Resumen

Los materiales existentes en el trópico como es la tierra de arriera pueden ser usados como una herramienta de biorremediación en procesos de purificación y descontaminación de aguas residuales contaminadas. El objetivo de este estudio consistió en determinar la máxima capacidad de adsorción de tierra de arriera en la eliminación de fosfatos en periodos de tiempos determinados. La metodología aplicada consistió en la extracción de fósforo adsorbido por las arcillas y la técnica de Melhich, a fin de evaluar el fósforo adsorbido por la arcillas en tiempos de adsorción, se utilizó solución carolina del norte y se midieron la concentraciones en un espectrofotómetro de UV a longitudes de ondas de 680 nm. Las muestras evaluadas fueron sometidas a tiempos de adsorción, donde reflejan si son consistentes y aptas para la investigación. Los resultados obtenidos demuestran que la tierra de arriera, variando sus tiempos de adsorción, tienen la capacidad de adsorber fosfato disponible en las soluciones acuosas y la que respondió a una mayor eliminación fue la muestra de Macaracas (M2) con un 79% de eliminación de fosfato.

Palabras Clave

Adsorción, tierra de arriera, fosfatos, soluciones acuosas, eutrofización.

ABSTRACT

Existing materials in the tropics (land of Arriera), can be a tool in bioremediation processes of purification and decontamination, contaminated wastewater. The objective is to determine the maximum adsorptive capacity of land f in the elimination of phosphates in certain periods of time. The methodology used has been the removal of phosphorus in clays and the technique of Melhich, in order to assess the phosphorous adsorbed by clay in times of adsorption, use the solution of North Carolina and measure concentrations in a spectrophotometer UV to wavelengths of 680 nm. The samples were subjected to adsorption times, where reflected be consistent and suitable for the investigation- The results obtained show that the land of has the capacity to adsorb phosphate available in aqueous solutions by varying its adsortion time. The sample that shower the greatestr adsorption was the sample Macaracas (M2) with 79% of phosphate removal.

Key Words

Adsorption, land of Arriera, phosphates, aqueous solutions and eutrophication.

1. Introducción

En las zonas tropicales existe una gran variedad de materiales que pueden ser utilizados para el desarrollo de investigaciones científicas; tal es el caso del material de suelo conocido como tierra de arriera. Consiste en una arcilla que extrae la hormiga arriera (Atta cephalote) de sus cuevas o galerías del fondo del suelo, propia de los trópicos y cuyo material es abundante y sin utilidad para la ciencia.

El proceso de adsorción es conocido desde hace mucho tiempo. Se cree que el término adsorción fue introducido por primera vez por Kayser en 1881 para describir sus observaciones sobre la condensación de gases sobre una superficie (Canadell, 2010).

Dabrowski (2001) plantea que el fenómeno fué descubierto por Sheele, quien observó que el carbón tomaba varias veces su propio volumen de aire y que este fenómeno era reversible: al calentarse, el aire se expulsaba del carbón, y al enfriarse volvía a ser absorbido y también por parte de Fontana en 1777 de forma independiente. En la actualidad, la adsorción se conoce como un fenómeno importante para la mayor parte de los procesos físicos, naturales, biológicos y químicos.

Es por tal razón, que la adsorción, es un fenómeno superficial que puede ser definido como el incremento de concentración de un determinado componente a la superficie entre dos fases. Estas fases pueden ser de las siguientes combinaciones: líquido-líquido, líquido-sólido, gas-sólido, y gas-líquido.

En la práctica, se entiende por adsorción la eliminación de uno o más componentes presentes en una fase líquida o gaseosa mediante un sólido (Canadell, 2010). Pero se puede decir que la adsorción se considera una de las reacciones del fósforo, más estudiada en los suelos, ya que controla la disponibilidad del mismo en la planta (Sawal & Kumar, 1995; citado por Medina, 2003).
Puede verse que el movimiento del fósforo se realiza principalmente por difusión y, en menor grado, por flujos de masas (Sitio Agrícola, 2001).
El contenido total de fósforo depende de la textura de los suelos: cuanto más fina es, mayor es el contenido de fósforo. De igual manera, el contenido total de fósforo varía con la profundidad del suelo, lo que se explica por la disminución de materia orgánica y por el avance de la meteorización del perfil (Sawal & Kumar, 1995).
La fijación está determinada por la mineralogía de las arcillas, la cantidad de arcilla, la cantidad de coloides amorfos, el aluminio (Al) y el hierro (Fe) intercambiable y la materia orgánica (Bertsch, 1995). La mayoría de los suelos tienen la capacidad de adsorber y retener grandes cantidades de fosfatos aplicados (Michael, 1998). Cuanto mayor es el porcentaje de arcillas, mayor es la fijación de fósforo y se ha encontrado que los suelos ultisoles poseen la más alta capacidad de fijación de fósforo (aluminosilicato no cristalizado) y de óxidos de aluminio (Bertsch, 1995).
El fósforo en el suelo puede presentarse en forma orgánica y en forma inorgánica. La mayor parte del fósforo inorgánico se encuentra en la fracción de las arcillas, en forma de fosfatos de (calcio en suelos básicos y de hierro en suelos ácidos) (Medina, 2003).
También se encuentra el fósforo en las aguas superficiales y residuales casi exclusivamente en forma de fosfatos (ortofosfatos, fosfatos condensados y otros polifosfatos ligados orgánicamente). Los ortofosfatos aplicados como fertilizantes a la tierra cultivada agrícola son arrastrados a las aguas superficiales por las lluvias (Romero, 2002).
El fósforo es un nutriente que en exceso promueve el crecimiento de macro y microorganismos acuáticos, los cuales se convierten en la principal causa de eutrofización de los cuerpos receptores (Karacas et al., 2004; Namasivay y Sanjeetha, 2004).
El problema de la eutrofización está ampliamente estudiado; sin embargo, las últimas tendencias internacionales en tratamiento de aguas dirigen la importancia de este parámetro a la presencia de algas cianofíceas que pueden generar problemas en los sistemas de potabilización (Romero, 1996).

