Sitios de muestreo

El área de estudio forma parte de la Reserva de la Biosfera El Triunfo, localizada entre las coordenadas 93° 39' 00' y 92° 52' 00" O y entre los 15° 39' 00'' y 16° 01' 00'' N, la altitud va desde los 600 m donde se localiza el embalse de la presa de almacenamiento El Portillo II Juan Sabines Gutiérrez, a 2550 m en la cima del Cerro Quetzal (^{CEIGEG, 2020}).

En esta zona geográfica se ubican las localidades estudiadas y fuentes de agua muestreadas, correspondientes al área representativa de la Sociedad de Producción Rural “Unión Ramal Santa Cruz” del municipio de La Concordia, Chiapas, México (Figura 1).

Figura 1: Ubicación de los sitios estudiados, señalando los puntos de muestreo. Fuente: elaborado por el autor.  

Figure 1: Location of the sites studied indicating the sampling points. Source: prepared by the author. 

Diseño experimental

La recolección y el beneficio húmedo de café en la región Sierra de Chiapas, comienza a finales de septiembre y continúa hasta marzo del año siguiente, derivado de lo anterior, se seleccionaron los sitios de muestreo arroyo San Pedro, río Cabañas, ranchería 30 de Agosto y río Cuxtepec para la caracterización física y química del agua.

El experimento se realizó mediante un diseño completamente aleatorizado compuesto por cuatro sitios (Cuadro 1) dentro de la misma subcuenca. Se muestreó de forma mensual en los meses y días de octubre (13, 14), diciembre (14, 15) del 2016 y enero (12, 13), abril (15, 16) y junio (13, 14) del 2017, con un total de 20 muestras colectadas y distribuidas durante la época de cosecha del café. La distancia entre sitios de muestreo fue de aproximadamente un km a la redonda, esto aseguró que las condiciones ambientales fueran relativamente homogéneas, así como las prácticas de beneficiado húmedo.

Muestras de agua

En los cuatro sitios de muestreo (Cuadro 1) la toma de muestras de agua fue similar en todo el proceso, se obtuvieron a un intervalo de tiempo, que fue de las 11:00 - 13:00 AM (^{Álvarez, Smeltekop, Cuba y Loza, 2011}). Para cada sitio se colectaron en forma manual dos litros de agua en botellas de plástico y cristal esterilizadas, que fueron introducidas bajo la superficie, a la profundidad de 25 cm (^{INVEMAR, 2003}), sumergidas en dirección opuesta a la corriente de agua y tapadas inmediatamente después de haberse llenado e identificadas. Se mantuvieron a 4 ^oC en hielo durante su transportación para disminuir la degradación de los componentes de la muestra, hasta su análisis en el laboratorio, tal como lo establece American Public Health Association (^{Eaton, Clesceri, Rice y Greenberg, 2005}) sobre estándares de calidad de aguas residuales, consumo y norma sobre calidad de agua (^{NMX-AA-051-SCFI-2016, 2016}).

Análisis químico de las muestras de agua

Las mediciones realizadas in situ fueron (pH), temperatura del agua (TA), conductividad eléctrica (CE) y sólidos totales disueltos (STD) con un equipo digital multímetro portátil marca Hatch Modelo Sensión^TM156. Los análisis se realizaron en el laboratorio del Colegio de la Frontera Sur, ubicado en la ciudad de San Cristóbal de las Casas, Chiapas. Se analizó demanda química de oxígeno (DQO) por el método espectrofotométrico/reflujo cerrado Hach (método 10212), amonio (NH₄ ⁺), amoniaco (NH₃), nitrógeno total (NT), se midieron por colorimetría utilizando un espectrofotómetro (DR/2010 HACH, Loveland, EE.UU.) según las instrucciones de (HACH, 1999²), demanda bioquímica de oxígeno (DBO), se midió por métodos estándar (APHA, 1998), sólidos suspendidos totales (SST), se determinó de acuerdo con (^{Luthy, 1978}), fósforo total (PT) con la Norma Mexicana ^{NMX-AA-029-SCFI-2001 (2001)}, dureza del agua (DA) y sólidos sedimentables (SS), por el método recomendado por ^{Baird, Eaton y Rice (2017)}. Por cada determinación en el estudio se hizo un análisis por triplicado en el laboratorio.

