Efecto del agua residual tratada sobre la composición química de Uva Tempranillo (Vitis vinifera) en Baja California, México

Effect of treated wastewater on the chemical composition of Tempranillo Grapes (Vitis vinifera) in Baja California, Mexico

Dinora Acosta-Zamorano, Víctor Macías-Carranza, Leopoldo Mendoza-Espinosa, Alejandro Cabello-Pasini*

Instituto de Investigaciones Oceanológicas, Universidad Autónoma de Baja California. 22860. *Autor responsable. (acabello@uabc.edu.mx).

Resumen

La viticultura está limitada en Baja California por la disponibilidad del agua debido a que es una zona semidesértica, peto las aguas residuales tratadas (ART) se podrían utilizar pata regar algunos cultivos. Por tanto, el objetivo de este estudio fue evaluar el impacto del riego de la vid con ART sobre la calidad microbiológica y química de las uvas en el Valle de Guadalupe, México. Entre 10 a 20 L semana^-1 de ART de la planta de tratamiento de El Sauzal fueron aplicados a vides Tempranillo de 5 años de edad y para los testigos se usó agua del acuífero Valle de Guadalupe. El análisis mostró que las ART de la planta de tratamiento cumplieron con todos los parámetros de las normas NOM-001-SEMARNAT-1996 y NOM-003-SEMARNAT-1997 para el riego restringido y no restringido, así como para el contacto directo e indirecto durante el estudio. No se observaron diferencias significativas (p>0.05) en pH, acidez titulable, concentración de sólidos solubles (azúcar) y nitrógeno asimilable por las levaduras de las uvas, independientemente del tipo de agua aplicada como riego. Las concentraciones de los iones de Ca, Mg, Na y K no fueron afectadas por los tratamientos de riego (p> 0.05). Este estudio muestra que el ART de la planta de tratamiento de El Sauzal no tuvo un impacto negativo a corto plazo sobre la calidad de la uva para vinificación y el agua tratada podría usarse para regar este cultivo.

Palabras clave: agua residual tratada, viticultura, madurez, uva.

Abstract

Viticulture in Baja California (Mexico), located in a semi-arid region, is limited by the availability of water. Treated wastewater (TWW), however, could be used to irrigate some crops. Therefore, the objective of this study was to assess the effect of irrigating grapevines with TWW on the microbiological and chemical quality of grapes in the Guadalupe Valley. Five-year-old Tempranillo grapevines were irrigated with 10 or 20 L week^-1 of TWW from the El Sauzal wastewater treatment plant; for the control treatment, water from the Guadalupe Valley aquifer was used. The analysis showed that TWW satisfied all the parameters of the norms NOM-001-SEMARNAT-1996 and NOM-003-SEMARNAT-1997 for restricted and non-restricted irrigation, as well as for direct and indirect contact during the study. No significant differences (p>0.05) were observed in pH, titratable acidity, the concentration of soluble solids (sugar) or yeast assimilable nitrogen in the grapes, regardless of the type of water used for irrigation. The concentrations of the Ca, Mg, Na and K ions were not affected by the irrigation treatments (p> 0.05). This study shows that TWW from the El Sauzal treatment plant did not cause short-term negative impacts on the quality of grapes for vinification, and that treated water could be used to irrigate this crop.

Key words: treated waste water, viticulture, ripening, grapes.

INTRODUCCIÓN

El problema principal relacionado con la utilización del agua es que pierde su calidad original y aumenta constantemente la demanda de las actividades agropecuarias y forestal, y de las necesidades urbanas y de la industria (Lazarova y Bahri, 2005). En el mundo se usa cerca de 65 % del agua dulce disponible para irrigación, 20 % en las industrias y 15 % para uso doméstico. En algunos países hay programas exitosos para la reutilización de aguas residuales urbanas (Lazarova y Bahri, 2005), mientras que en zonas áridas, donde el agua es escasa, la reutilización del agua residual tratada (ART) para el riego podría reducir el consumo de agua potable hasta 50 % (Laurenson et al., 2010).

