Semiárido: un desafío para la Ciencia del Suelo
13 al 16 de mayo de 2008
Potrero de los Funes (SL), Argentina
CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA ORGÁNICA DEL BIOSÓLIDO
Torri S. 1, C. Alberti 2, M. L. Castelli 2, M. Della Vecchia 2, R. Rossi 2
1Facultad de Agronomía, Universidad de Buenos. Aires. Av. San Martín 4453, Ciudad Autónoma de Buenos Aires, 1417 DSE Argentina, torri@agro.uba.ar
2 INTI-Química. Cromatografia gaseosa y Espectrometria de Masas. Avenida Gral Paz 5445, San Martín, Buenos Aires, B1650 WAB Argentina.
RESUMEN: El uso de biosólidos como fuente de materia orgánica mejora las propiedades físicas y químicas de los suelos agrícolas, reflejándose en un incremento en el rendimiento de los cultivos. La bibliografía internacional señala que entre las sustancias orgánicas potencialmente peligrosas presentes en los biosólidos se encuentran los hidrocarburos aromáticos policíclicos. Debido a que la caracterización de los compuestos orgánicos presentes en el biosólido no se ha abordado aún en nuestro país, el objetivo de este trabajo fue seleccionar un extractante adecuado para dicha caracterización. Las muestras de biosólido se sonicaron durante 6hs con cada extractante y analizaron por GC-MS. La capacidad extractante varió en función del solvente utilizado, siendo la mejor combinación hexano: acetona (3:2). Se observó que la materia orgánica del biosólido está constituida por ácidos grasos de origen vegetal y animal, n-alcanos derivados del petróleo y esteroides de origen humano. Los resultados obtenidos en este trabajo permiten concluir que no existe riesgo de contaminación de suelos con hidrocarburos aromáticos policíclicos o bifenilos policlorados debido al uso agrícola de biosólidos. Sin embargo, se ha detectado la presencia de 1,2- bencendicarboxil dioctyl ester. Sería necesario cuantificar la concentración de este elemento para poder evaluar las dosis máximas de aplicación de biosólidos a los suelos agrícolas.
Palabras Clave: biosólidos – materia orgánica - extracción
INTRODUCCIÓN El crecimiento poblacional origina un incremento en la producción de residuos sólidos, entre los que se encuentran los biosólidos generados en las plantas de tratamiento de los efluentes domiciliarios. La aplicación agrícola de biosólidos es una de las prácticas más aceptables de disposición de estos residuos a nivel internacional, debido a su elevado porcentaje de materia orgánica, macro y micro nutrientes (Montgomery et al, 2005). Numerosos estudios han indicado que el uso de biosólidos como fuente de materia orgánica mejora las propiedades físicas y químicas de los suelos agrícolas, disminuyendo la densidad aparente, incrementando el tamaño de poros, la formación y estabilidad de macroagregados y la capacidad de retención hídrica (Tejada y Gonzalez, 2007), reflejándose en un incremento en el rendimiento de los cultivos (Lavado 2006).
A nivel local, se ha observado un incremento en los contenidos de materia orgánica de tres suelos representativos de la región pampeana (Hapludol Típico, Natracuol Típico y Argiudol Típico) luego de la aplicación de esta enmienda. La existencia en el biosólido de una fracción orgánica resistente originó que, al cabo de un año, entre un 30-50% del carbono incorporado permaneciera en los suelos (Torri et al, 2003).
