Analisis total y disponible de los elementos presentes en el suelo

No se puede recomendar un procedimiento generalizado de analisis de los elementos presentes en el suelo debido a la diversidad de los elementos a determinar.

1. Analisis total

1.1. Metodo semicuantitativo: Fluorescencia de Rayos X (FRX)

1.2. Metodo cuantitativo: Espectometria de Masas-Plasma (ICP-MS)

2. Analisis de elementos disponibles

2.1. Extraccion con el agente quelante DTPA 0,005M

2.2. Extraccion con la solucion acida Mehlich-3

3. Bibliografia

Las dificultades que entraña la determinacion de los diferentes elementos en muestras organicas e inorganicas no estan asociadas fundamentalmente con la fiabilidad de las tecnicas instrumentales, sino con la eleccion de los metodos para la preparacion de las muestras, lo cual constituye uno de los procesos mas criticos del analisis. No se puede recomendar un procedimiento generalizado de analisis de los elementos presentes en el suelo debido a la diversidad de los elementos a determinar y a la gran variedad de metodos analiticos aplicables. Por tanto, en la eleccion de la tecnica analitica se debe tener en cuenta la sensibilidad, precision y exactitud de la misma.

1. Analisis Total

Tanto los elementos mas 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 alteracion.

2. Adsorbidos a oxidos e hidroxidos de hierro, aluminio y manganeso.

3. Complejados o incluidos en la estructura de macromoleculas.

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 humicos del sistema coloidal.

6. En fase soluble, formando parte de la solucion del suelo.

Para obtener la concentracion 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 mas usados en analisis de elementos en suelos han sido una mezcla de acido fluorhidrico y perclorico (HF + HClO4) o bien, el agua regia (HNO3 + HCl). Los datos de la bibliografia 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 dificil comparar valores de elementos totales obtenidos por metodos de extraccion diferentes.

El analisis total de los elementos presentes en el suelo se puede llevar a cabo mediante un metodo semicuantitativo, la fluorescencia de rayos X (FRX), asi como con un metodo cuantitativo, la espectroscopia de emision inducida por plasma argon (ICP-MS). Sin embargo, Alloway (1995) considera que mediante estas extracciones no se produce una digestion total, por lo que la composicion obtenida corresponderia, a una fraccion pseudototal.

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

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

La tecnica de fluorescencia de rayos X (FRX) esta basada en el principio de que si un atomo es bombardeado con fotones de alta energia, algunos de sus electrones son expulsados. Como otros electrones rellenan los niveles vacantes de energia ocupados por los electrones expulsados, ellos emiten un cuanto de radiacion caracteristica de ese tipo particular de atomo, de aqui que cada elemento tenga una serie propia de caracteristicas de emision o de lineas de fluorescencia por rayos X.

Algunas aplicaciones de la FRX son, las siguientes:

1. Determinacion cualitativa rapida de los elementos presentes en un material desconocido sin practicamente preparacion de la muestra y determinacion semicuantitativa usando factores sencillos de correccion.

2. Deteccion de todos los elementos de la tabla periodica por debajo del B desde el limite de deteccion de unas pocas p.p.m. hasta el 100%.

3. Determinacion cuantitativa de todos los elementos de una muestra (excluyendo a los elementos con numero atomico por debajo de 5).

4. Composicion en superficie (1 µm) comparada con el volumen (> 10 µm) usando lineas de emision con diferente profundidad de penetracion en determinadas muestras (ceramicas).

La FRX ofrece un numero impresionante de ventajas. Generalmente, el metodo no es destructivo y, por lo tanto, puede utilizarse sin dañar la muestra. Otra ventaja seria la precision y rapidez del procedimiento (Haneklaus et al., 1994). No obstante, presenta tambien algunos inconvenientes; por ejemplo, no es un metodo tan sensible como otros metodos opticos. En el mas favorable de los casos, se pueden medir concentraciones de unas pocas p.p.m.; ademas, los metodos de FRX no se consideran adecuados para los elementos ligeros de modo que las dificultades en la deteccion y en la medida aumentan progresivamente por debajo del numero atomico 23 (Vanadio) (Skoog y Leavy, 1994). Otra desventaja de este procedimiento es el elevado coste de los instrumentos. Ademas, la existencia de interferencias categorizadas como coincidencias espectrales o efectos matriciales constituye otra dificultad añadida a la hora de realizar el analisis. El principal inconveniente de este metodo 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 preconcentracion. Pese a ello, las tecnicas de analisis de rayos X son las mas

empleadas en analisis de suelos.

