Evaluación del algunos indicadores relacionados con la calidad del agua efluente de sistemas productivos ganaderos ecológicos y convencionales de pequeños productores en la zona andina colombiana

J F Cruz y L C Prieto

Universidad Antonio Nariño - Facultad de Medicina Veterinaria y de Zootecnia
Carrera 3 este # 47 a 15 Bloque 9. Bogotá, Colombia
jaime.cruz@uan.edu.co

Resumen

El presente estudio evaluó el agua afluente y efluente proveniente de arroyos en granjas ecológicas y convencionales del Municipio de Guayabal de Síquima, en la región andina colombiana. Se monitoreó cada 2 meses durante un año la calidad del agua, determinando los contenidos de amoniaco, nitratos, nitritos, oxígeno disponible y fósforo por medio de análisis fotométricos, así como el pH de la misma.

Se encontraron diferencias significativas al aplicar la prueba de Friedman para la variable NO₃ (P=0.001) entre las aguas afluentes y las efluentes de las granjas convencionales, al aumentar su contenido en el agua en 117% respecto a la que ingresó. Así mismo se encontraron niveles superiores a los permitidos por la legislación colombiana para la variable fósforo en las aguas afluentes de ambos sistemas productivos. Para el caso de las producciones convencionales, el fósforo mostró una tendencia a incrementarse a su paso por este sistema en 16.1%, mientras que la disponibilidad de oxígeno disminuía en este mismo en 24.0%, sin que existieran diferencia significativas entre aguas afluentes y efluentes para la variables mencionadas. Al no existir diferencias en suelos u otros aportes particulares, los incrementos de nitratos y fosfatos pueden estar relacionados con excesos en el uso de fertilizantes químicos para los cultivos, especialmente aquellos ricos en nitrógeno y fósforo usados en las granjas con manejo convencional.

Palabras clave: afluente, nitritos, nitratos, oxígeno disuelto

Evaluation of some indicators related to effluent water quality in organic and conventional livestock production systems of small farmers in a Colombian Andean Township

Abstract

This study evaluated the influent and effluent streams of ecological and conventional farms in the municipality of Guayabal in the Colombia's Andean Region. It was monitored every two months for a year, the water quality of the streams determining the content of ammonia, nitrates, nitrites, available oxygen and phosphorus through photometric analysis and also the pH.

Significant differences were founded in applying the Friedman test for variable NO₃ (P = 0.001) between the influent and the effluent water from conventional farms, when their content were increased in the effluent water from farms to 117% over which entered. Also higher levels than permitted by Colombian legislation for the variable phosphorus in influent waters of both production systems were found, and in the case of conventional productions showed a tendency to increase as it passes through the systems in 16.1 % while decreasing oxygen availability in the same system in 24.0%, but no significant difference existed between influent and effluent waters of this production system for variables. Increases in nitrates and phosphates may be related to excessive use of chemical fertilizers for crops, especially those rich in nitrogen and phosphorus used on farms with conventional management.

Keywords: dissolved oxygen, influent, nitrates, nitrites

Introducción

La intensificación de los procesos agropecuarios incrementó el uso de fertilizantes químicos, herbicidas, fungicidas, hormonas y plaguicidas durante el desarrollo de la denominada revolución verde. Sin embargo, a pesar del efecto innegable sobre el aumento en la oferta de alimentos para los consumidores, los efectos negativos sobre el medio ambiente, la calidad de los alimentos e inclusive sobre las estructuras sociales llevaron al replanteamiento de los sistemas productivos hacia formas sostenibles (Torres y Trápaga 1997; Vega et al 2006).

