Herbicidas en Caña de Azúcar

8/20/2019 Herbicidas en Caña de Azúcar

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Ingeniería de Recursos Naturales y delAmbiente

ISSN: [email protected] del ValleColombia

Barba-Ho, Luz Edith; Becerra, DorancéBiodegradabilidad y toxicidad de herbicidas utilizados en el cultivo de caña de azúcar

Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente, núm. 10, enero-diciembre, 2011, pp. 11-19Universidad del Valle

Cali, Colombia

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Facultad de Ingeniería«EIDENAR»pp.

___________ *Recibido: 26 Abril 2011 * Aceptado 3 Mayo 2011

Luz Edith Barba-Ho, M.Sc.Profesora Titular,Escuela de Ingeniería de Recursos NaturalesUniversidad del Valle,[email protected]

Dorancé Becerra, Ing.Profesor Auxiliar. Universidad Nacional de Colombia,[email protected]

BIODEGRADABILIDAD Y TOXICIDAD DE HERBICIDAS UTILIZADOCULTIVO DE CAÑA DEAZÚCAR

BIODEGRADABILITY AND T OXICITY OF HERBICIDES USED IN GROWING CANE

PLAGUICIDAS USADOS EN CULTIVOS DE CAÑA DE AZÚCAR

RESUMEN

Los ingenios azucareros del Valle del Cauutilizando con buenos resultados los herbicid2,4 D, Terbutrina, Glifosato, Fusilade y Amecontrol de las malezas en el cultivo de la caña Sin embargo, debido a las características inhsu carácter tóxico y al manejo inapropiado mayoría de las ocasiones se hace de estas susse genera una variedad de impactos negativos componentes de los ecosistemas sometidoacción.En busca de determinar su efecto contse estudió la biodegradabilidad (mediante el E

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3/1112 Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente - No. 10Enero-Diciembre de 2011, Cali ISSN 1692-9918Facultad de Ingeniería«EIDENAR»

ISSN 1692-9918 Ing. Recur. Nat. Ambient.

Zahn-Wellens/EMPA OECD 302B) y la toxicidad (me-diante la Prueba de Inhibición de la Respiración OECD209) de cada uno de estos plaguicidas, con el fin deconocer su comportamiento. En este estudio se encon-tró que los herbicidas evaluados son altamente tóxicosy no biodegradables en sistemas biológicos aeróbiosmediante la metodología estudiada constituyendo unriesgo ambiental al ser vertidos a los ecosistemas sintratamiento.

PALABRAS CLAVE

Biodegradabilidad, lodos activados, plaguicidas, toxici-dad.

ABSTRACT

Sugar cane mills from Valle del Cauca have been using the herbicides Diuron, 2,4 D, Terbutryn, Glifosato,Fusilade and Ametryn for the control of weeds and have obtained good results. However, negative impacts on the ecosystem components subjected to herbicides application are generated due to the inherent toxic

characteristics and some inadequate handling practices during the preparation. In order to determine the contaminant effect, a biodegradability test by means of the essay Zahn-Wellens/EMPA OECD 302B and toxicity by means of the Respiration Inhibition Test OECD 209 were carried out for each of the aforementioned herbicides.The experimental results show that these herbicides are extremely toxic and not biodegradable in aerobic biological systems according to the assessed methodologies, and constitute an environmental risk when disposed of to the ecosystems without treatment.

KEYWORDS

Biodegradability, activated sludge, pesticides, toxicity

1. INTRODUCCION

La actividad agrícola requiere el uso de herbicidas,

fungicidas, bactericidas, insecticidas, nematicacaricidas, rodenticidas y otros plaguicidas.plaguicidas son sustancias xenobiòticas usadas producción de cosechas para el control de plaenfermedades y malezas. La aplicación de estastancias implica la emisión de residuos a los difecompartimientos del medio ambiente (Hayoet a l., 19Los peligros asociados con estos productos quíson los siguientes: a) la baja biodegradabilidad,que su toxicidad persista largo tiempo en el mambiente, especialmente los clorados y los fosfob) la posibilidad de que percolen hasta los acuíferopueden servir como agua de consumo humano

destrucción del control biológico y disminuciónpolinización.