Entre las sustancias orgánicas presentes en los biosólidos se encuentran la urea, albúmina, proteínas, bases jabonosas, almidones, aceites de origen animal, vegetal y mineral, plaguicidas, disolventes industriales, colorantes, plastificantes, agentes tensoactivos y otras moléculas orgánicas complejas poco solubles en agua y con elevada capacidad de adsorción, como los hidrocarburos alifáticos y los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs) (Dignac et al, 2000). Estos últimos compuestos presentan una elevada persistencia en el medioambiente, una baja biodegradabilidad y
una alta lipofilicidad, siendo alguno de ellos altamente tóxicos. Particularmente, los PAHs constituyen un serio problema ambiental no solo debido a su persistencia en los suelos sino también a su potencial efecto cancerígeno y mutagénico. Los PAHs son considerados contaminantes prioritarios por la EPA, OMS y la CE. En los suelos, estas sustancias pueden migrar por procesos de erosión o lixiviación hasta llegar a los cursos de agua. Los compuestos de mayor persistencia pueden acumularse en las plantas, siendo absorbidos a través de las raíces, ingresando de esta manera a la cadena trófica (Duarte-Davidson y Jones, 1996)
Aunque en numerosos países el uso agrícola de biosólidos constituye una importante vía de ingreso de PAHs a los suelos (Oleszczuk, Baran 2005), la caracterización de los compuestos orgánicos presentes en el biosólido no se ha abordado aún en nuestro país. Si bien los biosólidos son aplicados a nuestros suelos en forma puntual es esperable que, como en el resto del mundo, esta práctica se adopte en forma extensiva en un futuro cercano. Para ello, es necesario conocer la naturaleza de los componentes orgánicos presentes en el biosólido, para evaluar los riesgos potenciales originados por su aplicación agrícola (Berset y Holzer, 1995).
La caracterización de los compuestos orgánicos se realiza a través de técnicas de extracción. Entre los métodos tradicionales se encuentra el equipo Soxhlet, utilizado para la extracción de compuestos de naturaleza lipídica contenidos en un material sólido utilizando un solvente adecuado. Comparado con la técnica Soxhlet, los métodos de extracción más modernos mejoran la eficiencia de la extracción por acción física sobre el medio. En la extracción asistida por ultrasonido se utilizan sonidos de alta frecuencia, que al reducir el tamaño de las partículas incrementa el transporte de masa de los constituyentes solubles por difusión y procesos osmóticos desde la fase sólida al solvente (Vinatoru, 2001). Para esta técnica, suelen utilizarse como extractantes disolventes orgánicos de polaridad media o mezclas de disolventes polares y apolares. Esto ha originado un elevado número de métodos extractivos. El objetivo de este trabajo fue seleccionar un extractante adecuado para la caracterización de la materia orgánica presente en el biosólido utilizando la extracción asistida por ultrasonido.
MATERIALES Y MÉTODOS
El biosólido provino de la planta depuradora de San Fernando, provincia de Buenos Aires. El biosólido se secó primero al aire, y luego en estufa con circulación de aire a 60º C hasta constancia de peso. Posteriormente se molió y tamizó (<2 mm).
Se utilizaron los siguientes extractantes:
Tipo de extracción ultrasonido
extractante o mezcla de extractantes Tolueno n - Hexano Tolueno : Metanol (10:1) Hexano : Acetona (3:2)
Referencia Miege et al, 2003 Mangas et al, 1998 EPA Method 3540 C Tomaniova et al, 1998
Las muestras de biosólido se sonicaron con cada extractante durante 6hs. Posteriormente se filtraron con papel de filtro banda blanca. El filtrado se evaporó en rotavap y el extracto se analizó por GC-MS en las siguientes condiciones cromatográficas: temperatura del horno: 100ºC - 300ºC; temperatura de inyección: 250ºC; temperatura de la fuente de iones: 250ºC; flujo en la columna: 0.89 ml/min.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El biosólido presentó las siguientes características analíticas: carbono total: 251 mg g-1; nitrógeno total: 19,3 mg g-1; fósforo total: 7,2 mg g-1; pH: 5,82; CE: 0,90dS m-1.
1 2 3
4 5 6
7 8
9 10
Los cromatogramas obtenidos con cada uno de los extractantes se presentan en la Figura 1.Todos los compuestos fueron identificados por sus espectros de masa, y la identificación de cada componente correspondiente a los números en rojo se indica en la Tabla 1.
