SUELOS CONTAMINADOS. TRABAJO DE LABORATORIO

Master en Ingeniería Medioambiental y Gestión del Agua 2007/2008

Módulo: CONTAMINACIÓN AMBIENTAL

SUELOS CONTAMINADOS.

TRABAJO DE LABORATORIO

AUTOR: PABLO JOSÉ MOROS GARCÍA


©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por el autor/a para EOI. Prohibida la reproducción total o parcial sin autorización escrita de EOI.

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Índice

1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 3

2. PARÁMETROS INDICATIVOS DE LA CONTAMINACIÓN DEL SUELO SEGÚN EL REAL DECRETO 9/2005 .............................................................................................................. 5

3. PARÁMETROS NO CONTEMPLADOS POR EL REAL DECRETO 9/2005.................... 7

4. RANGO DE CONCENTRACIONES DE LOS CONTAMINANTES DEL SUELO ......... 12

5. RANGO DE CONCENTRACIONES DE LOS CONTAMINANTES DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS........................................................................................................................ 13

6. MÉTODOS DE ANÁLISIS ESTABLECIDOS POR EL REAL DECRETO 9/2005 ......... 14

7. MÉTODOS DE ANÁLISIS PARA LA DETERMINACIÓN DE CONTAMINNATES QUÍMICOS EN SUELOS Y AGUAS SUBTERRÁNEAS ........................................................ 17

8. EL TRABAJO DE LABORATORIO EN EL PROCESO DE INVESTIGACIÓN DE LA CALIDAD DEL SUELO ………………………………………………………………………….18 9. BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………………..37



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1. INTRODUCCIÓN. La investigación de un determinado problema analítico, implica:

• Establecer cual es el objeto de investigación. • Conocer el soporte físico en el que se encuentra dicho objeto.

• Disponer de información sobre el rango de concentraciones en que el objeto de estudio

pueda encontrarse.

• Buscar la técnica de análisis más adecuada al objeto a investigar. En el caso de los laboratorios de medio ambiente, el objeto de investigación puede ser:

- Una sustancia xenobiótica, (por ejemplo, un bifenil policlorado). - Un indicador de la contaminación (por ejemplo, el índice de fenoles).

- Una sustancia o elemento natural cuya concentración supera niveles normales debido a la

intervención humana (caso del amonio o del fósforo total).

- La respuesta de un organismo o grupo de organismos de ensayo en una prueba ecotoxi-cológica (como la disminución de la bioluminiscencia en una población de la bacteria Vibrio fischeri al ponerse en contacto con una muestra procedente de un medio contami-nado).

Para este tipo de laboratorios, el soporte físico o matriz suele limitarse a:

- Muestras de agua. - Soportes de captación de contaminantes atmosféricos.

- Muestras de biota.

- Muestras de residuos.

- Muestras de suelos.

El rango de concentraciones con el que se trabaja en un laboratorio medio ambiental es extremada-mente variable, dependiendo en gran medida tanto de la naturaleza del objeto a investigar (o analito) como de la matriz. Así no es lo mismo la búsqueda de un determinado metal pesado en un medio natural o en el agua de consumo, donde se supone que aparecerá en una muy baja concentración, que en el efluente procedente de una factoría que lo empleé en proceso productivo, donde, es de suponer aparezca en mayor concentración. La elección de la técnica y del método de análisis más adecuados dependerá no sólo del tipo de analito y de matriz sino de lo que establezca la legislación a aplicar. En líneas generales, en nuestro país la evaluación rutinaria de la contaminación viene sujeta al cumplimiento de una Normativa ambiental.



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A través de Leyes, o más habitualmente, mediante Órdenes, Decretos o Decisiones, se establecen los parámetros de control de la contaminación, sus valores máximos admisibles, y las técnicas y requeri-mientos de calidad (exactitud, precisión) con los que determinarlos. Estas normativas pueden indicar bien directamente la metodología a seguir, bien hacer referencia a normas tipo ISO o UNE. También sucede que no hagan indicación alguna a tal respecto. Como cualquier problema analítico, el estudio en el laboratorio de la contaminación del suelo y de las aguas subterráneas implica, por tanto, conocer:

• Los parámetros o analitos indicativos de contaminación. • Las concentraciones máximas admisibles de contaminante presente, o los criterios para

considerar un suelo (o un agua subterránea) contaminado.

• Los métodos de análisis establecidos por la Legislación vigente.

En la actualidad, las normativas relacionadas directamente con la contaminación del suelo y de las aguas subterráneas, con aplicación a todo el territorio nacional(1), son:

• Suelos: Real Decreto 9/2005, por el que se establece la relación de actividades po-tencialmente contaminantes del suelo y los criterios y estándares para la declaración de suelos contaminados.

• Aguas subterráneas:

La Directiva de sustancias peligrosas. La Directiva Marco del Agua La Directiva de Aguas Subterráneas.

Cabría esperar que estas legislaciones suministrasen toda la información necesaria para abordar el trabajo de laboratorio en la investigación de la contaminación de suelos y aguas subterráneas, pero como veremos a continuación, en la práctica esto no resulta exactamente así. (1) La Comunidad Autónoma del País Vasco dispone de una reciente y muy completa legislación centrada en aspectos eminen-temente prácticos del estudio del suelo (Decreto 199/2006, de 10 de octubre, por el que se establece el sistema de acreditación de entidades de investigación y recuperación del suelo y se determina el contenido y alcance de las investigaciones de la calidad del suelo a realizar por dichas entidades).



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2. PARÁMETROS INDICATIVOS DE LA CONTAMINACIÓN DEL SUELO SEGÚN EL REAL DECRETO 9/2005 . Entre otras muchas cosas, el R.D. 9/2005 establece:

• Los criterios para considerar un suelo contaminado, recogidos en su Anexo III. • Los criterios para la identificación de suelos que requieran valoración de riesgos, recogi-

dos en el Anexo IV. Ambos se basan en la superación de una serie de concentraciones de sustancias químicas, cuando se considere prioritaria la protección de la salud humana; y en los resultados obtenidos en determinados ensayos ecotoxicológicos, cuando se considere prioritaria la protección de los ecosistemas. Las sustancias químicas contempladas van a ser de dos tipos:

- Indicadores de contaminación del suelo: los Hidrocarburos totales del petróleo (tal como se indica en el anexo IV).

- Compuestos orgánicos específicos, descritos en los anexos V y VI. Abarcan unas 60 sus-

tancias pertenecientes a distintos grupos: compuestos orgánicos volátiles no halogena-dos, compuestos halogenados, plaguicidas, hidrocarburos policíclos aromáticos (PAHs), y bifenil policlorados (PCBs).

Los ensayos ecotoxicológicos emplean organismos pertenecientes a diferentes niveles de organiza-ción, pudiendo efectuarse en unos casos sobre el suelo directamente, en otros sobre el lixiviado del mismo:

Matriz

Organismo /tipo de ensayo

Semillas de planta superiores

Emergencia y crecimiento

Lombriz de tierra

Toxicidad aguda

Suelo

Microorganismos edáficos

Mineralización de C y N

Algas

Inhibición de crecimiento

Pulga de agua (Daphnia magna)

Inhibición de movilidad

Lixiviado del suelo

Peces

Toxicidad aguda

Conviene señalar, que este Real Decreto proporciona unas listas de actividades potencialmente con-taminantes, y de sustancias contaminantes que en ningún caso considera cerradas ni exhaustivas, de-jando a la autoridad ambiental competente (la Administración Autónoma) la potestad para ampliarlos. Subrayar también que la estrategia de investigación de la contaminación del suelo, que se desprende de esta Norma, contempla una primera etapa en la que se debe confeccionar un informe preliminar del emplazamiento presuntamente contaminado. Ese informe incluye un estudio documental sobre la naturaleza e intensidad de los usos que se le dieron.



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A partir de la evaluación de los informes preliminares se abriría una segunda fase en la que se deter-minaría la presencia y concentración de los contaminantes más característicos generados en tales usos. Para ello se deberían realizar campañas de toma de muestras para su posterior análisis en el laborato-rio. Nada dice el Real Decreto sobre que hacer cuando no se dispone de información previa sobre el emplazamiento. En la vertiente que al laboratorio de análisis concierne con respecto a los parámetros de estudio del suelo, esta Norma omite varios aspectos importantes:

- No define que entiende por “Hidrocarburos totales del petróleo (TPHs)”. - No menciona a los parámetros de caracterización de un suelo, ni a los metales pesados,

ni hace referencia a parámetros de uso común en la investigación de la contaminación de suelos por hidrocarburos.

La indefinición sobre los TPHs crea una cierta confusión, máxime cuando su determinación es con-templada como criterio para establecer si un suelo requiere o no valoración de riesgos; e incluso puede llegar a aceptarse para considerar un suelos como contaminado. Los TPHs no corresponden a un compuesto determinado, más bien a un conjunto de ellos. Es un pa-rámetro que no se puede definir a partir de una suma de compuestos determinados, si no más bien a partir de una serie de propiedades empíricas ligadas a la técnica de ensayo que se emplee en su deter-minación. En la práctica cotidiana, por TPHs se suelen entender dos cosas:

- Aceites minerales C10-C40.