El impacto ambiental de la aplicación de los plagdepende de las características de: a) el plaguicida, su toxicidad sobre los organismos acuáticos, ambiente receptor, como el tipo de suelo, c) su ación, ya sea sobre el suelo o sobre el cultivo. Lupuede decir que el impacto de los plaguicidas ambiente resulta de una combinación de su expoy su toxicidad.

En Colombia, la caña de azúcar se cultiva en extáreas de aproximadamente 185.000 Ha localizadsu totalidad en el valle geográfico del río Cauca confiere a este cultivo el carácter de permanentColombia (Capurro, 2009). La presencia en fcontinua de ciclos superpuestos de las diferentes py a su vez, de los enemigos naturales de éstas,determinado el uso de plaguicidas a lo largo del cicloproductivo (Varona et al., 2006).

Los herbicidas constituyen un grupo muy importplaguicidas de uso agrícola que año tras año aumentado su volumen de uso y a la vez han sustel laboreo mecánico y manual en el campo. Si biensustancias químicas sintéticas son muy variad

algunas de ellas con toxicidad muy elevada, en sumayoría son menos tóxicas que los insecticidageneral (Varona et al., 2006).

Las formulaciones de herbicidas más utilizadas pcontrol de malezas en los cultivos de caña de azarroz, maíz, café y banano son el Gesapax 500 Gesaprin Nueve-0 90 WG, Roundup SL, KarmeGalope E.C y Gramoxone SL. Los ingredientes de estos productos son respectivamente AmetAtrazina, Glifosato, Diurón, 2,4-D y Paraquat (ión


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dimetil-4,4’-bipiridilo) (URPA, 2002).

Como requerimiento imprescindible, los productores decaña de azúcar tienen que conocer los agroquímicos ensu composición natural o sintética, su uso, su modo deacción, su manejo, su toxicidad a los humanos, anima-les y plantas incluyendo la caña.

Las malezas son la principal limitante agronómica en laproducción comercial de la caña de azúcar reduciendodrásticamente la productividad de los cañaduzales.

En la mayoría de los Ingenios azucareros de la región se

emplean los herbicidas Diurón, 2,4 D, Terbutrina,Glifosato, Fusilade y Ametrina con el riesgo potencial deque lleguen a las corrientes superficiales cercanas.Algunos estudios han reportado los efectos de estosherbicidas en el ambiente.

El Diuron por ejemplo, Giacomazzi et al. (2004), reportanque es generalmente persistente en el suelo, las aguassuperficiales y subterráneas; también es altamentetóxico para los mamíferos y pájaros como moderada-mente tóxico para los invertebrados acuáticos; sin em-bargo, su principal producto de biodegradación, la 3,4-dichloroanilina exhibe una mayor toxicidad y es tambiénpersistente en el suelo y las aguas.

La toxicidad del 2,4 D ha sido verificada mediante variosensayos de toxicidad reportados por Okay, et al., 1996;Sarikaya et al. (2005) y Achiorno et al. (2008), reportanque C. nobilii es afectada por concentraciones de glifosatomenores a las usualmente encontradas en cuerpos deaguas naturales.

Rokich et al., (2009) muestran que el herbicida fusiladepresenta características residuales que impiden el sur-gimiento y crecimiento de las semillas de diferentesplantas. La ametrina interfiere en el proceso fotosintético

produciendo nitritos, tóxicos que contribuyen a la muertede la planta (Churchill, et al. (1979), Koohpaei et al.(2009)Fránck et al. (1995) y encontraron para la terbutrinaque el impacto de una dosis simple sobre la comunidadde perifiton puede ser mínima.En este estudio se deter-minó la biodegradabilidad y toxicidad de estos herbici-das en sistemas aeróbios acuosos mediante la metodo-logía de Zahn-Wellens/EMPA para predecir su efecto enel ambiente. y evaluar la biodegradabilidad de los efluentesa largo plazo. A. Arques, et al. (2007).

