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DETERMINACIÓN DE FACTORES
DE ENRIQUECIMIENTO E ÍNDICES
DE GEOACUMULACIÓN DE PLOMO,
CADMIO Y NÍQUEL EN SUELOS AGRÍCOLAS
DEL SECTOR SAN ALFONSO EN MACHACHI
GEOACCUMULATION INDEX AND ENRICHMENT FACTOR
FOR LEAD, CADMIUM AND NICKEL IN AGRICULTURAL SOILS
OF SAN ALFONSO AREA IN MACHACHI
José Quevedo C.
1
& Lorena Meneses O.
1
Palabras claves: índices de geoacumulación,
factores de enriquecimiento, metales pesados, chatarra.
Keywords: geoaccumulation index, enrichment factor,
heavy metals, scrap.
RESUMEN
Se determinaron el índice de geoacumulación y el factor de enriquecimiento
de plomo, cadmio y níquel en muestras de suelos agrícolas provenientes del
sector San Alfonso, en la parroquia de Machachi del Cantón Mejía, a través de
la aplicación de técnicas de normalización geoquímica. Las determinaciones
se realizaron por espectrofotometría de absorción atómica de llama. El plomo
1 Pontificia Universidad Católica del Ecuador, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Escuela de
Ciencias Químicas, Quito, Ecuador. (jose.quevedo@aguaquito.gob.ec; lmmeneses@puce.edu.ec).
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y el cadmio se manifestaron como los contaminantes mayoritarios. El 90 % de
los lotes presentaron valores de concentración de plomo superiores a 25 mg/kg,
mientras que el 100 % de los lotes presentaron valores de concentración de
cadmio superiores a 0,5 mg/kg. El factor de enriquecimiento para el plomo pre-
sentó valores entre 10,3 y 12,9, lo que indica que existe un moderado enrique-
cimiento de este mineral distinto al de la roca madre. En el caso del cadmio,
los valores están entre 484,8 y 568,1 indicando un alto enriquecimiento y una
grave contaminación de origen antropogénico. Para el níquel, los valores son
inferiores a 10 por lo que su enriquecimiento proviene solo de la roca madre.
Respecto al índice de geoacumulación, para el caso del plomo se encontraron
valores entre 0,7 y 1,1 que lo clasifica como un contaminante moderado. Para
el cadmio los valores van de 6,4 a 6,6, lo que indica una contaminación ex-
trema. Para el níquel los valores son inferiores a 0, lo que indica que este metal
no se presenta como contaminante. Para el caso del cadmio, se demostró que
existe una grave contaminación de origen antropogénico, que puede deberse
a la cercanía de un depósito de chatarra que bordea toda la zona en estudio.
ABSTRACT
Geoaccumulation index and enrichment factor of lead, cadmium and nickel in
agricultural soil samples from San Alfonso in the Parish of Machachi, Mejía
County, through the application of techniques for geochemical normalization
were determined. All determinations were performed by atomic absorption
flame spectroscopy. Lead and cadmium are expressed as major contaminants.
90 % of the batch had lead concentration values higher than 25 mg/kg, whereas
100 % of the batch had cadmium values concentration higher than 0,5 mg/kg.
The enrichment factor for lead showed values between 10,3 and 12,9, which
indicates a moderate enrichment different of the bedrock mineral. In the case
of cadmium, the values are between 484,8 and 568,1 indicating a high enrich-
ment and serious pollution of anthropogenic origin. For nickel, the values are
less than 10 so its enrichment comes only from the bedrock. Regarding geoac-
cumulation index, for the case of lead, values between 0,7 and 1,1 classifies it
as a moderate contaminant. For cadmium values from 6,4 to 6,6 indicate ex-
treme contamination. The values for nickel are lower than 0, indicating that the
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DE GEOACUMULACIÓN DE PLOMO, CADMIO Y NÍQUEL EN SUELOS AGRÍCOLAS
DEL SECTOR SAN ALFONSO EN MACHACHI
metal is not present as a contaminant. In the case of cadmium, it was shown
that there is a serious contamination of anthropogenic origin, which may be
due to the proximity of a junkyard that runs along the study area.