La reutilización de agua es una manera eficiente de reducir el estrés hídrico de las plantas, y permite una gestión del agua más sostenible en países donde el agua es escasa (Hochstrat et al., 2008). Además de la escasez de agua, algunas ciudades enfrentan el problema del desecho de las aguas residuales las cuales generalmente son vertidas en cuerpos de agua interiores y costeros, o son usadas ocasionalmente en la agricultura. En Ensenada, Baja California, más del 90 % del ART es vertida al mar (Mendoza-Espinosa et al., 2004). En contraste, en el Valle del Mezquital, en el estado de Hidalgo, 90 000 ha de cultivo son irrigadas con agua residual de la ciudad de México (Jiménez et al., 1999).

La principal zona vitivinícola de México está en el norte de Baja California, donde el promedio de precipitación pluvial es 285 mm, pero debido a periodos de sequias en los últimos 15 años es más cercano a 200 mm (Reyes-Coca y Troncoso-Gaytan, 2004). A diferencia de otros municipios de Baja California que suplen parcialmente sus requerimientos hídricos del rio Colorado, el municipio de Ensenada satisface todos sus requerimientos hídricos con agua de acuíferos y agua de escorrentía (Mendoza-Espinosa et al., 2005). Uno de los principales suministros de agua para la ciudad de Ensenada es el acuífero Valle de Guadalupe (9 Mm³ año^-1; CNA, 1998), lo cual tiene un gran impacto en la disponibilidad de agua para la viticultura en esta zona. Debido a la reducción en precipitación y la extracción de agua del acuífero Valle de Guadalupe hacia la ciudad de Ensenada, los volúmenes y calidad de los mantos acuíferos disminuyen (Daessle et al., 2005).

Con una buena gestión y el tratamiento adecuado, las ART pueden aumentar el crecimiento, el rendimiento de fruta, y no afectar negativamente los cultivos (Mendoza-Espinosa et al., 2005; Laurenson et al., 2012). Sin embargo, las ART usadas en el cultivo de la vid pueden causar problemas relacionados con metales pesados, microorganismos patógenos, aumento de la salinidad de la tierra y fruta, etc. (Met-calf & Eddy Inc., 2004; Laurenson et al., 2012). En los viñedos irrigados con ART ha disminuido el estatus nutricional debido al aumento progresivo de la salinidad (McCarthy, 1981; McCarthy y Downton, 1981). Además, ha cambiado la concentración de sólidos solubles, pH y acidez total de las uvas, lo que afecta el balance químico y la calidad de los vinos producidos con estas uvas (Paranychianakis et al., 2006).

El gobierno municipal de Ensenada, Baja California, ha propuesto la creación de un acueducto para llevar ART al valle de Guadalupe y mitigar el estrés hídrico en los viñedos, pero pocos estudios han valorado el efecto de las ART sobre la fisiología de la vid (Mendoza-Espinosa et al., 2008) y no existen estudios sobre el efecto de las ART en la calidad de la fruta en esta zona vitivinícola. En consecuencia, el objetivo de este estudio fue evaluar el efecto del riego con ART sobre la concentración de sólidos solubles, acidez total, pH y nitrógeno asimilable en uvas Tempranillo. Además, se evaluó la acumulación de iones y la presencia de bacterias patógenas en uvas para vino irrigadas con ART en el Valle de Guadalupe, Baja California, México.

MATERIALES Y MÉTODOS

El estudio se efectuó durante dos periodos de producción (2010 y 2011) usando vides (Vitis vinifera var. Tempranillo) cultivadas en el Valle de Guadalupe, Baja California (31° 59' 09" N, 116° 38' 46" O), de cinco años de edad, en cordones de un brazo con un sistema de espaldera de dos líneas. Las vides fueron cultivadas en pasillos de 2.7 m y 1.2 m entre vides dispuestas en una orientación Este-Oeste y la poda se mantuvo a 30 yemas por vid. Los tratamientos fueron: 1) plantas regadas con 20 L semana ^-1 de agua del acuífero, 2) plantas regadas con 10 L semana ^-1 de ART, 3) plantas regadas con 20 L semana ^-1 de ART y 4) plantas no regadas. El agua fue suministrada semanalmente al pie de las vides usando cajetes.

