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Tecnología Química

versión On-line ISSN 2224-6185

RTQ vol.39 no.3 Santiago de Cuba sept.-dic. 2019

 

Artículo original

Cafeína y barrido UV-Vis y el índice de calidad de agua en la microcuenca altoandina del río Chumbao, Andahuaylas, Apurímac, Perú

Caffeine and UV-Vis scanning and the water quality index in the high-Andean watershed of the Chumbao River, Andahuaylas, Apurímac, Perú

MSc. David Choque-Quispe1  *  , MSc. Carlos A. Ligarda-Samanez1  ,  Ramos-Pacheco1  , Mag. Aydeé M. Solano-Reynoso2  , Br.  Yadyra Quispe-Quispe3 

1 E.P. Ingeniería Agroindustrial, Universidad Nacional José María Arguedas, Perú.

2 E.P. Ingeniería Ambiental, Universidad Tecnológica de los Andes, Perú.

3 E.P. Ingeniería Ambiental, Universidad Alas Peruanas, Perú.

RESUMEN

Las fuentes de agua superficial son recursos para las actividades socioeconómicas, sin embargo estas causan alteración y deterioro, este impacto es medido por el índice de calidad del agua (ICA) y recientemente por contaminantes emergentes. El objetivo fue evaluar el nivel de cafeína y el ICA, en la micro cuenca altoandina del rio Chumbao, situada entre 73°38' - 73°11'O y 13°49' - 13°34'S, de 4 800 a 2 000 msnm y área 767,4 km2. Se evaluó el ICA según la NSF y Dinius considerando parámetros: Nivel de oxigeno (OD y DBO5), Nivel de eutrofización (NO3- y PO4-), Características físicas (Temperatura, Turbidez, Color y TDS), Sustancias disueltas (Alcalinidad, Dureza, pH, Conductividad y Cloruros), Aspectos de salud (E. coli y Coliformes); la cafeína se determinó por la cromatografía líquida de alta eficacia (HPLC); el muestreo fue en

temporada de avenidas, en 02 puntos lénticos y 08 lóticos. Se encontró que el uso predominante del agua es para agricultura, pastura y urbanización; la microcuenca presenta pendientes de 5,4% (18,3 km), 2,2% (11,8 km) y 4,3% (5,6 km), los parámetros muestran correlación R s positiva (p-value < 0,05), superando los estándares de calidad para vida acuática en los puntos urbanizados. No se detectó niveles de cafeína (n.d.>1,09 μg/L). El ICA según NSF y Dinius muestra dos categorías Buena y Muy mala para puntos lóticos; y excelente para las lagunas de la cabecera de cuenca, estas características se evidenciaron por un barrido UV-Vis de 200 a 700 nm.

Palabras-clave: Índice de calidad de agua; Cafeína; barrido UV-Vis

ABSTRACT

The Surface of water sources are resources for socioeconomic activities, however these cause alteration and deterioration, this impact is measured by the water quality index (IQA) and recently by emerging pollutants. The objective was to evaluate the level of caffeine and IQA, in the high Andean watershed of the Chumbao River, located between 73 ° 38 '- 73 ° 11'O and 13 ° 49' - 13 ° 34'S, from 4 800 to 2 000 meters above sea level and area 767.4 km2. The IQA was evaluated in accordance with the NSF and Dinius, considering parameters: Oxygen level (OD and BOD5), Level of eutrophication (NO3- and PO4-), Physical characteristics (Temperature, Turbidity, Color and TDS), Dissolved substances (Alkalinity, Hardness, pH, Conductivity and Chlorides), Health aspects (E. Coli and Coliforms); the caffeine HPLC was determined; the sampling was in season of avenues, in 02 lentic points and 08 lotic. It was found that the predominant use of water is for agriculture, pasture and urbanization; the watershed presents slopes of 5.4% (18.3 km), 2.2% (11.8 km) and 4.3% (5.6 km), the parameters show positive correlation Rs (p-value <0, 05), exceeding the quality standards for aquatic life in urbanized points. No caffeine levels were detected (n.d.> 1.09 μg / L). The IQA NSF and Dinius show two categories Good and Very bad for lotic points; and excellent for the lagoons of the basin head, these characteristics were evidenced by a UV-Vis sweep of 200 to 700 nm.

Key words: Water quality index; Caffeine; UV-Vis sweep

Introducción

La calidad de vida de la población está relacionada con la calidad de agua y su disponibilidad, (1 sin embargo, el crecimiento antropogénico ha generado problemas ambientales en los cuerpos de agua, y el río Chumbao no es ajeno a esta realidad.

