Procesos y factores que condicionan el comportamiento de los plaguicidas en el suelo -

Procesos y factores que condicionan el comportamiento de los plaguicidas en el suelo

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El comportamiento ambiental de un herbicida está regido por procesos que pueden disminuir la cantidad original aplicada (Figura 1). Antes de que el herbicida alcance el suelo, puede degradarse por fotodescomposición, por volatilización y puede ser adsorbido y/o absorbido por las hojas del vegetal o rastrojo en superficie. Una vez que ingresa al suelo, el herbicida se reparte en las fases sólida, gaseosa y líquida, y es en esta última en la cual ocurre la degradación química y microbiana, que es el proceso más importante para la mayoría de los herbicidas. En la fase sólida se adsorben con diferente fuerza en lugares de enlace de los coloides orgánicos e inorgánicos del suelo (materia orgánica y arcillas). El transporte de solutos a través del suelo se produce por medio del flujo del agua y está fuertemente influenciado por la adsorción (Richter et al, 1996).

Figura 1. Comportamiento de los herbicidas en el suelo (adaptado de Comfort et al., 1994).

La presencia de los herbicidas en el agua subterránea se debe principalmente a la lixiviación a través del suelo, la cual es de mayor intensidad para compuestos de naturaleza aniónica tal como los nitratos, por lo que su presencia en acuíferos no causa sorpresa (Flury, 1996). Sin embargo, varios herbicidas con menor movilidad que aquellos han sido detectados en el agua. Si bien en algunos casos se puede responsabilizar al uso inadecuado o accidental como causa de presencia de los herbicidas en el agua subsuperficial, parece que la contaminación de los acuíferos se debe principalmente al resultado de aplicaciones convencionales a campo y su posterior lixiviación a través del suelo (Ritter, 1990).

El riesgo potencial de que un herbicida alcance la zona saturada, está en función de las características físico químicas del compuesto, propiedades del suelo, condiciones climáticas y prácticas de manejo del suelo y del herbicida (Foster e Hirata 1998). Si bien existen propiedades específicas de los herbicidas que determinan su movilidad en el ambiente como son solubilidad, presión de vapor y polaridad (Cheng, 1990), diversos autores (Goss, 1992; Hornsby, 1992) demostraron que el coeficiente de partición en carbono orgánico (Koc) y la vida media de los plaguicidas (T1/2) pueden utilizarse para comparar sus potenciales de lixiviar a través de la matriz del suelo. Sin embargo, Goss (1992) estableció que la materia orgánica del suelo es la característica edáfica que más influye sobre el movimiento de los plaguicidas. La presencia de capas orgánicas produce “atenuación” del flujo de plaguicida protegiendo al acuífero de la contaminación. Según Seelig (1994), la determinación de la capacidad de filtración de un plaguicida encima del acuífero debería tener en cuenta: 1) profundidad del acuífero saturado combinado con la dirección predominante del flujo de agua, 2) permeabilidad de los estratos geológicos y de suelo, 3) contenido de materia orgánica del suelo, y 4) Koc y T1/2 del plaguicida.

El destino de un plaguicida en el ambiente edáfico está gobernado por los procesos de retención, transformación y transporte así como por su interacción (Figura 2). La retención es la consecuencia de la interacción entre el plaguicida y la superficie de las partículas del suelo y es descrita como adsorción o sorción. Puede ser reversible retardando el movimiento o irreversible impidiéndolo y afectando también la disponibilidad para las plantas o microorganismos o para la transformación biótica o abiótica. La retención es un proceso físico sin cambio en la naturaleza química de la molécula (Koskinen y Harper, 1990). Los procesos de transformación química pueden ser catalizados por los constituyentes del suelo o inducidos fotoquímicamente. La mayoría de los plaguicidas son transformados principalmente por procesos bioquímicos a través de los microorganismos del suelo con cambios en la molécula hacia formas más simples que pueden ser de igual, menor o mayor toxicidad que la original, lo cual determina bajo qué forma y durante cuánto tiempo estarán presentes los plaguicidas en el suelo. En cambio, los procesos de transporte determinan el lugar donde se presentarán los plaguicidas. La volatilización lleva el plaguicida hacia la atmósfera; el escurrimiento hacia las superficies de agua y la lixiviación hacia las aguas subterráneas (Cheng, 1990).

