¿Cómo determinar los elementos presentes en el suelo?

Las dificultades que entraña la determinación de los diferentes elementos en muestras orgánicas e inorgánicas no están asociadas fundamentalmente con la fiabilidad de las técnicas instrumentales, sino con la elección de los métodos para la preparación de las muestras, lo cual constituye uno de los procesos más críticos del análisis. No se puede recomendar un procedimiento generalizado de análisis de los elementos presentes en el suelo debido a la diversidad de los elementos a determinar y a la gran variedad de métodos analíticos aplicables. Por tanto, en la elección de la técnica analítica se debe tener en cuenta la sensibilidad, precisión y exactitud de la misma.

1. ANÁLISIS TOTAL

Tanto los elementos más abundantes como los elementos traza se encuentran en diferentes compartimentos del suelo, dado que se pueden asociar a distintos componentes del mismo. Las formas principales en las que se encuentran los elementos en el suelo son, las siguientes:

1. Formando parte de la red cristalina de los minerales primarios, heredados del material de partida y secundarios, formados como consecuencia de los procesos de alteración.
2. Adsorbidos a óxidos e hidróxidos de hierro, aluminio y manganeso.
3. Complejados o incluidos en la estructura de macromoléculas.
4. Retenidos por los residuos animales y vegetales.
5. Formando parte del complejo de cambio y, por lo tanto, asociados a las arcillas y compuestos húmicos del sistema coloidal.
6. En fase soluble, formando parte de la solución del suelo.

Para obtener la concentración total de un elemento es necesario extraer todas las formas del mismo que se pretende determinar, incluyendo las que forman parte de la red cristalina de los minerales primarios y secundarios (silicatos, arcillas, carbonatos, etc.).

Tradicionalmente, los reactivos más usados en análisis de elementos en suelos han sido una mezcla de ácido fluorhídrico y perclórico (HF + HClO4) o bien, el agua regia (HNO3 + HCl). Los datos de la bibliografía indican que en algunos tipos de suelos los valores de elementos totales liberados por estos dos agentes pueden presentar amplias diferencias (Baize, 2000), de modo que cuando ocurre esto el agua regia proporciona valores inferiores. Ello hace que sea difícil comparar valores de elementos totales obtenidos por métodos de extracción diferentes.

El análisis total de los elementos presentes en el suelo se puede llevar a cabo mediante un método semicuantitativo, la fluorescencia de rayos X (FRX), así como con un método cuantitativo, la espectroscopia de emisión inducida por plasma argón (ICP-MS). Sin embargo, Alloway (1995) considera que mediante estas extracciones no se produce una digestión total, por lo que la composición obtenida correspondería, a una fracción pseudototal.

1.1. Método semicuantitativo: fluorescencia de Rayos X (FRX)

Para realizar el análisis de los elementos a partir de las muestras de suelo se puede emplear la fluorescencia de rayos X. Mediante esta técnica analítica se pueden determinar metales como el Cu, Mn y Zn (Wilkins, 1979), Ti y Zr a una concentración normal en el suelo. También pueden determinarse otros metales pesados y metaloides (As, Cr, Ni y Pb), pero en el caso del Cd, Hg y Sn se requiere una preconcentración previa de la muestra.

La técnica de fluorescencia de rayos X (FRX) está basada en el principio de que si un átomo es bombardeado con fotones de alta energía, algunos de sus electrones son expulsados. Como otros electrones rellenan los niveles vacantes de energía ocupados por los electrones expulsados, ellos emiten un cuanto de radiación característica de ese tipo particular de átomo, de aquí que cada elemento tenga una serie propia de características de emisión o de líneas de fluorescencia por rayos X.

Algunas aplicaciones de la FRX son, las siguientes:

1. Determinación cualitativa rápida de los elementos presentes en un material desconocido sin prácticamente preparación de la muestra y determinación semicuantitativa usando factores sencillos de corrección.
2. Detección de todos los elementos de la tabla periódica por debajo del B desde el límite de detección de unas pocas p.p.m. hasta el 100%.
3. Determinación cuantitativa de todos los elementos de una muestra (excluyendo a los elementos con número atómico por debajo de 5).
4. Composición en superficie (1 µm) comparada con el volumen (> 10 µm) usando líneas de emisión con diferente profundidad de penetración en determinadas muestras (cerámicas).