(x100,000) 6.0 TIC
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0 27.5 30.0 32.5 35.0 37.5 40.0 42.5 45.0 47.5 50.0
2 35
7
5
19
34 38 42 44
A: Biosólido extraído con Tolueno
(x1,000,000) TIC
1.00
0.75
18 21
24
11 16
17
0.50 0.25
1
13
19 20 22
23 25
6 7
8 9
10
15
12 14
5
4
2 3
2 34 5 6
7 8
10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0 27.5
7
B: Biosólido extraído con n-Hexano
30.0 32.5 35.0 37.5 40.0 42.5 45.0 47.5 50.0
5 14 15 15 17 ↓ 20 ↓ 24 26 ↓ 30 32 34 ← 44 →
19 22
28
(x1,000,000) 1.25 TIC
17 19
21
1.00
0.75
0.50
0.25
18 20 22
9 10
11 12 13
14 15 16
10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0 27.5 30.0 32.5 35.0 37.5 40.0 42.5 45.0 47.5 50.0
2 34 6 7 5
5
14 19 15 15 24↓28 31
34 ← 44 →
26
C: Biosólido extraído con Tolueno: Metanol (10:1)
24 26 28 29 32 30 33
25 27
31
8
(x1,000,000) TIC
1.75 1.50 1.25
1.00 0.75
0.50 0.25
23
21
10 11
17 18
15 16
22
20
14
19
13
12
2 43 65
9
7
1
10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0 27.5 30.0 32.5 35.0
1 2 3 5 6 8 7 11
12 5 14 15
D: Biosólido extraído con Hexano: Acetona (3:2)
37.5 40.0 42.5 45.0
18 19 ↓ 23 15 ↓18↓ 31
21
19 29
47.5 50.0 33 34 38 ←44→
Figura 1: Cromatogramas obtenidos luego de extraer biosólido con distintos extractantes. Las referencias correspondientes a los números en rojo figuran en la Tabla 1.
Comparación de los extractantes En la Figura 1 se observa que la capacidad extractante varió en función del solvente utilizado. Si bien es difícil comparar la polaridad de los solventes, pueden utilizarse los valores de la constante dieléctrica como una aproximación. Dichos valores son: n-hexano (ε=1.88), acetona (ε=20.7), metanol (ε=32.7), tolueno (ε=2.38), quedando en orden de constante dieléctrica creciente: n-hexano, tolueno, tolueno: metanol, n-hexano: acetona. Se observa que a mayor constante dieléctrica del extractante, mayor es la afinidad por los ácidos grasos. El tolueno fue el solvente menos extractante, mientras que la combinación hexano: acetona (3:2) presentó la mayor afinidad por los analitos. Esta combinación de solventes parecería ser, en principio, adecuada para una caracterización cualitativa de la materia orgánica presente en los biosólidos.
Composición del biosólido Todos los cromatogramas muestran básicamente la presencia de dos familias de compuestos polares: ácidos grasos y esteroides.
Los ácidos grasos presentan un menor tiempo de retención (5 a 31 minutos), predominando los que presentan número par de átomos de C, entre C10 y C18. Estos ácidos grasos se originan a partir de efluentes domiciliarios de origen gastronómico y cloacal. Entre las grasas de origen vegetal y animal predominan el ácido palmítico (ácido hexadecanoico,16:0), el ácido esteárico (ácido octadecanoico, 18:0) y el ácido oleico (ácido (9Z)-octadec-9-enoico, C18:1w9), en concordancia con los resultados de Jardé et al. (2005). Esta fracción representa el 54% de la materia orgánica extraída con hexano: acetona (3:2).