2. MATERIALES Y MÉTODOS

Las pruebas fueron desarrolladas en el LaboQuímica Ambiental del área de Ingeniería Sanitaria yAmbiental de la Universidad del Valle.

Los herbicidas estudiados tuvieron como cselección la frecuencia de uso en la industria acon su respectiva presentación comercial fDiurón (Karmex), 2,4 D (Acido 2,4 D Amin(Gesapax.), Glifosato (Round Up), Acido (Fusilade), Terbutrina ( Igran)

Una vez seleccionados los productos más utilla región, se procedió a realizar pruebas toxbiodegradabilidad para cada uno de los plagusus presentaciones comerciales, con el fin decer las características y el comportamiento del ambiente, para así poder realizar una selecciódos productos, que por su frecuencia de uso,y baja biodegradabilidad representen el maypara el medio ambiente. Las pruebas realizad

Caracterización del lodo .Se utilizó como inóculo, lodo activado de untratamiento de aguas residuales domésticparámetros analizados fueron Sólidos Suspentales (SST), Sólidos Suspendidos VolátileSedimentabilidad, Índice Volumétrico de Lodoy Temperatura según APHA– AWWA–WPC

Prueba de inhibición de la respiración .Se realizó siguiendo la metodología para Loddos - OECD 209. Este método determina el efesustancia sobre los microorganismos, midiende respiración del lodo inoculo bajo condiciodas en la presencia de diversas concentraciosustancia de prueba. Ubay, et al. (2007).

Se realizó con el propósito de identificar las ciones no inhibitorias de los plaguicidas que utilizar en la Prueba de Biodegradabilidad.

Se estudiaron cuatro concentraciones de plaguicidasexpresadas como Demanda Química de Oxíg) en el rango de trabajo de la Prueba de Biodegr(200, 400, 600 y 800 mg L-1 O2). A cada unadicionaron 10 ml de la solución sintética de un volumen de lodo correspondiente a 600 mg-1

Biodegradabilidad y toxicidad de herbicidas utilizados en el cultivo

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y se completó hasta 300 ml. Adicionalmente se evaluóuna botella de control con iguales condiciones pero sinel tóxico.

Los recipientes se airearon continuamente por 180minutos, para garantizar que el O2 no se encontrara pordebajo de los 2.5 mg L-1. Posteriormente durante 15minutos con intervalos de 30 segundos se registró eloxígeno disuelto por medio de un oxímetro en cada unade las botellas. El efecto inhibitorio del plaguicida seexpresa como la relación entre la tasa de respiraciónpara cada concentración de plaguicida y la tasa derespiración del control:

Donde:

Rs = Tasa de consumo de oxígeno muestra con plaguicidaRc = Tasa de consumo de oxígeno del control

Prueba de biodegradabilidad.El objetivo de este ensayo, Prueba de Zahn Wellens/ EMPA – OECD 302B, es determinar el potencial debiodegradación de sustancias orgánicas bajo condicio-nes aerobias. (Ubay et al., 2009)

Durante los ensayos se sembraron para cada uno de losplaguicidas cuatro reactores de 2.5 l que conteníanmedio mineral de nutrientes, plaguicida en una concen-tración equivalente a 200 mg L-1 O 2 como DQO y 600 mgL-1 de SSV de lodo inoculo, para una relación lodo/ sustrato de 3:1. Adicionalmente se corrieron en paralelo“reactores blanco” que poseían iguales condiciones deSSV y medio mineral, pero en ausencia del tóxico.

Durante el tiempo de ensayo, 28 días, se evaluaron comoparámetros de control pH, Temperatura y DQO, colec-tando muestras cada dos días los primeros cuatro díasy posteriormente cada cuatro días. El seguimiento de lossistemas se realizó según las metodologías estableci-das en los Métodos Estándar para Análisis de Aguas yAguas Residuales., AWWA – APHA – WPCF, 2005.