Análisis estadístico

Los datos originales fueron analizados obteniéndose un coeficiente de variación mayor de 30% en 10 parámetros, por lo que se decidió hacer una transformación logarítmica log (X+1) cuando existieron valores menores de 1 y raíz cuadrada X= x+0.5 con valores de cero, con ello se ajustó un coeficiente de variación menor para los distintos parámetros de estudio.

Los datos de los parámetros estudiados durante la investigación fueron analizados, utilizando el programa estadístico Statgraphics Centurion XVIII 2013. El análisis de varianza y pruebas de medias de los parámetros que presentaron distribución normal se realizaron siguiendo un análisis de varianza de una vía y cuando se encontraron diferencias significativas (P ≤ 0.05) se aplicó la prueba múltiple de medias Tukey (P ≤ 0.05); y cuando los datos no provenían de una distribución normal (prueba de Shapiro-Wilks), se aplicó el análisis de varianza no paramétrico de Kruskal-Wallis ^{(Kruskal y Wallis, 1952}), que evalúa la hipótesis nula de igualdad para las medianas de los diferentes sitios de muestreo para cada variable de respuesta.

Asimismo, los promedios de los valores de los parámetros estudiados fueron comparado con las normas de referencia que establecen los criterios ecológicos, límites máximos permisibles para el consumo humano, animales domésticos y uso agrícola, estas fueron: US Environmental Protection Agency (^{US-EPA, 1986}) sobre criterios sobre calidad de agua; Secretaria de Desarrollo Urbano y Ecología (^{SEDUE, 1989}) sobre criterios ecológicos; Norma Oficial Mexicana (^{NOM-127-SSA1-1994, 1994}) sobre usos del agua; Norma Oficial Mexicana (NOM-001-ECOL-1996) sobre contaminantes en aguas de descarga; Norma Oficial Mexicana (^{NOM-011-CONAGUA-2015, 2015}) sobre conservación del recurso agua; Norma Mexicana (^{NMX-AA-051-SCFI-2016, 2016}) sobre análisis de agua y Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales - Comisión Nacional del Agua ^{SEMARNAT-CONAGUA (2019)} sobre Ley Federal de Derechos Disposiciones Aplicables en materia de aguas nacionales.

Parámetros fisicoquímicos del agua de la zona cafetalera

Los resultados promedios obtenidos de los parámetros DBO, NH_3, SDT, SST, NO₃ ^- _, NO₂ ^-, PT, NT, NH₃, SS, CaCO₃, temperatura del agua, temperatura ambiental, pH, CE, OD; revelaron valores por debajo de los niveles máximos permisibles por la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA-1994 (1994), Norma Oficial Mexicana ^{NOM-001-ECOL-1996, (1996)} y US Environmental Protection Agency (^{US-EPA, 1986}), para ser utilizados en agua para riego agrícola, uso público o urbano; y para la cría de especies acuáticas resultaron inferiores (Cuadro 2 y 3).

El parámetro DQO no mostró diferencia estadística significativa entre sitios muestreados. Sin embargo, los niveles fueron superiores a los permisibles de 3.0 mg L^-1 US Environmental Protection Agency (^{US EPA, 1986}) y 1-2 mg L^-1 Norma Oficial Mexicana (^{NOM-001-ECOL-1996, 1996}) con valor promedio entre los sitios de 6.4 mg L^-1 (Cuadro 2), aunque inferiores a los 831 a 3244 mg L^-1 y 128 2967 mg L^-1 de DQO y DBO, respectivamente en agua de corriente (^{Tekle, Hailu, Wassie y Tesema, 2015}) en seis sitios de Etiopía, así como los 5683 mg L^-1 reportados por ^{Tsigereda, Metadel, Mekibib y Fisseha (2013)} y 1500 mg L^‑1 en Quindío Colombia (^{Torres-Valenzuela, Sanín, Arango y Serna, 2019}). Asimismo, las concentraciones encontradas 5, 7.7, 7.7 y 5.2 mg L^-1 en promedio, fueron superiores a las reportadas por ^{Chave (2007)}, quien establece que la cantidad debe ser menor a 3 mg L^-1 para favorecer la vida acuática.