Para llevar a cabo el analisis, 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 agata, mezclandolo con 2,5 g de cera de carbono Hoescht micropowder. Las pesadas se realizan en una balanza con una precision de dos cifras decimales. La mezcla anterior se introduce en una capsula de aluminio de 4 cm de diametro y 1 cm de profundidad, sometiendola a una elevada presion con el objeto de obtener pastillas para su posterior analisis (Lagen, 1996). Se realizan dos replicas por muestra. Sobre las pastillas se realiza la determinacion semicuantitativa de los elementos, utilizando un espectrometro secuencial de rayos X, con un tubo de anodo 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 version 2.1 expresandose 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). Ademas tambien se expresa en % la perdida por calcinacion a 975ºC.

1.2. Metodo cuantitativo: Espectometria de Masas-Plasma (ICP-MS)

Muchos metodos analiticos requieren que la muestra este en solucion. Esto puede ser un inconveniente cuando se trabaja con muestras de suelo, porque los componentes organicos e inorganicos del mismo requieren diferente tratamiento para su disolucion. El metodo mas facil es la disolucion de la muestra tras previo calentamiento, puesto que toda la materia organica es destruida. Un tratamiento secuencial de las muestras de suelo con HF y HNO3 es, a menudo, efectivo a pesar de que los residuos inorganicos deben ser tratados de nuevo con HF y HNO3 hasta su completa disolucion (Helmke, 2000).

El metodo de extraccion utilizado, siguiendo el procedimiento oficial para analisis de suelos empleado por la Agencia para la Proteccion Ambiental de los Estados Unidos (USEPA – “United States Environmental Protection Agency”), fue el metodo EPA-SW-846-3051. Mediante el mismo se produce la oxidacion de la materia organica empleando acido nitrico y sometiendo a la muestra a condiciones de elevada temperatura y presion. De esta forma, no se logra solubilizar la fraccion 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 mayoria de los metales pesados presentes como contaminantes en los suelos pertenecen a este ultimo tipo; por ello, se emplea para determinar la cantidad de metales en suelos que han sido contaminados antropogenicamente (Raij et al., 2001).

Las tecnicas de digestion en microondas a 8.000ºC se encuentran entre los metodos mas recientes para disolver las muestras de suelo. Sus principales ventajas radican en que: resulta mas dificil la contaminacion de la muestra, se produce una disolucion mas completa de esta y una menor perdida de elementos volatiles. Su principal desventaja es la gran cantidad de tiempo necesario para que se complete el proceso de digestion.

La determinacion por ICP-masas se consigue sometiendo el flujo de un gas a presion atmosferica a la accion de un campo magnetico inducido por una corriente de alta frecuencia. El gas usado, denominado gas plasmogeno, es habitualmente el argon, aunque para determinadas aplicaciones se puede usar combinado con una baja proporcion de algun otro gas. Debido a las altas temperaturas del plasma, se minimizan las interferencias matriciales. El argon es empleado por ser un material facilmente encontrado en alto grado de pureza y por desarrollar un ambiente quimicamente inerte.

Ademas, el propio argon (Ar) junto con un flujo de agua son los responsables de la refrigeracion 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 presion atmosferica y el analizador de masas y el detector lo hacen en regimen de alto vacio, ha sido desarrollada una interfase que permite la transferencia de iones al espectrometro 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 magnetico y los cuadrupolares, siendo estos ultimos los mas extendidos por su mayor simplicidad, velocidad de barrido y menor costo. Los analizadores cuadrupolares actuan como filtro, de manera que solo aquellos iones que cumplan una determinada relacion carga/masa pasan a traves de ellos y llegan al detector. El sistema de introduccion de la muestra es la nebulizacion neumatica, donde la muestra liquida interacciona con una corriente de gas en un nebulizador generandose un aerosol que pasa a traves de una camara de spray en donde las

gotas grandes son eliminadas y las pequeñas son conducidas al plasma.

Para la determinacion por ICP-MS se pesaron 0,5 g (con una precision de 1 mg) de suelo seco y molido en un frasco de digestion de teflon. Se añadieron 10 mL de HNO3 concentrado y se calento lentamente. Se incorporaron, con sumo cuidado, 8 mL de HCl, calentando hasta llegar a sequedad y, por ultimo, se agregaron 8 mL de agua regia (2 mL de HNO3 + 6 mL de HCl) y se calienta hasta ebullicion.

