Introducción

Las concentraciones anómalas de metales y metaloides en los suelos pueden deberse básicamente a causas naturales o antropogénicas y representan un riesgo para la salud del hombre y los ecosistemas debido a su toxicidad y tendencia a bioacumularse en diferentes cultivos (^{Martí et al., 2011}). La Comarca Lagunera ubicada en el centro norte de México, es una de las regiones más prósperas de México, donde se encuentran los primeros sitios de exploración de oro, plata, y materiales no ferrosos, pero también ocupa el primer lugar en la producción de leche, carne de aves y forrajes (^{SAGARPA, 2010}). El desarrollo de las actividades agropecuarias e industriales junto con el material parental, que se caracteriza por presentar contenidos de arsénico (As) de fácil disolución y transporte, ha provocado elevadas concentraciones de As en suelo (3.69 mg kg^-1), agua potable (0.12 mg L^-1) y agua subterránea (0.718 mg L^-1) en esta región (^{Rangel et al., 2015}; ^{Ríos et al., 2008}). En el suelo puede permanecer en dos estados de oxidación, como arsenitos (AsO₃) o como arseniatos (AsO₄), este último estado es el más habitual en condiciones de campo y laboratorio, además de ser el más susceptible de ser adsorbido por las partículas del suelo. El tipo de arcilla y los óxidos e hidróxidos de hierro juegan un papel importante en la movilidad del arsénico en el suelo (Jordanova et al., 2013) y por lo tanto en su disponibilidad en el sistema agua-suelo-planta. Uno de los vectores antrópicos que influyen en la presencia de As soluble en los suelos agrícolas, es la aplicación de fósforo (P) como fertilizante, pues los iones fosfato desplazan a los arseniatos de los sitios de intercambio, convirtiendo a este metaloide en disponible cuando existe agua en los poros del suelo (^{Yokoyama et al., 2012}). Actualmente se utilizan diferentes tecnologías para la remediación de suelos contaminados con metales pesados y metaloides, las cuales se clasifican en tratamientos térmicos, físico-químicos y biológicos, dentro del cual se encuentra el uso de agentes quelatantes (^{Codling, 2011}). Un quelato es un compuesto químico en el que una molécula orgánica rodea y se enlaza, por medio de los llamados pares de iones enlazantes que dona a un ion metálico, de manera que lo protege de cualquier acción desde el exterior evitando su hidrólisis y precipitación (^{Perea et al., 2010}). Algunos materiales quelatantes son biopolímeros, compuestos de alto peso molecular, entre los que se encuentra el quitosano, uno de los pocos polisacáridos catiónicos naturales, el cuál es soluble en medios ácidos o soluciones neutras, además de ser extensivamente estudiado por ser biodegradable, biocompatible, hidrofílico, no tóxico y anti-fúngico (^{Bautista-Baños et al., 2005}). Diferentes estudios han demostrado que el quitosano con pH neutro o ácido es capaz de adsorber As del agua (^{Montero et al., 2010}). Sin embargo, existe escasa información acerca de la efectividad del quitosano en la quelación de As en suelos. El suelo desde el punto de vista físico, se considera como un sistema trifásico, formado por sólidos, líquidos y gases, donde la parte líquida se conoce como solución del suelo. La solución del suelo es agua con una mezcla de diferentes iones y compuestos orgánicos disueltos que se ubica en los poros del suelo (^{Brady y Weil, 2008}).

Al considerar el efecto de las formas de P (H₂PO₄ ^- y HPO₄ ⁼), existentes en pH de suelos agrícolas, facilitan la desorción del As adsorbido a las partículas de tamaño arcilla del suelo, en condiciones de humedad, incrementado la concentración de arseniatos en la solución del suelo. La acción quelatante del quitosano sobre el As (arseniato) en agua, permite deducir que el quitosano podría adsorber As soluble de la solución del suelo siempre y cuando el quitosano tuviera un pH ácido, debido a las condiciones de alcalinidad de los suelos de la Comarca Lagunera. Por lo tanto, los objetivos de esta investigación fueron determinar la capacidad quelatante del quitosano en condiciones ácidas y neutras para disminuir la concentración de As disponible en dos Fluvisoles de la Comarca Lagunera.