INTRODUCCIÓN
Referirse al suelo es hablar de uno de
los recursos naturales más complejos
del planeta. Es un sistema biogeoquí-
mico con entradas y salidas, la mate-
ria orgánica e inorgánica están en
constante evolución, los microorga-
nismos que lo habitan nacen y mue-
ren, su porosidad provoca la libre
entrada de aire y agua con materiales
disueltos; estas características lo
hacen fácilmente degradable y diná-
mico (Vega de Kuyper, 2002).
La evolución del suelo se puede ob-
servar gracias a sus estratos, represen-
tados en la Figura 1, llamados
también horizontes, que son porcio-
nes consecutivas a ciertas profundi-
dades, con propiedades físicas, quí-
micas y biológicas diferentes. El pri-
mer estrato, denominado mantillo, es
una capa fina de color marrón o
negro y está compuesto principal-
mente por materia orgánica. El se-
gundo estrato u horizonte “A” tiene
aproximadamente 0,5 metros de pro-
fundidad, posee minerales, materia
orgánica porosa y descompuesta por
la acción de organismos vivos. El ho-
rizonte “B” posee mineral lixiviado
proveniente de las capas superiores,
con una profundidad máxima de 1
metro. Por último está el horizonte
“C” correspondiente a la roca madre.
Figura 1. Perfil del suelo
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Procesos de transformación de la
roca madre como rotura física y alte-
ración química, dan lugar a un enri-
quecimiento de los minerales en la
corteza terrestre. Este fenómeno se
conoce como meteorización, y
puede ser mecánico, químico o bio-
lógico (Figura 1); sin embargo, otra
fuente de enriquecimiento, está rela-
cionada con las actividades antropo-
génicas que provocan, en muchos
casos, severas modificaciones en el
sistema biogeoquímico del suelo.
La industrialización, por efectos de
las descargas líquidas, gaseosas y só-
lidas, además del almacenamiento
inadecuado de residuos o chatarra,
introducen una variedad de contami-
nantes en los diferentes sistemas.
Como consecuencia se producen
grandes deterioros de las condiciones
ambientales.
Técnicas de normalización geoquí-
mica permiten imputar la fuente y
grado de contaminación de estas sus-
tancias, a través del cálculo de los
factores de enriquecimiento e índices
de geoacumulación, respectiva-
mente. Estas técnicas son aplicables
a sustancias orgánicas e inorgánicas,
y algunos autores las han utilizado
satisfactoriamente en determinacio-
nes de metales pesados en suelos
(Del Águila et al., 2005).
La técnica básicamente es una com-
paración de las concentraciones de
los metales, en relación a un ele-
mento conservativo en la corteza te-
rrestre, que es aquel que no ha
variado su concentración a través del
tiempo, pese a los efectos antropogé-
nicos que puedan darse. Para este es-
tudio se utilizó el hierro como
elemento conservativo.
En el sector de San Alfonso en Ma-
chachi, un área eminentemente agrí-
cola, junto a varios cultivos existe un
enorme depósito de chatarra, que es
comercializada informalmente por
gente de la zona y vendida a la ace-
rería Adelca C.A., como materia
prima para su regeneración en pro-
ductos metálicos. La chatarra en
forma de trozos o láminas no presenta
un alto grado de peligrosidad, pero se
puede transformar en material parti-
culado, que es fácilmente transpor-
tado por el aire y el agua. La chatarra
sucia casi siempre contiene residuos
de aceite, pintura, etiquetas, plástico,
solventes, lacas, barnices, adhesivos
o soluciones; además es una combi-
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nación de aleaciones especiales con
diferentes ingredientes, incluidos me-
tales pesados (Centro Coordinador
del Convenio de Basilea para Amé-
rica Latina y el Caribe, 2005).
Ciertos metales pesados y sus com-
puestos derivados, son especies quí-
micas que en concentraciones de
partes por millón son considerados
tóxicos; entre los más representativos
tenemos plomo, cadmio y níquel. La
mayor abundancia entre estos ele-
mentos empieza con el níquel que se
encuentra en un 8 x 10
-3
% en la cor-
teza terrestre (Valenzuela, 1999), se-
guido del plomo con un 10
-3
% y por
último el cadmio con 10
-6
% (Cotton
& Wilkinson, 1993).