Como resultado de los procesos que condicionan el comportamiento de los herbicidas en el suelo, debe destacarse que el destino final de un herbicida determinará el balance de la ecuación Beneficio/Riesgo y por lo tanto el grado de incidencia sobre su eficacia o efecto ambiental (Figura 2).

Figura 2. Procesos que condicionan el comportamiento de los plaguicidas en el suelo (adaptado de
Cheng, 1990).

Adsorción de plaguicidas al suelo

La sorción de un plaguicida por el suelo ha sido citada como el proceso que posee mayor influencia en su comportamiento y destino en el ambiente (Green y Karickhoff, 1990; Gerstl, 2000). La sorción es la consecuencia de la interacción entre el plaguicida y los coloides del suelo pudiendo ser reversible o irreversible. Las propiedades del suelo y del plaguicida son muy importantes debido a que determinan los mecanismos de sorción y por lo tanto la biodisponibilidad y movilidad del plaguicida. Sin embargo, es difícil determinar los factores del suelo que controlan la sorción de los plaguicidas debido a la naturaleza heterogénea del mismo. El grado de sorción de un herbicida en el suelo se expresa generalmente por medio del coeficiente de distribución de sorción (Kd) entre las fases acuosa y sólida. El coeficiente de sorción presenta gran variación con el tipo de suelo, razón por la cual se lo normaliza por el contenido de carbono orgánico del suelo (Koc), siendo ésta la constante de sorción más utilizada. Gustafson (1995) estableció que el Koc de un plaguicida puede utilizarse como una medida independiente del suelo de su movilidad relativa en el mismo. El mismo autor en un trabajo anterior (Gustafson, 1989) elaboró una clasificación de los plaguicidas según su grado de lixiviación teniendo en cuenta su movilidad (expresada como Koc) y la persistencia (vida media en el suelo).

La materia orgánica del suelo ha sido citada como la propiedad más relevante del mismo que regula la sorción de varios herbicidas no iónicos (Goss 1992; Bollag et al, 1992; Weber et al, 2000). Sin embargo, herbicidas no iónicos como las triazinas débilmente básicos, como es el caso de Atrazina, pueden ser adsorbidos a la materia orgánica y las arcillas, estando la sorción regulada por el pH (Weber et al, 1993; Weber, 1994; Weber et al, 2000). La distribución en profundidad de la materia orgánica del suelo por lo general indica la zona en la cual los herbicidas no iónicos son más fuertemente adsorbidos (Sonon 1992). Por tal razón los herbicidas por lo general se adsorben con más fuerza a las capas superficiales del suelo. Los horizontes del suelo más profundos contienen menos materia orgánica y poblaciones microbianas, y por lo tanto son menos adsorbidos o degradados (Comfort, 1994; Harper, 1991; Skipper et al., 1996; Jenks et al., 1998) (Figura 3).

Figura 3. Distribución en profundidad de algunas propiedades del suelo.

Las variaciones en las propiedades del suelo con la profundidad influyen en la sorción, degradación y movimiento de los herbicidas (Jenks et al, 1998). La comprensión de cómo las propiedades del suelo dentro de un perfil afectan la retención y degradación de los herbicidas permite una mejor predicción de su comportamiento y contaminación potencial del agua subterránea. Harper (1988) determinó que los suelos más profundos adsorbieron mayor cantidad de metribuzin que los suelos superficiales que contenían menor cantidad de arcillas pero mayor de materia orgánica. Jenks et al (1998) reportó mayor adsorción de Atrazina en un perfil de 0-30 cm de suelo comparado con mayores
profundidades (30-300 cm), debido al menor contenido de materia orgánica y mayor pH en la zona más profunda. Sin embargo, Sonon (1995) no encontró correlación de la adsorción de Atrazina con la profundidad, contenido de arcillas o contenido de carbono orgánico de cinco suelos. El mismo autor estableció para todos los suelos que la adsorción de Atrazina fue mayor en todos los horizontes que presentaban textura fina respecto de aquellos con textura gruesa.

Persistencia de plaguicidas en el suelo

El período durante el cual un plaguicida permanece intacto y biológicamente activo se denomina persistencia. La persistencia es de gran importancia puesto que junto con la movilidad determina en gran parte el comportamiento ambiental de una sustancia (Barriuso, 2000).