Los esteroides presentan el mayor tiempo de retención, son compuestos resistentes a la degradación microbiana, con tiempos de vida media superiores a otros compuestos orgánicos, lo cual permite su empleo como marcadores biológicos en suelos y aguas. Los colestanos (C27) constituyen un grupo de esteroides, entre los que se encuentra el colesterol, característico de las lipoproteínas del plasma sanguíneo y las membranas celulares de los animales superiores. El coprostanol (5β-colestan-3β-ol) presente en todos los cromatogramas, es el producto de la hidrogenación microbiana anaeróbica del colesterol, sintetizado en el tracto digestivo del ser humano. Esta fracción representa el 18% de la materia orgánica extraída con hexano: acetona (3:2).
Entre los compuestos no polares se encuentran los n-alcanos, de cadenas carbonadas entre C12 – C40. Esta fracción representa aproximadamente el 16% de la materia orgánica presente en el
biosólido. No se observa predominio de cadenas pares o impares de C. Los n-alcanos entre C11-C40 derivan de fuentes de combustible fósil y pueden constituir entre el 15-20% de crudos no degradados.
Tabla 1: Nomenclatura de los compuestos presentes en el biosólido
Nombre del compuesto
1 Tetradecanal 2 Acido Tetradecanoico 3 Acido Pentadecanoico 4 Acido Hexadecanoico 5 Acido Octadecanoico 6 Tetradecanol 7 Acido Hexadecanoico 8 Cyclododecano 11 Nonadecano 12 Acido (9Z)-Octadec-9-enoico 14 Nonacosano 15 Hentriacontano 17 Docosane 18 Triacontane 19 1,2-Bencendicarboxil dioctyl ester 20 Tetracontano 21 Hexacosano 22 Hexatriacontano 23 Pentacosano 24 Octacosano 26 Untriacontano 28 Hidrocarburo lineal no identificado 30 Eicosano 31 Hidrocarburo lineal no identificado 32 Hidrocarburo lineal no identificado 34 5β-cholestan-3β-ol (coprostanol)
Cholestan, 3,4-epoxy38 (3.alpha.,4.alpha.,5.alpha)
42 3β-cloro-5-colestano 44 Familia del colestano
Fórmula C14H28O CH3(CH2)12COOH CH3(CH2)13COOH CH3(CH2)14COOH CH3(CH2)16COOH CH3(CH2)13OH
C12H24 C19H40 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH C29H60 C31H64 C22H46 C30H62 C24H38O4 C40H82 C26H54 C36H74 C25H52 C28H58 C31H64
C20H42
C27H48O
C27H46O C27H45Cl
Los alcanos de C25 - C33 pueden también provenir de las ceras cuticulares vegetales, presentando predominio de cadenas impares.
En ningún cromatograma se observa la presencia de PAHs ni de bifenilos policlorados (PCBs). Estos resultados indican la ausencia de estos compuestos en los biosólidos correspondientes a la ciudad de Buenos Aires, o una concentración por debajo del límite de detección del equipo. Sin embargo, se observa la presencia de 1,2- bencendicarboxil dioctyl ester (19), también denominado ftalato de di-n-octilo. Los ésteres del ácido ftálico (PAEs) se utilizan para modificar las propiedades mecánicas de plásticos y caucho, y existen sospechas que son neurotóxicos y cancerígenos. Estos compuestos figura en la Lista de Sustancias Peligrosas de la EPA. Debido a que estos plastificantes no son polimerizados dentro de la matriz plástica, pueden desprenderse con el tiempo y el uso y emigrar al ambiente. La presencia de PAEs en biosólidos ha sido reportada en numerosos estudios. Debido a su baja solubilidad, estas sustancias se concentran en el biosólido, reportándose concentraciones entre 12 a 1250 mg kg−1 (Staples et al., 1997). La presencia de estos compuestos
podría regular las dosis máximas de biosólidos utilizados con fines agrícolas, de acuerdo con la legislación Nacional (Decreto 831/93. Ley 24.051).