Respecto a la DBO, con valor promedio entre las medias de los sitios de 0.9 mg L^-1 comparada con la DQO de 5, 7.7, 7.7 y 5.2 mg L^-1, se obtuvo una relación de DQO:DBO superior a 5:1, esto indica una baja biodegradación de los residuos orgánicos en el agua, ya que de acuerdo con ^{Woldesenbet, Woldeyes, Singh y Chandravanshi (2014)}, dicha relación debe ser inferior a 5:1 para observar alto grado de biodegradación de los residuos. Ahora bien, la DBO obtenida, resulta importante ya que, es menor a lo establecido por la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales - Comisión Nacional del Agua (^{SEMARNAT-CONAGUA, 1996}), donde los límites máximos permisibles son 200, 150 y 60 mg L^-1, para uso en riego agrícola, uso público urbano y protección de vidas acuáticas, respectivamente.

El valor promedio de DQO obtenido, pudo deberse a los desechos derivados del beneficio húmedo de café, aunque pudiera haber una aportación de remanentes orgánicos de especies vegetales nativas del área de estudio, como algas y hiervas en las aguas superficiales donde se observó una alta diversidad de estas especies, ya que de acuerdo con ^{Minuta y Jini (2017)}, la presencia de sustancias orgánicas en el agua en zonas cafetaleras puede crear niveles considerables de DBO. Pero también la variación en las concentraciones de (DQO), según ^{Dadi et al. (2018)}, esto podría ocurrir debido a las diferencias en la capacidad de despulpado de los molinos, el tiempo de fermentación, la cantidad de agua utilizada durante de lavado y la fermentación del grano del café.

Las concentraciones SST de 4.8,4.07, 3.33, 8.6 mg L^‑1; CaCO₃ 141.8, 90.93, 173, 82.8 mg L^-1; temperatura del agua 22.66, 23.2, 26.14, 26.14 °C, y OD 4.82,5.16, 5.66, 6.25 mg L^-1 para los sitios de muestreo arroyo San Pedro, río Cabañas, agua de uso doméstico y río Cuxtepec respectivamente, no mostraron diferencia estadística (P > 0.05, Cuadro 3). Aunque al comparar con los niveles permisibles en agua para riego agrícola, uso público o urbano, y cría de especies acuáticas, estos parámetros resultaron menores a los niveles recomendados por las normas de referencia: US Environmental Protection Agency (^{US-EPA, 1986}); Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA-1-1994 (1994); Norma Oficial Mexicana NOM‑001-ECOL-1996, (1996); Norma Oficial Mexicana ^{NOM-011-CONAGUA-2015 (2015)} y Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales-Comisión Nacional del Agua (^{SEMARNAT-CONAGUA, 2019}).

Sólidos disueltos totales (SDT), fósforo total (PT), pH y conductividad eléctrica (CE) en agua

Para el caso de SDT, se observó diferencia estadística significativa (P ≤ 0.05), siendo los sitios de muestreo río Cuxtepec y arroyo San Pedro, los que resultaron con mayores concentraciones, seguidos por el río Cabañas y ranchería 30 de Agosto (Cuadro 3). Las cantidades de SDT en muestras provenientes de San Pedro y ranchería 30 de Agosto, fue en promedio 147.54 y 149.7 mg L^-1, respectivamente. Estas concentraciones están sobre el promedio detectado en los ríos de todo el mundo de 120 mg L^-1 (^{Livingston, 1963}). Las concentraciones obtenidas evidencian que los puntos de muestreo definidos para la investigación, cumplen con lo establecido en la Norma Oficial Mexicana ^{NOM-127-SSA1-1994 (1994)}, está considera 1000 mg L^-1 como límites permisibles para consumo humano del agua.