La FRX ofrece un número impresionante de ventajas. Generalmente, el método no es destructivo y, por lo tanto, puede utilizarse sin dañar la muestra. Otra ventaja sería la precisión y rapidez del procedimiento (Haneklaus et al., 1994). No obstante, presenta también algunos inconvenientes; por ejemplo, no es un método tan sensible como otros métodos ópticos. En el más favorable de los casos, se pueden medir concentraciones de unas pocas p.p.m.; además, los métodos de FRX no se consideran adecuados para los elementos ligeros de modo que las dificultades en la detección y en la medida aumentan progresivamente por debajo del número atómico 23 (Vanadio) (Skoog y Leavy, 1994). Otra desventaja de este procedimiento es el elevado coste de los instrumentos. Además, la existencia de interferencias categorizadas como coincidencias espectrales o efectos matriciales constituye otra dificultad añadida a la hora de realizar el análisis. El principal inconveniente de este método es la escasa sensibilidad que presenta (Alloway, 1995); esto hace que no sea posible medir algunos elementos como Mo y Co y que otros como Cd y Hg no se puedan medir sin preconcentración. Pese a ello, las técnicas de análisis de rayos X son las más empleadas en análisis de suelos.

Para llevar a cabo el análisis, una vez secadas y tamizadas las muestras con un tamiz de 2 mm, se pesan 10 g de suelo finamente molido, mediante un molino de bolas de ágata, mezclándolo con 2.5 g de cera de carbono Hoescht micropowder. Las pesadas se realizan en una balanza con una precisión de dos cifras decimales. La mezcla anterior se introduce en una cápsula de aluminio de 4 cm de diámetro y 1 cm de profundidad, sometiéndola a una elevada presión con el objeto de obtener pastillas para su posterior análisis (Lagen, 1996). Se realizan dos réplicas por muestra. Sobre las pastillas se realiza la determinación semicuantitativa de los elementos, utilizando un espectrómetro secuencial de rayos X, con un tubo de ánodo de rodio de 3,000 W de potencia con una ventana frontal de 125 µm de espesor.

Las concentraciones de los elementos se estiman mediante el programa GeoQuant versión 2.1 expresándose los resultados en % para los elementos mayoritarios (Si, Al, Fe, K, Mg, Ca, Ti, Na, P, Mn, Si, Ba, Cl, Zr, Cr, Zn) y en p.p.m. para los elementos minoritarios (Rb, Ni, V, W, Sr, Y, Cu, Sc, Ga, Pb, Nb). Además también se expresa en % la pérdida por calcinación a 975ºC.

1.2. Método cuantitativo: Espectometría de Masas-Plasma (ICP-MS)

Muchos métodos analíticos requieren que la muestra esté en solución. Esto puede ser un inconveniente cuando se trabaja con muestras de suelo, porque los componentes orgánicos e inorgánicos del mismo requieren diferente tratamiento para su disolución. El método más fácil es la disolución de la muestra tras previo calentamiento, puesto que toda la materia orgánica es destruida. Un tratamiento secuencial de las muestras de suelo con HF y HNO3 es, a menudo, efectivo a pesar de que los residuos inorgánicos deben ser tratados de nuevo con HF y HNO3 hasta su completa disolución (Helmke, 2000).

El método de extracción utilizado, siguiendo el procedimiento oficial para análisis de suelos empleado por la Agencia para la Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA – “United States Environmental Protection Agency”), fue el método EPA-SW-846-3051. Mediante el mismo se produce la oxidación de la materia orgánica empleando ácido nítrico y sometiendo a la muestra a condiciones de elevada temperatura y presión. De esta forma, no se logra solubilizar la fracción silicatada de la muestra por lo que no se puede cuantificar la cantidad real de los elementos presentes en el suelo aunque disuelve aquellos no enlazados a silicatos. Sin embargo, la mayoría de los metales pesados presentes como contaminantes en los suelos pertenecen a este último tipo; por ello, se emplea para determinar la cantidad de metales en suelos que han sido contaminados antropogénicamente (Raij et al., 2001).

Las técnicas de digestión en microondas a 8,000ºC se encuentran entre los métodos más recientes para disolver las muestras de suelo. Sus principales ventajas radican en que: resulta más difícil la contaminación de la muestra, se produce una disolución más completa de ésta y una menor pérdida de elementos volátiles. Su principal desventaja es la gran cantidad de tiempo necesario para que se complete el proceso de digestión.

La determinación por ICP-masas se consigue sometiendo el flujo de un gas a presión atmosférica a la acción de un campo magnético inducido por una corriente de alta frecuencia. El gas usado, denominado gas plasmógeno, es habitualmente el argón, aunque para determinadas aplicaciones se puede usar combinado con una baja proporción de algún otro gas. Debido a las altas temperaturas del plasma, se minimizan las interferencias matriciales. El argón es empleado por ser un material fácilmente encontrado en alto grado de pureza y por desarrollar un ambiente químicamente inerte.