Materiales y Métodos

El estudio se llevó a cabo en el laboratorio del Instituto Tecnológico de Torreón, en Torreón Coahuila, México. El clima de la región es un Bw (h’) hw (e), que corresponde a un seco desértico cálido con régimen de lluvias en verano y oscilación extrema (^{García, 2004}) con rangos de temperatura que van desde los 4° hasta más de 30 °C, y precipitación media anual de 250 mm concentrada de junio a septiembre (^{INEGI, 2017}). La flora está compuesta por matorral desértico con especies características como: mezquite, huizache, palmas y gobernadora; y la fauna por lagartijas, liebres, coyotes y víboras (^{Ontiveros-Arzaga, 2010}). Las formaciones geológicas datan desde del Paleozoico al reciente aluvión cuaternario, y se compone tanto de depósitos sedimentarios (calizas, dolomitas, yeso, arenas arcillosas y conglomerados), como de rocas ígneas (depósitos volcánicos y granito) que contienen entre 25 y 25 mg kg^‑1 de As (^{Mejía-González et al., 2014}). Los grupos de suelos que existen en la región son Feozems, Regosoles, Calcisoles, Fluvisoles y Vertisoles (^{INEGI, 2016}).

El estudio se dividió en las siguientes etapas: a) selección y colecta de suelo, b) instalación y ejecución del experimento, c) análisis de laboratorio y d) análisis estadísticos.

Selección y colecta de suelo. Se seleccionaron dos sitios con suelos que de acuerdo a la literatura presentaban elevados contenidos de arsénico (Figura 1). Un Fluvisol eutri-háplico que se localiza en los 25° 46’ 36.0” N y 103° 16’ 48.9” O, y se ubica en el ejido Fresno del Norte, municipio de Francisco I. Madero, Coahuila (Suelo 1). Así como un Fluvisol calci-arídico (Suelo 2) del ejido la Concha (25° 38’ 06.2” N 103° 22’ 55.3” O), municipio de Torreón, Coahuila (^{Hernández et al., 2013}). De cada parcela seleccionada se colectaron 15 submuestras de suelo de la capa superficial (30 cm de profundidad, aproximadamente). Cada submuestra fue de aproximadamente 20 kg, las que se mezclaron homogéneamente para obtener una muestra compuesta. Para este f in se siguieron las normas NOM-021-SEMARNAT-2000 y NMX-AA-132-SCFI-2016 (^{SEMARNAT, 2002}; ^{NMX, 2016}).

Figura 1 Localización de los sitios de muestreo.
Figure 1. Location of the sampling sites. 

A la muestra compuesta de suelo se le determinaron características físicas y químicas como análisis mecánico de partículas (método de la pipeta), clase textural, densidad aparente (Da), por el método del terrón parafinado, constantes de humedad (capacidad de campo, CC), por el método de la olla de presión, capacidad de intercambio catiónico (CIC, con el acetato de amonio pH 7), materia orgánica (MO, por el método de combustión húmeda), As soluble (por absorción atómica con generación de hidruros), pH (en agua 2:1) y conductividad eléctrica (CE, pasta saturada), de acuerdo a los procedimientos de la Norma NOM-021-SEMARNAT-2002 (^{SEMARNAT, 2002}).

Cada suelo homogenizado se separó en 16 bolsas de plástico con 500 g de cada suelo, para tener un total de 32 bolsas. A 24 de estas bolsas con suelo se adicionaron 50 ml de una solución de fósforo con 200 mg kg^‑1 con el f in de simular la fertilización con fósforo, a las cuales, junto con el resto de las bolsas (ocho, cuatro para cada suelo) se llevaron a CC con agua destilada, y se dejaron en incubación durante 48 h a una temperatura constante de 30 °C (^{Hernández et al., 2013}).