La exposición a metales pesados pro-
duce perturbaciones en el sistema
nervioso central especialmente en el
cerebro; infertilidad por daños en el
esperma en los hombres y abortos en
las mujeres; cambio en el comporta-
miento de los niños, lo que produce
agresividad, impulsividad e hipersen-
sibilidad; daño en el ADN, que con-
duce a la propagación de cáncer en
especial de nariz, laringe, pulmón y
próstata; alta probabilidad de sufrir
fracturas; daño en los riñones; y pro-
ducen reacciones alérgicas especial-
mente a las joyas (Lenntech, 2011).
Muchos de los agricultores de Ma-
chachi se quejan de que sus produc-
tos ya no crecen de la misma manera
desde que la chatarra está ahí, aca-
rrea consigo plagas, y sus predios han
perdido valor comercial, algunos in-
cluso temen por su salud (Simon,
2006).
Para identificar el grado de contami-
nación del suelo y atribuir la fuente
de contaminación como natural o
antropogénica en la zona agrícola es-
tudiada, se analizaron los índices de
geoacumulación y factores de enri-
quecimiento de plomo, cadmio y ní-
quel, por medio de espectrofotome-
tría de absorción atómica de llama,
utilizando técnicas de normalización
geoquímica.
MATERIALES Y MÉTODOS
La recolección, manejo y prepara-
ción de las muestras se realizó bajo
procedimientos de la Sociedad Cana-
diense de la Ciencia del Suelo (Car-
ter, 1993).
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Muestreo
El muestreo fue de tipo aleatorio es-
tratificado por la descripción del
sitio. Se recolectaron muestras de
suelo a treinta centímetros de la su-
perficie, de diez lotes cuya área total
aproximada era de 5000 m2. De
cada lote se obtuvieron tres muestras
representativas de 500 g aproximada-
mente, dando un total de treinta
muestras
Preparación de muestras
Las muestras fueron transportadas y
almacenadas en fundas Ziploc a una
temperatura de 4 ºC ± 2 ºC. Una vez
en el laboratorio se dejó estabilizar
las muestras a temperatura ambiente,
y se procedió con el cuarteo manual
para obtener una submuestra.
Determinación de propiedades
físico–químicas
El Departamento de Agricultura de
los Estados Unidos (USDA) clasifica
taxonómicamente al suelo en doce
órdenes distintos de acuerdo a sus
propiedades fisicoquímicas, el clima
donde se encuentran y el grado de
meteorización que poseen. Según el
mapa general de suelos del Ecuador,
San Alfonso pertenece al orden de los
Mollisoles.
En este sentido, para constatar el tipo
de suelo y la calidad en el uso agrí-
cola, se realizaron ensayos de las
propiedades fisicoquímicas como:
color y textura (Milford, 1997), hu-
medad (ASTM International, 2001),
pH (USEPA, 2004) y materia orgánica
(ASTM International, 1988).
Extracción y análisis de los metales
(Pb, Cd, Ni y Fe)
El análisis instrumental de metales es
aplicable a suelos previa extracción
(Skoog, 2001). Se extrajeron los me-
tales a través de una digestión ácida
con ácido nítrico concentrado, asis-
tida por microondas en muestra seca
(USEPA, 2007). En la determinación
se usó un equipo de absorción ató-
mica de llama marca Varian 240FS.
La llama fue alimentada por aceti-
leno y aire como combustible y com-
burente respectivamente. Este
método es rápido, sencillo, alberga
un gran número de analitos, además
satisface los límites de detección re-
queridos (USEPA, 1992).
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Factores de enriquecimiento (FE)
El factor de enriquecimiento se uti-
liza como referencia para imputar la
fuente de contaminación de algunas
sustancias de acuerdo a una escala
numérica como se observa en la
Tabla 1. Alberga los elementos más
abundantes en la corteza terrestre
como hierro, silicio y aluminio. De
esta manera se evalúa un posible im-
pacto ambiental de origen antropo-
génico.
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Tabla 1. Clases de factores de
enriquecimiento para un metal pesado
(Del Águila et al., 2005)
El factor de enriquecimiento de un
metal se define como (Akoto et al.,
2008):
FE = (X/Fe)muestra / (X/Fe)corteza (1)
Donde: FE es el factor de enriqueci-
miento y (X/Fe)muestra / (X/Fe)cor-
teza es la relación de la concen-
tración del metal con la del hierro en
la muestra y en la corteza terrestre
respectivamente.