- Hidrocarburos según método USEPA 8015. Los Aceites minerales C10-C40 serían aquellos compuestos extraíbles con Triclorotrifluoretano, que no son retenidos por el silicato de magnesio o el óxido de aluminio, que absorben entre 2925 y 3030 cm-1 en el espectro infrarrojo, y tiempos de retención, en cromatografía de gases, entre el n-decano (C10H22) y el tetracontano (C40 H82). Los Hidrocarburos según método USEPA 8015. Esta metodología se refiere a la determinación mediante cromatografía de gases con detector de ionización de llama (CG-FID) de una amplia gama de compuestos orgánicos no halogenados. Dentro de esa gama estarían los compuestos orgánicos del rango de las gasolinas (Gasolin Range Organic, GRO); y los compuestos orgánicos del rango del diésel (Diesel Range Organic, DRO). Ambos son alcanos, en el primer caso de 6 a 10 átomos de car-bono, con puntos de ebullición de 60 a 170ºC; y en el segundo, de 10 a 28 átomos de carbono, con puntos de ebullición de 170 a 430ºC. Como es lógico, los valores que se obtengan de analizar un tipo de TPHs (aceites minerales) u otro (USEPA 8015) no resultan comparables.



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3. PARÁMETROS NO CONTEMPLADOS POR EL REAL DECRETO 9/2005 3.1 Parámetros de caracterización de suelos y de aguas subterráneas. Los suelos son estructuras complejas, heterogéneas, y con gran variabilidad en función de los factores locales determinantes de la edafogénesis (litología, orografía, climatología, vegetación, etc). Igual que los nutrientes, el comportamiento de un contaminante puede ser muy diferente en suelos distintos debido a la influencia del pH, la estructura, la textura, o el complejo de cambio. Todos estos paráme-tros deberán ser considerados si deseamos abordar con rigor un problema de suelos contaminados independientemente del contaminante o grupo de contaminantes que estemos buscando. El análisis de suelos es una práctica laboratorial muy antigua. Una de las primeras aplicaciones de la química fue la de investigar los componentes de un suelo con objeto de conocer su idoneidad para su explotación agrícola. Hace décadas que se establecieron cuales son los parámetros físicos y químicos que deben determinarse en el suelo para saber si puede sustentar un tipo u otro de cultivo, o si es nece-sario modificar su composición para mejorar o para posibilitar su explotación. En la siguiente tabla se muestran algunos de estos parámetros:

Constituyentes del suelo

Macronutrientes

Micronutrientes

• Materia orgánica • Humedad • Textura • pH

• Nitrógeno • Fósforo • Potasio • Azufre • Calcio • Magnesio

• Hierro • Manganeso • Boro • Cinc • Cobre • Molibdeno • Cloro • Sodio • Silicio • Cobalto • Vanadio

Algo similar puede decirse del análisis de las aguas subterráneas. Si bien los usos del agua son muy diversos, su mayor demanda se encuentra en el sector agrícola. Hasta hace pocos años, los pozos eran de titularidad privada, y lo más corriente, al menos en nuestro país, era que sus agua fuesen empleadas en el riego de las fincas bajo las que se encontraban. Esta vinculación atávica entre suelo y agua subterránea dio lugar a que la caracterización química de ésta estuviese orientada a determinar su aptitud para el uso agrícola. La tabla siguiente recoge algunos de los parámetros más habituales en la caracterización agrológica de un agua:



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Parámetros generales

Aniones

Cationes

Índices

• pH • Conductividad

• Carbonatos • Bicarbonatos • Sulfatos • Nitratos • Cloruros

• Sodio • Potasio • Calcio • Magnesio • Boro

• Dureza total • Índice de Scott • Relación de adsor-

ción de Sodio (RAS)

• Porcentaje de So-dio intercambia-bles (PSI)

3.2 Metales pesados. A diferencia de los compuestos descritos en los anexos V y VI del Real Decreto 9/2005, sustancias mayoritariamente xenobióticas, los metales pesados pueden formar parte de la litología local, y su concentración de fondo puede ser muy variable según las regiones de un mismo país. Es por ello que cada Comunidad Autónoma ha estudiado, o está haciéndolo, los NGR de los metales más significati-vos en sus respectivos territorios. Tomando como ejemplo la Comunidad de Madrid, tras un estudio realizado en colaboración con la Universidad Autónoma de Madrid y con el Instituto Geológico y Minero, el 28 de agosto de 2006 se publicó la Orden 2770/2006 por la que se establecen los NGR de metales pesados y otros elementos traza en suelos contaminados de la Comunidad de Madrid. En ella se contemplan los siguientes 15 elementos:

Antimonio Cromo Plata Arsénico Manganeso Plomo Cadmio Mercurio Talio Cobalto Molibdeno Vanadio Cobre Níquel Zinc

3.3 Otros parámetros de uso común en la investigación de suelos contaminados por hidrocarburos. La ley 10/1998 de Residuos, en su título V, ya señalaba una serie de obligaciones sobre suelos conta-minados. La trasmisión del título de propiedad de un terreno que estuviese contaminado y no hubiese sido comunicado al nuevo propietario, daba lugar a una serie de contenciosos que encarecían o incluso daban al traste con la operación, por lo que desde el año 1998 se vienen realizando investigación de suelos contaminados que permitan aportar pruebas objetivas en las operaciones de compra-venta de terrenos. Dado el enorme incremento del negocio inmobiliario y de la construcción en la última década, con abundantes recalificaciones del suelo de uso industrial o rural a urbanizable, no es de extrañar que muchas empresas de ingeniería y consultoría hayan demandado investigaciones sobre posible conta-minación de terrenos.



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Este tipo de investigación ha estado muy vinculada a zonas que acogieron depósitos de combustibles. En tales casos se manejaban, y aún hoy se manejan, una serie de compuestos, para conocer la tipología de la contaminación y su antigüedad: se trata de los “Compuestos orgánicos del rango de las gasoli-nas” o GRO, los “Compuestos orgánicos del rango del diesel” o DRO, el metil terbutil éter (MTBE), y el etil terbutil éter (ETBE). Los GRO comprenden una serie de hidrocarburos ligeros presentes en las gasolinas, los DRO hidrocarburos pesados abundantes en los gasóleos, y el ETBE y MTBE, aditivos antidetonantes presentes en las gasolinas y que vinieron a sustituir a los compuestos de plomo. El R.D. 9/2005 no hace mención explicita alguna a tales sustancias. 3.4 Parámetros de contaminación de las aguas subterráneas. La base legislativa de la contaminación de aguas subterráneas se encuentra actualmente formada por: - La Directiva de sustancias peligrosas (76/464/CE). - La Directiva Marco del Agua (2000/60/CE). - La Directiva de Aguas Subterráneas (2996/118/CE). El R.D. 9/2005 no forma parte de esa base, lo que resulta significativo. La Directiva 76/464/CE, de Sustancias Peligrosas, se encuentra actualmente asumida por la Directiva Marco del Agua, previéndose su derogación en el año 2013. La 76/464/CE establecía las listas I y II de contaminantes que vienen a coincidir con la lista de contaminantes principales del Anexo VIII de la Directiva Marco: Principales contaminantes (lista indicativa) Anexo VIII. D.M.A. 1. Compuestos organohalogenados (o precursores). Lista I y II 2. Compuestos organofosforados. Lista I y II 3. Compuestos orgnoestánnicos. Lista I y II 4. Compuestos cancerígenos, mutágenos, disruptores endocrinos. Lista I 5. Hidrocarburos persistentes y sustancias orgánicas tóxicas, persisten-tes y bioacumulables.

Lista I y II

6. Cianuros. Lista II 7. Metales y sus compuestos. Lista I: mercurio y

derivados, cadmio y derivados Lista II

8. Arsénico y sus compuestos. Lista II 9. Biocidas y productos fitosanitarios. Lista I y II 10. Materias en suspensión. Lista II 11. Sustancias que contribuyen a la eutrofización (particularmente nitra-tos y fosfatos).

Lista II

12. Sustancias que afectan desfavorablemente al balance de oxígeno (expresables a través de parámetros como la DQO y la DBO).

Lista II



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La Directiva 2996/118/CE, relativa a la protección de las Aguas Subterráneas contra la contaminación y el deterioro, distingue entre:

• Normas de calidad las aguas subterráneas. • Valores umbrales de los contaminantes e indicadores de la contaminación.

Dentro de las Normas de calidad hace mención a 2 parámetros:

- Contenido en NITRATOS. - Contenido en PLAGUICIDAS.

