ÁREA AMBIENTAL

CONCENTRACIÓN DE NITRATOS Y FOSFATOS EN EL RÍO CESAR ENTRE ZAMBRANO (LA GUAJIRA) Y LAS PITILLAS (CESAR)

NITRATES AND PHOSPHATES CONCENTRATION IN THE CESAR RIVER BETWEEN ZAMBRANO (LA GUAJIRA) AND LAS PITILLAS (CESAR)

Ospino-Jiménez, Jean Carlos; Téllez Luna, María I.; Perdomo Useche, Yessica L.; Plata, Néstor F.; Gómez, Javier G.

Jean Carlos Ospino-Jiménez

jcarlosospino@unicesar.edu.co

Universidad Popular del Cesar Colombia

María I. Téllez Luna

mtellez10@estudiantes.areandina.edu.co

Fundación Universitaria del Área Andina Colombia

Yessica L. Perdomo Useche

yperdomo11@areandina.edu.co

Fundación Universitaria del Área Andina Colombia

Néstor F. Plata

nestor.plata@upb.edu.co

Universidad Pontificia Bolivariana Colombia

Javier G. Gómez

javiergomezg@unicesar.edu.co

Universidad Federal Fluminense Colombia

Revista de Investigación Agraria y Ambiental

Universidad Nacional Abierta y a Distancia, Colombia

ISSN: 2145-6097

ISSN-e: 2145-6453

Periodicidad: Semestral

vol. 16, núm. 1, 2025

riaa@unad.edu.co

Recepción: 15 marzo 2024

Aprobación: 08 julio 2024

Publicación: 19 diciembre 2024

URL: https://portal.amelica.org/ameli/journal/130/13052721305272013/

DOI: https://doi.org/10.22490/21456453.7820

Financiamiento

Fuente: El estudio fue realizado con financiamiento de la Universidad Popular del Cesar a través del proyecto “Microalgas como biorremediadoras de aguas contaminadas por nitratos y fosfatos postratamiento de la planta de tratamiento de aguas residuales de la ciudad de Valledupar-cesar”.

Nº de contrato: Marco del convenio 069, suscrito el 19 de diciembre de 2022.

Beneficiario: CONCENTRACIÓN DE NITRATOS Y FOSFATOS EN EL RÍO CESAR ENTRE ZAMBRANO (LA GUAJIRA) Y LAS PITILLAS (CESAR)

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CÓMO CITAR:Ospino-Jiménez, J., Téllez, M., Perdomo, Y., Plata, N. y Gómez, J. (2025). Concentración de nitratos y fosfatos en el río Cesar entre Zambrano (La Guajira) y Las Pitillas (Cesar). Revista de Investigación Agraria y Ambiental, 16(1), 281 - 297. https://doi.org/10.22490/21456453.7820

Modelo de publicación sin fines de lucro para conservar la naturaleza académica y abierta de la comunicación científica

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Resumen: Contextualización: las actividades antropogénicas influyen en el ciclo de nitrógeno y fósforo en aguas superficiales, siendo un problema ambiental significativo.

Vacío de conocimiento: en la actualidad, no existen investigaciones que aborden el estudio de los iones de NO₃ - (Nitratos) y PO₄ ³⁻ (Fosfatos) mediante métodos espectrofotométricos en la cuenca del río Cesar (Colombia).

Propósito: esta investigación estudió las concentraciones de NO₃ - y PO₄ ³⁻ en el río Cesar, entre Zambrano y Las Pitillas, durante estaciones lluviosas (septiembre 2022) y seca (enero 2023), en zonas con actividades de pastoreo, agrícolas y domésticas, para evaluar el Índice de Contaminación por Nutrientes (NPI).

Metodología: se utilizaron métodos espectrofotométricos para detección de NO₃ - y PO₄ ³⁻.