Para un horno microondas (CEM MDS-2000) con potencia maxima de 600 W fueron colocados apenas seis frascos para la digestion simultanea 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 digestion. La programacion del horno se hizo en una unica etapa, de acuerdo a los siguientes requerimientos: Potencia 600 W, Presion 415 KPa (60 psi), TAP 10:00 min., Tiempo 5,30 min. Al termino de la programacion, los frascos fueron enfriados hasta alcanzar la presion en torno a 69 KPa (10 psi), tras la cual fueron abiertos. La abertura debe ser cuidadosa y siempre bajo campana de extraccion. Los frascos y tapas fueron lavados con agua y la disolucion 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 segun sea el caso y dilucion 1:5 para los elementos minoritarios) y filtrar como paso previo a la determinacion de los cationes presentes. Para ello, se utiliza papel de filtro cuantitativo (0,00007 g y de filtracion 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 replicas de extraccion 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. Analisis de Elementos Disponibles

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

2.1. Extraccion con el agente quelante DTPA 0,005M

El metodo del DTPA (acido dietilenotriaminopentaacetico) esta entre los mas eficaces para evaluar la disponibilidad de micronutrientes y metales pesados en muestras de suelo debido a que resulta economico, reproducible, facilmente adaptable a las operaciones rutinarias del laboratorio y ademas de ello, los procedimientos para la preparacion y extraccion de las muestras estan estandarizados (Soltanpour et al., 1977). El principio del metodo utilizando la solucion de DTPA pH 7,3, desarrollado por Lindsay y Norvell (1978), es la complejacion de los metales, de forma que el agente quelante reacciona con los iones libres de los metales en solucion, formando complejos solubles, lo que provoca una reduccion de la actividad de los metales libres en solucion. En respuesta a ello, los iones son desorbidos de la superficie del suelo o se disuelven de la fase solida para reabastecer a la solucion del suelo. La cantidad de metal quelatado que se acumula en la solucion durante la extraccion es una funcion de la actividad de esos iones libres en la solucion del suelo (factor intensidad), de la habilidad del suelo en reabastecer a la solucion (factor capacidad), de la estabilidad del quelato y de la capacidad del

quelante en competir con la materia organica (Raij et al., 2001).

El DTPA formulado, se preparo 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 disolucion. Se adicionaron 60 mL de trietanolamina (TEA) y 5,88 g de CaCl2. Se transfirio todo el contenido a un matraz aforado de 4 L y se enraso con agua. Posteriormente, se corrigio el pH de la disolucion con aproximadamente 30 mL de HCl 6N hasta alcanzar un valor de pH de 7,3. Para realizar la extraccion, se tomaron 20 cm3 de TFSA en frascos de polietileno, se adicionaron 20 mL de la disolucion 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 rotacion a 240 r.p.m. en un agitador circular horizontal. Conviene tener en cuenta que factores como el tiempo de agitacion, la velocidad de agitacion y la forma de la extraccion influyen en la cantidad de metales extraidos, de ahi que estos factores deban de ser estandarizados en cada laboratorio de lo contrario los niveles criticos para cada micronutriente podrian verse afectados. Pasado el tiempo, se filtro la suspension por gravedad, con papel de filtro

Whatman nº42 y en el filtrado se determino Fe, Mn, Cu, Zn, Pb, Ni, Cr y Cd mediante espectrometro de emision atomica, 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 espectrometros ICP-AES se ha incrementado mucho en los ultimos años, ya que permiten el analisis multielementar de las muestras liquidas basadas en la emision atomica. La muestra es aspirada por un flujo de Ar, sufriendo nebulizacion y siendo arrastrada hasta un plasma de Ar, el cual es producido inductivamente por medio de una fuente de radiacion electromagnetica de alta frecuencia. En el plasma, las especies quimicas sufren procesos similares a los citados antes, emitiendo sus espectros de radiacion caracteristicos, al lado de un espectro continuo de radiacion. Debido a las altas temperaturas del plasma, se minimizan las interferencias matriciales.