No indica de que plaguicidas se trata, remitiendo para ello a dos directivas: la 91/414/CEE, relativa a la comercialización de productos fitosanitarios; y a la 98/8/CE, relativa a la comercialización de bio-cidas. Ambas no resultan tampoco muy útiles pues no ofrecen un listado de compuestos. Los plaguici-das que normalmente se controlan en las campañas de evolución de las aguas subterráneas son los presentes en otras directivas relacionadas con la de Sustancias Peligrosas: Plaguicidas organoclorados

• Hexaclorobenceno • Hexaclorciclohexano • Aldrin, Isodrin, Dieldrin, Endrin • Endosulfan • DDT, DDE, DDD • Heptaclor, Heptaclor epóxido • Trifluralina

Plaguicidas organofosoforados

• Diazinon • Metil paration • Fenitrotion • Malation • Clorpirifos • Paration • Etion • Etil azinfos • Molinato

Triazinas

• Simazina • Atrazina • Desetilatrazina • Propazina • Terbutilazina • Terbutrin



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En el apartado contaminantes e indicadores de contaminación, la Directiva 2996/118/CE se limita a establecer una lista mínima de sustancias que incluye:

• Arsénico, cadmio, plomo, y mercurio. • Amonio.

• Cloruros.

• Sulfatos.

• Tricloroetileno.

• Tetracloroetileno.

• Conductividad.



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4. RANGO DE CONCENTRACIONES DE LOS CONTAMINANTES DEL SUELO. El R.D. 9/2005 establece, para los compuestos listados en sus anexos, unos NGR, así como los crite-rios para definir los NGR de cualquier sustancia contaminante no incluido en ellos. Por otra parte para considerar un suelo contaminado, un contaminante debe estar presente en él en una concentración superior a 100 veces el NGR establecido para un determinado uso. Como criterio para la identifica-ción de un suelo que requiera una valorización de riesgos, el contaminante deberá estar presente en una concentración superior al NGR establecido para su uso actual o futuro. Ambos criterios nos su-ministran la horquilla de valores que deberemos abarcar con nuestro método analítico: el valor inferior coincidiría con el NGR del uso más restringido (el correspondiente a “otros usos”), y el superior con el NGR del uso más permisivo (el correspondiente al “uso industrial”). Como se mencionó con anterioridad, los tanto los metales pesados que merezcan la consideración de contaminantes del suelo como sus NGRs, se establecen por cada Comunidad Autónoma. Por ejemplo, en la Comunidad de Madrid, los NGRs son: NGRs en mg/kg, según tipología de uso

Industrial Urbano Otros Antimonio 80 8 0,8 Arsénico 40 24 24 Cadmio 300 30 3 Cobalto 1500 150 15 Cobre 8000 800 80 Cromo 2300 230 90 Manganeso 33900 3390 690 Mercurio 15 7 5 Molibdeno 1500 150 15 Níquel 15600 1560 405 Plata 500 50 5 Plomo 2700 270 75 Talio 30 3 2 En lo que respecta a los contaminantes no contemplados por el R.D. 9/2005, no existen valores indica-tivos al no disponerse de sus NGRs.



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5. RANGO DE CONCENTRACIONES DE LOS CONTAMINANTES DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS. La base normativa que regula la contaminación de aguas subterráneas no se encuentra en la actualidad suficientemente desarrollada, por lo que en la mayoría de los casos no establece valores límite de concentración, dejando el establecimiento de los mismos a los Estados miembros. Entre los parámetros para los que se establecen valores límites de concentración tenemos:

• NITRATOS: 50 mg/l. • PLAGUICIDAS TOTALES: 0,5 µg/l.

• PLAGUICIDAS (por compuesto): 0,1 µg/l.



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6. MÉTODOS DE ANÁLISIS ESTABLECIDOS POR EL R.D.9/2005. Como se comentó anteriormente, el R.D. 9/2005 establece una serie de parámetros ecotoxicológicos y químicos para determinar la contaminación del suelo. Los únicos métodos de ensayo a los que hace alusión son los relativos a las pruebas ecotoxicológicas, los métodos de la OCDE (Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico); no indicando método alguno para los analitos químicos. La toxicología tiene por objeto el estudio de los efectos de las sustancias químicas con los seres vivos en sus circunstancias particulares. De sus diferentes ramas, la que aquí resulta de interés es la toxico-logía ambiental o ecotoxicología cuyo ámbito de aplicación son los contaminantes ambientales y su influencia sobre los ecosistemas. Para abordar este estudio se puede partir de dos enfoques relaciona-dos con diferentes niveles de organización biológica:

- El nivel de los organismos individuales; en cuyo caso se evalúan los efectos sobre indivi-duos aislados, extrapolándose los efectos a especies de similares características.

- El nivel de los ecosistemas; en dónde se pretende evaluar el impacto de los tóxicos sobre las biocenosis a partir de los diferentes niveles tróficos. El criterio para considerar un suelo como contaminado cuando se considera prioritaria la protección de los ecosistemas, recogido por el R.D. 9/2005, emplea este tipo de ensayos, denominados “ecotoxicológicos”.

Tradicionalmente, la respuesta biológica que se evalúa es la muerte del individuo. Ello da lugar al concepto de “Concentración Letal 50” o LC50, definido como la concentración de sustancia tóxica que produce la muerte del 50% de la población de estudio en unas condiciones de experimentación dadas. Cuando la respuesta biológica no es la muerte, sino, por ejemplo, la inhibición del movimiento, o los cambios en una determinada actividad enzimática, la LC es reemplazada por la EC o “concentración efectiva”. Generalmente se distinguen dos formas de toxicidad en función del tiempo de exposición: aguda y crónica. La primera corresponde a tiempos cortos (48 ó 96 horas), y la segunda a tiempos más prolon-gados (semanas, meses, o años). Para un estudio completo de la posible toxicidad de un compuesto es necesario realizar ensayos de toxicidad agudos y crónicos, puesto que ciertos efectos biológicos, como la aparición de tumores, sólo pueden apreciarse tras largos periodos de exposición. La evaluación del impacto de los tóxicos sobre los ecosistemas mediante ensayos de laboratorio se enfrenta con la dificultad que tiene reproducir in vitro, y de manera controlada, la complejidad de un ecosistema, y la amplía variedad de éstos. Necesariamente se debe acudir a simplificaciones, mucho más factibles en lo que se refiere a ecosistemas dulceacuícolas que a ecosistemas marinos y terrestres. En general el interés de los investigadores se centra sobre organismos abundantes y característicos de cada uno de los principales niveles tróficos. Los ensayos pueden realizarse sobre microcosmos (eco-sistemas simplificados y miniaturizados a escala de laboratorio) o sobre poblaciones de organismos de niveles tróficos concretos. Son estos últimos los que mayor aplicación práctica tienen, y así se refleja en el R.D. 9/2005. Esta norma distingue entre:

• Toxicidad producida por el suelo directamente. • Toxicidad producida por el suelo a través de su lixiviado.



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Toxicidad producida por el suelo directamente.

• Ensayos indicados: - Emergencia y crecimiento de semillas de plantas terrestres (OCDE 208) - Ensayo de toxicidad aguda en lombriz de tierra (OCDE 207) - Ensayo de mineralización de nitrógeno en suelos (OCDE 216) - Ensayo de mineralización de carbono en suelos (OCDE 217) • Criterio para considera un suelo como contaminado: CL (E)50 sea < 10 mg suelo contamina-

do/g de suelo. Toxicidad producida por el suelo a través de su lixiviado.

• Ensayo de lixiviación indicado: DIN 38414 • Ensayos de ecotoxicidad indicados: - Ensayo de inhibición del crecimiento en algas (OCDE 201) - Ensayo de inhibición de la movilidad en Daphnia magna (OCDE 202) - Ensayo de la toxicidad aguda en peces (OCDE 203) • Criterio para considera un suelo como contaminado: CL (E)50 sea < 10ml de lixiviado/litro de

agua. Como se dijo anteriormente, el suelo es una matriz compleja, por lo que la mayoría de los ensayos, ya sean químicos o ecotoxicológicos, que se quieran realizar sobre ella van a requerir un tratamiento previo de la muestra. Las pruebas que sirven para investigar la toxicidad producida por el suelo direc-tamente, contemplan, en sus correspondientes métodos, el tratamiento previo de la muestra. En el caso de la investigación de la toxicidad producida por el lixiviado del suelo, ese tratamiento es el ensayo de lixiviación. El ensayo de lixiviación DIN 38414 consta, de forma sintética, de las siguientes partes:

• Se parte de una muestra representativa de suelo, y se determina en ella la humedad. • Se toman 100 g de muestra en base seca, y se pulveriza hasta un tamaño de partícula < 10

mm. • La muestra así preparada se mezcla, en frascos de vidrio de boca ancha dotados de cierre

hermético, con 1000 ml de agua destilada. • Los frascos conteniendo la mezcla se colocan en un agitador rotativo, a 0,5 r.p.m durante 24

horas y a temperatura ambiente. • Transcurrido el tiempo de lixiviación, la mezcla se filtra a través de filtros de nitrato de celu-

losa de 0,45 µm de poro. Se obtiene así el lixiviado sobre el que se realizarán los diferentes ensayos de ecotoxicidad.