Estos conceptos impulsaron el desarrollo de los llamados sistemas orgánicos y ecológicos, basados en la optimización de los procesos biológicos y la aplicación de tecnologías amigables con el ambiente, de manera que se asegure que los alimentos sean inocuos y no representen un riesgo para la salud del consumidor. Estos procesos, orientados generalmente por procesos agroecológicos, tienen el respaldo de registros que avalan el manejo apropiado del sistema (Lampkin 1998). La implementación de estos procesos favorece el aumento de la biodiversidad del suelo, el aumento de la producción de biomasa y el contenido de materia orgánica del suelo, la disminución de los niveles de residuos de pesticidas, el establecimiento de relaciones funcionales y complementarias entre los diversos componentes del agroecosistema, el uso eficiente de recursos locales y la disminución en la pérdida de nutrientes y agua, entre otros (Altieri 1991).

Los sistemas agropecuarios como otras actividades humanas, generan impacto sobre los recursos de los ecosistemas, y particularmente sobre las propiedades fisicoquímicas y microbiológicas del agua. Su disponibilidad y calidad son factores que condicionan la vida de las personas (Asvall y Alleyde 1999). La implementación de los sistemas agropecuarios ecológicos podrían generar menos impacto sobre el medio, con relación a los residuos de productos agroquímicos en aguas de ríos y arroyos de las cuencas. El uso de metodologías rápidas para la evaluación de las características de las fuentes de agua permitirían determinar, de una manera aproximada, su calidad y sus posibles usos (Gómez Marín et al 2007). En ese sentido, la gestión del recurso hídrico garantiza su sostenibilidad. El presente trabajo evaluó en arroyos de fincas con manejo ecológico y convencional de pequeños productores agropecuarios colombianos, algunas variables relacionadas con la calidad del agua afluente y efluente de sus sistemas productivos. La implementación de metodologías rápidas y económicas permitieron evaluar las características de las fuentes de agua, para determinar su calidad físico-química y su gestión a lo largo del sistema productivo.

Materiales y métodos

Se visitaron diferentes fincas en el municipio de Guayabal de Síquima (Colombia) y se seleccionaron aquellas que cumplían con los criterios para ser consideradas como convencionales o con manejo ecológico. Se consideraron siete criterios de inclusión relacionados con el uso de productos de síntesis química (fertilizantes, herbicidas, fungicidas, endo-ectoparasiticidas) y la implementación de prácticas ecológicas (sistemas silvopastoriles, control biológico de plagas, compostajes/caldos). Fincas con al menos tres criterios positivos en el uso de productos de síntesis química eran clasificadas como convencionales, así mismo, fincas que al menos tuvieran dos criterios en el uso de prácticas ecológicas eran consideradas como fincas con manejo ecológico, siempre y cuando no tuvieran más de 1 criterio positivo en el uso de productos de síntesis química. Se seleccionaron seis fincas (3 convencionales y 3 con manejo ecológico) para realizar el monitoreo y la evaluación de sus recursos hídricos. Se tomaron muestras de suelos y se determinaron los contenidos de N total (%) por el método de Kjeldhal y P (ppm) por la metodología de Bray. Se evaluaron los aportes de fertilizantes durante un año para cuantificar en los abonos orgánicos el contenido de N (Metodología de Kjeldhal) y de P (Metodología AOAC).

Se tomaron muestras cada dos meses durante 12 meses de las aguas afluentes y efluentes de cada una de las fincas de los sistemas convencionales y ecológicos, mediante envases plásticos rotulados de 1000 ml para monitorear su calidad, recolectando en total al final 6 muestras con duplicado por finca y 18 con duplicado por sistema productivo. Para su análisis se usaron procedimientos químicos fotométricos que adaptan diferentes metodologías descritas en “Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater” con un equipo Hanna HI83200. El principio de funcionamiento del equipo se relaciona con la absorción de luz por parte átomos o moléculas cuando se cruza una sustancia, haciendo uso de la ley de Lambert-Beer:

-log I/I_o = ε_λ c d  o también A = ε_λ c d 

Donde:

-log I/I_o = Absorbancia (A)