Además, el propio argón (Ar) junto con un flujo de agua son los responsables de la refrigeración del sistema (Guidetti, 1981). El ICP es una buena fuente de iones, en la que el gas o aerosol de la muestra introducida es volatilizado, automatizado e ionizado a muy alta temperatura. Puesto que la fuente de iones (ICP) trabaja a presión atmosférica y el analizador de masas y el detector lo hacen en régimen de alto vacío, ha sido desarrollada una interfase que permite la transferencia de iones al espectrómetro de masas encargado de analizarlos. En esta interfase se forma un chorro de iones que finalmente se dirige al sistema analizador, que puede ser de dos tipos: el de sector magnético y los cuadrupolares, siendo estos últimos los más extendidos por su mayor simplicidad, velocidad de barrido y menor costo. Los analizadores cuadrupolares actúan como filtro, de manera que sólo aquellos iones que cumplan una determinada relación carga/masa pasan a través de ellos y llegan al detector. El sistema de introducción de la muestra es la nebulización neumática, donde la muestra líquida interacciona con una corriente de gas en un nebulizador generándose un aerosol que pasa a través de una cámara de spray en donde las gotas grandes son eliminadas y las pequeñas son conducidas al plasma.

Para la determinación por ICP-MS se pesaron 0.5 g (con una precisión de 1 mg) de suelo seco y molido en un frasco de digestión de teflón. Se añadieron 10 mL de HNO3 concentrado y se calentó lentamente. Se incorporaron, con sumo cuidado, 8 mL de HCl, calentando hasta llegar a sequedad y, por último, se agregaron 8 mL de agua regia (2 mL de HNO3 + 6 mL de HCl) y se calienta hasta ebullición.

Para un horno microondas (CEM MDS-2000) con potencia máxima de 600 W fueron colocados apenas seis frascos para la digestión simultánea en un carrusel, y siempre con una muestra como control. Para hornos con potencia de 950 W se puede trabajar hasta con doce frascos de digestión. La programación del horno se hizo en una única etapa, de acuerdo a los siguientes requerimientos: Potencia 600 W, Presión 415 KPa (60 psi), TAP 10:00 min., Tiempo 5.30 min. Al término de la programación, los frascos fueron enfriados hasta alcanzar la presión en torno a 69 KPa (10 psi), tras la cual fueron abiertos. La abertura debe ser cuidadosa y siempre bajo campana de extracción. Los frascos y tapas fueron lavados con agua y la disolución transferida a un matraz aforado de 50 mL. Es preciso diluir con agua Milli-Q (las muestras fueron diluidas empleando diluciones 1:200 y 1:50 para los elementos mayoritarios según sea el caso y dilución 1:5 para los elementos minoritarios) y filtrar como paso previo a la determinación de los cationes presentes. Para ello, se utiliza papel de filtro cuantitativo (0,00007 g y de filtración lenta 1,500 segundos), leyendo en el extracto el Mg, Ca, P, K, Na, Al, Fe, Mn, Cu, Zn, Pb, Ni, Cr y Cd obtenido mediante ICP-MS, modelo Plasmaquad 2 Vg Elemental. Se efectuaron dos réplicas de extracción y tres determinaciones en cada una de ellas.

Los resultados se expresan en % para los elementos mayoritarios (Al, Ti, Na, Ca, Mg, K, P) y en p.p.m. para los elementos minoritarios (V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Ba, Hg, Pb).

2. ANÁLISIS DE ELEMENTOS DISPONIBLES

Para evaluar el estatus nutritivo del suelo y/o contenido en metales pesados fácilmente movilizables se llevaron a cabo extracciones con el agente quelante DTPA y la solución ácida Mehlich-3.

2.1. Extracción con el agente quelante DTPA 0.005M

El método del DTPA (ácido dietilenotriaminopentaacético) está entre los más eficaces para evaluar la disponibilidad de micronutrientes y metales pesados en muestras de suelo debido a que resulta económico, reproducible, fácilmente adaptable a las operaciones rutinarias del laboratorio y además de ello, los procedimientos para la preparación y extracción de las muestras están estandarizados (Soltanpour et al., 1977). El principio del método utilizando la solución de DTPA pH 7.3, desarrollado por Lindsay y Norvell (1978), es la complejación de los metales, de forma que el agente quelante reacciona con los iones libres de los metales en solución, formando complejos solubles, lo que provoca una reducción de la actividad de los metales libres en solución. En respuesta a ello, los iones son desorbidos de la superficie del suelo o se disuelven de la fase sólida para reabastecer a la solución del suelo. La cantidad de metal quelatado que se acumula en la solución durante la extracción es una función de la actividad de esos iones libres en la solución del suelo (factor intensidad), de la habilidad del suelo en reabastecer a la solución (factor capacidad), de la estabilidad del quelato y de la capacidad del quelante en competir con la materia orgánica (Raij et al., 2001).