La concentración de PT fue estadísticamente diferente entre sitios de muestreo (P ≤ 0.05, Cuadro 3), observándose para el agua de ranchería 30 de Agosto, durante todo el periodo de investigación 0.01 mg L^-1 de residuos de este elemento, frente a los tres sitios restantes que fluctuó entre 0.44 a 0.66 mg L^-1.

La concentración PT obtenidas en tres de los cuatro sitios de muestreo estuvo dentro del intervalo de los límites permisibles por debajo de 5 mg L^-1 (^{Minuta y Jini, 2017}; CE-CCA-001/89, 1989³; Norma Mexicana ^{NMX-AA-051-SCFI-2016, 2016}; ^{SEMARNAT-CONAGUA, 2019}) y también del límite máximo superior para riego agrícola 30 mg L^-1, uso urbano 30 mg L^-1 y para la protección de vida acuática 10 mg L^-1 mensual, respectivamente de acuerdo con la Norma Oficial Mexicana ^{NOM-001-ECOL-1996 (1996)} y ^{US-EPA (1986)}.

Las concentraciones de PT entre sitios, presentaron diferencia estadística significativa (P ≤ 0.05, Cuadro 3), sin embargo, no resultan tóxicas para la salud acuática y humana. Las cantidades encontradas aquí podrían deberse a que en el efluente las cantidades de PT fueron bajas para producir un cambio en las concentraciones de los sitios de muestreo y otra posibilidad es que el PT se pudo haber hidrolizado en otras formas. Además de que el P es un compuesto altamente dinámico en el agua y puede sufrir una transformación química y ser almacenado por diversos organismos acuáticos (^{US‑EPA, 2008}).

El pH presentó diferencias estadísticas entre sitios muestreados (Cuadro 3). Los niveles de pH fueron mayores en el río Cuxtepec (8.9), seguido por río Cabañas (8.51) y San Pedro (8.45) y el valor más bajo se observó en ranchería 30 de Agosto (8.19). Estos resultados son diferentes a los obtenidos por ^{Tekle et al. (2015)} con pH promedios de 7.1 en agua de corriente en Etiopía que recibían cargas provenientes de plantas de beneficio húmedo de café. En esta región a pesar de que la mayoría de los productores de café arrojan los desechos del beneficiado húmedo cerca de las orillas de las fuentes hídricas, los niveles de pH resultaron ligeramente alcalinos, encontrándose al límite de los criterios ecológicos para consumo humano, en un rango de 6.5 a 8.5, mientras que para uso agrícola resultó favorable de acuerdo con los niveles recomendados de 6.0 a 9.0 (^{US-EPA, 1986}); Criterios Ecológicos de Calidad del Aguas (CE-CCA-001/89, 1989³); Norma Oficial Mexicana (^{NOM-127-SSA1-1994, 1994}); Norma Oficial Mexicana (^{NOM-001-ECOL-1996, 1996}). Por consiguiente, los valores de pH, pueden clasificarse como medianamente alcalino, con calidad para consumo humano y riego agrícola. Esta variable es importante para indicar la calidad del agua potable (^{Rajendran y Mansiya, 2015}) y varía con el contenido de gases y sólidos en el agua (^{Patil, Sawant y Deshmukh, 2012}). La concentración del pH observada sugiere bajas concentraciones de desechos orgánicos provenientes del beneficio húmedo del café, que pudieran causar la oxidación suficiente para disminuir el pH por debajo de 6.5-8.5 (^{WHO, 1995}).

La conductividad eléctrica (CE) del agua de ranchería 30 de Agosto fue de 319.4 µS cm^-1 y en San Pedro de 293.8 µS cm^-1, siendo estadísticamente superiores al resto de sitios muestreados (P < 0.05, Cuadro 3). Este parámetro es el más importante para evaluar la calidad del agua de riego, es la concentración de sales que comúnmente se mide como CE; si es mayor a 3000 μS cm^-1 puede afectar al crecimiento de varios cultivos (^{Ayers y Westcot, 1987}). En esta investigación la mayor CE se encontró en muestras de ranchería 30 Agosto con 319.4 µS cm^-1 y arroyo San Pedro con 293.8 µS cm^-1, estos valores son similares a los reportados por ^{Dadi et al. (2018)}.