Índice de geoacumulación (Igeo)
El índice de geoacumulación sirve
para evaluar el grado de contamina-
ción del suelo por sustancias orgáni-
cas e inorgánicas. Es aplicable a me-
tales pesados, siempre y cuando se
disponga de sus concentraciones en
muestras de la zona que no hayan te-
nido incidencia del hombre, de lo
contrario se usa los datos de sus abun-
dancias en la corteza terrestre. Existen
seis categorías que corresponden a
una clase de índice de geoacumula-
ción con diferentes valores en interva-
los que se explican en la Tabla 2.
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Tabla 2. Clases de Índices de
geoacumulación para un metal pesado
(Del Águila et al., 2005)
Para calcular el índice de geoacumu-
lación se utiliza la siguiente ecuación
(Akoto et al., 2008):
Igeo = log
2
Cn/1,5Bn (2)
Donde: Cn es la concentración del
metal en la muestra, Bn es la concen-
tración geoquímica del metal en la
corteza terrestre.
Tratamiento de resultados
Para el cálculo de los FE e Igeo se
tomó el promedio de las concentra-
ciones de los metales de cada lote,
en los otros parámetros se hizo un
análisis estadístico para expresar los
datos de acuerdo al promedio, des-
viación estándar y coeficiente de va-
riación de las tres muestras
representativas por lote, a excepción
del color y textura que corresponden
a ensayos con variables discretas.
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De acuerdo a los resultados de las
propiedades fisicoquímicas presenta-
dos en la Tabla 3, se constata que el
tipo de suelo corresponde al orden
de los Mollisoles.
Las muestras recolectadas en su tota-
lidad presentaron un color negro y
una textura franco-arcillo-limosa. El
pH se encontró en un rango de lige-
ramente ácido a neutro con valores
desde 6,0 a 6,8 y con una variación
máxima del 4,5 % representado en el
coeficiente de variación (CV) entre
las tres muestras del lote 6. El rango
de humedad se determinó desde
22,1 a 26,6 % lo que es normal para
un suelo no árido con lluvias cons-
tantes y luego de que ha drenado el
agua, la variación máxima se eviden-
cia de igual forma en el lote 6 con un
CV de 3,7 %. En cuanto a materia or-
gánica se encontraron valores desde
5,8 a 7,8 %; nuevamente el lote 6
presenta la mayor variación para este
parámetro con un CV de 4,5 %.
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RESULTADOS
Tabla 3. Valores de pH, humedad
y materia orgánica de las muestras de suelo analizadas
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Los resultados de la concentración de
metales se presentan en la Tabla 4. Se
puede ver que la concentración para
plomo (Pb) se encuentra en el rango
de 24,1 a 33,3 mg/kg. Para el caso
del cadmio (Cd) el rango va de 1,2 a
1,5 mg/kg, mientras que para el ní-
quel (Ni) va de 19,4 a 55,5 mg/kg. Se
puede también observar que el lote 2
es el que tiene la mayor concentra-
ción de plomo y cadmio, mientras
que el lote 3 posee la mayor concen-
tración de níquel.
Tabla 4. Concentración de plomo (Pb),
cadmio (Cd) y níquel (Ni) de las muestras de suelo analizadas
Como se muestra en la Tabla 5, los
valores de FE para plomo están entre
10,3 y 12,9; para el caso del cadmio,
los valores van de 484,8 a 568,1;
mientras que para el níquel, los valo-
res están entre 0,9 y 2,7.
Con respecto a los Igeo, para el caso
del plomo, se encontraron valores
entre 0,7 y 1,1; para el cadmio los va-
lores van de 6,4 a 6,6; y para el ní-
quel, todos los valores son inferiores
a 0.
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De acuerdo a las propiedades fisico–
químicas determinadas, el tipo de
suelo al que corresponden las mues-
tras de San Alfonso es Mollisoles,
según la clasificación taxonómica de
la USDA. Los Mollisoles son suelos
de alto contenido mineral y con una
superficie muy oscura, ricos en com-
puestos orgánicos, se encuentran
principalmente en un clima húmedo
entre frío y templado, presentan ca-
racterísticas de pH de ligeramente
ácido a neutro, son arenosos con
limo o limosos con arena, además
del incremento de arcilla en profun-
didad, no permanecen secos 90 días
al año o 60 días consecutivos y son
extremadamente fértiles (Vallejo &
Maldonado, 1986).