Muestras de ART de la planta de de tratamiento de El Sauzal (tratamiento secundario con desinfección) y agua del acuífero del Valle de Guadalupe fueron recolectadas semanalmente, en contenedores plásticos estériles de 0.5 L y se transportaron al Laboratorio de Calidad del Agua del Instituto de Investigaciones Oceanológicas (IIO) de la Universidad Autónoma de Baja California (UABC) para su análisis. La demanda bioquímica de oxigeno (DBO₅), sólidos sedimentables, sólidos disueltos totales, sólidos suspendidos totales, grasas y aceites, conductividad, pH, turbidez, coliformes totales y fecales se analizaron con métodos estandarizados para el análisis de aguas (APHA, 1998). Los huevos de helmintos se analizaron de acuerdo con la técnica estipulada en la NMX-AA-113-SCFI-1999 (1999). La concentración de nitratos, fosfatos y amonio se determinó analíticamente mediante colorimetría (Hach-Company, 2002).

Madurez de la uva

Las variables de madurez de las uvas fueron determinadas semanalmente desde la fecha de envero en los tratamientos de riego. Aproximadamente, 45 uvas por tratamiento (n=10) fueron recolectadas al azar y transportadas en una hielera a 4 °C al laboratorio para los análisis. Las uvas de cada tratamiento se maceraron 2 h y se determinó la concentración de sólidos solubles (azúcares). Los niveles de sólidos totales se evaluaron con un refractómetro de mesa Abbe (Fisher Scientific Co.), la acidez se midió mediante titulación, el pH se determinó potenciométricamente (ThermoOrion 410) y el nitrógeno asimilable por las levaduras por titulación con NaOH (Zoecklein et al., 1995).

Concentración de sodio, potasio, calcio y magnesio en mosto

Cada semana se recolectaron aproximadamente 45 uvas de cada tratamiento (n= 3), desde el envero hasta el final de la cosecha. Las uvas fueron maceradas para obtener el jugo y analizar los iones (mg L ^-1) de Na, K y Ca por emisión con una flama oxidante de acetileno, y el Mg por absorción atómica con un espectrofotómetro de absorción atómica (Atomic Absorption Spectrometer Fast Sequential, SpectrAA 220/FS).

El diseño experimental fue bloques de 10 vides cada uno. En el 2010, uno de los bloques no recibió riego, otro bloque recibió 20 L sem ^-1 de agua del acuífero y el último recibió 20 L sem ^-1 ART. En el 2011, uno de los bloques no recibió riego, otro bloque recibió 20 L sem ^-1 de agua del acuífero, y los otros bloques dos recibieron 10 y 20 L sem ^-1 ART cada uno. Los parámetros de calidad del agua del acuífero y del ART se monitorearon cada semana usando la metodología ya descrita. Para evaluar el efecto del uso de las ART sobre las características químicas de las uvas y su calidad, se evaluó semanalmente desde el envero, la concentración de sólidos solubles (azúcares), pH, acidez titulable y el nitrógeno asimilable por las levaduras, para cada tratamiento de riego. En el mosto se evaluó la concentración de los iones de Na, K, Ca y Mg, según la metodología ya descrita.

Los datos de concentración de amonio, NO₃, PO₄, conductividad y sólidos disueltos durante el año se analizaron con un ANDEVA de una vía después de probar normalidad y homocedasticidad de los datos (Sokal y Rohlf, 1995). Los datos de la concentración de sólidos solubles, pH, acidez titulable, nitrógeno asimilable por las levaduras, y la concentración de Ca, Mg, K y Na se analizaron con un ANDEVA de una vía. Todas las comparaciones múltiples se realizaron con la prueba de Tukey (p≤0.05).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los análisis del ART mostraron que el agua de la planta de tratamiento de El Sauzal está dentro de lo establecido por las normas oficiales mexicanas para la irrigación de cultivos (NOM-001-SE-MARNAT-1996), así como para la reutilización en actividades en contacto directo o indirecto con la población (NOM-003-SEMARNAT-1997). El fosfato y amonio contenido en el ART fueron más bajos durante todo el año que los máximos permitidos para el uso de riego por ambas normas oficiales. Estos resultados coinciden con otros estudios de las plantas de tratamiento de Ensenada, Baja California, incluyendo la planta de El Sauzal (Mendoza-Espinosa et al., 2008). Durante el año, los niveles de nitratos en el ART fluctuaron entre 3 y 7 mg L ^-1, y los nitratos en el agua del acuífero variaron de 2 a 12 mg L ^-1 (Figura 1). Los niveles de nitratos en el agua del acuífero fueron dos veces más altos (p≤0.05) que los observados en el ART (Figura 1). Esto coincide con lo reportado por Daessle et al. (2004) y sugiere que los niveles altos de nitratos en el agua del acuífero se deben a un exceso de fertilización en los cultivos o por una alta permeabilidad de los fertilizantes aplicados a los cultivos hacia el manto acuífero.

