MAPEO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS CONTAMINADAS POR NITRATOS YBACTERIAS EN EL ESTADO DE YUCATÁN, MÉXICO.

Armando Cabrera1; Julia Pacheco1,2, Javier Frías1, José Ramírez1; Manuel Ramírez1

1Coordinación Académica de Ingeniería Ambiental, Facultad de Ingeniería, UniversidadAutónoma de Yucatán. 1Avenida Industrias no Contaminantes por Anillo Periférico Norte,

Mérida Yucatán, México. Tel. (999) 9410191 ext. 129; Fax (999) 9410189E-mail: csansor@tunku.uady.mx.

2Universidad Nacional Autónoma de México. Instituto de Geofísica, Circuito Exterior,Ciudad Universitaria, C.P. 04510 México D. F.

RESUMEN

El acuífero del estado de Yucatán, es altamente vulnerable a todo tipo de contaminación. Elcontaminante más común en el agua subterránea, es el nitrato, debido a su estabilidadquímica. Su presencia en concentraciones mayores a 45 mg/l es potencialmente peligrosa, yaque puede causar metahemoglobinemia infantil y posibles desarrollos de cáncer. Asimismo,las enfermedades gastrointestinales causadas por bacterias patógenas, constituyen unproblema de salud pública en especial en niños menores de un año. Para conocer el grado yextensión de la contaminación por nitratos y bacterias en el agua subterránea, se seleccionaron112 pozos. Los resultados mostraron que las concentraciones de nitratos y coliformes fecalestuvieron una gran variación, que su distribución sigue de manera general la direcciónpreferencial del flujo regional y que respecto a la profundidad, su comportamiento es inverso.Asimismo, la concentración de estos contaminantes se relaciona de manera directa con losdiferentes usos del suelo.

INTRODUCCIÓN

La concentración de nitratos y bacterias coliformes fecales en el agua subterránea, típicamentemuestran una variabilidad significativa en muchas direcciones: con la profundidad, con laubicación espacial y con las actividades humanas que se desarrollan y a menudo, esasvariaciones están relacionadas. El reconocimiento de esta variabilidad es importante paraentender la extensión del problema y diseñar programas para mitigarlo. No es fácil conocer laocurrencia y distribución de nitratos y coliformes fecales para una región; sin embargo, parael estado de Yucatán, el tamaño de la región y la poca diversidad en el uso del suelo así comoen el clima y la hidrogeología, hacen factible tal propósito.Diversos estudios acerca de la contaminación por nitratos en aguas subterráneas, hanmostrado que generalmente existe una relación inversa entre las concentraciones de nitratos yla profundidad por debajo de la superficie o por debajo del nivel freático (Freeze and Cherry,1979; Libra et al., 1990; Ritter y Chirnside, 1984). Esta relación puede considerarse enfunción del tiempo y de las actividades, por ejemplo, en muchas áreas este tipo decontaminación data de hace algunas décadas cuando el empleo de fertilizantes nitrogenados seincrementó como una consecuencia al incremento de la producción agrícola. En muchosacuíferos, las tasas de transporte vertical y lateral son bajas y los solutos derivados de lasuperficie, como es el caso de los nitratos, pueden acumularse en la porción superior delacuífero con un movimiento gradual lento hacia abajo por difusión o dispersiónhidrodinámica.

Algunos aspectos de la variabilidad espacial son los relacionados con los usos de la tierra, quede manera implícita involucran las diferentes cargas de Nitrógeno al subsuelo a través de lasprincipales actividades antropogénicas que se desarrollan en cada área. Así, los problemas decontaminación por nitratos y bacterias en pozos rurales, han sido atribuidos a sistemassépticos inapropiados, mala construcción o ubicación de los pozos y otros problemas localescomo es el uso de fertilizantes o la cría de animales (Walker, 1973). Asimismo, el desarrollode unidades intensivas de cría de animales, ganado vacuno y porcícola, ha generadoproblemas muy localizados debido a que el volumen de excreta generado es mayor que elutilizado en otras actividades. Esta situación es de importancia en lugares en los que se tienensuelos con buen drenaje, porque se facilita la lixiviación del nitrato hacia el nivel freático.Aún cuando se pueden distinguir claramente las fuentes locales (puntuales) para una regióndeterminada, frecuentemente estas fuentes no pueden explicar la amplia contaminaciónregional por nitratos que ocurre en un acuífero (Hallberg, 1989).