I_o = intensidad del haz de luz incidente

I = intensidad del haz tras la absorción

ε_λ = Coeficiente de extinción molar a  una longitud de onda λ

d = recorrido óptico a través de la sustancia

c = concentración molar de la sustancia (incógnita a calcular)

A partir de los 2 grupos de sistemas productivos evaluados (fincas convencionales y con manejo ecológico) se evaluaron 6 variables usadas como indicadores de calidad: disponibilidad de oxígeno (mediante la metodología de Winkler que utiliza como base la reacción de iones de manganeso con el oxígeno en presencia de hidróxido de potasio), amoniaco (por la metodología de Nessler), nitratos (por la reducción por Cadmio), nitritos (por el método de sulfato ferroso), fosfatos presentes (metodología del aminoácido) y finalmente la acidez, haciendo uso de un pH-metro o potenciómetro.

Los datos fueron tabulados y analizados, realizándose una descripción estadística para cada una de las variables, y al no encontrarse normalidad con la prueba de Shapiro – Wilks, se sometieron al análisis de datos no paramétricos, buscando evaluar la diferencia de promedios de un factor con medidas repetidas haciendo uso de la prueba de Friedman para muestras relacionadas. Se utilizó para tal proceso el software SPSS versión 20.

Resultados y discusión

Las fincas evaluadas tenían al momento de su evaluación las características descritas en la Tabla 1.

A pesar de su proximidad, las fincas evaluadas poseían características diferentes en cuanto a tamaño y distribución de áreas. Es importante anotar que en las fincas clasificadas como ecológicas, dos tenían certificación orgánica, y la otra poseía manejo ecológico en algunos aspectos, aunque se usaba antiparasitarios como la ivermectina en los animales. La Tabla 2 muestra la distribución de áreas y la carga ganadera que poseen cada una de las fincas.

Análisis del recurso hídrico

La Tabla 3 presenta los resultados de los análisis de aguas realizados al recurso afluente y efluentes de las fincas convencionales y con manejo ecológico.

pH. La principal sustancia básica en el agua natural es el carbonato de calcio que puede reaccionar con el CO₂. Posada et al (2000), señalan que aguas naturales con pH entre 6.5 y 8.2 provienen de fuentes buenas en calidad. En el muestreo realizado en las fincas del presente trabajo se encontraron valores de pH cercanos a la neutralidad. La Figura 1 presenta el promedio de los valores entre las muestras realizadas y aunque no se encontró diferencia significativa para ninguno de los dos sistemas si se observó una disminución de la acidez al paso del agua por las fincas con manejo ecológico y convencional. El pH puede disminuir por factores intrínsecos como la capacidad amortiguadora del sistema o la intensidad de los procesos biológicos, así como por factores extrínsecos tales como la composición de suelos adyacentes, o por procesos de contaminación (Fuentes y Massol-Deyá, 2002).

Figure 1: pH del aguas en fincas con differents sistemas de manejo Fincas convencionales: No hay diferencia significativa prueba Friedman (P=0,346) Fincas con manejo ecológico: No hay diferencia significativa. Prueba Friedman (P=0,225)

Productos nitrogenados. Como parte de la descomposición de productos orgánicos nitrogenados y de los residuos de fertilizantes agrícolas que llegan hasta los mantos acuíferos, varios compuestos del nitrógeno como el amoniaco, los nitritos y los nitratos pueden estar presentes en las aguas superficiales naturales. Su presencia en exceso es la causa de procesos de Eutrofización. Puede encontrarse como Amoniaco no ionizado como nitrógeno (NH₃-N) o como amoniaco no ionizado o amoniaco libre NH₃. De su cantidad en el agua depende el análisis del grado de contaminación de la misma. Así, cuando el nitrógeno amoniacal presenta cantidades superiores a 1ppm (1 mg/litro) son indicadoras de contaminación sensible (Rivera et al 2004). Aguas residuales domésticas pueden contener cantidades de N amoniacal superiores a 25 mg/litro (Rodríguez 2005).