El exceso de macronutrientes en las ART ha reducido el rendimiento y la calidad en cultivos anuales como algodón, tomate, remolacha, papa, durazno, manzano y vid (Bouwer y Idelovitch, 1987). La fertilización de viñedos con más de 200 kg N ha ¹ retrasó la acumulación de azúcares durante la maduración (Spayd et al., 1994); además, las uvas cosechadas de viñedos con alta fertilización de N generaron vinos con niveles significativamente más altos de acidez volátil que aquellos producidos de uva con fertilizaciones menores. Las concentraciones de nitratos observados en las aguas del acuífero y las ART en este estudio, sin embargo, no causaron diferencias significativas en el crecimiento de los sarmientos de vid.

A diferencia del nitrato, la concentración de amonio fue mucho menor en las aguas del acuífero que en las ART. Los niveles de amonio en las ART fluctuaron entre 4 y 7 mg L ^-1, mientras que en el agua del acuífero fue cercana a cero durante el año. Los niveles altos de amonio en el ART son consistentes a lo observado en el agua residual de otras plantas de tratamiento y se relacionan con la descomposición bacteriana de la materia orgánica (Mendoza-Espinosa et al., 2008). Al usarlo durante el riego, el amonio es asimilado rápidamente por las plantas a través de las raíces o se adsorbe a arcillas o materia orgánica mediante cargas electrostáticas; después, el amonio fijado en la tierra es oxidado por bacterias para generar nitratos mediante procesos de nitrificación (Norton y Stark, 2011). Debido a las tasas altas de asimilación por las plantas y la nitrificación, no hay mucha infiltración y en consecuencia la concentración de amonio en el agua del acuífero es muy baja.

Al igual que los nitratos, la concentración de fosfatos entre el ART y el agua del acuífero fue significativamente (p≤0.05) diferente durante el año. Así, los niveles de fosfatos del ART fluctuaron de 10 a 15 mg L ^-1, pero en el agua del acuífero fueron cercanos a cero. Los niveles altos de fosfatos en el ART coinciden con observaciones de otras plantas de tratamiento de aguas urbanas (Laurenson et al., 2010). Estos niveles de fosfatos están asociados con detergentes usados en residencias y vertidos a los drenajes urbanos. Los niveles bajos de fosfatos observados en las aguas del acuífero sugieren que este macronutriente es incorporado por las plantas o que tienen bajas tasas de permeabilidad desde la capa de cultivo o fertilización, hasta el manto freático. De hecho, el P tiene una gran afinidad por minerales y materia orgánica en el suelo por lo que tiene tasas muy bajas de movilidad a través del sustrato (Ahmed et al., 2008).

La conductividad y la concentración de sólidos disueltos totales (SDT) en el ART y en el agua del acuífero fueron relativamente constantes durante el año (Figura 2), pero fueron dos veces más alta en ART que en el agua del acuífero. El valor mayor de conductividad en el ART (2000 μS cm ^-1) se observó en agosto de 2010, y el menor (1250 μS cm ^-1) en agosto de 2011. La mayor concentración de SDT en el agua del acuífero (650 mg L ^-1) fue en agosto-septiembre. La concentración mayor de SDT en al ART fue relativamente constante (1100 mg L ^-1) durante el año. La mayor conductividad y mayor concentración de SDT en el ART, respecto al agua del acuífero, se debe a la concentración de minerales causada por la oxidación y descomposición de la materia orgánica en las plantas de tratamiento. Por tanto, el riego con ART puede causar un problema de concentración de sales en el suelo, especialmente cuando se aplica en zonas áridas y semiáridas. La falta de lluvias en estas zonas impide lavar las sales del suelo y reduce el rendimiento de algunos cultivos (Tejeda et al., 2001).