A modo de ejemplo, de entre todos los ensayos de ecotoxicidad sobre el lixiviado del suelo que indica el R.D. 9/2005, pasamos a describir, someramente, uno de los más extendidos, el de inhibición de la movilidad en el microcrustáceo Daphnia magna.:



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Inhibición con Daphnia. El microcrustáceo Daphnia es un decápodo frecuente en aguas continentales, en las que se desplaza moviendo activamente sus apéndices locomotores. Su cría en el laboratorio es relativamente simple:

- Agua de calidad. - Alimentación controlada. - Suministro permanente y regular de aire. - Temperatura regular. - Foto-periodo de 12 horas.

Por agua de calidad se entiende un agua con una dureza adecuada, que permita al microcrustáceo elaborar su exoesqueleto a medida que crece, y que este exenta de microcontaminantes. Este último aspecto es fundamental, ya que un agua con concentraciones subletales de tóxicos puede terminar por producir fenómenos tanto de bioacumulación como de resistencia que a la larga conduzcan a respues-tas falsas del ensayo frente a sustancias problema. Esta agua debe reponerse, en función de la pobla-ción de Daphnia, cada 24-48 horas. Alimentación controlada. Generalmente suele alimentarse a Daphnia con algas procedentes de un cultivo puro de Chlorella. La cantidad de alimento que se introduce en los tanques de cría depende del número de individuos. El agua de cría estará aireada mediante un sistema de inyección de aire filtrado, y regulado a un cau-dal tal que no produzca turbulencias. Todos estos factores, junto con la temperatura regular, y el foto-periodo tienen como objetivo mante-ner una población genéticamente estable, de manera que tengamos unas ciertas garantías de que todos los individuos se comportaran de la misma manera ante un posible tóxico aprovechando el peculiar ciclo biológico de Daphnia, que alterna etapas de diploidía y haploidía según las circunstancias. Las condiciones ambientales óptimas para las poblaciones de Daphnia hacen que éstas se reproduzcan permanentemente mediante partenogénesis, lo que significa que todos los individuos van a ser hem-bras diploides, y que al no producirse meiosis no va a haber recombinación del material genético. Si las condiciones ambientales se hacen cambiantes, las hembras diploides dejan de producir hembras diploides para dar lugar a quistes de resistencia, haploides. Cuando las condiciones ambientales sean de nuevo las adecuadas, los quistes producirán individuos machos y hembras, que se reproducirán para dar una generación diploide. Para realizar el ensayo de inhibición se toman, con la ayuda de una pipeta individuos recién nacidos y se les deposita dentro de frascos apropiados conteniendo un agua exenta de contaminantes y de dureza adecuada, sin aireación forzada ni alimentación, a razón de 10 ejemplares por frasco. Uno de los fras-cos se reserva como blanco, y en el resto (cuyo número variará en función de la dilución de la muestra que se desee) se añaden diferentes diluciones de la sustancia problema (el lixiviado del suelo). Como respuesta biológica se observa la movilidad de los individuos. El ensayo agudo dura 48 horas, al cabo de las cuales se cuentan los individuos inmovilizados y se calcula la correspondiente EC50 a partir de una grafica dosis/respuesta.



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7. MÉTODOS DE ANÁLISIS PARA LA DETERMINACIÓN DE CONTAMINANTES QUÍMICOS EN SUELOS Y AGUAS SUBTERRÁNEAS. Para el análisis de contaminantes químicos y de características físico-químicas de los suelos y de las aguas subterráneas, es necesario acudir a la bibliografía, o bien tomar como referencia normativa autonómica, en caso de que las comunidades hayan legislado al respecto. Como fuentes de informa-ción válida sobre métodos de análisis de contaminantes en suelos, podemos indicar:

• La Sociedad Pública de Gestión Ambiental (IHOBE) del Departamento de Ordenación del Territorio, Vivienda y Medio Ambiente del Gobierno Vasco.

• Instituto Geológico y Minero de España.

• Los Métodos Oficiales de Análisis del Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación

(MAPA), de aguas, suelos y fertilizantes.

• Normas UNE e ISO. La ventaja de los métodos recomendados por IHOBE es que se basan en el estudio de normas UNE, ISO, AFNOR, DIN, USEPA, y en los métodos del MAPA. La exposición que sigue ha tomado, en buena medida, como referencia dicha metodología.



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8. EL TRABAJO DE LABORATORIO EN EL PROCESO DE INVESTIGACIÓN DE LA CALIDAD DEL SUELO.

Para abordar con seriedad el estudio de la contaminación del suelo, es necesario establecer un esque-ma metodológico dividido en diferentes etapas, que van desde la recogida de documentación sobre el emplazamiento hasta la emisión del informe final. Todas estas etapas están relacionadas entre sí. Para diseñar correctamente el programa analítico que se vaya a seguir, es conveniente, antes de la recogida de las muestras, es recomendable seguir una serie de puntos clave como son:

• Discutir en detalle, entre el consultor y el laboratorio, la estrategia de análisis. • Confirmar los métodos de análisis a aplicar y los límites de cuantificación, de manera

que éstos satisfagan los objetivos de la investigación.

• Exponer los grados de precisión y exactitud que ofrece el laboratorio.

• Consensuar, entre el consultor y el laboratorio, las pautas a seguir en la manipulación de las muestras “in situ”, su almacenamiento y preservación.

• Establecer los posibles riesgos para el personal del laboratorio derivados de la manipula-

ción de las muestras que se reciban.

• Valorar la conveniencia de realizar los análisis en el laboratorio por fases. De entre todas las etapas de investigación de un suelo contaminado, las relativas a los trabajos de campo y de laboratorio son de las que guardan una más estrecha relación. El cuadro siguiente trata de resumir esta relación:

Tipo de trabajo Etapa Tareas Campo Laboratorio

1. Perforación 2. Muestreo de agua y suelo

Muestreo

3. Envasado de las muestras 1. Preservación en campo Preservación y almacenamiento 2. Transporte 1. Preservación en el laboratorio 2. Toma de muestra y análisis

Pretratamiento

3. Extracción 1. Análisis instrumental Análisis 2. Cuantificación

A la vista del cuadro, es obvio que debe existir una estrecha colaboración y coordinación entre el trabajo de campo y el de laboratorio. Sin embargo, en la práctica diaria es frecuente que esa relación se limite al mero envío de muestras sin contarse con el laboratorio en ninguna otra tarea que no sea la estrictamente analítica.



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8.1 Envasado, preservación, y transporte de muestras. Tipos de envases. Una vez recogida la muestra, debe ser introducida en envases adecuados para su transporte hasta el laboratorio. La tipología del envase posee una gran importancia, pues según la naturaleza del analito de interés puede interferir en su determinación. Para los suelos los envases más adecuados suelen ser los frascos de vidrio topacio y boca ancha dota-dos de cierre hermético, y con una capacidad no inferior a los 500 g. Para las aguas, el recipiente más adecuado suele ser también el vidrio topacio, aunque, según el pará-metro a analizar, también pueden emplearse envases de plástico (PET) de boca ancha con tapón ros-cado tipo estrella. Como regla general, cuando se deseen investigar parámetros orgánicos deberán emplearse recipientes de vidrio (los compuestos orgánicos tienden a adsorberse en las paredes de los recipientes de plástico); y cuando lo que se quiere es investigar compuestos inorgánicos pueden usarse envases de PET. Mención especial merece los recipientes que vayan a contener muestra para la determinación de com-puestos orgánicos volátiles. En estos casos es recomendable emplear viales de vidrio con tapón recu-bierto de teflón en su interior, cierre hermético, y compatibles con el equipo de análisis. Preparación de los recipientes. Antes de realizar el muestreo conviene preparar los envases enjuagándolos con diferentes productos en función del parámetro a investigar. Los productos suelen ser agua destilada, soluciones de ácido nítrico, o disolventes orgánicos (hexano, diclorometano, freón, acetona). En la tabla se muestra el tipo de producto a emplear según los parámetros a determinar:

Producto de enjuague

Parámetros

Agua destilada

• Humedad y peso seco • pH • Materia orgánica • Arcilla • Cianuros

Ácido nítrico

• Metales

Hexano

• Plaguicidas organoclorados (el hexano puede sustituirse por acetona)

• Policlorobifenilos (el hexano puede sustituirse por acetona) • Hidrocarburos policíclicos aromáticos

Freón

• Aceites minerales (el freón puede sustituirse por diclorome-

tano)



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Conservación de las muestras. Las muestras que contengan compuestos biodegradables, volátiles o semivolátiles se deben conservar mediante refrigeración a temperaturas inferiores a los 4ºC, y en la oscuridad. Si se requiere la conge-lación de las muestras no será posible el empleo de recipientes de vidrio. El siguiente cuadro muestra los tiempos máximos de conservación (a 4ºC y en la oscuridad) para la determinación de algunos parámetros:

Parámetro químico a determinar Tiempo máximo de conservación (en días) Cianuros 4 Plaguicidas organoclorados 10 Policlorobifenilos 10 Hidrocarburos policíclicos aromáticos 4 Aceites minerales 4 Compuestos orgánicos volátiles 1 Transporte de las muestras. Cuando la estabilidad de las muestras sea sensible a la temperatura, es recomendable controlar que no sean sometidas a temperaturas extremas durante su transporte. Para ello pueden utilizarse termómetros de mínimos y máximos colocados dentro de los contenedores en los que se depositen los envases con las muestras. Conservación de las muestras de aguas subterráneas. El tipo de recipiente dependerá del parámetro que se desee determinar. Los más frecuentes son el plástico (para determinación de metales y de aniones); el vidrio (adecuado para los compuestos orgá-nicos y los aniones, salvo los fluoruros); y finalmente el vidrio borosilicatado utilizable casi para cualquier analito, si bien resulta más caro y más frágil. Con objeto de eliminar la materia en suspensión que pudiese haber caído en la muestra durante el sondeo, es necesario proceder a la filtración de las mismas en campo, a través de filtros de 0,45 micras de poro. Esta práctica puede acarrear problemas en aguas con una elevada contaminación por sustan-cias lipófilas, que forman una película en la superficie. A la hora de rellenar los envases, la primera fracción se empleará en enjuagar el recipiente. El llenado debe hacerse evitando la formación de burbujas. Las muestras pueden preservarse mediante refrigeración (entre 2 y 5ºC) y en la oscuridad, y/o me-diante la adición de reactivos químicos como conservantes. La cantidad de conservante a añadir no debe superar nunca el 1% del volumen total de la muestra. Los conservantes más habituales son el ácido nítrico, el ácido sulfúrico, y el hidróxido sódico. Subrayar que la calidad de los mismos debe ser lo suficientemente alta como para que no interfieran en las posteriores determinaciones. Por supuesto deberá informarse al laboratorio de si las muestras contienen o no conservantes, y de la naturaleza de éstos.



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8.2 Pretratamiento de las muestras para su análisis físico-químico. El estado ideal para la determinación de un analito es que esté en un medio líquido (acuoso si es inor-gánico, apolar si es orgánico). Esta situación se alcanza con cierta facilidad en el caso de las aguas subterráneas, no así con los suelos. El pretratamiento de un suelo, siempre que no se desee investigar en él compuestos orgánicos voláti-les, implica las siguientes etapas: 1) Descripción de la muestra. 2) Secado. 3) Trituración y eliminación de materiales gruesos. 4) Tamizado. 5) Submuestreo. 6) Molienda. 1) Descripción de la muestra.- Consiste en anotar a su recepción su aspecto, características de olor y color, presencia de materiales extraños, vegetación, etc. 2) Secado.- Existen distintas opciones de secado:

Al aire: consiste en extender la muestra en una capa no superior a 15 mm sobre bandejas de material inerte que no absorban humedad, y dejar a temperatura ambiente. En estufa: igual que en la opción anterior, sólo que la muestra se seca en una estufa a 40ºC. Mediante liofilización.

3) Trituración y eliminación de gruesos.- Cuando la muestra se ha secado en terrones es necesario triturarla. Antes de ello se eliminan mediante tamizado por 2 mm, y retirándolos manualmente, todos los materiales extraños (piedras, vidrios). Se pesa y anota la cantidad de material retirado. La masa de suelo formada por los terrones superiores a 2 mm se pesa y anota, y se hace lo mismo con la fracción inferior a 2 mm. La fracción superior a 2 mm se tritura hasta un tamaño < 2 mm y se mezcla con el resto. 4) Tamizado.- Se puede efectuar manualmente o mediante un tamizador mecánico. 5) Submuestreo.- Cuando no puede almacenarse la totalidad de la muestra, o no se puede emplear completamente para el análisis (muestra de laboratorio o ensayo) se requiere el submuestreo. Para ello se divide la muestra seca, triturada y tamizada por 2 mm en porciones representativas hasta conseguir la cantidad de muestra requerida para el análisis. Hay diferentes variantes de submuetreo:

Manual (cuarteo): se extiende la muestra, bien mezclada con un mezclador mecánico, sobre una bandeja, se divide en cuatro porciones iguales y se combinan dos de las cuatro porciones diagonales rechazándose las otras dos. Se repite la operación hasta alcanzar el tamaño ade-cuado de muestra.



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Utilizando un divisor automático de muestra. Utilizando un submuestreador mecánico.

6) Molienda.- Es necesaria cuando el ensayo requiera cantidades de muestra inferiores a los 2 g. En esos casos hay reducir la fracción del suelo a valores inferiores a 2 mm. Para ello se emplean molinos, de los cuales los más usados son los llamados de bolas, en los que unas bolas de material inerte se introducen con la muestra en un recipiente de material igualmente inerte, al que se somete a un intenso movimiento rotacional. La molienda se logra gracias a la fricción de las bolas con la muestra. Nor-malmente se requiere un tamaño de 250 micras. 8.3 Determinación de la humedad. Normalmente, en el análisis de suelos, todos los resultados se encuentran referidos a masa seca, por lo que una de las determinaciones siempre necesarias es la determinación de la humedad de la muestra. Puede determinarse la humedad a partir de la muestra secada al aire o a partir de la muestra sin tratar. La diferencia fundamental estriba en la cantidad de muestra que se tome: de 10 a 15 g en el primer caso, de 30 a 40 g en el segundo. En ambos casos la muestra se pesa antes de introducirla en una estu-fa a 105ºC hasta peso constante. La diferencia entre el antes y el después, expresada en %, será la humedad de la muestra. 8.4 Pretratamiento de las muestras para la determinación de especies químicas inorgánicas (solubilización). La solubilización de las especies químicas inorgánicas presentes en una muestra de suelo puede reali-zarse de diferentes maneras. Aquí señalaremos cuatro:

- Agitación. - Disolución asistida por ultrasonidos.

- Digestión en vaso abierto.

- Digestión asistida por microondas

Agitación trata de lograr la separación del analito de la muestra de suelo mediante medios mecánicos. Su variante más sencilla es el empleo de barras agitadoras magnéticas, o de agitadores tipo orbital o de vaivén, en los que se introduce la muestra junto con el disolvente adecuado en un recipiente sometién-dolo a agitación. La solubilización puede acelerarse calentando la mezcla. Ultrasonidos, se basa en el empleo de vibraciones sonoras superiores al nivel auditivo humano. Los ultrasonidos agitan la disolución mediante la formación de burbujas microscópicas que se dilatan y contraen. Existe un punto en el que la burbuja se dilata tanto que explota, momento en el que, por un brevísimo instante, se generan, puntualmente, elevadas presiones y temperaturas. Como consecuencia de la agitación de la disolución, y de las pequeñas explosiones, los sólidos de la mezcla se agrietan y fragmenta, facilitándose el paso de los analitos a la disolución. La aplicación de ultrasonidos suele hacerse mediante sondas, que se introducen en la disolución, o más usualmente mediante baños relle-no con agua en los que se sumerge el recipiente conteniendo la mezcla a tratar.



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Digestión en vaso abierto consiste en disolver la muestra con ayuda de soluciones ácidas. El tipo de solución, y su concentración dependerá del analito que deseemos desprender del sólido. El proceso está acompañado de agitación y calefacción. Digestión asistida por microondas aprovecha el efecto que produce este tipo de radiación sobre las disoluciones. Las microondas son ondas electromagnéticas cuya frecuencia esta entre 3.108 y 3.1011 Hz. Esta radiación provoca la rotación de las moléculas de agua, la migración de los iones, y el movi-miento de los electrones de los metales. Las moléculas de agua ven frenada su rotación al chocar con moléculas circundantes lo que provoca la transformación de esa energía cinética en térmica, calentán-dose la disolución. Los electrones de los metales ven también frenado su movimiento lo que provoca un rápido calentamiento de los componentes metálicos. La aplicación de esta modalidad de digestión se realiza mediante hornos de microondas dotados de vasos de teflón PFA (perfluoroalkoexitileno), un tipo de teflón con elevado punto de ebullición (306ºC). La muestra se introduce en los vasos de teflón, generalmente junto con una mezcla de ácidos adecuada a cada caso. Los vasos van provistos de senso-res de temperatura y de presión que detienen la digestión si se superan los valores de seguridad esta-blecidos.

8.5 Pretratamiento de las muestras para la determinación de especies químicas orgánicas (extracción). A diferencia de la solubilización, en la que se pasa un analito de un sólido a una disolución circundan-te; en la extracción lo que se persigue es pasar el analito de una matriz a otra de diferente naturaleza. La extracción suele estar referida a compuestos orgánicos de diferente polaridad a los que se les trata de extraer aprovechando su mayor solubilidad en determinados disolventes. La extracción líquido-líquido consiste en poner en contacto un determinado volumen de muestra líquida con otro de disolvente poco o nada miscible con la muestra pero sí con el analito. La mezcla se agita y posteriormente se deja en reposo hasta que nítidamente aparezcan dos fases fácilmente separa-bles: una polar, correspondiente a la muestra, y otra apolar, que contendrá la especie química que queremos determinar. El dispositivo más empleado para llevarla a cabo es el embudo de decantación. La extracción en fase sólida (solid phase extraction, o SPE) es un procedimiento que consiste en hacer pasar una porción de muestra líquida, que contiene el analito, a través de un material sorbente (extractante sólido) por el que el analito posee mayor afinidad que por el disolvente en que se encuen-tra, y sobre el que queda adsorbido. Tras la adsorción, los analitos se eluyen con una pequeña cantidad de otro disolvente extractor con el que interacciona con mayor fuerza que con el sorbente.