Instalación y ejecución del experimento. El compuesto experimental como presunto agente quelatante del As fue quitosano en perlas (Q), producto elaborado a partir del citoesqueleto de camarones, con acetilación ≥ 12.8%, el que se llevó a diferentes pH, de acuerdo al método propuesto por ^{Montero et al. (2010)}. Los tratamientos ensayados fueron cuatro niveles de Q en forma de perlas (sin Q, Q sin tratar, Q ajustado con solución ácida a pH 5 y Q ajustado con solución ácida a pH 7); el ajuste del pH de Q se realizó agregando ácido sulfúrico 0.5 M. Cada tratamiento se llevó por cuadruplicado. De tal manera, que se tuvieron 16 unidades experimentales, distribuidas en un diseño experimental completamente al azar por cada suelo. Una vez que se cumplió el tiempo de incubación del suelo con fósforo, se adicionaron 0.06 g de Q en forma de perlas a los tratamientos con Q y a las réplicas correspondientes, para conocer la influencia del Q en la disminución del As en solución. Tratamientos y réplicas se sometieron nuevamente a incubación durante 48 h a una temperatura constante de 25 °C, con el f in de acelerar la cinética entre As y Q. Finalmente, los suelos de tratamientos y réplicas de cada suelo se sometieron a secado a la sombra y a temperatura ambiente.

Análisis de laboratorio. Los suelos tratados y sus respectivas réplicas se les determinó el contenido de As soluble. La extracción del As soluble se realizó con agua desionizada (^{Otones et al., 2011}), extractos que se analizaron por el método de espectrofotometría de absorción atómica con generación de hidruros (AAS-GH) en un equipo GBC modelo XplorAA (^{Litter et al., 2009}), lo anterior para verificar el contenido de As disponible en los suelos tratados con quitosana.

Análisis estadístico. Los resultados se sometieron a un análisis de varianza para determinar si la disminución del As disponible en la solución del suelo fue igual en los tratamientos con Q, y un análisis de efectos principales de la adición de quitosano en cada suelo (^{Yescas et al., 2015}); así como una prueba de separación de medias por Tukey (P ≤ 0.05) para cada suelo, con el software estadístico Minitab 17 (^{Minitab Inc., 2013}).

Resultados y Discusión

Las características de los suelos muestran que la capa superficial está ligeramente compactada, lo cual se puede deber a las actividades agrícolas que se desarrollan en los diferentes lugares, así como las partículas que integran al suelo, ya que al ser francos (Cuadro 1) se provoca el endurecimiento de los suelos (^{Huang et al., 2011}).

Lo anterior está relacionado con los bajos contenidos de MO, que corresponde a suelos de regiones áridas (^{Montaño et al., 2016}) como los suelos de esta investigación. Estas características corresponden a la baja CIC que se encontró. Asimismo, la concentración de As soluble en estos suelos, cuando no se han agregado fosfatos como fertilizantes, resultó similar al reportado en la literatura (^{Hernández et al., 2013}).

El fertilizante fosfatado provocó que el As se incrementara hasta 0.37 mg kg^-1 para el suelo de Fresno del Norte, mientras que en el suelo de la Concha fue un incremento de 0.49 mg kg^-1.

El Q tuvo un efecto significativo (Tukey, P ≤ 0.05) en la concentración de As, independientemente de la forma y característica química que se haya agregado, ya que se detectó una disminución en la concentración del As soluble en ambos suelos (Cuadro 2). El As soluble de los suelos en el tratamiento 4 (QpH5), tanto en el suelo del Fresno del Norte como en el suelo de la Concha, presentó la menor concentración (0.05 mg kg^-1 y 0.10 mg kg^-1, respectivamente); es decir, QpH5 adsorbió un 640% y un 390% del As soluble que se presentó en los suelos después de fertilizar con fósforo y sin Q (Cuadro 2).