La vid es moderadamente sensible a la salinidad y crece mejor cuando la conductividad eléctrica (CE) es inferior a 0.8 dS m ^-1. El rendimiento puede disminuir cuando la CE del agua de riego es mayor a 1.5 dS m ^-1, que corresponde a un contenido de sales de 975 mg L ^-1 (Bauder et al., 2011). La CE del ART en este estudio fue 1.6 dS m ^-1, lo cual es superior al óptimo para el desarrollo de la vitivinicultura. El aumento de la salinidad en el riego a corto plazo reduce las tasas de crecimiento en la vid, número de racimos y rendimiento, y una exposición larga a salinidad alta reduce la sobrevivencia de las vides (Downton, 1977; Shani y Ben-Gal, 2005). Sin embargo, en este estudio la irrigación de vides con ART por dos años no impactó negativamente el crecimiento vegetativo ni el rendimiento de vides var. Tempranillo.

Los niveles de coliformes fecales en el ART y en el agua del acuífero fueron menores a tres colonias, según el número más probable (NMP), durante todo el estudio (datos no mostrados). Las Normas Oficiales Mexicanas establecen como límites máximos permisibles 1000/100 mL NMP para ART que se usarán en cultivos (NOM-001-SEMARNAT-1996) y en actividades con contacto indirecto (NOM-003-SEMARNAT-1997); y de 240/100 mL NMP para la reutilización del ART en actividades que impliquen contacto directo con la población (NOM-003-SEMARNAT-1997). Además, el resultado de los análisis en el mosto de la uva irrigada con ART mostró ausencia de bacterias patógenas, lo cual sugiere que las ART de la planta de tratamiento del Sauzal, así como las aguas del acuífero, tienen calidad microbiológica suficiente para ser usadas en el cultivo de la vid.

En los dos años de estudio la concentración de sólidos solubles no presentó diferencias significativas (p>0.05) entre los tratamientos de riego (Figura 3). Esto indica que las vides irrigadas con 10 o 20 L semana ^-1 de agua del acuífero o ART cubrieron sus requerimientos hídricos y mantuvieron tasas fotosintéticas similares. Pero las plantas sin riego presentaron las tasas menores de acumulación de sólidos solubles en las uvas, comparado con las vides que recibieron ART o agua del acuífero. En general hubo un retraso de la maduración durante el 2010 respecto al 2011 ya que las vides alcanzaron 25 °Brix tres semanas después. Las tasas menores de acumulación de sólidos solubles en las uvas no irrigadas es consistente con resultados reportados por Freeman y Kliewer (1983) y Esteban et al. (1999). La reducción en la acumulación de sólidos solubles en vides con estrés hídrico se debe el cierre estomático y a la consecuente reducción de las tasas fotosintéticas (Liu et al., 1978; Gomez-del-Campo et al., 2002). En las vides, las estomas se cierran cuando el potencial hídrico de las hojas alcanza -13 a -15 bar (Liu et al., 1978). En este estudio, las vides sin riego y con un estrés hídrico mayor alcanzaron un potencial hídrico de las hojas de -15 bar más rápidamente que las vides regadas (datos no mostrados). La concentración de N en el mosto de las uvas presentó una gran variación entre los tratamientos y entre los dos años (Figura 3; p≤0.05). Hubo dos veces más N en el mosto durante 2010 que durante 2011, pero no hubo un patrón claro respecto a los tratamientos de riego.