La persistencia de un plaguicida se expresa a través de la vida media, la cual representa el tiempo requerido para que el 50% del plaguicida original aplicado se descomponga en otros productos (Comfort et al, 1994). La vida media se mide usualmente en laboratorio bajo condiciones uniformes, debido a que a campo, la temperatura del suelo, el contenido de humedad, el contenido de materia orgánica y el pH cambian constantemente, lo cual influye en gran medida en la tasa de degradación. Por lo tanto, los valores de vida media, así como los de la mayoría de los índices de comportamiento ambiental, deberían considerarse como orientativos.

La persistencia está principalmente determinada por la degradación de origen biológico y está íntimamente relacionada con la tasa o cinética de degradación. La tasa de degradación varía con la estructura molecular de cada plaguicida, y también está influenciada por factores tales como: la concentración del plaguicida, temperatura, contenido de agua del suelo, pH, nivel de oxígeno del suelo, uso anterior del plaguicida, fertilidad del suelo y poblaciones microbianas (Comfort et al, 1994, Hiltbold, 1974; Pons and Barriuso, 1998). En general puede establecerse que los factores más importantes que controlan la degradación y por tanto la persistencia, varían drásticamente con la profundidad del perfil de suelo (Figura 3). Los horizontes más profundos poseen menor capacidad de degradación de los plaguicidas y por lo tanto la persistencia de los mismos suele incrementarse en gran medida con la profundidad (Barriuso, 2000). 

La retención y degradación de un plaguicida en el suelo son fenómenos relacionados que condicionan su potencialidad de contaminación del agua subterránea. Por tanto, ambos procesos deben integrarse para poder interpretar mejor las observaciones globales sobre el estado de contaminación del agua (Barriuso, 2000; Gustafson, 1989).

Los suelos poseen la capacidad de inactivar contaminantes a través de procesos de adsorción y degradación. Esta capacidad es limitada dependiendo de las propiedades físicas y químicas del perfil y de las condiciones imperantes (Hang et al. 2002). El carbono orgánico (CO) es una de las principales características del suelo para estimar el nivel de adsorción de un herbicida. Uno de los principales efectos de la SD está referido a los aumentos en los contenidos de materia orgánica (MO) y su redistribución en la capa superficial del suelo; observándose una mayor concentración en los 0-5 cm (Needelman et al. 1999; Quiroga et al. 1996). Goss (1992) estableció que la materia orgánica del suelo es la característica edáfica que más influye sobre el movimiento de los plaguicidas. La distribución en profundidad de la materia orgánica del suelo por lo general indica la zona en la cual los herbicidas son más fuertemente adsorbidos (Sonon 1992). Por tal razón, los herbicidas por lo general se adsorben más fuertemente a las capas superficiales del suelo. Los horizontes del suelo más profundos contienen menos materia orgánica y poblaciones microbianas, y por lo tanto los herbicidas son menos adsorbidos o degradados (Comfort, 1994; Skipper et al., 1996).

Persistencia o residualidad de herbicidas

La persistencia o residualidad de un herbicida en el suelo puede definirse como el período o longitud de tiempo durante el que permanece en forma activa. La persistencia posee particular importancia debido a que determina el período de tiempo en que pueden esperarse efectos fitotóxicos. Además, la persistencia también tiene influencia en el riesgo de movimiento de los herbicidas hacia el agua subterránea y su potencial contaminación. Los herbicidas se aplican para controlar malezas en cultivos o barbechos, siendo deseable que desarrollen su acción durante los períodos requeridos, no debiendo persistir en el suelo de manera que afecten el crecimiento de cultivos subsecuentes. Cualquier factor que afecte la desaparición o descomposición de un herbicida afecta su persistencia. Varios factores inciden en la longitud del tiempo que persisten los herbicidas. La mayoría de los factores entran dentro de tres categorías que interactúan fuertemente entre sí: factores del suelo, condiciones climáticas y propiedades del herbicida.