El DTPA formulado, se preparó disolviendo 7.84 g de DTPA 0,005 m L-1 en agua destilada, agitando primero manualmente y luego con un agitador para agilizar la disolución. Se adicionaron 60 mL de trietanolamina (TEA) y 5.88 g de CaCl2. Se transfirió todo el contenido a un matraz aforado de 4 L y se enrasó con agua. Posteriormente, se corrigió el pH de la disolución con aproximadamente 30 mL de HCl 6N hasta alcanzar un valor de pH de 7.3. Para realizar la extracción, se tomaron 20 cm3 de TFSA en frascos de polietileno, se adicionaron 20 mL de la disolución extractora mediante dispensador, se taparon los frascos con parafilm o con tapones de polietileno, se dispusieron en bandejas de aluminio con capacidad para 30 frascos y se agitaron durante 2 horas con rotación a 240 r.p.m. en un agitador circular horizontal. Conviene tener en cuenta que factores como el tiempo de agitación, la velocidad de agitación y la forma de la extracción influyen en la cantidad de metales extraídos, de ahí que estos factores deban de ser estandarizados en cada laboratorio de lo contrario los niveles críticos para cada micronutriente podrían verse afectados. Pasado el tiempo, se filtró la suspensión por gravedad, con papel de filtro Whatman nº42 y en el filtrado se determinó Fe, Mn, Cu, Zn, Pb, Ni, Cr y Cd mediante espectrómetro de emisión atómica, ICP-AES, modelo Jobin Yvon JY 50-P. Los resultados se expresan en mg kg-1 tanto para los micronutrientes (Fe, Cu, Mn y Zn) como para los metales pesados (Cd, Cr, Ni y Pb).

El empleo de los espectrómetros ICP-AES se ha incrementado mucho en los últimos años, ya que permiten el análisis multielementar de las muestras líquidas basadas en la emisión atómica. La muestra es aspirada por un flujo de Ar, sufriendo nebulización y siendo arrastrada hasta un plasma de Ar, el cual es producido inductivamente por medio de una fuente de radiación electromagnética de alta frecuencia. En el plasma, las especies químicas sufren procesos similares a los citados antes, emitiendo sus espectros de radiación característicos, al lado de un espectro continuo de radiación. Debido a las altas temperaturas del plasma, se minimizan las interferencias matriciales.

2.2. Extracción con la solución ácida Mehlich-3

La extracción y determinación de los elementos por este procedimiento es aplicable en un amplio rango de pH, de ácido a básico (SPAC, 1992). El método de Mehlich-3 ha sido desarrollado por Mehlich (1984) como una extracción multielemental del suelo. Para preparar esta disolución extractante se emplearon como reactivos nitrato de amonio (NH4NO3) 0.25M, ácido nítrico (HNO3) 0.013M, ácido acético glacial (CH3COOH) 0,2M y ácido etilenodiaminotetraacético (EDTA) 0.001M y formulado como (HOOCCH2)2NCH2CH2N (CH2COOH)2. En el procedimiento Mehlich-3, el P es extraído por medio de una reacción que tiene lugar entre el ácido acético y los componentes con fluoruro. Los cationes cambiables (Ca, Mg, Na, K) son extraídos debido a la acción de los nitratos de amonio y el ácido nítrico. Finalmente, los micronutrientes (Fe, Cu, Mn y Zn) son extraídos mediante NH4 y el agente quelante EDTA.

Para llevar a cabo este procedimiento de extracción, en primer lugar, se prepara la disolución de fluoruro/EDTA, añadiendo en un matraz de 1 L, 600 mL de agua, 138.9 g de NH4F y 73.5 g de EDTA, mezclando y completando el volumen para 1 L con agua destilada. A continuación, y utilizando un matraz de 5,000 mL, se añaden 4,000 mL de agua y 100 g de NH4NO3 y se disuelven. Se transfieren 20 mL de la disolución fluoruro/EDTA (preparada anteriormente) y con la ayuda de un agitador, se facilita la disolución de los componentes añadidos. Se incorporan 57.5 mL de ácido acético y 4.1 mL de ácido nítrico concentrado. Se completa el volumen para 5,000 mL con agua destilada y se determina el pH de la disolución hasta alcanzar un valor de 2.5 añadiendo NaOH. Para realizar la extracción, se toman 5 cm3 de TFSA y 50 mL de la disolución extractante llevándolos a frascos de polietileno, se tapan y se agitan durante 5 minutos en un agitador circular horizontal a 240 r.p.m. Transcurrido este tiempo se filtra el extracto utilizando papel de filtro Whatman nº42 y se leen las concentraciones de Mg, Ca, P, Fe, Mn, Cu, Zn, Pb, Ni, Cr y Cd en ICP-AES modelo Jobin JY 50-P.

Como entre los objetivos de este estudio está comparar la cantidad extraída de cada elemento mediante DTPA y Mehlich-3 con los métodos de análisis total (FRX e ICP-MS), la cantidad de los elementos extraídos se transformó en unidad de peso (mg kg-1) a partir del volumen muestreado, 20 y 5 cm3 respectivamente.