Resultados y conclusiones: la concentración de NO₃ ⁻ osciló entre 0.460 0.044 mg.L⁻¹ en San Juan y 1.182 0.032 mg.L⁻¹ en Salguero en la estación lluviosa, mientras que la estación seca fluctuó entre 0.936 0.151 mg.L⁻¹ en Zambrano y 1.865 0.150 mg.L⁻¹ en Las Pitillas. En cuanto a PO₄ ³⁻, los valores oscilaron entre 1.514 0.022 mg.L⁻¹ en San Juan y 2.739 0.022 mg.L⁻¹ en Salguero en la estación lluviosa, mientras que la estación seca varió entre 2.405 0.156 mg.L⁻¹ en San Juan y 5.553 0.143 mg.L⁻¹ en Salguero. Comparando con los límites establecidos por la Organización Mundial de la Salud (OMS y WHO, 2004), solo en Salguero (5.553 ± 0.143 mg.L⁻¹) superó el valor permisible para PO₄ ³⁻ durante la estación seca. Finalmente, El NPI indicó una contaminación moderada en Salguero en la estación seca.

Palabras clave: cuenca fluvial, espectroscopía, eutroficación, iones.

Abstract: Contextualization: Anthropogenic activities influence the nitrogen and phosphorus cycle in surface waters, being a significant environmental problem.

Knowledge gap: At present, there is no research that addresses the study of NO₃ ⁻ (Nitrates) and PO₄ ³⁻ (Phosphates) ions by spectrophotometric methods in the Cesar River basin (Colombia).

Purpose: This research studied the concentrations of NO₃ ⁻ and PO₄ ³⁻ in the Cesar River, between Zambrano and Las Pitillas, during rainy (September 2022) and dry (January 2023) seasons, in areas with grazing, agricultural and domestic activities, to evaluate the Nutrient Pollution Index (NPI).

Methodology: Spectrophotometric methods were used to detect NO₃ - and PO₄ ³⁻.

Results and conclusions: NO₃ ⁻ concentration ranged between 0.460 0.044 mg.L⁻¹ at San Juan and 1.182 0.032 mg.L⁻¹ at Salguero in the rainy season, while in the dry season it fluctuated between 0.936 0.151 mg.L⁻¹ at Zambrano and 1.865 0.150 mg.L⁻¹ at Las Pitillas.

As for PO₄ ³⁻, values ranged between 1.514 0.022 mg.L⁻¹ at San Juan and 2.739 0.022 mg.L⁻¹ at Salguero in the rainy season, while the dry season ranged between 2.405 0.156 mg L⁻¹ in San Juan and 5.553 0.143 mg.L⁻¹ in Salguero. Compared with the limits established by the World Health Organization (WHO, 2004), only in Salguero (5.553 0.143 mg.L⁻¹) exceeded the permissible value for PO₄ ³⁻ during the dry season. Finally, the NPI indicated moderate pollution in Salguero during the dry season.

Keywords: eutrophication, ions, river basin, spectroscopy.

RESUMEN GRÁFICO

autores.

1. INTRODUCCIÓN

El desarrollo humano ha sido frecuentemente asociado a impactos negativos sobre el medioambiente, especialmente en el agua (Salgot y Folch, 2018). Los contaminantes del agua son variados, aunque los más comunes corresponden por ejemplo a contaminantes orgánicos e inorgánicos (NO₃ ⁻ , PO₄ ³⁻, NO₂ ⁻ , NH₃ ⁻ , HTP, HAP, BTEX, AOX), (De Girolamo et al., 2019), iones de metales pesados, metaloides tóxicos o compuestos químicos orgánicos sintéticos (Braun et al., 2019).

En el caso particular de los nitratos y fosfatos, diversas fuentes puntuales o difusas contribuyen al incremento de las concentraciones de los mismos en aguas superficiales, como pueden ser la agricultura intensiva y los vertidos de aguas residuales domésticas, industriales y ganaderas (Soro et al., 2023; Priya et al., 2022; Jiang et al., 2021; Singh et al., 2020; Bhateria y Jain, 2016). Estos fenómenos ocasionan una severa degradación de la calidad del agua, provocando el crecimiento excesivo de plantas acuáticas y floraciones de algas (Vu et al., 2019), situación que conlleva a una disminución en la concentración de oxígeno disuelto en el agua, generando condiciones de anoxia e hipoxia, las cuales puede ocasionar la asfixia y muerte de organismos acuáticos (Soro et al., 2023).