La calidad de las aguas subterráneas y superficiales puede ser evaluada a través de parámetros fisicoquímicos y bioindicadores microbiológicos de las especies: E. coli y Enterococcus, que muestran la actividad antrópica de una región. 2,3

Los ríos pueden contaminarse en su trayecto desde el nacimiento hasta su desembocadura, transportar y acumular contaminantes. Uno de los principales problemas de los ríos que trascurren por zonas urbanizadas es la contaminación con nitrógeno en las aguas de escorrentía pluvial. 4 La mayoría de los ríos se ven afectados por las descargas de aguas usadas sin tratar provenientes de vertederos clandestinos. 5

Horton 6 propuso el uso del índice de calidad de agua (ICA) para estimar patrones o condiciones de contaminación acuática, y fue pionero en la generación de una metodología unificada para su cálculo; sin embargo, el desarrollo e implementación de un ICA de manera formal y demostrada lo realizaron Brown 7 con el apoyo de la Fundación Nacional de Saneamiento (NSF) denominado índice NSF e Dinius, 8 basados en parámetros fisicoquímicos y microbiológicos, ambos consideraron la estructura del índice de Horton y en el método Delphi para definir los parámetros, pesos ponderados, subíndices y clasificación a ser empleados en el cálculo. 9

Se han realizado estudios sobre marcadores químicos que podrían indicar la presencia de contaminantes fecales humanos en el agua,10,11 siendo estos más precisos y de rápido análisis en comparación a métodos microbiológicos, uno de ellos es la cafeína,12,13 que está relacionada a la actividad antrópica en todos sus aspectos 14 presente en algunos fármacos como analgésicos, alimentos y bebidas.15,16En ese sentido el objetivo del trabajo fue evaluar el nivel de Cafeína y barrido UV-Vis y su relación con el índice de calidad de agua en la microcuenca altoandina del río Chumbao, cuyos resultados permitirán la priorización de proyectos de saneamiento ambiental en la zona de impacto.

Métodos utilizados y condiciones experimentales

Área de estudio

El área de estudio seleccionada, correspondió a la microcuenca del río Chumbao situada entre 73°38' - 73°11'O y 13°49' - 13°34'S, con altitudes de 4 800 a 2 000 msnm y área bruta de 767,3 km2, pertenece a la Cuenca Pampas y se encuentra ubicada en la Provincia de Andahuaylas, Región Apurímac, Perú (figura 1).

Fig. 1 Microcuenca del río Chumbao 

Puntos de muestreo

Fueron evaluados 08 puntos lóticos y 02 puntos lénticos (laguna Pampahuasi y Paccoccocha (figura 2), cuyo perfil altitudinal se presenta en la figura 3.

Esquema metodológico

El estudio se realizó de acuerdo al esquema metodológico de campo y laboratorio, mostrado en la figura 4.

Indicadores fisicoquímicos y microbiológicos

Los indicadores como la DBO, nitratos, fosfatos, solidos totales disueltos (STD), color, alcalinidad y dureza se determinaron tomando en cuenta los métodos estándar para el análisis de agua y aguas residuales, 17 mientras que el oxígeno disuelto (OD), temperatura, turbidez, pH y conductividad se determinaron considerando el manual de uso de multiparametro HI 9829, previamente calibrado, y los Coliformes totales y E. coli se cuantificaron a través del uso de Placas Petrifilm 3M. En la figura 2 se muestran los puntos de muestreo en la microcuenca del río Chumbao y en la figura 3 el perfil altitudinal de los puntos de muestreo.

Fig. 2 Puntos de muestreo en la microcuenca del río Chumbao 

Fig. 3 Perfil altitudinal de los puntos de muestreo 

Determinación de cafeína

Se preparó una solución stock de cafeína, con 2,1 mg de cafeína (CAS 58082) en una fiola de 50 mL y se enraso con agua tipo 1, en seguida se tomó 1 mL de la solución stock y se enraso con 50 mL de agua tipo 1, a partir de esta solución se elaboró una curva de calibración de 6 puntos con una concentración de 3,28 a 105 ng/mL.

Las muestras de agua se filtraron en filtro Phenomenex 0,45 µm, y enseguida se inyectaron al HPLC, con las condiciones cromatográficas siguientes: Columna: RP-18e (Purospher star 150-4,6 - 5 µm), fase móvil agua - acetonitrilo (8:2), tiempo de análisis 7 min, flujo 1 mL/ min, longitud de onda 276 nm a 25 °C, y volumen de inyección de muestra 20 µL.

