargo de los microorganismos.

 

Estos procesos conllevan a una mineralización de una parte de la materia orgánica dando como resultado, en condiciones aeróbicas a CO2, H2O y a otros compuestos útiles para los diversos organismos presentes. Otra parte de la materia orgánica se transforma, mediante procesos microbiológicos en grandes moléculas orgánicas que constituyen la base del humus el cual presenta diversas propiedades las cuales darán características muy particulares al suelo, además de ser la base para la formación de productos que en muchos casos no son similares a los que le dieron origen y que pueden ser útiles como nutrientes.

Las enzimas producidas por las plantas y los microorganismos tienen una gran importancia, ya que éstas permiten la catálisis de la mayoría de las reacciones bioquímicas del suelo.

 

Composición de los seres vivos en función de los componentes orgánicos del suelo.

Según sean las características de la materia orgánica que se aporte a un suelo, así será la composición de los seres vivos. Una importante proporción de los organismos presentes son los consumidores, los cuales transforman los restos orgánicos que han surgido de la acción anterior de los productores.

 

Propiedades químicas

Gran parte de los componentes del suelo, terminan por convertirse en compuestos solubles que constituyen la solución del suelo (fase líquida) de la que se nutren los vegetales. En algunos casos, los suelos muy ácidos evolucionan con el tiempo hacia suelos de características neutras o ligeramente alcalinas. Los cambios en las propiedades, se deben a transformaciones químicas producto de mecanismos de tipo electroquímico y en otros casos a mecanismos puramente químicos.

 

El pH del suelo. El pH es una propiedad química de los suelos, que determina el comportamiento y la evolución de los componentes químicos de éstos, así como la actividad y funciones de los seres vivos presentes. Comúnmente, en las zonas húmedas se tendrán suelos ácidos, mientras que en las zonas áridas los suelos tienden a ser más alcalinos.

 

Suelos calizos. Los suelos calizos contienen carbonato de calcio (CaCO3), compuesto relativamente insoluble. Cuando éste se encuentra en el suelo, presentará una gran saturación de bases. El pH estará controlado por la hidrólisis del CaCO3, que suele oscilar entre 7 y 8.4. En las zonas áridas son comunes los suelos calizos, que tienen características particulares y comúnmente presentan deficiencias de los oligoelementos zinc, cobre, fierro, manganeso, boro, etc.

 

Suelos salinos. En estos suelos existen sales en proporción suficiente como para aumentar la presión osmótica de la solución del suelo y dificultar de esta forma la absorción de agua por los vegetales. Estos suelos tienen una fuerte concentración relativa de sales solubles como cloruros, sulfatos o nitratos y a veces bicarbonatos.

Con cierta frecuencia en estos suelos están presentes algunas sales relativamente insolubles, como el sulfato de calcio (CaSO4), carbonato de calcio (CaCO3) y carbonato de magnesio (MgCO3). El pH en estos casos oscila entre 7.9 y 8.60, y los suelos son pobres en materia orgánica y en vegetación, que se limita a algunas especies halofitas. Estos suelos son muy sensibles a la erosión.

 

Suelos salino-sódicos. Son suelos con una alta concentración de sales solubles, con un porcentaje de sodio intercambiable superior a 15 y un pH inferior a 8.6. En caso de que se presente una precipitación intensa o un vertido proveniente de alguna localidad, estas sales pueden ser lixiviadas.

 

Suelos sódicos. En estos suelos la concentración de sales no es tan alta mientras que el porcentaje de sodio intercambiable es superior a 15, su pH oscila entre 8.4 y 10 y la materia orgánica se presenta dispersa (esto ocurre sobre todo al aplicar vertidos continuos). La solución del suelo contiene sobre todo sodio y cantidades menores de calcio y magnesio, aquí también estarán presentes algunos cloruros, sulfatos, carbonatos y bicarbonatos.

 

Nutrientes y pH. Una de las consecuencias más importantes del pH es su influencia directa sobre los organismos del suelo: al aumentar el pH, algunos elementos como el manganeso o el fierro se vuelven menos solubles, lo mismo ocurre con el fósforo o el boro. Así los suelos calizos tienen con frecuencia un déficit y carencias de estos elementos. El pH más apropiado para que la vegetación tenga nutrientes disponibles, debe ser ligeramente ácido, del orden de 6.4 a 6.7.

 

Alteraciones del pH. Una modificación del pH, puede ocasionar alteraciones muy importantes en lo que se refiere a la biodisponibilidad de elementos, por un lado pueden presentarse excesos (toxicidad) y por otro deficiencias, por lo cual la contaminación y/o tratamiento de suelos agrícolas, pueden generar cambios en el pH con repercusiones serias.

 

Óxido-reducción. Las condiciones de óxido-reducción determinan el comportamiento de los elementos químicos que tienen distintas valencias, como ocurre con el fierro, nitrógeno, azufre, manganeso y cromo entre otros. Rigen también el funcionamiento biológico de las raíces y de los microorganismos de los que depende la presencia o ausencia de oxígeno. La estabilidad de un suelo, como en gran parte de los medios físicos, estará determinada por la estabilidad del agua. La importancia del tipo de reacción en función del potencial de óxido-reducción es clara, ya que dependiendo del caso se constituirá un medio aerobio o anaerobio, lo que tendrá un impacto directo sobre las reacciones químicas y bioquímicas que se dan en el suelo.