El porcentaje de biodegradación se calculó a partir de lasiguiente ecuación (una sustancia se considerabiodegradable si la remoción neta de DQO al cabo de 28

días alcanza o supera el 70%):

Donde:

R0 = Promedio de las concentraciones de los reactdía 0B0 = Concentración del blanco, día 0Ri = Promedio de las concentraciones de los reactdía iB

i = Concentración del blanco, día i

3. RESULTADOS Y DISCUSION

Caracterización del Lodo Inóculo.De acuerdo con los resultados obtenidos en la carrización de los lodos activados colectados de una pde tratamiento de aguas residuales domésticas durcinco periodos de tiempo diferentes, estos presenun estado óptimo en cuanto a valores de pH, SST,IVL, sedimentabilidad, degradación del Etilenglicotros para el desarrollo de los microorganismos y realización de las pruebas de biodegradabilidad, slo recomendado por la Prueba de Zahn-Wellens (EOECD 302B 1992).

Prueba de Inhibición de la Respiración.En la Figura 1 se presentan los resultados obtepara los porcentajes de inhibición de los plaguiÁcido Fluazifop, Glifosato, Diurón, Ametrina, ty 2,4 D sobre el lodo inoculo en función de la conción de plaguicida. Se observa para todos los plaguestudiados una relación directa entre la concentrde herbicida y el grado de toxicidad que se ejerce

los microorganismos presentes en el lodo. A medidaque las concentraciones aumentan el efecto inhibva en aumento, mostrando por tanto disminucioneactividad biológica del lodo

Igualmente, se puede observar que los plaguicidastóxicos del grupo de los seis estudiados son el DiGlifosato, los cuales presentaron los mayores por jes de inhibición sobre el lodo, 49.5% y 43.5% tivamente para concentraciones de 800 mg O2 L-1 e


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términos de DQO.

Con base en los resultados anteriores, y mediante la

extrapolación de los datos de porcentaje de inhibicióncontenidos en la Figura 1, se determinó la concentraciónde plaguicidas a la cual el 50% de los microorganismosson inhibidos (LC50), los resultados se presentan en laTabla 1.

Tabla 1. Concentración de Inhibición LC 50 de los Plaguicidas Ácido Fluazifop, Glifosato, Diurón, Ametrina Y Terbutrina sobre el Lodo Inoculo.

La Prueba de Inhibición de la Respiración exhibió la

aplicabilidad de la Prueba de Zahn Wellens/Edeterminar la biodegradabilidad de los plaguiccionados, ya que mostró niveles bajos de inhlos plaguicidas hacia los microorganismos delrango de concentraciones evaluado. La concde plaguicida seleccionada para los ensabiodegradabilidad fue de 200 mg O2 L-1 de DQOa que se encuentra en el rango recomendadprueba y presenta un bajo grado de inhibicióinoculo para todos los plaguicidas, máximomadamente un 20% para el 2,4 D y por debajo de laConcentración de Inhibición LC50 para la totalplaguicidas.

Prueba de Biodegradabilidad.

De la Figura 2 se observa que en general, los pestudiados presentaron porcentajes de biodeginferiores al límite establecido por el TestWellens/EMPA para considerarles como biodeya que se exige que estos alcancen por lo menopara un intervalo de tiempo de 28 días, mientrporcentajes de biodegradación de los herbicdiados fueron del 37.4, 22.7, 20.6, 47.9 y 33.Ácido Fluazifop, Glifosato, Diurón, Ametrinarespectivamente, durante el mismo pertiempo.Estos bajos porcentajes de biodegradabilidad

Figura 1. Inhibición de la Respiración de los herbicidas Fusilade, Glifosato, Diurón, Ametrina, Terbutrsobre el Lodo Inoculo