La Tabla 3 y Figura 2 muestran los resultados de las aguas evaluadas en las fincas con diferentes sistemas de manejo para la cantidad de amoniaco presente. Aunque no se encontraron diferencias significativas entre las aguas afluentes y efluentes para las fincas con manejo convencional y ecológico, si se aprecia un incremento cercano al 30% en el nitrógeno amoniacal de las aguas efluentes provenientes de los sistemas convencionales. Este aumento podría estar relacionado con el aporte excesivo de fertilizantes químicos para los cultivos.

Los fertilizantes comerciales nitrogenados se aplican como amoniaco o nitrato, pero el amoniaco es rápidamente convertido a nitrato en el suelo. Cuando el estiércol animal es también usado como fertilizante, su nitrógeno orgánico y la urea son convertidos a amoniaco y finalmente a nitrato en el suelo. El exceso de nitrato no tomado por las plantas puede dirigirse hacia las corrientes de agua por percolación. En condiciones anaeróbicas ocurre el proceso de desnitrificación mediante el cual los nitratos se reducen hasta amoniaco. Los nitratos formados en las aguas superficiales pueden oxidar la materia orgánica produciendo N₂ y CO₂ y disminuyendo así la demanda química de oxígeno (DBO). A su vez, el amonio, puede reaccionar con el oxígeno disuelto para formar nitratos, aumentando la DBO del agua (Rodriguez 2005).

Figure 2: Amoniaco como hallados en aguas de fincas con differents sistemas de manejo Fincas convencionales: No hay diferencia significativa. Prueba Friedman (P=0,808) Fincas con manejo ecológico: No hay diferencia significativa. Prueba Friedman (P=0,782)

En aguas superficiales sin polución fuerte, la concentración de nitratos puede ser del orden de 0.1 a 3.0 mg N/L (Sawyer y Mc Carty 1996; Rodier 1981), en agua de lluvia puede estar alrededor de 1.24 mg N/litro o mayor en zonas de alta contaminación atmosférica y en aguas residuales domésticas pueden estar entre 20-70 mg/litro (Rodríguez 2005). En Colombia las principales fuentes de contaminación están concentradas en el sector agrícola, ganadero, residuos domésticos y algunos sectores industriales. El sector agrícola ha generado el uso indiscriminado de fertilizantes, los cuales han sido los responsables del aumento de la concentración de nitratos y de los compuestos de nitrógeno en las aguas. (Roldán 1992; Rodríguez 2005).

En general altas concentraciones de nitratos indican contaminación por actividad agrícola, y altas concentraciones de nitritos indican presencia de actividad microbiológica. Los nitritos presentan baja estabilidad, fácilmente se oxidan o se reducen, son por esto la variable presente en menor concentración en cuerpos de agua. Valores entre 0.001 y 0.004 ppm de nitritos, no indican perturbación del ciclo del nitrógeno (Rodier 1981; Rodríguez 2005).

El monitoreo realizado a aguas afluentes y efluentes en fincas con dos sistemas de manejo diferentes mostró que existe una alta concentración de nitratos y nitritos (Tabla 3). Los valores obtenidos en los puntos de afluencia a las fincas muestran altos contenidos de nitratos y nitritos, que pueden reflejar la sobredosificación de los fertilizantes nitrogenados en puntos más altos de la cuenca. Debe destacarse la tendencia a disminuir la concentración de nitratos en aquellas con manejo ecológico frente a lo obtenido para las fincas con manejo convencional, donde se encontró diferencia significativa. En ellas el contenido de nitratos aumentó casi al doble (Figura 3).