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La SPE no sólo consigue un cambio de matriz, sino que reduce el volumen de la muestra. Se realiza mediante pequeñas columnas abiertas de plástico (entre 3 y 20 ml de capacidad), con una abertura de entrada de mayor diámetro, y otra de salida más pequeña. El sorbente se coloca en el fondo de la co-lumna y suele consistir en sílice modificada con diferentes grupos químicos.

La extracción sólido-sólido consiste en mezclar una pequeña cantidad de muestra sólida con una cantidad similar de extractante, también sólido, y homogeneizar. El homogeneizado se introduce en un cartucho especial por el que se hace pasar un disolvente adecuado a la especie química que queremos determinar, con lo que ésta quedará en disolución. La extracción sólido-líquido consiste en poner en contacto la muestra sólida con un líquido extrac-tante y someter a la mezcla a una serie de operaciones que permitan que la mayor parte posible del analito a determinar pase de la muestra al disolvente. Entre estas operaciones las más usuales son la agitación mecánica (manual o mediante ultrasonidos) y la extracción con calentamiento mediante dispositivos tipos Soxhlet.



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8.6 Determinación de las principales características de un suelo. pH La determinación del pH del suelo se realiza mediante electrometría. El procedimiento consiste en medir el potencial eléctrico que se crea en la membrana de vidrio de un electrodo. Dicho potencial es función de la actividad de los iones hidrógeno a ambos lados de la membrana. La determinación del pH se efectúa mediante un electrodo de pH que se introduce en una suspensión de suelo. Para preparar la suspensión pueden utilizarse tres medios distintos: agua destilada, una solu-ción 1 M de KCl, o una solución 0,01 M de CaCl2. En cualquier caso se añade a 25 ml del medio de suspensión, 5 ml de una muestra de suelo < 2mm secada al aire, y se pone en agitación durante 5 mi-nutos. Pasado ese tiempo se deja decantar por un tiempo que va de 2 a 24 horas, y pasado ese tiempo se procede a medir el pH según las especificaciones del equipo. Materia orgánica El método más usual es el de oxidación y posterior valoración con Sal de Möhr (sulfato ferroso amó-nico 0,5 N). La muestra se oxida con dicromato potásico en medio ácido. El exceso de oxidante se valora con sulfato ferroso amónico, y la cantidad de carbono oxidado se deduce a partir de la cantidad de dicro-mato reducido. Para ello se toman entre 0,2 g y 1 g de suelo secado, triturado y tamizado a 250 micras, se mezclan en un matraz con dicromato potásico, y después con ácido sulfúrico concentrado. Se deje en reposo 30 minutos transcurridos los cuales se detiene la reacción con agua destilada y ácido fosfó-rico concentrado. Se valora con sal de Möhr usando como indicador difenilamina: la coloración vira de rojo burdeos a verde brillante. Textura La textura de un suelo se refiere al porcentaje de las distintas fracciones minerales que las componen. De acuerdo con el sistema internacional se distinguen cuatro fracciones: arena gruesa (de 2 a 0,2 mm), arena fina (de 0,2 a 0,02 mm), limo (de 0,02 a 0,002 mm), y arcilla (< 0,002 mm). Las fraccio-nes más gruesas pueden separarse mediante tamizado, pero no así la fracción correspondiente a las arcillas. Para determinar el contenido en arcillas se emplean dos métodos: el del densímetro de Bo-youcos, y el de la pipeta. Ambos se basan en la ecuación de Stokes que relaciona el tamaño de las partículas (x) con el tiempo de caída (t) en una solución acuosa:

X = θ / (t)1/2

Dónde:

θ = 1000 (30 η h/ g (Ps-Pl))1/2

En la que: η es la viscosidad del agua ( a 30ºC es de 0,008007 poise) h es el espesor de la suspensión a partir de la superficie que está libre de partículas de tamaño x. Pl es la densidad de una solución de Calgón (preparación comercial de metafosfato sódico) al 0,5%= 0,99949 g/ml Ps es la densidad de la partícula (2,650 g/ml) g es la aceleración de la gravedad (980,t cm/seg2)



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En el método del densímetro, se prepara una suspensión acuosa de suelo en la que el metafosfato sódico se emplea como agente dispersante de los agregados del suelo. Se mide la densidad de la sus-pensión a diferentes tiempos. Los resultados se comparan con una tabla que relaciona porcentaje acu-mulado de partículas a diferentes tiempos con diámetro de partícula. En el método de la pipeta la suspensión acuosa con dispersante se deja sedimentar durante 12 horas. Pasado ese tiempo, y en función de la temperatura de la suspensión, se pipetea una alícuota a una determinada profundidad (existe tablas que relacionan temperatura con profundidad de pipeteo). El volumen pipeteado se coloca en una cápsula tarada y se deja desecar a 105ºC. El porcentaje de arcillo viene dado por la siguiente ecuación:

%Arcilla = ((m1-m2-mb)V1/V2.m.ds ).100 Dónde: .m1 es la masa de la cápsula con la fracción seca (g) .m2 es la masa de la cápsula vacía (g) .mb es la masa media de los blancos evaporados (g) V1 es el volumen de la suspensión V2 es el volumen de la pipeta .m es la masa del suelo tomado .ds es el contenido en materia seca del suelo 8.7 Determinación de especies químicas inorgánicas: metales. De las diferentes especies químicas inorgánicas presentes en el suelo, las que mayor relevancia poseen como contaminantes posiblemente sean los metales pesados, por lo que en esta exposición nos centra-remos en su determinación. Para el análisis de los metales pesados presente en un suelo es preciso lograr su solubilización median-te técnicas de pretratamiento, de las cuales la que se ha mostrado más efectiva y rápida es la digestión en horno de microondas. Existe no obstante una cierta controversia al respecto, debido a que muchas normas no incluyen este tipo de tratamiento, reemplazándolo por el de la digestión en vaso abierto, sistema más engorroso desde el punto de vista operativo, menos reproducibles y más lento. En el caso de las aguas subterráneas, el único pretratamiento al que se somete la muestra es la filtra-ción. En este caso la digestión implicaría incrementar la concentración en metales de la muestra al incluir los presentes en la materia en suspensión. La determinación de los metales solubilizados se efectúa a través de técnicas de espectroscopia atómi-ca. Existen dos clases de espectroscopia atómica:

- La espectoscopía de absorción (EAA). - La espectroscopía de emisión (EEA).



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Espectroscopia de absorción ATÓMICA.

Sus principales características son:

- Se aplica a átomos aislados. - Sólo se puede llevar a cabo dentro de un medio gaseoso.

- Permite la determinación cuantitativa y cualitativa de 70 elementos químicos.

- Es un método de determinación unielemental.

- En general son rápidos, selectivos y sensibles.

Los componentes de un equipo de absorción atómica son:

• El nebulizador. • El atomizador.

• La fuente de radiación.

• El monocromador.

• El detector.

El nebulizador es un dispositivo que convierte la muestra líquida en un aerosol que pasa luego al atomizador. Los dos principales tipos de nebulizadores son los nebulizadores neumáticos y los nebuli-zadores ultrasónicos. El nebulizador neumático funciona de modo similar a un pulverizador de perfume: una corriente de gas a alta presión choca contra el líquido en la punta de un capilar descomponiéndolo en finas gotas.



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El nebulizador ultrasónico es un nebulizador neumático en el que las gotas de líquido nebulizado se hacen impactar contra una placa que vibra por efecto de un sistema de ultrasonidos, rompiéndolas en gotas aún más diminutas. El atomizador es el componente encargado de vaporizar la muestra nebulizada. Básicamente se em-plean dos tipos: los atomizadores de llama, y los atomizadores electrotérmicos. El atomizador de llama consiste en un quemador alimentado por una mezcla de combustible y oxidan-te, capaz de alcanzar temperaturas de entre 1700 y 3100 ºC.

El rango de temperatura a aplicar dependerá de los elementos que se quieran analizar: así los metales pesados necesitan temperaturas de excitación más elevadas que los demás. La temperatura dependerá de la composición de la mezcla de gases que se quemen: la mezcla gas natural/aire suministra tempe-raturas más bajas, y la de acetileno/óxido nitroso las más elevadas. La muestra nebulizada es inyectada por la base de la llama, en cuyo seno se produce la evaporación de la matriz y la separación y excitación de los átomos de analito. Puesto que la espectroscopia de absorción sigue la ley de Lambert-Beer, la mayor longitud del paso óptico aumenta la sensibilidad, motivo por el cual se suelen emplear quemadores denominados de ranura o de flujo laminar, que suministran llamas de una gran longitud. Los atomizadores electrotérmicos, también llamados cámaras u hornos de grafito, consisten en pe-queños cilindros de grafito (de 1 cm de diámetro), abiertos por los extremos, y con un orificio para la introducción de la muestra. En los extremos del tubo existen unos contactos eléctricos por lo que se suministra durante un corto espacio de tiempo una corriente de alta intensidad. Como consecuencia del calentamiento así inducido, la muestra se atomiza.