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presentados por los plaguicidas estudiados, están acor-des con el carácter tóxico de estas sustancias, lascuales una vez en contacto con el lodo inoculo afectande manera significativa a los microorganismos presen-tes en él, impidiendo que se desarrollen los fenómenosmetabólicos responsables de la degradación de estoscompuestos.Por otro lado, los porcentajes debiodegradación obtenidos para los diferentes plaguicidasen la Prueba de Zahn Wellens/EMPA no indican que elremanente de compuestos al final del ensayo correspon-da a los plaguicidas evaluados en su estado original,estos se pudieron haber transformado a subproductosintermedios de biodegradación llamados metabolitos,

los cuales en algunas ocasiones pueden llegar a ser mástóxicos que los plaguicidas mismos (Albert, 1999).Durante el periodo de tiempo de los ensayos debiodegradabilidad los microorganismos gozaron de con-diciones de pH que variaron entre 6.72 y 7.21 unidades,valores que se encuentran dentro del rango de toleranciapara el crecimiento microbiano y muy cerca del rangoóptimo. En general, los microorganismos toleran nivelesde pH entre 5.0 y 9.0, mientras que el rango de pH óptimose sitúa entre 6.5 y 7.5 (García, 2001).

La temperatura presentó valores entre 21.1 y 25.6 °C,favoreciendo el normal desarrollo de los microorganismosMesófilos que se caracterizan por altas eficiencias enprocesos de degradación. El intervalo de temperaturapara el desarrollo de microorganismos Mesófilos variaentre 20 y 50 °C (Hilleboe, 1980).

Igualmente, en cuanto a los suministros de oxígeno ynutrientes durante la realización de las pruebas debiodegradabilidad, los microorganismos tuvieron la can-tidad suficiente de micro y macronutrientes, en formasfácilmente asimilables, además de una correcta airea-ción según se recomienda en la metodología del Ensayode Zahn-Wellens/EMPA. Teniendo en cuenta lo anteriorse puede decir que los factores medioambientales de losmicroorganismos no fueron limitantes para la degrada-

ción de los plaguicidas.En cuanto al desarrollo de la biodegradación de estosplaguicidas, se observa que todos ellos presentaron uncomportamiento similar, caracterizado por una etapa dedegradación inicial que empieza desde el arranque delensayo y termina aproximadamente en el día 8 (degra-dación de materia carbonácea), momento en el cual sedetienen los procesos degradativos, para posteriormen-te reiniciarse en el día 14 del ensayo, dando paso a unasegunda fase de degradación (degradación de materia

nitrogenada), la cual se prolonga hasta aproximadate el día 20 de la prueba, en donde terminan defimente las actividades de biodegradación. El fin procesos de remoción de DQO se debe, posiblema la acumulación de metabolitos biorrecalcitranes y/otóxicos generados a partir de la biotransformaciónplaguicidas, los cuales no son biodegradables y puincluso llegar a inhibir a los microorganismos.

Del ensayo de biodegradabilidad realizado paplaguicida 2,4 D, se observó que este presentódesaparición del 100% en un periodo de 12 días condiciones de la prueba (aireación constante y te

ratura entre 20°y 24°C), por lo cual dada la recontoxicidad de esta sustancia se optó por realizarprueba para evaluar su posible volatilización. Estaba consistió en sembrar un reactor para el 2,4 Diguales características a las de los empleados ePrueba de Zahn–Wellens/EMPA pero en ausenclodo inoculo. De esta prueba se encontró que el plag2,4 D desapareció en un 100% en aproximadamendías, por lo cual se puede decir que su desapariciódebida a fenómenos físicos de volatilización yprocesos bioquímicos de biodegradación.

A partir de los resultados de la prueba de biodegradarealizada para el plaguicida 2,4 D, se observó la ndad de estudiar su biodegradación mediante otra pque minimice la volatilización de este compuestmida realmente su grado de biodegradabilidad. sentido se ensayo la metodología del Test de ZaWellens/EMPA modificando las condiciones deción (mínima garantizando niveles de oxígeno dcercanos a 4 mg L-1 O 2 ) y temperatura (constante deC), con el fin de minimizar la volatilización del plaDe esta prueba se encontró que el herbicida 2,4volátil en aproximadamente un 40 % y biodegradaotro 40 %.

Esto no indica de manera alguna que el 2,4 D no p

generar daños sobre el ambiente o la salud delhumano, por el contrario su elevado potencial de lización hace que este se transporte fácilmenteatmósfera, y de allí pueda llegar a las personas travlas vía respiratorias o ser transportado por las corrde vientos y generar efectos dañinos en ecosistealejados.

