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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).
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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
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.