De manera similar a los resultados obtenidos para sólidos solubles, no hubo diferencias significativas (p> 0.05) en el pH del mosto respecto al tratamiento de riego (Figura 4). El pH del mosto aumentó al avanzar la maduración de las uvas hasta alcanzar 3.6 pero, consistentemente, el pH más bajo del mosto se observó en los tratamientos sin riego. El aumento del pH con la maduración es consistente con resultados de otros estudios de maduración de la uva y se relaciona directamente con el catabolismo de ácidos orgánicos y la acumulación de K en la uva (Esteban et al., 1999; Mendoza-Espinosa et al., 2008). La acumulación de K en las uvas induce la formación de sales de bitartrato de K que reducen la concentración de ácidos orgánicos disueltos y aumentan el pH del mosto. En el presente estudio, el riego no tuvo un impacto significativo sobre el pH por lo que no hubo diferencias en vides irrigadas o con un alto estrés hídrico (Esteban et al., 1999).

La concentración de cationes fue significativamente mayor en el ART que en el agua del acuífero. Respecto al agua del acuífero, en el ART la concentración de Ca (324.3 ±49.0 mg L ^-1) fue 52 veces mayor, la de Mg (11.9±0.4 mg L ^-1) 5.8 veces mayor, la de K (47.0±1.1 mg L ^-1) 41 veces mayor, y la de Na (42.2±0.3 mg L ^-1) 3.4 veces mayor. Aunque los niveles de cationes del ART fueron superiores a los del agua del acuífero, la concentración de Ca, Mg y K en el ART de la planta de tratamiento de el Sauzal es similar a la concentración en acuíferos en el mundo (Zaheeruddin y Khurshid, 2004). Aun más, los niveles de cationes del ART de la planta de tratamiento de el Sauzal está dentro de los niveles o es inferior a los encontrados en las aguas más duras del acuífero del Valle de Guadalupe (Daessle et al., 2004).

El riego con ART no aumentó significativamente los niveles de cationes en el mosto de uva (Figura 5) y aunque los niveles de cationes del ART fue significativamente mayor que la del acuífero, no fueron lo suficientemente altos como para afectar la concentración del mosto. La concentración de Ca, Mg, Na y K en el mosto de los tratamientos es similar al observado en vinos mexicanos y en el mundo (Cabello-Pasini et al., 2013). Sin embargo, niveles altos de Na en el agua de riego (575 mg L ^-1) aumentan el Na en el xilema y eventualmente en el jugo de uva (Downton 1977; McCarthy, 1981; McCarthy y Downton, 1981). Pero la concentración de Na en el ART de la planta de tratamiento de el Sauzal usada en este estudio sólo fue 42.2±0.3 mg L ^-1. De hecho, los niveles de Na para el agua del acuífero para el 2011 variaron de 83 a 340 mg L ^-1, esto es 2 a 8 veces más altos que los de ART en este estudio. Lo anterior sugiere que la concentración de Na, Ca, Mg y K en las ART de la planta de tratamiento del Sauzal es suficientemente baja como para no causar un aumento significativo de estos iones en las uvas.

No se observaron efectos negativos microbiológicos en las uvas, ni en la concentración de sólidos totales, pH, acidez total y iones en el mosto, pero se desconoce cuál es el efecto de otros iones (i.e. metales pesados), grasas, aceites, pesticidas, etc., que potencialmente se pudieran encontrar en el ART, sobre la fisiología de vid o sobre la calidad de la fruta.

CONCLUSIONES

En el presente estudio de dos años se demuestra que las ART de la planta de tratamiento de El Sauzal, en Baja California, cumplen con los parámetros que estipula la legislación mexicana para ser usada en el riego de cultivos. Además, estas ART no afectaron los parámetros básicos de madurez de la uva (sólidos solubles, acidez titulable, pH y nitrógeno). Debido a que la concentración de Ca, Mg, Na y K en el ART es similar o menor que en el agua del acuífero, no se observó una acumulación de estos iones en el mosto de uva. Lo anterior sugiere que las ART de la planta de tratamiento del Sauzal se pueden usar como suplemento hídrico en el cultivo de la vid, pero es necesario evaluar su efecto a largo plazo.

AGRADECIMIENTOS

Agradecemos a Viñas Pasini S. A. de C. V. por permitir realizar los experimentos en parte de su viñedo. Este estudio fue apoyado con recursos del proyecto FORDECYT (#146606).

LITERATURA CITADA

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