La Figura 3 presenta la relación entre la biodegrady la inhibición de la respiración de los Herbicidas GÁcido Fluazifop, Diurón, Terbutrina, Ametrina


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Correlacionando los resultados obtenidos para labiodegradabilidad y la inhibición de la respiración, sepuede observar que existe una relación entre estas dosvariables, que aunque no lineal, nos muestra en generalque a mayor nivel de inhibición de los plaguicidas hacialos microorganismos del lodo inoculo, su biodegradabilidades menor. Igualmente, de la Figura 3, se puede observarque los plaguicidas menos biodegradables del grupo deseis estudiados son el Diurón y Glifosato, los cualespresentaron porcentajes de biodegradación del 20.6% y22.7% respectivamente.

Finalmente, dada la alta toxicidad y no biodegradabilidaden sistemas biológicos aeróbios de los herbicidas Diurón,2,4 D, Terbutrina, Glifosato, Fusilade y Ametrina, quedamanifiesta la incapacidad de las tecnologías biológicas

para tratar por si solas este tipo de desechos. Estodemuestra además, la necesidad de realizar acoplescon otros procesos avanzados de tratamiento (talescomo la fotocatálisis) que pueden alterar las caracterís-ticas de toxicidad y biodegradabilidad de estas sustan-cias, potencializando el uso de los procesos biológicoscomo etapa final de tratamiento.

4. CONCLUSIONES

Los herbicidas Ácido Fluazifop, GlifosatAmetrina, Terbutrina y 2,4 D no son biodegrreactores aerobios debido al efecto tóxico qusobre los microorganismos del lodo inoculo. los plaguicidas logró alcanzar una biodegrad70% para un periodo de 28 días, condición que sustancia biodegradable según la Prueba dWellens/EMPA.

El Diurón y el Glifosato son los plaguicidas my menos biodegradables de los seis estudiadostaron porcentajes de inhibición sobmicroorganismos del lodo inoculo del 49.5% y 43.5%

para concentraciones de 800 mg O2 L-1

; y porcenbiodegradación del 20.6% y 22.7% respectiv

Se puede considerar que el Diurón y el Glifosplaguicidas que ofrecen más riesgo para el mbiente y la salud del ser humano, pues sonpresentan una mayor toxicidad, menor biodegry mayor persistencia en el ambiente.

Durante el seguimiento de la biodegradabilidade la metodología de Zahn Wellens/EMPA

Figura 3. Relación Entre la Biodegradación y la Inhibición de la Respiración de los Herbicidas GlifosatoFluazifop, Diurón, Terbutrina y Ametrina.

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plaguicidas Fluazifop, Glifosato, Diurón, Ametrina,Terbutrina y 2,4 D, los microorganismos del lodo inoculocontaron con adecuadas condiciones medioambientalesde temperatura, pH y suministro de nutrientes, por locual se puede decir que estos factores no fueron limitantespara la degradación de los plaguicidas.

La elevada toxicidad y baja biodegradabilidad de losherbicidas Diurón, 2,4 D, Terbutrina, Glifosato, Fusiladey Ametrina, muestra el poco potencial de las tecnologíasbiológicas como sistemas únicos de tratamiento deaguas residuales con contenido de estas sustancias.Sin embargo, el realizar acoples con otros procesos

previos de tratamiento, tales como la fotocatálisis, pue-de potencializar el uso de los procesos biológicos comoetapa final de tratamiento, ya que un pretratamientofotocatalítico puede alterar las características de toxici-dad y biodegradabilidad de estas sustancias.

5. AGRADECIMIENTOS

Los autores desean expresar sus agradecimientos a laEscuela Politécnica federal de la Laussane - EPFL y alfondo de Cooperación Suiza- DDC (Direction DuDevelopment et de la Cooperation) por la financiación delproyecto Biosolar Detox (Development of a coupledsolar-biological system for the desinfection and eliminationof organic contaminants in drinking and wastewaters inrural areas of Colombia) , al Grupo GAOX por su colabo-ración y apoyo y a la Empresa Aguas del Sur S.A.E.S.P. por suministrar el lodo activado.

6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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