METODOLOGÍA

Descripción del área de estudio

De los 106 municipios que existen en Yucatán, se tomaron como base los 40 municipiosmuestreados en el proyecto “Impacto del uso del suelo en la concentración de nitratos delagua subterránea en el estado de Yucatán” y se completaron los datos con un muestreorealizado en los meses de junio a septiembre de 2000, como parte del proyecto“Determinación y prueba de un índice de contaminación por nitratos en el acuífero cárstico deYucatán”.En total, se tienen datos de pozos profundos utilizados con fines de abastecimiento a lapoblación de 92 municipios (87%) y los correspondientes a 55 pozos someros (52%). Cabemencionar que en las poblaciones rurales del estado de Yucatán es cada día más difícilencontrar pozos someros en uso, ya que el gobierno del estado, como parte de sus programasha procurado dotar a cada una de las poblaciones con un sistema de abastecimientoconsistente en un pozo profundo de aproximadamente 50 metros y de los cuales se extrae elagua a una profundidad de aproximadamente 20 metros por debajo del nivel freático, por loque los pozos someros ya no se usan para fines de abastecimiento, algunos son usados parariego, en actividades recreativas y ocasionalmente cuando el sistema de abastecimiento tienealguna falla.

Métodos de campo

Se ubicaron geográficamente los pozos de muestreo correspondientes a ambos proyectos, conla finalidad de lograr una distribución espacial precisa de las concentraciones de nitratos ycoliformes fecales; para esto, se utilizó una estación de posicionamiento (GPS) y serealizaron, en donde fue posible, mediciones de profundidad al nivel freático con un medidorde nivel.Las muestras para las determinaciones de nitratos fueron preservadas con ácido sulfúrico, yaque los lugares de muestreo por lo general distaban del laboratorio; la densidad de organismoscoliformes fecales se determinó mediante la siembra en campo, ya que se dispuso deincubadoras bacteriológicas de campo, con lo que se minimizó el error por el manejo de lamuestra (APHA, AWWA, WEF, 1992).

Métodos de laboratorio

Las determinaciones de nitratos se hicieron en el laboratorio siguiendo la técnica deespectrofotometría de luz ultravioleta. El control de calidad para los resultados analíticos delas concentraciones de nitratos se hizo con base en los valores del porcentaje de error iónico,el cual fue fijado en 10%, de acuerdo a los métodos establecido para análisis de aguas(APHA, AWWA, WEF, 1992).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Distribución de nitratos y coliformes fecales respecto a la profundidad de extracción delagua en el pozo.

El amplio rango de valores observados para los resultados de estos contaminantes, mostrarondistribuciones multimodales más que normales, por lo que el uso de la mediana y otrastécnicas estadísticas “no paramétricas” son más apropiadas (Jhonson y Wichern, 1982). Losdatos de nitratos y bacterias coliformes fecales obtenidos en las aguas de los pozos someros (anivel freático) y los pozos profundos (20 metros por debajo del nivel freático), muestran estarelación. Esta tendencia de la distribución es típica para los contaminantes del aguasubterránea derivados de la superficie terrestre, tal como es el caso de los nitratos y lasbacterias coliformes fecales (Figs. 1 y 2).

Figura 1. Distribución de nitratos en pozos someros y profundos.

Figura 2. Distribución de organismos coliformes fecales en pozos someros y profundos.

Variabilidad espacial y distribución respecto a la profundidad del nivel freático.