 

Reacciones electroquímicas y de adsorción. Los tres tipos de fenómenos de superficie (electrostáticos), que se originan en las partículas sólidas activas y que producen reacciones de intercambio son:

 

  • La sustitución isomórfica. Se le conoce como carga permanente pues no depende de condiciones externas.

  • La disolución iónica (hidrólisis de los metales con alta carga/radio o rompimiento físico de enlaces), se conoce como carga variable.

  • La ionización (disociación de grupos polares orgánicos en solución), conforma una carga variable que depende del pH del medio, esto se aprecia en la figura 15.

 

FIGURA 15.
REACCIÓN DE HIDRÓLISIS DEL CARBONO

 

Figura 15

FUENTE: Gutiérrez Margarita, 1997.

 

Las arcillas en un suelo tienen características coloidales por lo que presentan cargas eléctricas que se neutralizan entre sí. En la superficie estas cargas tendrán interacciones de tipo electrostático con iones presentes en solución, dándose fenómenos de adsorción (interacciones eléctricas), con el tiempo los iones adsorbidos podrán ser liberados y ser biodisponibles o intervenir en mecanismos que generen su adsorción a las partículas sólidas (formación de enlaces químicos que son más estables y difíciles de romper que las interacciones electrostáticas).

Un ejemplo de esto son los fosfatos, que pueden ser agregados como fertilizante que al principio son muy solubles, pero con el tiempo éstos son fijados por complejos de Ca, Al y Fe.

Otro de los materiales capaces de llevar a cabo reacciones de adsorción es el humus el cuál procede del material orgánico no reactivo que por acción de la humedad, sol y bacterias se transforma en sustancias oxidadas más estables. Esta sustancia presenta una gran superficie interna debida a las hélices que forma; los grupos orgánicos polares le imparten cargas las cuales generarán interacciones de tipo electrostático, además de que puede coordinarse y formar quelatos muy estables.

Las reacciones de polimerización y despolimerización en el humus ocurren continuamente, por lo que su tamaño molecular no es constante.

Intercambio iónico. De las tres fases del suelo: gaseosa, acuosa y sólida, las dos últimas están constantemente intercambiando iones: los iones disueltos pasarán a la fase sólida desplazando a iones adsorbidos en ésta. Los iones pueden existir en el suelo por causas naturales o por causas antropogénicas. Cuando a un suelo se le agregan compuestos ionizables ajenos a él (p. ej. contaminantes), dichos compuestos causarán un desequilibrio en los procesos nativos de adsorción-desorción, pudiendo tener efectos negativos.

Las diversas reacciones que se presentan en un suelo, centrándose en el equilibrio en solución, se presentan en la figura 16.

Al analizar los posibles destinos de un contaminante debe tomarse en cuenta la estabilidad fisico-química de los compuestos y los efectos de la concentración, pH y pE (óxido-reducción) sobre el equilibrio, además de los efectos de la quelatación y adsorción.

Cuando se presentan cambios en los sistemas de óxido-reducción de un suelo, ya sea por causas naturales o por causas antropogénicas, pueden generarse metales o compuestos metálicos con números de oxidación tales que los hacen más tóxicos que los originales (como es el caso de la oxidación de Cr3+ a Cr6+).

A continuación se enlistan algunos factores que deben tomarse en cuenta cuando se analizan problemas de contaminación de suelos:

 

  • Los microorganismos y los exudados de plantas pueden variar las condiciones microambientales.

  • Los microorganismos que aceleran las reacciones no pueden cambiar las condiciones termodinámicas.

  • La materia orgánica puede acumular sustancias tóxicas por adsorción. La formación de quelatos es importante a bajas concentraciones pero no es capaz de limitar la presencia de contaminantes en solución a altas concentraciones.

 

FIGURA 16.
EQUILIBRIO DEL SUELO

 

Figura 16

FUENTE: Gutiérrez, M. E. 1997.

 

  • Los contaminantes no polares ocuparán los poros y serán adsorbidos por el material orgánico (interacciones). Éstos se dispersarán lentamente dependiendo de la velocidad de flujo del agua (porosidad y fuerza de la corriente).

  • Los materiales biodegradables presentan enlaces polares, que son atacados por los microorganismos. Los no polares son más difíciles de degradar, por lo tanto su permanencia es más alta y pueden bioacumularse.

  • Los contaminantes en forma de compuestos coordinados (quelatos) son más tóxicos para los organismos. La toxicidad se relaciona con la sustitución del elemento central de una biomolécula (quelato), con la precipitación del elemento central y con la sustitución del ligante o el bloqueo de la posición activa de la biomolécula.

 

 

Periférico 5000, Col. Insurgentes Cuicuilco, C.P. 04530, Delegación Coyoacán, México D.F.
Última Actualización: 15/11/2007