CONCLUSIONES Los resultados obtenidos en este trabajo indican que la materia orgánica del biosólido está constituida por ácidos grasos, n-alcanos y esteroides. La fracción orgánica resistente observada en trabajos anteriores posiblemente se deba a la lenta degradación de los esteroides, n-alcanos y ácidos grasos de elevado peso molecular por los microorganismos edáficos, aunque es necesario realizar más ensayos para confirmar esta suposición. Los resultados obtenidos en este trabajo permiten concluir que no existe riesgo de contaminación de suelos con hidrocarburos aromáticos policíclicos o bifenilos policlorados debido al uso agrícola de biosólidos. Sin embargo, se ha detectado la presencia de 1,2- bencendicarboxil dioctyl ester. Sería necesario cuantificar la concentración de este elemento en el biosólido para poder evaluar las máximas dosis a aplicar en los suelos para uso agrícola.
BIBLIOGRAFÍA
Berset J.D. and Holzer R., 1995. Organic micropollutants in Swiss agriculture: distribution of polynuclear aromatic hydrocarbons (PAH) and polychlorinated biphenyls (PCB) in soil, liquid manure, sewage sludge and compost samples; a comparative study, Int. J. Environ. Anal. Chem. 59: 145–165.
Dignac M.F., P. Ginestet, D. Rybacki, A. Bruchet, V. Urbain and P. Scribe. 2000. Fate of wastewater organic pollution during activated sludge treatment: nature of residual organic matter. Water Res. 34: 4185-4194
Duarte-Davidson R. and K.C. Jones, 1996. Screening the environmental fate of organic contaminants in sewage sludge applied to agricultural soils: 2. The potential for transfers to plants and grazing animals, Sci. Total Environ. 185: 59–70.
Jardé E, L Mansuy and P Faure. 2005. Organic markers in the lipidic fraction of sewage sludges . Water Research, 39: 1215-1232
Lavado, R.S. 2006. Effects of sewage-sludge application on soils and sunflower yield: Quality and toxic element accumulation. Journal of Plant Nutrition 29: 975-984
Mangas, E.; Vaquero, M. T.; Comellas, L. y Broto-Puig, F. 1998. Analysis and fate of aliphatic hydrocarbons, linear alkylbenzenes, polychlorinated biphenyls and polycyclic aromatic hydrocarbons in sewage sludge-amended soils. Chemosphere, 36: 61-72
Miege,C.; Dugay, J. y Hennion, M. 2003.; Optimization, validation and comparison of various extraction techniques for the trace determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in sewage sludge by liquid chromatography coupled to diode-array and fluorescence detection. J. Chrom. A, 995: 87-97.
Montgomery, M.B., Ohno, T., Griffin, T.S., Honeycutt, C.W. & Fernanadez, I.J. 2005 Phosphorus mineralization and availability in soil amended with biosolids and animal manures. Biological Agriculture and Horticulture 22, 321-334
Oleszczuk P, S Baran. 2004. Application of solid-phase extraction to determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in sewage sludge extracts. Journal of Hazardous Materials, 113: 237-245.
Staples, C.A. D.R. Peterson, T.F. Parkerton y W.J. Adams, 1997.The environmental fate of phthalate esters: a literature review, Chemosphere 35: 667–749.
Tejada, M., Gonzalez, J.L. 2007. Application of different organic wastes on soil properties and wheat yield. Agronomy Journal 99: 1597-1606
Tomaniova, M.; Hajslova, J.; Pavelkajr, J.; Kocourek, V.; Holadova, K. y Klimova, I.1998, Microwaveassisted solvent extraction - a new method for isolation of Polynuclear aromatic hydrocarbons from plants. J. Chrom. A 827: 21-29
Torri S, Alvarez R, Lavado R. 2003. Mineralization of Carbon from Sewage sludge in three soils of the Argentine pampas. Commun Soil Sci and Plant Anal 34: 2035-2043.
Vinatoru, M. 2001. An overview of the ultrasonically assisted extraction of bioactive principles from herbs. Ultrasonics Sonochemistry. N.º 8: 303-313.
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