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La fuente de radiación proporciona la radiación que atraviesa la muestra atomizada. Se suelen empe-lar dos tipos de fuentes: las lámparas de cátodo hueco, y las lámparas de descarga sin electrodo. Una lámpara de cátodo hueco consiste en un cilindro de vidrio, en uno de cuyos extremos se disponen dos alambres de volframio. Uno de ello actúa como anódo, y el otro como cátodo. Este último se une por su extremo a un cilindro hueco de metal, recubierto por el metal que se desea determinar. La lám-para esta llena de helio o de argón. Cuando se hace pasar corriente el gas se ioniza, y sus partículas bombardean el cátodo, excitando a los átomos metálicos. Cuando éstos se relajan lo hacen emitiendo radiación en una longitud de onda característica. Las lámparas de descarga sin electrodo, son lámparas de cuarzo llenas de argón y de una sal del ele-mento que se quiere analizar. La fuente de energía para ionizar el gas no proviene de electrodo alguno, sino de un intenso campo electromagnético de radiofrecuencias o de microondas. El monocromador consiste en un dispositivo que selecciona la longitud de onda del elemento que queremos determinar. El detector es el dispositivo que recoge la radiación seleccionada por el monocromador y la compara con la enviada por la fuente, permitiendo la detección y cuantificación del elemento analizado. Existen dos variantes de la absorción atómica de interés en química ambiental. Se trata de la absorción atómica de vapor frío y de la absorción atómica con generador de hidruros. La técnica de absorción atómica de vapor frío se aplica en la determinación de mercurio. Aprovecha la volatilidad que presenta este elemento. Para ello se transforma el mercurio presente en la muestra en sales de mercurio II mediante digestión con ácidos nítrico y sulfúrico. A continuación se pasa el mercurio a estado metálico mediante reducción con hidroxilamina o con sulfato de estaño II. Una vez que el mercurio se encuentra en estado metálico, se bombea a través de disolución aire que arrastra al mercurio hacia una celda por la que pasa una radiación de 254 nm. Para evitar la presencia de agua, la corriente de aire que porta el mercurio se hace pasar antes por un tubo desecador. En la generación de hidruros se aprovecha el hecho de que los hidruros de algunos elementos (Arsé-nico, Bismuto, Germanio, Plomo, Antimonio, Selenio, Estaño, Teluro) son más volátiles que el ele-mento mismo, lo que permite una mejor atomización. La obtención del hidruro correspondiente se logra mezclando borohidruro sódico en medio básico con una disolución ácida del metal.



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Espectroscopia de emisión ATÓMICA.

Las principales características de esta técnica son:

- Está basada en que cada elemento presente en una muestra va a emitir, una vez excitado, radiación a una longitud de onda específica.

- El atomizador sustituye a la fuente de radiación.

- Se trata de una técnica multielemental, es decir, puede analizar simultáneamente muchos

elementos.

- Puede presentar problemas de interferencia espectral: existen elementos que emiten a longitudes de onda muy próximas (por ejemplo, el Calcio a 423 nm y el Cromo a 425 nm).

- Resulta más rápida y menos costosa que la espectroscopia de absorción atómica.

- Su sensibilidad y selectividad se pueden ver enormemente mejoradas si se acopla a un

espectrómetro de masas.

El componente más relevante de un equipo de emisión atómica es el atomizador. Como dispositivos de atomización pueden utilizarse una llama, un arco eléctrico, o más habitualmente, un plasma de inducción. Un plasma es un gas ionizado. Cuando se induce en un flujo de un gas, generalmente argón, recibe el nombre de “induced coupled plasma” o ICP. Las antorchas de ICP consisten en tubos de cuarzo por los que circula una corriente de argón. El gas se ioniza por efecto de una corriente eléctrica, y los iones generados son obligados a circular por un espacio anular cerrado dentro de un campo magnético de radiofrecuencia. La resistencia a su circulación provoca un calentamiento del gas que da lugar a una nueva ionización, pasando así a estado de plasma, alcanzándose temperaturas de hasta 10000 K. La muestra es introducida dentro del plasma por una corriente de argón, produciéndose en su seno la atomización y consecuente excitación.



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8.8 Determinación de especies químicas orgánicas. Entre los contaminantes del suelo poseen gran importancia los de naturaleza orgánica. Para la deter-minación de esta clase de contaminantes las técnicas más habituales son las cromatográficas. Su apli-cación, en líneas generales, exige extraer los compuestos desde la muestra y pasarlos a un solvente adecuado que permita además su inyección en el cromatógrafo. Destacar que en el caso de los compuestos orgánicos volátiles no se debe realizar secado de la mues-tra, y conviene que la manipulación de la misma sea mínima. Por ello se recomienda emplaear, para su recogida en campo, viales de vidrio con tapón teflonado compatibles con sistemas de inyección cro-matográfica. De entre estos sistemas hay que mencionar el “espacio en cabeza” (head space) y el de “purga y trampa”. El primero consiste en introducir la muestra en un vial que se coloca en un recptá-culo termostatizado que se calienta a una temperatura tal que permite la volatización de los compues-tos orgáncios de la muestra, los cuales, en estado gaseoso, son conducidos al sistema de inyección de la columna cromatográfica. La purga y trampa es algo más sofisticada. En ella, se mejora el rendi-miento del espacio en cabeza mediante la inyección en el vial de un gas inerte que empuja a los com-puestos volátiles hacia un compartimiento en el que los analitos quedan adsorbidos. La cromatografía consiste en un conjunto de técnicas que permiten la separación de los componentes presentes en una mezcla en base a su diferente movilidad en un medio poroso cuando son arrastrados por un fluido. El medio poroso recibe el nombre de fase estacionaría, y el fluido (gas o líquido) el de fase móvil. En líneas generales, en todo sistema cromatográfico se distinguen los siguientes compo-nentes:

- La fase estacionaria; se trata del material inmóvil sobre el que se produce la separación de los analitos.

- El soporte, que es el material sobre el que descansa la fase estacionaria.

- La fase móvil, que es el fluido que arrastra a la muestra a través de la fase estacionaria.

- Detector, aparato que registra una propiedad físico-química del analito que va saliendo

(eluyendo) de la fase estacionaria.

- Cromatograma, representación de una propiedad físico-química del eluido en función del tiempo o del volumen de elusión.

Las características de cada uno de estos componentes varían según el tipo de técnica. Existe un gran número de técnicas cromatográficas, de entre ellas las más utilizadas en la determinación de compues-tos orgánicos son:

• Cromatografía líquida de alta resolución (HPLC).

• Cromatografía de gases (GC).



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Cromatografía líquida de alta resolución (HPLC)

Se trata de una variante de cromatografía líquida (LC) en la que la fase móvil y la muestra se hacen pasar a través de la columna mediante una bomba de alta presión, y en los que la muestra se inyecta de modo tal que el flujo no se ve interrumpido. Todo ello para lograr que los analitos de la muestra inter-acciones con una fase estacionaria formada por partículas alteamente empaquetadas, lo que propor-ciona una mayor eficiencia del proceso cromatográfico. Los principales componentes de un cramtógrafo HPLC son:

• La bomba de impulsión. • El sistema de inyección.

• La columna.

• Detector.

La bomba de impulsión debe ser capaz de suministrar una presión de varias atmósferas. Las modali-dades más utilizadas son las bombas de desplazamiento positivo, o de jeringa; y las bombas de pistón con movimiento de vaivén. Las primeras deben ser rellenadas cada vez que se vacían, mientras que las segundas pueden mantener el flujo por tiempo indefinido. El sistema de inyección introduce la muestra en la corriente de fase móvil que fluye de la bomba a la columna, sin producir una interrupción del flujo ni alterar la presión. Puede ser manual o automático. La columna en HPLC consiste en un cilindro de acero de 10 a 25 cm de largo y 4 a 5 mm de diámetro interno, y contienen la fase estacionaria dividida en partículas de 2 a 10 micras. Suelen tener filtros a la entrada para evitar la entrada de partículas que pudiesen existir en la muestra. Los detectores más usuales en HPLC son el de absorción UV-VIS, y el de fluorescencia. Entre los detectores de UV-VIS los más frecuentes son los de longitud de onda variable, y los de diodo array. En los primeros se selecciona la longitud de onda a la que se desea medir mediante una red de difrac-ción. En los segundos, el detector suministra el espectro de absorción de UV-VIS del material eluido. Entre las aplicaciones de la HPLC en el campo de la determinación de contaminantes ambientales destacan el análisis de los Hidrocarburos Policíclicos Aromáticos (PAHs), Trazianas, y cianotoxinas como las microcistinas.