En la figura 4 se muestra el flujograma metodológico de trabajo.

Fig. 4 Flujograma metodológico de trabajo 

Barrido UV-Vis

Las especies atómicas o moleculares que absorben energía en la región UV-Vis fueron detectadas a través del espectro de barrido. Se tomó 4 mL de agua tipo 1, y se transfirió a una cubeta de cuarzo para la calibración del espectrofotómetro, se realizó el barrido de la absorbancia de 200 a 700 nm. Se filtraron 20 mL de muestra de agua en una membrana de acetato de celulosa de 0,45 µm, el filtrado se llevó al espectrofotómetro al intervalo de longitud de onda indicada.

Determinación del ICA

Se evaluó el ICA según la NSF y Dinius, considerando los parámetros ponderados mostrados en la tabla 1, basados en la media geométrica de los parámetros (ecuación 1), la categorización del ICA se detalla en la tabla 2.

Donde, ICA: índice de Calidad de Agua; I i : Subíndice del Parámetro i; W i : Factor de ponderación para el subíndice i.

Tabla 1 Ponderación de indicadores para el ICA 

Los parámetros fisicoquímicos estudiados fueron comparados con el agua de Categoría 4: Conservación del ambiente acuático para ríos de la sierra, propuesto en el D.S. D.S. N° 004-2017-MINAM, de la Ley N° 28611, Ley General del Ambiente.

Tabla 2 Categorización de la calidad para el ICA 

Análisis estadísticos

Se aplicó análisis de varianza, y comparación múltiple Tukey, a un nivel de significancia del 5%, se utilizó el paquete estadístico SixSigma V8. 18

Resultados y discusión

El uso actual de los suelos aledaños a la microcuenca altoandina en estudio, está orientada a la agricultura y pastura ya sea limitada o dedicada (tabla 3), el 23,6% se considera como cuenca colectora, y en menor porcentaje el suelo es destinado para la urbanización e industria urbana; los puntos de muestreo lénticos y lóticos del río Chumbao están distribuidos a través de un recorrido del agua de 40,47 km (figura 2), presentando tres tramos de pendientes pronunciadas (figura 3), en el tramo del punto M1 a M3 (18,25 km) la pendiente es de 5,4%, de M3 a M7 (11,8 km) la pendiente disminuye hasta un valor promedio de 2,2%, y un último tramo de 5,60 km presenta una pendiente mayor de 4,3%, las permitiendo una mejor aireación19 y autopurificación del agua en el río20.

El OD (P1) (tabla 4), se incrementa ligeramente conforme discurre aguas abajo a los largo de la microcuenca (p-value < 0.05), tomando valores por encima de 5 mg/L como valor referencial considerado en los ECA para Categoría 4: Conservación del ambiente acuático para ríos de la sierra (D.S. N° 004-2017-MINAM- Perú). Este incremento de OD se debe principalmente: a la disminución de la altitud, 21 alta turbulencia del rio, distribución de las comunidades animales y vegetales, 22 presentando desde ichu por encima de 3 000 msnm.

Tabla 3 Uso actual del suelo en la microcuenca del rio Chumbao 

Los ríos que atraviesan zonas urbanas reciben efluentes domésticos, industriales y ganaderas normalmente presentan altos valores de DBO5,23,24 los valores reportados muestran baja DBO5 (tabla 4), con incrementos mínimos aguas abajo (p-value < 0,05), debido a la oxigenación, similar comportamiento sucede pata los nitratos (P3) y fosfatos (P4), aunque su presencia se debe al uso de fertilizantes derivados de nitrato para cultivos25, y a la basura que se arroja al río, mientras que en las lagunas no se observa contenido de estas sustancias.

La temperatura (P5), se incrementa aguas abajo de 10,99 ± 0,11 °C en M1 a 15,86 ± 0,24 °C en M8 (p-value < 0.05), este hecho se debe al cambio del piso altitudinal y al tiempo de muestreo, 26,27 en las lagunas L1 y L2, es menor, esto se debe al piso altitudinal y represamiento, 28 esta variable tiene influencia directa sobre la composición química del agua y el OD.29

Tabla 4 Valores de indicadores fisicoquímicos y microbiológicos 

Donde: , media; s, desviación estádar; Pi, parámetros; Mi, Puntos lóticos; Li, puntos lénticos.