El oxígeno disuelto (OD) en el agua resulto estadísticamente similar en los cuatro sitios de muestreo (P < 0.05, Cuadro 3), encontrándose estas concentraciones dentro del intervalo considerado como valores máximos permisibles por las normas de referencia (^{US-EPA, 1986}) de 4-9.5 y por la Norma Oficial Mexicana ^{NOM-001-ECOL-1996 (1996)} con 2-7.8 mg L^-1.

Las concentraciones encontradas de OD en el agua, en los cuatro sitios de muestreo, presupone que se debe a la aportación de productos orgánicos por la vegetación y algunos otros organismos presentes en la zona. En este sentido ^{Rodier, Legube y Merlet (2011)}, sostienen que el principal factor que contribuye a los cambios en los niveles de OD, es el incremento de residuos orgánicos en la fuente acuática, mientras que el decaimiento de éstos, conlleva al consumo de oxígeno y ocurre frecuentemente en el verano, cuando los animales acuáticos requieren de más oxígeno para soportar altos niveles de metabolismo.

En el análisis de varianza mediante la prueba de Kruskal-Wallis de los parámetros NT, DBO, SS, NH₄ ⁺, NH₃ y temperatura ambiente, se obtuvieron valores de probabilidad mayores al 5% (P > 0.05), para los sitios de muestreo arroyo San Pedro, río Cabañas, agua de uso doméstico y río Cuxtepec. Por lo tanto, no se encontraron diferencias significativas entre sitios muestreados para estas variables de respuesta. Asimismo, las concentraciones de estos parámetros están por debajo de los límites superiores considerados por las normas de referencia de US Environmental Protection Agency (^{US-EPA, 1986}) y Norma Oficial Mexicana (^{NOM-001-ECOL-1996, 1996}).

Las concentraciones de NH₄ ⁺ encontradas en los cuatro sitios de muestreo (Cuadro 2), arroyo San Pedro, ranchería 30 de Agosto, río Cabañas y río Cuxtepec podrían ser tóxicas para algunas especies acuáticas de acuerdo a los límites permisibles para la mayoría de especies de animales acuáticos que va de 0. 0017 a 22.8 mg L^-1, sobre todo para salmónidos (^{US-EPA, 1986}).

La cantidad de NH₃ no ionizado, corresponde a una importante fuente de energía, pero también una forma tóxica relevante, la concentración de 0.083 a 4.60 mg L^-1 ha afectado severamente a 29 especies de nueve familias y 18 géneros de peces. Además, existen reportes en otras nueve especies de cinco familias y siete géneros susceptibles a dosis que van de 0.0017 a 0.612 mg L^-1 de NH₃, siendo los más afectados el grupo de los salmónidos (^{US-EPA, 1986}). Por lo que corresponde al NH₃ encontrado en promedios de 0.1 mg L^-1 en río Cabañas, 0.008 mg L^-1 en ranchería 30 de Agosto y 0.03 mg L^-1 en río Cuxtepec, están en los límites permisibles para el uso de consumo animal, pero no para especies acuáticas como las señaladas anteriormente, aunque favorable para consumo humano por la ausencia de este compuesto en el agua del arroyo San Pedro (Cuadro 2).

Aunque la mayoría de los productores realizan el beneficio húmedo del café a una distancia que va entre los 200 a 400 m de las fuentes de agua muestreadas, otros lo realizan en sus hogares con agua entubada potable y dispersados al suelo, llegando éstos a las corrientes de los ríos, diluidos y degradados al inicio del periodo de lluvias. Generalmente dos meses después de la actividad de despulpado del café, por lo cual es probable que esa sea una de las razones de las bajas concentraciones encontradas de los contaminantes, lo que resulta inofensivo para el consumo humano y uso agrícola, según Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales - Comisión Nacional del Agua (^{SEMARNAT-CONAGUA, 1996}), ya que las cantidades encontradas no superaron los niveles mínimos permitidos por las diferentes normas citadas (Cuadro 2).