Los Mollisoles se encuentran en ter-
cer lugar de los suelos con mayor in-
tercambio catiónico (Garrison, 1989),
esto conjuntamente con sus otras
propiedades los hacen excelentes
para la agricultura.
En cuanto a la materia orgánica, los
valores están por encima del 5 % que
es la referencia para un suelo orgá-
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DISCUSIÓN
Tabla 5. Resultados FE e Igeo
de los 10 lotes de suelo analizados
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nico, la causa probable es que los
agricultores de esta zona utilizan
abono orgánico para sus cultivos
como fertilizante natural, y además,
existen criaderos de animales dentro
de sus terrenos.
Con respecto a la concentración de
metales pesados en las muestras, se
observa en su mayoría una no con-
formidad con la Legislación Ambien-
tal Ecuatoriana (TULAS, 2012); por
ejemplo, en el caso de plomo, el
90% de los lotes sobrepasan los 25
mg/kg, este valor es el criterio de ca-
lidad como contaminante en un
suelo que refleja variaciones geológi-
cas naturales y que se encuentra libre
de la influencia de actividades indus-
triales o urbanas generalizadas; por
otro lado, el cadmio en todas las
muestras sobrepasa por más del
doble el criterio de calidad de 0,5
mg/kg; mientras que el níquel, a
pesar de ser un elemento mucho más
abundante en comparación con los
otros dos en la corteza terrestre, el
TULAS tabula un criterio de calidad
de 20 mg/kg y un valor máximo per-
misible de 50 mg/kg en suelos de uso
agrícola que requieren remediación.
Siguiendo estas directrices, el lote 3
demandaría restauración por conta-
minación con níquel.
Los FE de plomo para los diez lotes
se encuentran en la clase de 10 a
500, aunque muy cercanos al límite
inferior, por lo que el origen de este
elemento entra en el rango de mode-
radamente enriquecido, e indica otra
fuente adicional de enriquecimiento
a la de la roca madre. La información
que nos proporciona el Igeo para Pb,
trata de un contaminante moderado
y se podría mantener en ese estado
por algún tiempo.
El cadmio se presenta en el 70 % de
los lotes con un alto enriquecimiento
y muestra que existe una grave con-
taminación de origen antropogénico.
De igual forma, los Igeo mayores que
5 indican una contaminación ex-
trema.
El níquel posee FE en la clase de 1 a
10 por lo que su enriquecimiento es
proveniente de la roca madre, y
según los Igeo menores que cero no
se presenta como contaminante de la
zona.
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De acuerdo a los FE e Igeo calcula-
dos a partir de las concentraciones de
Pb, Cd y Ni, se concluye que el cad-
mio es el contaminante mayoritario
con un enriquecimiento proveniente
de fuentes antropogénicas como el
almacenamiento y fundición de cha-
tarra, el plomo es un contaminante
moderado y el níquel no presenta
una contaminación relevante.
El níquel es un elemento mucho más
abundante en la corteza terrestre en
comparación con plomo y cadmio,
además se entiende que existen can-
tidades apreciables de este metal en
el núcleo de la Tierra; sin embargo,
los criterios de calidad y valores má-
ximos permisibles descritos en la Le-
gislación Ambiental Ecuatoriana es tán
por debajo del plomo. El lote 3 tiene
una concentración de níquel de 55,5
± 6,2 mg/kg por lo que no estaría
conforme con el valor máximo permi-
sible descrito en el TULAS y requeriría
remediación. Esto es una pauta para
la revisión de la Legislación ya que no
existe una base científica o un estudio
completo que respalden dichos valo-
res en el Ecuador.
Las propiedades fisicoquímicas de las
muestras analizadas constatan el tipo
de suelo que corresponde al orden
de los Mollisoles, de esta manera se
hace una suposición del alto inter-
cambio catiónico que posee el suelo;
esto, además de biodisponer a los
nutrientes para las plantas, también
lo convierte en un portador de los
contaminantes (plomo y cadmio)
hacia los cultivos y los consumidores
de los cultivos.
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CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
Se debe realizar una caracteriza-
ción de la escoria remanente de las
fundiciones y continuar con los mo-
nitoreos periódicos en los alrededo-
res de la planta de fundición y el
depósito de chatarra.
Se debe promover campañas de ca-
pacitación al personal informal de re-
ciclaje de chatarra para que adopten
técnicas adecuadas de limpieza de
los desechos metálicos recolectados.
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