La concentración de fosfatos en los cuerpos de aguas superficiales representa un problema debido a la reproducción en progresión geométrica de los organismos unicelulares que dependen del fósforo como fuente de alimentación (Romero, 1996).
Existen algunas técnicas para la eliminación de fosfatos, tal es el caso de la utilización de coagulantes con sulfato de aluminio y cloruro férrico (Díaz et al., 2007).
En este estudio se utilizó un material presente en el neo trópico, la tierra de arriera, producida por la hormiga arriera Atta cephalotes, la cual se encuentra mayormente distribuida desde México hasta el sur de Brasil (Fernández y Sandoya, 2004).

La remoción de tierra (Montoya et al., 2006) es uno de los efectos notables causados por la colonización de Atta en la aparición de nidos u hormigueros, los cuales se distinguen por la presencia de montículos de tierra suelta, producto de las excavaciones en el suelo para construir subterráneamente sus nidos.

El objetivo primordial de esta investigación consiste en determinar la máxima capacidad adsortiva de la tierra de arriera en la eliminación de fosfato, en periodos determinados de tiempo, para soluciones acuosas. Se desea conocer el grado de utilidad que se le puede dar a este tipo de material como agente adsorbente del ion fosfato, que es el causante de la contaminación de las fuentes de aguas superficiales, mediante el proceso de eutrofización en lagos, ríos, quebradas y aguas estancadas, producto de las descargas de aguas contaminadas en la fincas agropecuarias por el lavado de porquerizas y lechería.

2. Materiales y Métodos

El material utilizado como adsorbente, la tierra de arriera, existe en grandes cantidades en Panamá, por lo que puede ser un instrumento natural para la eliminación de fosfatos, producto de la contaminación de aguas emanadas de fincas agropecuarias.

Este tipo de arcilla se ha decidido estudiarla, a fin de garantizar su utilidad, y determinar la capacidad de adsorción que puedan tener del ion fosfato por parte de estos materiales en tiempos determinados de adsorción (1, 6, 12, 24 horas), y con una concentración conocida de 5 mg/l en una disolución preparada en laboratorio.

Muestras

Las muestras de suelo de arriera fueron tomadas en diferentes sitios de Panamá. Los sitios escogidos y sus coordenadas geográficas fueron los siguientes: Los Santos (Macaracas N 7° 41´ 13" y O 80° 31´ 57") Herrera (Portobelillo N 8° 02´ 01" y O 80° 34´ 03"), y Veraguas (Calabacito N 8° 14´ 10" y O 81° 04´ 40"). Además, se tomó una muestra de mesocarpio del coco ( N 7° 41´ 53" y O 80° 32´ 37"). Este último es un material inorgánico, fibroso que recubre el coco de agua y que podría servir como alternativa a la tierra de arriera en cuanto a material adsorbente de fosfato.

Se tomó una muestra en cada sitio, sumando un total de 5 muestras. Fueron recolectadas en cartuchos plásticos transparentes de 1 kg de peso y se mantuvieron a temperatura ambiente para su posterior análisis fisicoquímico, donde se rotularon con nombres y procedencia (Idiap, 2009).

Materiales

Se preparó una solución patrón de fosfato (K2PO4), a concentración de 5 mg/l, para realizar la corrida de los ensayos en tiempos determinados (1, 6, 12, 24 horas).

Se pesaron 2,5 gramos de suelo seco a temperatura ambiente y se colocaron en frascos de 50 ml en duplicados, para cada una de las muestras a analizar.
Para medir la concentración del fosfato adsorbido o eliminado por la arcillas se utilizó un espectrofotómetro serie Génesis 105 UV- Vis Thermo Scientific, calibrado a 680 mn de lectura en adsorbencia.