La aplicación de urea para los cultivos de las fincas convencionales permitió estimar un aporte promedio por finca de 59.8 kg de N total/ha/año, más 17.2 kg de N total/ha/año proveniente de estiércol sin compostar utilizado como abono orgánico, mientras que las fincas con manejo ecológico sólo aportaron en promedio 3.15 kg de N total/ha/año con los compostajes y compuestos orgánicos aplicados al suelo. Los análisis de suelos mostraron contenidos totales de N casi iguales en promedio para ambos sistemas productivos (0.290% en los convencionales contra 0.296% de las manejadas ecológicamente). Estos indicadores junto con el incremento en el contenido de nitratos y nitritos ratifica la contaminación producida por la actividad agrícola, relacionada con el uso de fertilizantes químicos nitrogenados.

Figure 3: Nitratos como en aguas de fincas con differents sistemas de manejo Fincas convencionales: Diferencia significativa. Prueba Friedman (P=0,000) Fincas con manejo ecológico: No hay diferencia significativa. Prueba Friedman (P=0,346)

Fósforo. El Fósforo es un nutriente esencial para la vida, pero puede provocar eutrofización si se encuentra en exceso en el agua. La forma asimilable del fósforo es el ión fosfato, aunque en el agua a veces se encuentran compuestos fosforados en estado coloidal o en forma de fósforo elemento. Los fosfatos, también son indicadores de presencia de detergentes y fertilizantes  (UNEP 2005).

El fósforo se encuentra en aguas naturales y residuales casi exclusivamente como fosfatos, los cuales se clasifican en ortofosfatos, fosfatos condesados (piro-, meta-, y otros polifosfatos) y fosfatos orgánicos (IDEAM, 2005). Los ortofosfatos PO₄^3-, son considerados en la mayoría de las aguas como el nutriente limitante. Un aumento de la concentración mediante una mayor entrada de fósforo (aguas residuales, erosión del suelo, etc.) implica una mayor carga de nutrientes de las aguas con efectos como un mayor crecimiento de algas y un agotamiento del oxígeno que puede llegar hasta la anoxia en las zonas profundas. Valores superiores a 0.2 mg/litro de PO₄-P en aguas corrientes pueden generar eutrofizaciones incipientes (WTW, 2008).

Figure 4: Fosforo como en aguas de fincas con differents sistemas de manejo Fincas convencionales: No hay diferencia significativa. Prueba Friedman (P=0,467) Fincas con manejo ecológico: No hay diferencia significativa. Prueba Friedman (P=0,225)

Según la norma Colombiana Resolución 2115 de 2007, la concentración de fosfatos en el agua para consumo humano (potable) debe ser menor o igual a 0.5 mg/litro de PO₄^3-. El fósforo reactivo disuelto disponible en los cuerpos lóticos (ríos), evidencia el aporte proveniente de actividades agrícolas (fertilizantes, herbicidas, pesticidas), ganaderas (estiércol), industriales y urbanas (aguas residuales, vertidos). El muestreo realizado en la  presente investigación no arrojó diferencia significativa con la prueba de Friedman para las aguas afluentes y efluentes de los sistemas evaluados como lo muestra la Figura 4, aunque no debe desconocerse que en los sistemas convencionales el promedio aumentó en 16.1%, mientras que en los ecológicos el promedio disminuyó en 6.45%. Los excesos de este mineral, finalmente llegan por lixiviación a las fuentes de agua de los sistemas convencionales incrementando el promedio final. Los valores encontrados de fósforo en las muestras exceden los permitidos por la norma colombiana para consumo humano e indican de alguna manera los procesos de contaminación por vertimientos aguas arriba (tabla 3). Sin embargo el aumento en el contenido de fosfatos en las aguas afluentes de los sistemas convencionales está relacionado con los aportes hechos por procesos de fertilización química, que en promedio aportaron de P₂O₅ 14.1 kg/ha/año a los cultivos más 0.47 kg/ha/año proveniente de los aportes por estiércol no compostado. Estos excesos del mineral llegan finalmente por lixiviación al agua a lo largo de la cuenca. Los aportes de fosforo como P₂O₅ realizados para las fincas ecológicas con el compost solo alcanzan en promedio 2.13 kg/ha/año más 5.24 kg/ha/año aportado por roca fosfórica. El contenido de P para ambos sistemas fue en promedio de 13 ppm.