El río Cesar constituye una fuente vital de agua dulce en los territorios de los departamentos del Cesar y La Guajira (Colombia). Recibe en su cauce, afluentes con descargas de naturaleza doméstica (Oñate y Cortez, 2020) e industriales, procedentes de actividades como minería, agricultura y ganadería, dando lugar a la degradación de la calidad del agua (Madera et al., 2016). Oñate y Madera utilizaron macroinvertebrados acuáticos como bioindicadores de la contaminación del río Cesar, evidenciando una baja calidad del agua en ciertos tramos debido a actividades antropogénicas (Oñate y Cortez, 2020; Madera et al., 2016), sin embargo, no existe información que refiera al estudio de la concentración NO₃ ⁻ y PO₄ ³⁻ del río Cesar empleando métodos espectrofotométricos.

El objetivo de esta investigación fue determinar las concentraciones de NO₃ ⁻ y PO₄ ³⁻ en el río Cesar, entre Zambrano (La Guajira) y Las Pitillas (Cesar), usando métodos espectrofotométricos como metodología para evaluar el NPI. Se compararon los resultados obtenidos con los límites establecidos por la OMS (2004) para estos iones en aguas superficiales.

2. MATERIALES Y MÉTODOS

Descripción del área de estudio

La cuenca del río Cesar, según la Corporación Autónoma Regional del Cesar (CORPOCESAR), citado por Guzmán (2013), nace en las estribaciones surorientales de la Sierra Nevada de Santa Marta, delimitada por el valle del río Ariguaní y la Serranía del Perijá, culminando su trayecto al desembocar en la ciénaga de Zapatosa. Esta cuenca abarca un territorio de 1.776.900 hectáreas, distribuyéndose en un 65% en el departamento del Cesar y el 35% restante en el departamento de La Guajira.

El río Cesar desempeña un papel crucial en el desarrollo de las localidades ribereñas, siendo el epicentro de actividades económicas primordiales en la región, tales como: la agricultura, la pesca, la explotación de materiales de arrastre y la ganadería (Guzmán, 2013). El clima en la cuenca al norte del departamento del Cesar se presenta como cálido semiárido con una temperatura media anual superior a 28ºC. La precipitación media anual oscila entre 1000 y 1500 mm. Además, el patrón de precipitaciones presenta un carácter bimodal, con dos estaciones secas y dos estaciones lluviosas; los periodos secos están comprendidos entre los meses de junio a julio, y los meses entre diciembre a abril, mientras que las estaciones lluviosas comprenden el mes de mayo, y los meses entre agosto a noviembre (IDEAM, s.f.).

Para el muestreo en el río Cesar, se seleccionaron seis sitios distribuidos a lo largo de su longitud de estudio (Figura 1). Se tomaron muestras de aguas superficiales en estos sitios durante los meses de septiembre de 2022 y enero de 2023, correspondientes a las estaciones lluviosa y seca, respectivamente. Las muestras se filtraron y conservaron refrigeradas a 4°C en recipientes de vidrio ámbar, siguiendo las directrices del Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, IDEAM (2020). Los análisis se realizaron en las 24 horas posteriores a la toma de las muestras en las instalaciones del laboratorio de Microbiología Agrícola y Ambiental (MAGYA) de la sede Sabana de la Universidad Popular del Cesar (Valledupar, Colombia). La Tabla 1 detalla los sitios de muestreo, las coordenadas geográficas y el uso del suelo en las cercanías de las cuencas fluviales.

Figura 1.
Mapa de los sitios de muestreo estudiados del río Cesar

(Google, s.f.)

Tabla 1.

Detalles de sitios de muestreo del río Cesar

autores. Nota. N: norte; O: oeste; m.s.n.m: metros sobre el nivel del mar.