Uno de los factores que se cree que controla la relación entre la profundidad y lasconcentraciones de nitratos, es la profundidad al nivel freático, la cual está directamenterelacionada con el espesor de la zona insaturada y las propiedades de los suelos y del materialgeológico superficial. Las características de estos materiales inciden directamente en losprocesos de atenuación de la contaminación. En regiones en donde la zona insaturada es deespesor variable, esta relación con la profundidad puede reflejarse en las variacionesespaciales, debido principalmente a las diferentes tasas de transmisión de agua de recarga ynitratos al acuífero. Sin embargo, en áreas cársticas en las que el desarrollo del carst haafectado el acuífero carbonatado mediante el desarrollo de fracturas, cavidades y conductos dedisolución, tal comportamiento puede no ser proporcional, ya que la ocurrencia de talesmanifestaciones cársticas es azarosa. El estado de Yucatán, es una planicie con abundantesmanifestaciones cársticas que impiden que los procesos de atenuación tengan efecto, aún enlas áreas en donde se tienen los mayores espesores de la zona insaturada, dando por resultadouna contaminación por nitratos de naturaleza difusa y extendida, que no tiene alguna relación

con la profundidad al nivel freático (Figs. 3 y 4). De igual manera, la contaminaciónbacteriológica por organismos coliformes fecales es independiente de la profundidad al nivelfreático y para algunas áreas, como es el caso del área costera, el comportamiento de lacontaminación es contrario a lo que sucede en regiones en las que la zona insaturada toma unpapel determinante en los procesos de atenuación para la contaminación bacteriológica(Fig.5).

Figura 3. Distribución de profundidades al nivel freático (metros) en el estado de Yucatán.

Figura 4. Distribución de nitratos (mg/l) en pozos someros del estado de Yucatán.

Figura 5. Distribución de densidades de coliformes fecales (UFC/100 ml) en pozos somerosdel estado de Yucatán.

Debido a que la interpretación gráfica puede ser difícil de interpretar, se utilizó la técnicaestadística no paramétrica de Kruskal-Wallis (Jhonson y Wichern, 1982) con un nivel designificancia de 0.05, para probar que no existe diferencia significativa entre lasconcentraciones promedio del nitrato con respecto a la profundidad del nivel freático en lospozos estudiados. Para esto, se consideraron los datos distribuidos en tres muestras en funciónde la profundidad al nivel freático; en la primera, se consideró el nivel de 0.0 a 10.0 metros;en la segunda de 10.1 a 20.0 metros y para la tercera, de 20.1 a 30 metros; y se formuló lasiguiente hipótesis nula: “no existe diferencia estadística significativa entre lasconcentraciones promedio de nitratos en el agua subterránea con respecto a las profundidadesal nivel freático", esto es, respecto al espesor de la zona insaturada. El resultado de la pruebaestadística nos llevó a aceptar la hipótesis nula planteada y concluir con un 99% de nivel deconfianza, que no existe diferencia significativa entre las concentraciones promedio denitratos con relación al espesor de la zona insaturada, lo que nos condujo a apoyar lainterpretación gráfica de que la contaminación por nitratos y bacterias coliformes fecales en elagua subterránea del estado de Yucatán, se debe a la distribución azarosa de la presencia defracturas, cavidades y conductos de disolución en la región. También cabe mencionar, que enla zona costera la ausencia de coliformes fecales, es debido a las costumbres de clorardirectamente las fuentes de abastecimiento somero.

Variabilidad espacial de las concentraciones de nitratos en pozos profundos.