Al hablar de persistencia, debemos establecer algunos conceptos para facilitar la comprensión de esta problemática. En primer lugar, se debe diferenciar la persistencia química de la biopersistencia, que aquí llamaremos residualidad. La persistencia química indica el período de tiempo durante el cual un herbicida puede detectarse mediante determinadas metodologías químicas (principalmente cromatografía), mientras que la biopersistencia o residualidad comprende el período de tiempo durante el que las plantas u otros organismos detectan el plaguicida produciéndose cambios apreciables en su crecimiento, desarrollo o metabolismo. La residualidad es por lo tanto un valor variable según el organismo o especie que se tenga en cuenta, lo cual es producto de la distinta selectividad que posee cada especie respecto de un herbicida determinado.

Factores que afectan la residualidad de los herbicidas

1) Factores del suelo

Los factores del suelo que afectan la residualidad de los herbicidas incluyen tres categorías: física, química y microbiana. Entre los factores físicos se destaca la composición del suelo, la cual está determinada por las cantidades relativas de arena, limo y arcilla (textura del suelo), así como por el contenido de materia orgánica del suelo. La composición del suelo afecta la actividad herbicida y la persistencia a través de la adsorción, lixiviación y volatilización. Generalmente los suelos con mayor contenido de arcillas y/o materia orgánica poseen mayor potencial para retener a los herbicidas a las partículas del mismo, por lo cual menor cantidad de herbicida estará disponible en la solución del suelo para ser absorbida por las plantas. En general, los suelos con textura fina a media con un contenido de materia orgánica de 3 % o mayor, poseen el mayor potencial para retener herbicidas, mientras que los suelos con textura gruesa a media y con un contenido de materia orgánica menor de 3 %, poseen menor capacidad para retener herbicidas y por lo tanto mayor es la probabilidad de que se produzcan problemas de residualidad. De todas maneras, debe tenerse en cuenta que cuando las condiciones son las adecuadas, los problemas de residualidad pueden manifestarse en cualquier tipo de suelo.

Las propiedades químicas del suelo incluyen principalmente el pH, aunque en la literatura también se menciona la capacidad de intercambio catiónico (CIC) y el contenido de nutrientes. El pH del suelo puede influir en la persistencia de algunos herbicidas, especialmente en las Triazinas y Sulfonilureas. La degradación química y microbiana de los herbicidas es por lo general más lenta a pH del suelo elevados. En particular, la tasa de degradación química de las Triazinas y Sulfonilureas disminuye cuando el pH aumenta, especialmente por encima de 7.0. Asimismo, en suelos con pH elevados, menores concentraciones de estos herbicidas se ligan o adsorben a las partículas del suelo, estando por lo tanto más disponibles para la absorción de las plantas. Entonces en suelos con pH elevado, las Triazinas y Sulfonilureas persisten más tiempo y están más disponibles para las plantas. Un pH bajo puede afectar también la persistencia de las Triazinas y Sulfonilureas. En tal sentido, niveles de pH inferiores a 6.0 permiten una más rápida disipación de estos herbicidas. En suelos ácidos, herbicidas como Atrazina se ligan a las partículas del suelo, volviéndose no disponible para el control de malezas, pero a la vez son degradados químicamente más rápidamente. Por el contrario, un pH del suelo bajo incrementa la persistencia de Imidazolinonas como Imazaquin e Imazetapir. Cuando el pH cae por debajo de 6.0, Imazaquin e Imazetapir se ligan o adsorben fuertemente a las partículas del suelo. La adsorción de estos herbicidas reduce su disponibilidad para los microorganismos del suelo que son su mecanismo primario de degradación.

Los aspectos microbianos del ambiente edáfico influyen sobre el tipo y abundancia de los microorganismos presentes. Los procesos de degradación realizados por los microorganismos son posiblemente los más importantes en descomponer los herbicidas. Los tipos de microorganismos (hongos, bacterias, protozooos, etc.) y su número relativo, determinan cuán rápidamente ocurre la descomposición. Los microorganismos requieren ciertas condiciones ambientales para alcanzar un óptimo crecimiento y utilización de los plaguicidas. Ente los factores que afectan la actividad microbiana se cuentan la humedad, temperatura, pH, oxígeno y suministro de nutrientes. Usualmente un suelo cálido, bien aireado, fértil con un pH neutro es el más favorable para el crecimiento microbiano y por lo tanto para la degradación del herbicida.