Oxígeno disuelto. El oxígeno es un elemento fundamental para la vida. Las aguas superficiales limpias comúnmente están saturadas de oxígeno. Si el nivel de oxígeno es bajo, puede ser un indicio de contaminación con materia orgánica, lo que se reflejará en mala calidad del agua e incapacidad para mantener ciertas formas de vida. Para garantizar un medio aeróbico, el oxígeno disuelto debe ser mayor de cero; peces de la familia de los salmónidos (salmón, trucha) requieren de concentraciones altas de oxígeno disuelto (6 a 7 mg/litro); mientras que para los ciprínidos (carpa, barbo) las condiciones permiten concentraciones de 4 a 5 mg/litro. En general valores inferiores a los 2.5 mg/litro afectan la sobrevivencia de organismos aeróbicos (Ramos, 2010).

Figure 5: Oxigeno disuelto como en aguas de fincas con differents sistemas de manejo Fincas convencionales: No hay diferencia significativa. Prueba Friedman (P=0,637) Fincas con manejo ecológico: No hay diferencia significativa. Prueba Friedman (P=0,090)

El muestreo realizado en este trabajo evidencia como el oxígeno disuelto en el agua disminuye en 24.0% entre las aguas afluentes y efluentes para las fincas con manejo convencional, aunque no existe diferencia significativa a la prueba de Friedman, mientras que en el caso de manejo ecológico la tendencia fue a incrementar el oxígeno disuelto en 7.59%, sin que la prueba evidenciará tampoco diferencia significativa entre las muestras (Figura 5). En general, el promedio de la concentración de oxígeno disuelto fue más alta en aguas afluentes de las fincas convencionales (7.5 mg/litro) frente a las ecológicas (4.8 mg/litro), pero indiscutiblemente los procesos de contaminación con materia orgánica y otros compuestos como los hallados en el estudio generan que la concentración disminuya en sus aguas.

Conclusiones

• Al comparar el contenido de nitrógeno total y de fósforo de los suelos de las fincas convencionales y con manejo ecológico no se observaron diferencias en su contenido. La gestión del recurso hídrico en ambos sistemas difiere en los procesos de fertilización, que afectan su calidad entre los puntos de afluencia y efluencia. El uso inapropiado de fertilizantes químicos en los cultivos de los sistemas convencionales, entre ellos los compuestos y nitrogenados, fueron factores diferenciadores que afectaron la calidad del agua que sale de los sistemas convencionales frente a los sistemas ecológicos. El alto uso de fertilizantes nitrogenados en las fincas con sistemas convencionales, se vio reflejado en el aumento significativo del contenido de nitratos de sus aguas efluentes durante el monitoreo realizado, lo que constituye no sólo un problema medioambiental sino un riesgo para la salud pública por el potencial consumo de aguas altas en nitratos y nitritos. Los sistemas ecológicos mostraron sus bondades al no contribuir con aportes de nitratos y fosfatos a las aguas que pasan por sus sistemas, y por el contrario tuvieron una tendencia a su disminución entre el punto de afluencia y el de efluencia. Sin embargo la concentración de fosfatos en el agua supera el valor aceptado por la norma colombiana. De la misma manera se observó un incremento en el oxígeno disuelto para los sistemas ecológicos, y aunque se observó una disminución en el pH de sus aguas sin existir diferencia significativa entre el recurso afluente y efluente.  

Agradecimientos

Los investigadores agradecen a la Asociación de productores ecológicos de los caminos reales Eco.real por su colaboración para el desarrollo de este trabajo en el municipio de Guayabal de Síquima (Colombia).

Referencias

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Received 22 August 2014; Accepted 22 November 2015; Published 1 April 2016

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