Para el estado de Yucatán, el mapeo de las concentraciones de nitratos en pozos profundos deaproximadamente 50 metros, en los cuales el agua se extrae a 20 metros por debajo del nivelfreático, mostró una configuración en la que se observó una contaminación regional convalores desde prácticamente cero hasta aproximadamente 130 mg/l. Asimismo, las mayoresconcentraciones de nitratos se tuvieron en el agua que subyacen áreas en donde se desarrollanactividades antropogénicas como la agricultura, la porcicultura y la ganadería. Las

concentraciones más altas se determinaron para la región sur del estado, área correspondientea la zona con la mayor actividad agrícola del estado, lo que indica que la agricultura es lafuente de nitratos que puede contribuir de manera significativa a la contaminación regionaldifusa, más que otras fuentes puntuales en las que el efecto puede notarse a nivel freático.Aún cuando la dirección preferencial del flujo regional para el estado de Yucatán es de surestea noroeste, la configuración para la contaminación por nitratos mostró una tendencia generaldecreciente en dirección hacia la costa (Fig. 6).

Figura 6. Distribución regional de la contaminación por nitratos en pozos profundos delestado de Yucatán.

CONCLUSIONES

La presencia de coliformes fecales en las aguas de los pozos someros, mostró que la mayoríaestá contaminada con materia fecal; no así los pozos profundos, en los que se mostró unamínima presencia de esta contaminación. La presencia de coliformes fecales en estos pozos,es debida probablemente a la ruptura de los ademes o a que el agua es extraída a menorprofundidad.

No existen procesos de atenuación para los nitratos y bacterias coliformes fecales en el áreade estudio, dando por resultado una contaminación por nitratos de naturaleza difusa yextendida.

Las concentraciones de nitratos y coliformes fecales no tienen relación directa con laprofundidad al nivel freático. La prueba estadística de Kruskal-Wallis, confirmó que no existediferencia estadísticamente significativa entre las concentraciones promedio de nitratos conrelación al espesor de la zona insaturada.

La concentración de nitratos en los pozos profundos mostró una contaminación regional convalores desde prácticamente cero hasta 130 mg/l. Además, se observó que las concentracionesmás altas de nitratos correspondieron a las áreas en las que se desarrollan actividadesantropogénicas como la agricultura, la ganadería y la porcicultura.

AGRADECIMIENTOS

Al CONACYT, por el financiamiento de los proyectos: "Impacto del uso del suelo en lasconcentraciones de nitratos del agua subterránea del estado de Yucatán", Clave A910736 y"Determinación y prueba de un índice de contaminación por nitratos en el acuífero cárstico deYucatán", Clave 27912T. Al Sistema de Investigación Regional Justo Sierra del CONACyT,por el financiamiento económico para la realización del proyecto "Delimitación de una zonade reserva hidrogeológica para el abastecimiento de agua potable a la ciudad de Mérida,Yucatán", Clave 980607. J. Pacheco, agradece al CONACYT, la beca otorgada para larealización de estudios de doctorado y a los participantes en el proyecto por el trabajorealizado.

REFERENCIAS

APHA, AWWA, WEF. (1992) Standard Methods for the Examination of Water andWastewater. 18 th. edition. Clesveri L.S., Eaton A.D. y A.E. Greenberg (Eds.)Washington, D.C. USA.

Freeze, R.A., Cherry, J.A. (1979) Groundwater. Prentice-Hall, Inc. New Jersey, USA.Hallberg, G.R., 1986, Overview of Agricultural Chemicals in Ground water., in Proceedings

of the Conference on Agricultural Impacts on Ground Water., National Water WellAssociation, Dublin, Ohio, 1-63 pp.

Jhonson, R.A., Wichern, D.W. (1982) Applied Multivariate Statistical Analysis. Prentice-HallLibra, R.D., Hallberg, G.R., Hoyer, B.E. (1990) Impact of agricultural chemicals on ground

water quality in Iowa, in Ground Water Quality and Agricultural Practices. DeborahM. Fairchild. Lewis Publishers. 185-215 pp.

Ritter, W.F., and Chirnside, A.E.M., 1984, Impact of land use on ground-water quality inSouthern Delaware: Gound Water, v. 22, no, 1, 38-47 pp.

Walker, W.H., 1973, Ground-water nitrate pollution in rural areas: Ground Water, v. 11, no.5, 19-22 pp.