Análisis de muestras

Nitratos

Se aplicó el método espectrofotométrico 0.2 - 20.0 mg.L⁻¹ NO₃ ⁻N 0.9 - 88.5 mg.L⁻¹ NO₃ ⁻ Spectroquant® obtenidos de Merck. Para ello, se introdujeron una cantidad equivalente a una microcuchara rasa del reactivo NO₃ ⁻ en un tubo de ensayo seco. Posteriormente, se añadió 5.0 ml de reactivo NO₃ ⁻ , agitándose vigorosamente durante 1 minuto hasta la disolución completa del reactivo NO₃ ⁻ . Luego, se incorporaron gradualmente 1.5 ml de la muestra filtrada. Las muestras fueron dejadas en reposo a temperatura ambiente durante un periodo de 10 minutos. Las absorbancias de NO₃ ⁻ fueron analizadas por triplicado y determinadas espectrofotométricamente a una longitud de onda máxima (λ máx.) de 525 nm, utilizando un espectrofotómetro UV-vis GENESYS 10S de la marca Thermo scientific.

Fosfatos

Se aplicó el método espectrofotométrico, VM 0.5 - 30.0 mg.L⁻¹ PO₄ ⁻P 1.5 - 92.0 mg.L-1 PO₄ ³⁻ 1.1 - 68.7 mg.L⁻¹ P₂O₅ Spectroquant® obtenidos de Merck. A cada 5.0 ml de cada muestra de agua filtrada, se añadió 1.2 ml del reactivo PO₄ ³⁻. Luego, las muestras se analizaron por triplicado espectrofotométricamente utilizando un espectrofotómetro UV-vis GENESYS 10S de la marca Thermo scientific, a λ máx. 410 nm. Este método es análogo al American Public Health Association (APHA) 4500-P C. (Franson, 1992).

Análisis de datos

Se realizó análisis de varianza (ANOVA) de dos factores y prueba de Tukey para determinar diferencias significativas entre las concentraciones de NO₃ ⁻ y PO₄ ³⁻ según el sitio de muestreo y la estación con una confianza del 95% mediante el programa estadístico Minitab 18. El coeficiente de variación se calculó utilizando la Ecuación 1. Este coeficiente proporciona información sobre la variabilidad de las concentraciones de NO₃ ⁻ y PO₄ ³⁻ en función de la estación (lluviosa o seca).

Donde:

CV = Coeficiente de variación

DE = Desviación estándar

M = Media

La variación fue categorizada en tres niveles: baja variación (%CV <20), variación moderada (%CV = 20-50) y alta variación (%CV >50) (Verla et al., 2020a; 2020b; 2018; 2017 Enyoh et al., 2018). Además, se realizó un análisis de correlación de Pearson para poder determinar la asociación entre NO₃ ⁻ y PO₄ ³⁻. Se procedió a calcular el NPI mediante la Ecuación 2, con el objetivo de evaluar la contaminación asociada al uso del agua en actividades antropogénicas.

Donde:

CN = concentración promedio de NO3

CP = concentración promedio de PO₄ 3-

MAC N = concentración máxima para NO₃ ⁻ (OMS, 2004)

MAC P = concentración máxima para PO₄ ³⁻ (OMS, 2004)

La clasificación del NPI se divide en categorías que incluyen NPI <1 (sin contaminación), NPI 1 ≤ 3 (moderadamente contaminado), NPI > 3 ≤ 6 (considerablemente contaminado) y NPI > 6 (muy altamente contaminado) (Isiuku y Enyoh, 2020).

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El análisis de varianza de dos factores mostró que las concentraciones de NO₃ ⁻ y PO₄ ³⁻ variaron significativamente según la interacción entre el sitio de muestreo y la estación (p<0,05), y con la prueba de Tukey se comprobó que grupos (sitio de muestreo*estación) son significativamente diferentes entre sí (tablas 2 y 3). En ninguno de los sitios de muestreo se superó el valor límite (10 mg.L⁻¹) para NO₃ ⁻, establecido en la resolución 2115 de 2007 para aguas de consumo humano (potable), en ambas estaciones. Sin embargo, la concentración de PO₄ ³⁻ en todos los sitios de muestreo en ambas estaciones excedió el umbral de 0.5 mg.L⁻¹ (Resolución 2115 de 2007).

Tabla 2.

Concentración media de NO₃ ⁻ (mg.L⁻¹) de sitios de muestreo en estación lluviosa y seca

autores. Nota. Las medias que no comparten una letra son significativamente diferentes.

Tabla 3.

Concentración media de PO₄ ³⁻ (mg.L⁻¹) de sitios de muestreo en estación lluviosa y seca

autores. Nota. Las medias que no comparten una letra son significativamente diferentes.