La turbidez (P6) y los STD (P7) se incrementan aguas abajo, este hecho se debe en gran medida a la erosión natural en temporada de avenidas, 30 y a la presencia de desechos domésticos inorgánicos u orgánicos 31 y en gran medida a las actividades extractivas de materiales de construcción civil; ocasionando problemas en el hábitat acuático y cambios del régimen hidráulico de la corriente, generando exceso de sólidos sedimentables. 32

En cuanto al color (P8) no se observa incremento significativo aguas abajo, siendo ligeramente mayor en las zonas urbanas, este hecho se pude deber a que el color está relacionado con la presencia de sustancias químicas y tóxicas de los desechos domésticos, sin embargo, en las zonas no urbanas el color está asociado a sustancias como taninos y ácidos húmicos propios de la vegetación nativa.

La alcalinidad (P9) y dureza (P10) se incrementan significativamente, disminuyendo la capacidad amortiguadora del agua, sin embargo, los resultados de los puntos de muestreo aguas arriba muestran que la capacidad de neutralizar ácidos es baja, siendo susceptibles a acidificarse.

Los valores de pH (P11) aumentan ligeramente aguas abajo, esta variación se debe sobre todo a la actividad antrópica y sustancias alóctonas y autóctonas que se encuentran en el cauce del río, lo que hace que la conductividad (P12) y los cloruros (P13) se incrementen fuertemente sobre todo en las zonas urbanas (M5, M6, M7 y M8), debido a la erosión causada por el agua de riego de los campos de cultivos en las zonas altas (M1, M2 y M3), no obstante el comportamiento de estos parámetros depende del tipo de suelo en las áreas aledañas.

En cuanto a la carga microbiana se aprecian dos tramos definidos, una zona (M1, M2 y M3) con presencia de campos de cultivo y áreas de fauna y flora silvestre, donde los niveles de E. coli (P14) y Coliformes totales (P15) son casi nulos, mientras que en las zonas urbanas (M4 en adelante) los niveles de P14 y P15 se incrementan drásticamente, por la presencia de efluentes domésticos, y debido a la actividad pecuaria cuyos residuos como estiércol y purines aumentan los niveles de los Coliformes.33,34

El índice según la NSF para la vida acuática, considera la calidad de agua de los puntos M1, M2 y M3 como buena (figura 5), mientras que el índice Dinius considera los puntos M1 al M5 como excelente (figura 6), ambos índices consideran los puntos M7 y M8 como altamente contaminados, presentando niveles altos de riesgo sanitario, 35 pudiendo causar enfermedades de origen hídrico al hombre y los animales,36 siendo un comportamiento característico de ríos que atraviesan urbes;37,38 este comportamiento se puede distinguir a través del barrido UV-Vis (figura 7), donde claramente se observa que los puntos M7 y M8 presentan alta absorbancia, debido a la presencia de sustancias orgánicas e inorgánicas disueltas.

Fig. 5 Variación del ICA NSF en los puntos de muestreo 

Fig. 6 Variación del ICA Dinius en los puntos de muestreo 

La cafeína es considerado uno de los alcaloides con actividad biológica más ingeridos en el planeta 37, así como bajo la forma de fármacos o en bebidas, en este estudio no se detectaron niveles mayores a los detectados por HPLC (l.d. > 1.09 μg/L).

Rodríguez-Gil et al.38 y Sauvé et al.,39 considera que la cafeína podría considerarse como bioindicador de contaminación fecal, sin embargo los resultados encontrados en el presente trabajo para el E. coli son elevados, lo cual no muestra relación con los niveles de cafeína en el agua del río Chumbao, no obstante este hecho, el nivel no detectable de cafeína en el agua se puede deber a la pendiente del río, puesto que puede ocurrir un proceso de degradación de la cafeína durante el curso del agua en el río.13

Fig. 7 Barrido UV-Vis de la muestra de agua por puntos de muestreo 

Conclusiones

El uso predominante de agua de la microcuenca altoandina del río Chumbao está orientado hacia la agricultura y pastura limitada, el ICA está distribuido en dos categorías Buena y Muy mala o Excelente y Excesivamente contaminado para la vida acuática evaluada a través del ICA según la NSF y Dinius respectivamente, mientras que en los puntos lénticos presentan calidad de excelente, así a través del barrido UV-Vis es posible determinar el estado de calidad del agua.

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Recibido: 08 de Septiembre de 2018; Aprobado: 15 de Enero de 2019

*Autor para la correspondencia. Correo electrónico: davidchoqueq@gmail.com

Conflicto de intereses

Los autores declaran que no existen conflictos de intereses.

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