Los equipos de laboratorio utilizados fueron: un agitador de jarras, cristalería (vasos químicos, agitadores) una centrifugadora Universal Hettich Zentrifugen de 5.000 rpm, una balanza digital y reactivos químicos tales como, ácido ascórbico, molibdato de amonio y solución de Carolina del Norte.

Método

El método utilizado para determinar la capacidad de adsorción o eliminación del ion fosfato por parte de la arcillas (tierras de arriera) fue el Método de Carolina del Norte o prueba de Mehlich (1984) para la determinación de fósforo en suelos. Según Faca (2000), la prueba de Mehlich es la más aceptable para evaluación del fósforo presente en las arcillas de Panamá.

Cada muestra se analizó por duplicado con las dosis seleccionadas durante el tiempo establecido. Puesto que se ensayaron 5 muestras en dobles repeticiones, se le aplicó la corrida a los diferentes tiempos de adsorción (4), por lo cual se tuvo un total de 24 muestras analizadas.

Se tomaron los 2,5 gramos de suelo y se les agregó 25 ml de solución sintética preparada de 5 mg/l. Luego se agitaron durante 10 minutos y se dejaron en reposo para los diferentes tiempos de adsorción de 1, 6, 12, y 24 horas. Pasado el tiempo de reposo se les retiró la solución de fosfato y se les incorporó solución Carolina del Norte, donde nuevamente las arcillas muestreadas fueron agitadas y dejadas en reposo 10 minutos. Luego, fueron centrifugadas para la extracción de la solución líquida que sería analizada.

Una vez terminada la extracción filtrante de la muestra, se tomaron alícuotas de la solución resultante (2,5 ml), y se le agregó 14,5 ml de solución de ácido ascórbico más molibdato de amonio. Se le dejó en reposo 30 minutos para que adquiriera una coloración azulada, la cual es utilizada para la determinación del ión fosfato presente en las soluciones por el método basado en un complejo fosfomolíbdico, usando ácido ascórbico como reductor.
La intensidad de esta coloración azul se mide mediante el uso del espectrofotómetro de luz visible a una longitud de onda de 680 nm (Radojevic & Bashkin, 1999).

3. Resultados y Discusiones

Los resultados obtenidos se presentan en la Tabla 1. Las muestras evaluadas fueron: Santiago (M1), Macaracas (M2), Portobelillo (M3) y Calabacito (M4) y Mesocarpio del coco (M5), a las cuales se les extrajo el fósforo disponible presente.

Tabla 1 Resultados de evaluación de fósforo disponible en las arcillas y en el mesocarpio coco

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De la Tabla 1, se destaca que el mesocarpio del coco tiene una disponibilidad presente de 143 mg/l de fósforo.
Se realizó una depuración de las muestras con altas concentraciones de fósforo en su estructura y que no ayudarían al desarrollo de la investigación, como fueron: Santiago (M1) y mesocarpio de coco (M5).
Estas muestras fueron descartadas ya que los parámetros permitidos por la norma panameña admiten valores de
fósforos totales hasta 5 mg/l para vertidos a efluentes superficiales (COPANIT- 35-2000).

Tabla 2 Resultados de capacidad de eliminación de fosfato por las arcillas en tiempos determinados.

Las muestras de Macaracas, Portobelillo y Calabacito presentaron la menor disponibilidad de fósforo presente en su estructura, lo que ha permitido utilizarlas para
la eliminación de fosfato en soluciones.

Figura 2 Eliminación de fosfato en la muestra de Macaracas a lo largo del tiempo.

Figura 3 Eliminación de fosfato en la muestra de Portobelillo a lo largo del tiempo.

En la Tabla 2 se indica la capacidad de adsorción o eliminación de fosfato en periodos de tiempos determinados por parte de las arcillas evaluadas.
Los resultados obtenidos demuestran que el periodo de 6 horas de adsorción o eliminación de fosfato por parte de las muestras evaluadas (M2, M3 y M4) es el que arroja los mejores resultados. Entre las tres tierras de arrieras ensayadas, la muestra de Macaracas es la que permite mayores porcentajes de adsorción.
Las Figuras 2, 3 y 4 muestran la variación de la capacidad de eliminación de fosfatos para los diferentes tiempos seleccionados en cada una de las muestras analizadas.

Figura 4 Eliminación de fosfato con la muestra de Calabacito a lo largo del tiempo.

5. Conclusiones

Esta investigación ha probado que las tierras de arrieras estudiadas podrían ser utilizadas para procesos de eliminación de fosfatos en aguas contaminadas provenientes de las actividades agropecuarias.

La muestra del sitio de Macaracas (M2), produjo el mayor grado de adsorción o eliminación de fosfatos, presentes en la solución acuosa propuesta de 5 mg/l, con valores promedio de adsorción de 79 %.

4. Referencias Bibliográficas