La resolución 631 de 2015 en Colombia establece análisis y reporte de NO₃ - y PO₄ ³⁻ para los vertimientos en aguas superficiales y sistemas de alcantarillado, el hecho de no contar con límites permisibles puede deberse a que los NO₃ ⁻ y PO₄ ³⁻ son contaminantes poco estudiados en el país o que dichos márgenes se encuentran en evaluación (Resolución 631 de 2015).

Según la Agencia de Protección Ambiental de Irlanda (EPA, 2023), las concentraciones de NO₃ ⁻ en aguas superficiales <4 mg.L⁻¹ y <8 mg.L⁻¹ indican alta y buena calidad respectivamente; por lo cual se demuestra la alta calidad de la cuenca del río Cesar entre Zambrano (La Guajira) y Las Pitillas (Cesar), ya que los sitios de muestreo no superaron estos valores en ambas estaciones. Además, en Irlanda se consideran aguas superficiales de alta calidad con concentraciones de PO₄ ³⁻ <0.075 mg.L⁻¹, buena calidad <0.105 mg.L⁻¹, mientras que >0.105 mg.L-1 indica menor calidad. A lo largo de los sitios de muestreo del río estudiado, las concentraciones de iones PO₄ ³⁻ indicaron que la calidad del agua es deficiente tanto en la estación lluviosa como en la estación seca.

De forma adicional, conforme a las directrices de la OMS (2004), los límites permisibles en agua superficiales para NO₃ - son 50 mg.L⁻¹ y PO₄ ³⁻ es 5 mg.L⁻¹. Las concentraciones de NO₃ ⁻ en los sitios de muestreo se mantuvieron por debajo de los límites mencionados anteriormente tanto en la estación lluviosa como en la seca. Sin embargo, sólo se observó un valor superior al permisible en el sitio Salguero, con una concentración de PO₄ ³⁻ (5.553±0.143 mg.L⁻¹) durante la estación seca.

Según los registros de precipitación media total mensual para la zona de estudio del IDEAM, el mes de enero (estación seca) presenta un promedio de precipitación mensual acumulada entre 0 a 50 milímetros (mm), mientras que el mes de septiembre (estación lluviosa) presenta un promedio de precipitación acumulada entre 150 a 200 milímetros (mm) (IDEAM, s.f). Como resultado, la disminución de las precipitaciones en la región durante la temporada seca lleva a una disminución del caudal del río Cesar y en un aumento de la concentración de los iones de NO₃ ⁻ y PO₄ ³⁻ en comparación con la estación lluviosa (Hegarty, et al., 2021; Mosquera-Restrepo y Peña-Salamanca, 2019). Esto concuerda con el estudio de Maderas et al. (2016) sobre la calidad del agua en el río Cesar utilizando los macroinvertebrados acuáticos como indicadores de contaminación, donde se observó que los niveles de fósforo total se incrementan durante el periodo seco.

Según Soro et al. (2023), al evaluar la calidad del agua en tres ríos en Costa de Marfil encontraron que durante la estación seca, en comparación con la estación lluviosa, se registra una mayor concentración de iones de NO₃ ⁻ en los ríos Comoé (1.06±0.44 mg.L⁻¹ NO₃ ⁻N) y Bia (0.82±0.40 mg.L⁻¹ NO₃ ⁻N), así como una mayor concentración para los iones de PO₄ ³⁻ en el río Comoé (0.071±0.029 mg.L-1 PO₄ ³⁻P), Bandama (0.053±0.036 mg.L⁻¹ PO₄ ³⁻P) y Bia (0.101±0.009 mg.L⁻¹ PO₄ ³⁻P). De forma adicional, Chan y Sahile (2024) reportaron que en el río Elgo en Etiopía la concentración media de NO₃ ⁻ en la época seca (0.198±0.007 mg.L⁻¹) es ligeramente superior en comparación con la época lluviosa (0.197±0.020 mg.L⁻¹). Este fenómeno se atribuye a actividades antropogénicas, escorrentía tierras agrícolas, uso de fertilizantes naturales o sintéticos y filtraciones de aguas residuales. Durante el trayecto Zambrano (La Guajira) y Salguero (Cesar), el río Cesar atraviesa diferentes zonas urbanas y rurales donde se desarrollan varias actividades de pastoreo (Pinilla et al., 2018; De la Parra-Guerra et al., 2017), industriales y agrícolas, que contribuyen con la descarga de aguas domésticas, industriales, así como la lixiviación de fertilizantes (Chan y Sahile, 2024; Soro et al., 2023; Han et al., 2020; Rütting y Delin, 2018; Bhateria y Jain, 2016). Como consecuencia, a medida que se avanza en los sitios de muestreo entre el tramo Zambrano (La Guajira) y Salguero (Cesar) se puede observar un incremento de las concentraciones de NO₃ ⁻ y PO₄ ³⁻, respectivamente.