2.2. Extraccion con la solucion acida Mehlich-3

La extraccion y determinacion de los elementos por este procedimiento es aplicable en un amplio rango de pH, de acido a basico (SPAC, 1992). El metodo de Mehlich-3 ha sido desarrollado por Mehlich (1984) como una extraccion multielemental del suelo. Para preparar esta disolucion extractante se emplearon como reactivos nitrato de amonio (NH4NO3) 0,25M, acido nitrico (HNO3) 0,013M, acido acetico glacial (CH3COOH) 0,2M y acido etilenodiaminotetraacetico (EDTA) 0,001M y formulado como (HOOCCH2)2NCH2CH2N (CH2COOH)2. En el procedimiento Mehlich-3, el P es extraido por medio de una reaccion que tiene lugar entre el acido acetico y los componentes con fluoruro. Los cationes cambiables (Ca, Mg, Na, K) son extraidos debido a la accion de los nitratos de amonio y el acido nitrico. Finalmente, los micronutrientes (Fe, Cu, Mn y Zn) son extraidos mediante NH4 y el agente quelante EDTA.

Para llevar a cabo este procedimiento de extraccion, en primer lugar, se prepara la disolucion 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 continuacion, 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 disolucion fluoruro/EDTA (preparada anteriormente) y con la ayuda de un agitador, se facilita la disolucion de los componentes añadidos. Se incorporan 57,5 mL de acido acetico y 4,1 mL de acido nitrico concentrado. Se completa el volumen para 5.000 mL con agua destilada y se determina el pH de la disolucion hasta alcanzar un valor de 2,5 añadiendo NaOH. Para realizar la extraccion, se toman 5 cm3 de TFSA y 50 mL de la disolucion extractante llevandolos 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 esta comparar la cantidad extraida de cada elemento mediante DTPA y Mehlich-3 con los metodos de analisis total (FRX e ICP-MS), la cantidad de los elementos extraidos se transformo en unidad de peso (mg kg-1) a partir del volumen muestreado, 20 y 5 cm3 respectivamente.

3. Bibliografia

Alloway, B. J. (1995). Heavy metals in soils. Second Edition. Blackie Academic & Professional. London. 368 pp.

Baize, d. (2000). Il sistema francese di referenziazione dei suoli “Referentiel Pedologique”. INRA (Institut National de la Recherche Agronomique). Paris. 356 pp.

Guidetti, E. A. (1981). Analises quimicas multielementares em sistemas FIA-ICP-GSAM e classificações dos solos do Estado de So Paulo. Tesis Doctoral. Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Quimica. Campinas. 102 pp.

Haneklaus, S.; Vogel, W. y Schnug, E. (1994). Determination of environmental elements in contaminated soils by aqua regia extraction and X-ray fluorescence spectroscopy (X-RF). En: 15th World Congress of Soil Science. Acapulco, Mexico. 509-516 pp.

Helmke, P. A. (2000). Soil Chemical. The chemical composition of soils. En: SUMMER, M. E. (Ed.). Handbook of soil science. CRC Press. Boca Raton, Florida.

Lagen, van B. (1996). Soil analysis. Manual for soil and water analysis. En: Buurman, P.; van Lagen, B. y Velthorst, E. J. (Eds.). Backhuys Publishers. The Netherlands.

Lindsay, W. L. y Norvell, W. A. (1978). Development of DTPA soil for zinc, iron, manganese and cooper. Soil Sci. Soc. Am. J. 42: 421-428 pp.

Raij, van B., de Andrade, J. C.; Cantarella, H. y Quagguio, A. J. (Eds.). (2001). Analise quimica para avaliaço da fertilidade de solos tropicais. Instituto Agronomico. Campinas. 284 pp.

Sibilia, J. P. et al. (1988). A Guide to Materials Characterization and Chemical Analisis. VCH Publishers. Federal Republic of Germany/New Cork. 318 pp.

Skoog, D. A. y Leavy, J. J. (1994). Analisis instrumental. McGraw Hill-Interamericana de España. Madrid. 935 pp.

Soltanpour, P. N. y Schwab, A. P. (1977). A new soil test for simultaneous extraction of macro- and micronutrients in alkaline soils. Commun. Soil Sci. Plant Anal. 8: 195-207 pp.

SPAC (Soil and Plant Analysis Council). (1992). Handbook on reference methods for soil analysis. USA. 202 pp.

Autora: A.I. Roca-Fernandez (Centro de Investigaciones Agrarias de Mabegondo. INGACAL)

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