Estos resultados se pueden deber al pH ácido del quitosano, ya que a estos pH los grupos amino libres en el quitosano actúan como sitios de unión de coordinación para metales, lo cual es un mecanismo complejo que implica la quelación de estos iones en soluciones cercanas a la neutra, el intercambio iónico y la adsorción (^{Chen y Chung, 2006}; ^{Montero et al., 2010}). Asimismo, los metales pesados y metaloides como el As muestran gran afinidad por determinados grupos funcionales como grupos sulfhídrico, radicales amino, fosfato, carboxilo e hidroxilo (^{Mejía-González et al., 2014}).

Por otra parte, la capacidad de adsorción de un suelo está afectada por su textura, contenido en sesquióxidos y por la presencia de otros elementos que puedan interferir en el proceso de adsorción (Carbonell-Barrachina et al., 2004). En este sentido, al considerar el pH de la solución del suelo dónde se encontraban el As soluble y la presencia de un agente con pH ácido del quitosano, el As se adsorbió a este polisacárido, razón por la cual disminuyo la concentración del ion en los suelos. Este comportamiento puede explicarse porque la fracción de grupos amino protonados se incrementa a pH ácido, por lo que aumenta la afinidad por los aniones arseniatos (^{Dambies et al., 2002}), como lo reafirmó ^{Wang et al. (2016)} al reportar que la eficiencia del quitosano se incrementa a un pH de 5.5.

El efecto diferencial del quitosano en cada uno de los suelos se debió principalmente a las características físicas y químicas de los suelos, como lo muestra la gráfica de efectos principales, donde el suelo de la Concha presentó una concentración promedio de As soluble (0.32 mg kg^-1) mayor que 0.22 mg kg^-1 del suelo del Fresno del Norte (Figura 2). Este mismo análisis resalta el efecto de los diferentes tratamientos de quitosano en los suelos, donde el As soluble en los suelos con el tratamiento cuatro, como se ha mencionado anteriormente, presentó la menor concentración de este metaloide en la solución del suelo.

Figura 2 Efectos principales de tratamientos y los suelos en el As soluble.
Figure 2. Main effects of treatments and soils on soluble As. 

Aunque es importante resaltar que la concentración de As soluble en el suelo de la Concha (0.10 mg kg^-1) fue mayor que el As disponible (0.05 mg kg^‑1) de Fresno del Norte. De acuerdo con ^{Hernández et al. (2013)}, el suelo de la concha tiene una mayor cantidad de carbonatos de calcio y concluyeron que este compuesto estaba relacionado con la presencia de As soluble en esos suelos e incluso indicaron que la concentración de As soluble se incrementó alrededor de un 600%. Si se recuerda que a los dos suelos se les agregó la misma cantidad de quitosano, es probable que al suelo de la Concha se haya tenido que agregar una mayor cantidad de este compuesto (debido a que la concentración inicial de As fue mayor en este suelo) ya que lo adicionado posiblemente no adsorbió la suficiente cantidad de este contaminante y por lo tanto no disminuyó el As soluble; es decir, se tenía que haber considerado la cantidad de As disponible después de agregar el P para hacer la estimación del quitosano a agregar.

Conclusiones

El quitosano ajustado a pH 5 (ácido) que se adicionó a un Fluviso eutri-háplico y a un Fluvisol calci-arídico en una región árida de Coahuila, cultivados y fertilizados con fósforo, redujo la concentración de arsénico (As) soluble de la solución del suelo en estas subunidades. Por lo tanto, el quitosano con pH ácido representa una alternativa para la recuperación de suelos contaminados con As. No obstante, su eficacia estará en función de la concentración del As soluble después de agregar fósforo como fertilizante. Lo anterior lleva a concluir que se requiere de mayor investigación para comprobar la efectividad de este material en la recuperación de otros suelos de regiones áridas, comprobar la cantidad adecuada de quitosano a adicionar, comparar otras combinaciones o tratamientos con quitosano; asimismo, determinar la estabilidad de la quelación Q-As ante la degradación natural de éste, y que no represente un contaminante potencial para los suelos recuperados.