En el sitio Salguero (Cesar) fue encontrada la mayor concentración en mg.L⁻¹ de NO₃ ⁻ y PO₄ ³⁻, independientemente de las condiciones climáticas de la estación lluviosa o estación seca. De acuerdo con el NPI existe una contaminación moderada, producto de la descarga de aguas residuales provenientes de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) de Valledupar que recibe y trata aguas residuales industriales y domésticas. La presencia de este efluente puede deteriorar la calidad del agua en la cuenca baja del río Cesar, afectando negativamente a la biodiversidad en este ecosistema acuático y al suministro del recurso hídrico a las poblaciones vecinas, tal como quedó demostrado en los trabajos de De la Parra y García-Alzate (2019) y Carreño y Méndez (2011).

La correlación de Pearson arrojó un coeficiente r = 0.909 y un valor p = 0.000, lo que indica una fuerte correlación positiva y significativa entre los niveles de NO₃ ⁻ y PO₄ ³⁻. Esta relación sugiere que cuando los niveles de NO₃ ⁻ aumentan también lo hacen los de PO₄ ³⁻, y viceversa, sin implicar una relación causal. Ambos parámetros parecen estar influenciados por un tercer factor externo desconocido.

El NPI en aguas superficiales permite evaluar la contribución acumulativa de NO₃ ⁻ y PO₄ ³⁻ a la salud ambiental, proporcionando una evaluación rápida de la calidad del agua. Los valores del NPI calculado en los distintos sitios de muestreos del río Cesar se presentan en las tablas 4 y 5.

Tabla 4.

NPI de los sitios de muestreos en estación lluviosa

autores.

Tabla 5.

NPI de los sitios de muestreos en estación seca

autores.

Durante la estación seca, únicamente Salguero exhibe una categoría moderada de contaminación (con un valor de 1.15), mientras que los demás sitios de muestreos en esta estación no denotan la presencia de contaminantes, lo cual se refleja en el siguiente orden: Salguero > Las Pitillas > Guacoche > Los Pondores > Zambrano > San Juan. En la estación lluviosa, ningún sitio de muestreo presenta contaminación, manteniendo el mismo orden observado en la estación seca.

4. CONCLUSIONES

Los resultados de este estudio indican que la estación y el sitio de muestreo influyen en la concentración de NO₃ ⁻ y PO₄ ³⁻ (p<0,05) de las aguas superficiales del río Cesar. A lo largo de la cuenca del rio Cesar, desde Zambrano (La Guajira) hasta Las Pitillas (Cesar), los niveles de NO₃ ⁻ se encuentra entre los límites permitidos por la OMS y la EPA de Irlanda. Por otro lado, la concentración de iones PO₄ ³⁻ supera los límites establecidos por la EPA de Irlanda en todos los sitios de muestreo, sin embargo, según los límites establecidos por la OMS solo el sitio de muestreo Salguero superó el valor permitido para el parámetro de PO₄ ³⁻ durante la estación seca. Por último, el NPI indicó una contaminación moderada en Salguero durante la estación seca atribuida a las descargas de efluentes de la PTAR de Valledupar.

Agradecimientos

La Universidad Popular del Cesar (sede Valledupar), brindó respaldo financiero en el contexto de la convocatoria interna para financiar proyectos de investigación de grupos de investigación mediante el convenio 069 del 19 de diciembre de 2022.

LITERATURA CITADA

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