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Cromatografía de GASES (GC)

En la GC los analitos, en estado gaseoso, se reparten entre una fase móvil gaseosa, y una fase estacio-naria sólida o líquida. Los componentes básicos de un cromatógrafo de gases son:

• Depósito de gas portador. • Regulador de flujo.

• Inyectores.

• Columnas.

• Detectores.

El depósito de gas portador suele consistir en una bala de gas comprimido. Su misión es doble, por un lado desplazar a los analitos por el interior de la columna, y por otro suministrar una matriz ade-cuada al detector. Para ello debe cumplir tres requisitos: ser inerte, poder obtenerse con una elevada pureza, y no representar un gasto económico importante. Como gases portadores suelen utilizarse el nitrógeno, el helio, el hidrógeno, y el argon. El regulador del flujo del gas, consiste en un dispositivo electrónico que permite controlar la veloci-dad de la fase móvil. Los inyectores, son las partes del sistema por donde se introduce la muestra, mediante microjeringas; bien manualmente, o preferiblemente, por medio de un inyector automático. Además de ser el punto de entrada en la columna cromatográfica, es el sitio donde se produce la volatización y mezcla de las sustancias a determinar, por lo que la temperatura de esta parte del equipo tiene que estar muy bien controlada.



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Las columnas, que contienen la fase estacionaria, pueden ser de dos clases: empaquetadas y capilares. Ambas se diferencian en su longitud, diámetro interior, y naturaleza. Las columnas empaquetadas tienen entre 1 y 2 m de largo, su diámetro interior es de 1 a 2 mm, y están fabricadas en acero inoxidable. Las columnas capilares alcanzan los 10 m de longitud, y están hechas de sílice fundida. Las columnas se alojan en el interior de un horno dotado de un sistema de calefacción eléctrico, un ventilador y un dispositivo de apertura, todos ellos controlados por un microprocesador. El control de la temperatura en la columna es crucial para una buena separación cromatográfica: debe ser lo sufi-cientemente alta como para permitir la volatilización de los componentes de la muestra pero no tan elevada como para descomponerlos. Los detectores más empleados en GC son: de conductividad térmica (TCD), de ionización a la llama (FID), de captura electrónica (ECD), de fósforo-nitrógeno (NPD), fotométrico de llama (FPD), y el espectrómetro de masas (MS). De entre todos ellos, los más habituales en química de contaminantes ambientales son el FID, el ECD, y el MS. En el cuadro adjunto se muestran las aplicaciones más co-rrientes para cada tipo de detector:

ANALITOS

TÉCNICA CG

Compuestos Orgánicos Volátiles no halogenados

Detección mediante FID

Bifenil policlorados/Plaguicidas organoclorados

Detección mediante ECD

Compuestos Orgánico Volátiles halogenados

Detección mediante espectroscopia de masas

El FID responde a casi todos los analitos con independencia de su estructura química, lo único que se necesita para que de señal es que el analito contenga carbonos orgánicos. Este detector consta de una llama de hidrógeno/aire, un colector de iones, y un amplificador de corriente. El gas portador (N2 o He), procedente de la columna cromatográfica, pasa a través de la llama y no genera señal alguna. Cuando aparece un compuesto con carbonos orgánicos, éstos se pirolizan en la llama y forman catio-nes. Mediante un campo eléctrico son conducidos al colector, lo que genera una corriente eléctrica que es amplificada. El ECD responde a los analitos electronegativos (compuestos halogenados, nitrilos, nitratos, com-puestos organometálicos), debido a que su funcionamiento se basa precisamente en la afinidad de los compuestos hacia los electrones. El detector consta de una cavidad con dos electrodos y una fuente radiactiva de partículas beta (electrones) que suele ser 63Ni . Cuando el gas portador entra en la cavi-dad sufre el bombardeo de partículas beta transformándose en un plasma de electrones. Los electrones del plasma son atraídos por el ánodo formándose una corriente eléctrica que es registrada. Cuando el gas portador arrastra hacia el interior de la cavidad un analito electronegativo, éste captura electrones del plasma, lo que produce una disminución de la corriente eléctrica.



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El EM permite identificar el analito de modo altamente específico, puesto que mide la relación ma-sa/carga del mismo. Un espectrómetro de masas consta de tres elementos básicos: la fuente de ioniza-ción, el analizador, y el detector de iones. La fuente de ionización es el componente en donde se introduce la muestra, se evapora, y las molécu-las de analito se ionizan y vaporizan. La fuente de ionización más corriente es la cámara de impacto electrónico. En ella, un filamento emisor, colocado a la entrada de la cámara, emite electrones hacia su interior. El interior de la cámara esta dotada de un potencial positivo, lo que provoca la aceleración de los electrones. En un lado del interior de la cámara se dispone un repelente de iones: una placa carga-da positivamente. Cuando las moléculas gaseosas de muestra entran en el haz de electrones se ionizan, y el repelente las empuja fuera de la cámara. En el analizador se produce la separación de los iones en función de su relación m/z. El más extendido es el de cuadrupolo. Está formado por cuatro rodillos metálicos alineados paralelamente entre sí . Sobre dos de ellos se aplica un campo eléctrico, y sobre los otros dos, diametralmente opuestos, un campo magnético. Para una combinación de ambos campos determinada sólo los iones de una relación m/z dada podrán atravesar el cuadrupolo y llegar hasta el detector. El detector recibe a los iones a diferentes tiempos, generándose en él una corriente que luego será amplificada. El más habitual es los detectores del tipo multiplicador de electrones, unos dispositivos electroemisores que generan una cascada de electrones cuando sobre ellos impacta un ión. El espectro de masas va a representar la abundancia relativa de cada especie iónica frente a su masa. La complejidad de un espectro de masas es tanto mayor cuanto mayor es el peso molecular y la estruc-tura del analito.



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8.9 Controles de calidad. Factores que afectan a la calidad de los datos. La calidad de los datos finales de análisis se ve afectada no sólo por las actividades que habitualmente se llevan a cabo en el laboratorio sino también por operaciones que se realizan con anterioridad y posterioridad a éstas. En la tabla siguiente se resumen algunos de los factores más frecuentes que afectan a la calidad de los datos en las diferentes etapas de investigación del suelo:

Etapa Factor que puede ser una fuente de error Planificación

• Falta de conocimiento experto • Calidad de la información previa • Estrategia de muestreo • Estrategia de análisis químico

Muestreo

• Heterogeneidad del medio • Método de muestreo • Preparación de las muestras • Contaminación cruzada • Etiquetado de las muestras • Transporte y almacenamiento de las muestras

Análisis

• Almacenamiento de las muestras en el laboratorio • Pretratamiento de las muestras • Calibración • Procedimiento de extracción

Evaluación

• Documentación • Procedimientos de tratamiento de la información

Controles de calidad en el trabajo de laboratorio Para controlar los resultados del laboratorio se hace necesario introducir una serie de controles de calidad, entre los cuales los más habituales son:

• Muestras duplicadas. • Muestras cebadas.

• Muestras de contraste.

• Blancos.

Los duplicados consisten en analizar la misma muestra dos veces, y comprobar que la diferencia entre ambos resultados no supera unos determinados márgenes de aceptación. Las muestras cebadas consisten en muestras a las que se les añade una determinada cantidad de analito conocido. El empleo de este tipo de muestras resulta útil para comprobar el porcentaje de recuperación en las extracciones de compuestos orgánicos.



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Las muestras de contraste son muestras idénticas entre sí que se analizan por laboratorios diferentes utilizando el mismo método de ensayo. Los blancos son muestras sin analito, o con concentraciones inapreciables de éste. Existen diferentes tipos de blancos:

- Blancos de viaje, para detectar posibles contaminaciones de la muestra. Suelen consistir en muestras de agua destilada preparadas en el laboratorio, y que acompañan a los demás recipientes durante todo el proceso de muestreo, siendo después devueltos al laboratorio para su análisis.

- Blancos de campo. Se diferencian de los anteriores en que, una vez en el lugar de mues-

treo, se abren y manipulan del mismo modo que una muestra normal, pero antes de reco-ger las muestras reales. Tiene por objeto detectar posibles contaminaciones de los equi-pos de muestreo.

- Blancos de calibración. Son muestras de agua destilada que se inyectan directamente en

los equipos sin tratamiento alguno con el fin de determinar si el equipo posee algún tipo de contaminación.

- Blancos de reactivos. Iguales que en el caso anterior, con la diferencia de que aquí la

muestra de agua destilada sufre el mismo tratamiento que las muestra de suelo. Su finali-dad es determinar si existe contaminación en el material o en los reactivos empleados.

BIBLIOGRAFÍA.

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tarios en Suelos”. P. Azpeitia, A. Rosado. Publicaciones del IGME. Madrid, 2004. • “Técnicas Analíticas de Contaminantes Químicos”. Miguel Ángel Sogorb, Eugenio Vilano-

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IHOBE. S.A. • “Toxicología Ambiental”. John H. Duffus. Ed Omega. Barcelona 1983.

SUELOS CONTAMINADOS. TRABAJO DE LABORATORIO

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