2)Factores climáticos

Las variables climáticas involucradas en la degradación de los herbicidas son la humedad, la temperatura y la luz solar. La degradación por lo general se incrementa cuando aumentan la temperatura y humedad, debido a que tanto las tasas de degradación química como microbiana se incrementan con mayores niveles de temperatura y humedad. Condiciones frías y secas disminuyen o retardan la degradación de los herbicidas. Los problemas de residualidad son siempre mayores los años siguientes a sequías. Sin embargo, si las condiciones del invierno y primavera son húmedas y moderadas luego de un verano seco, disminuye la probabilidad de residualidad de un herbicida.

La luz solar algunas veces es un factor de cierta importancia en la degradación del herbicida. La fotodescomposición o degradación catalizada por la luz solar (fotólisis) ha sido reportada para varios herbicidas que se encuentran principalmente en solución líquida (agua por ejemplo) o sobre la superficie de las hojas. Sin embargo, para la mayoría de los herbicidas más persistentes en el suelo, una vez que toman contacto con el mismo, las pérdidas debidas a fotólisis son pequeñas. La familia de las Dinitroanilinas (Triluralina, Pendimetalín, Dinitramina) constituye una excepción, ya que pueden perderse si quedan sobre la superficie del suelo sin ser incorporados al mismo mecánicamente o por la lluvia dentro de un período de tiempo variable según el producto, siendo la fotodescomposición más rápida en días muy soleados. La sensibilidad a la luz solar, así como pérdidas a través de volatilización son las razones primarias para incorporar las Dinitroanilinas al momento de la aplicación.

3) Propiedades del herbicida

Las principales propiedades del herbicida que influyen sobre su persistencia son la solubilidad en agua, la adsorción al suelo, la presión de vapor y la susceptibilidad de la molécula a la alteración o degradación química o microbiana. La solubilidad en agua de un herbicida indica su potencialidad para lixiviar. La lixiviación es uno de los mecanismos que interviene en la disipación de los herbicidas y puede ocurrir cuando un herbicida está disuelto en agua y se mueve hacia abajo a través del perfil de suelo. Los herbicidas que poseen alto potencial de lixiviación podrían ser trasladados fuera de la zona de acción y alcanzar la zona radical y posteriormente el agua subterránea. La lixiviación no sólo es determinada por la solubilidad del herbicida sino que también intervienen otros factores como la adsorción al suelo, propiedades físicas del suelo, frecuencia e intensidad de las lluvias, concentración del herbicida y momento de aplicación del herbicida. En general, los herbicidas que son menos solubles en agua y son fuertemente atraídos por las partículas del suelo poseen menor probabilidad de lixiviar, especialmente en años secos.

La presión de vapor de un herbicida determina su volatilidad. La volatilización es el proceso por el cual un herbicida cambia su estado de líquido o sólido a gaseoso. Los herbicidas que tienen elevada presión de vapor generalmente disipan más rápidamente que los herbicidas con menor presión de vapor. La volatilización se incrementa con el aumenta de la temperatura y humedad. La mayoría de los herbicidas son relativamente no volátiles bajo condiciones normales a campo. Los herbicidas más volátiles por lo general deben ser incorporados al suelo para impedir pérdidas en forma de gas. Ejemplos de herbicidas volátiles pueden encontrarse en el grupo de los Tiocarbamatos (EPTC y
Butilato), o Dinitroanilinas (Trifluralina, Dinitramina).

La estructura química del herbicida determinará como se degradará en el suelo. Algunos herbicidas son rápidamente descompuestos por los microorganismos si se encuentran en el suelo las especies y cantidades adecuadas y si las condiciones ambientales son favorables para su crecimiento. La estructura química de 2,4-D por ejemplo, permite una rápida descomposición microbiana hacia metabolitos inactivos, mientras que la de Atrazina es más difícil de atacar por los microorganismos y por lo tanto su degradación es más lenta. Varios herbicidas son degradados a través de reacciones químicas. La descomposición química, y por lo tanto su tasa, depende no sólo de la estructura del herbicida, sino también de los factores edáficos y climáticos. La degradación química de un herbicida involucra reacciones tales como hidrólisis, reducción y oxidación. En tal caso se cuentan varios miembros de la familia de las
Sulfonilureas, que son degradados tanto por hidrólisis química como por distintos procesos microbianos.

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