Utilización de métodos espectroscópicos para el análisis de los componentes químicos del suelo

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UNIVERSIDAD SANTO TOMAS

FACULTAD DE QUIMICA AMBIENTAL

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Aplicaciones de las técnicas espectroscópicas para determinar los componentes químicos del suelo

Heilyn Ramírez

Profesor: Carlos Osorio Martínez.

Química de suelos, Universidad Santo Tomás, Bucaramanga-Santander.[pic 5]

Resumen.

El suelo es un recurso natural fundamental en el ambiente el cual no es renovable, está constituido por minerales, aire, agua, materia orgánica, macro y micro-organismos. Debido que a la proporción en la que se encuentren, estos le confieren propiedades físicas, químicas y biológicas, es importante realizar un análisis sobre sus componentes. En el presente informe se realizó una revisión bibliográfica del artículo “Spectral characteristics of organic soil matter: A comprehensive review” donde los autores Vishal Sharma et al. realizaron una revisión de las técnicas espectroscópicas tales como la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), Raman, UV-Vis-NIR y la espectroscopia de descomposición inducida por láser (LIBS); las cuales son utilizadas para determinar los constituyentes químicos del suelo, mediante la examinación de las propiedades espectrales de las muestras de suelo. Así mismo se mencionan y explican determinados métodos espectroscópicos que son utilizados para la caracterización y discriminación del suelo en función de las materias orgánicas, el estudio de la contaminación del suelo, carbonatos, etc. Con un enfoque forense y en agricultura se agruparon algunas de las investigaciones mencionadas en este artículo las cuales han utilizado estas técnicas para así conocer, como por ejemplo en el enfoque de agricultura, la fertilidad, retención del agua y los nutrientes presentes en el suelo que determinan al final la calidad del cultivo. Y por último también los autores del artículo resaltan algunas correcciones para mejorar en el momento de realizar el procesamiento de los datos por métodos estadísticos, los cuales también fueron agregados en el presente informe. Así se resalta que el uso de estas técnicas espectroscópicas tiene mejores ventajas que las técnicas analíticas, tales como que no son métodos destructivos, requiere de mínima preparación de las muestras y son de bajo costo además que son técnicas más frecuentes de encontrar en el laboratorio.

Palabras clave: Análisis del suelo, Componentes químicos del suelo, Técnicas espectroscópicas, Agricultura, Enfoque forense

Abstract.

Soil is a fundamental natural resource in the environment which is non-renewable, it is made up of minerals, air, water, organic matter, macro and micro-organisms. Due to the proportion in which they are found, these confer physical, chemical and biological properties, it is important to perform an analysis of its components. In this report, a bibliographic review of the article "Spectral characteristics of organic soil matter: A comprehensive review" was carried out, where the authors Vishal Sharma et al. reviewed spectroscopic techniques such as Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Raman, UV-Vis-NIR and laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), which are used to determine the chemical constituents of soil by examining the spectral properties of soil samples. Also mentioned and explained are certain spectroscopic methods that are used for the characterization and discrimination of soil in terms of organic matter, the study of soil contamination, carbonates, etc. With a forensic and agricultural approach, some of the researches mentioned in this article were grouped, which have used these techniques in order to know, for example in the agricultural approach, the fertility, water retention and nutrients present in the soil that determine in the end the quality of the crop. And finally, the authors of the article also highlight some corrections to improve the processing of data by statistical methods, which were also added in this report. Thus, it is highlighted that the use of these spectroscopic techniques has better advantages than analytical techniques, such as that they are not destructive methods, require minimal sample preparation and are low cost, in addition to being more frequent techniques found in the laboratory.

Keywords: Soil analysis, Soil chemical constituents, Spectroscopic techniques, Agriculture, Forensic approach.

Marco teórico.

El Suelo.

El suelo es un cuerpo natural activo que se produce en la capa superficial de la tierra y a su vez contiene sólidos, líquidos y gases. El suelo está compuesto químicamente por componentes orgánicos e inorgánicos, ácidos húmicos los cuales afectan la fertilidad y capacidad de retención de agua, ácidos fúlvicos, óxidos de hierro, carbonatos, etc. Los cuales al final determinan la composición química del suelo y por otra parte se tiene al carbono total en el suelo (COS) que debido a que varias funciones químicas, físicas, ecológicas y biológicas dependen de él, funciona como un indicador de la calidad del suelo.

La mitad del volumen del suelo está constituido por minerales orgánicos e inorgánicos. Como principal componente orgánico se incluye al humus (plantas y animales (vivos/muertos)) y se clasifica en:

a) Huminas: moléculas grandes que no son solubles en agua a ningún pH

b) Ácido húmico (AHs): Soluble en agua en condiciones alcalinas

c) Ácido fúlvico (AF): Soluble a cualquier pH

Por otra parte los minerales inorgánicos de los cuales se compone el suelo son: aluminio, silicio, calcio magnesio, hierro, potasio y sodio como elementos principales, y boro, magnesio, cobre, molibdeno, flúor, yodo y cobalto como elementos menores.

El valor probatorio del suelo depende generalmente de las propiedades químicas/físicas.

El suelo en la agricultura y las ciencias forenses.

El conocimiento sobre la composición química del suelo es esencial para la agricultura debido a que la composición química determina propiedades como la fertilidad, la capacidad de retención del agua y los nutrientes presentes en los suelos que afectan directamente a los cultivos en cuestión de calidad y para la preservación del medio ambiente ya que este es soporte de vida de algas, bacterias, microorganismos que dan equilibrio al medio ambiente.

Por otra parte el suelo también es usado para investigaciones criminales así como casos de tráfico de flora y fauna, ya que el suelo puede ser utilizado como una evidencia física relevante debido a sus propiedades transferibles de un lugar a otro. Se analiza si la tierra recogida es igual a la tierra recogida del sospechoso y también puede relevar las zonas geográficas de tráfico de flora y fauna.

Es necesario analizar las muestras de suelo en intervalos regulares para mejorar la producción de los cultivos. Los análisis elementales revelan el nivel de metales pesados presentes en los suelos y sus efectos en la salud del ser humano. Desde el punto de vista forense, la caracterización y discriminación de los estudios del suelo son de bastante ayuda para vincular a los criminales con el delito y, por lo tanto, para identificar a los autores.

¿Cómo se analiza el suelo?

Recientemente se han desarrollado técnicas analíticas como las de microscopios electrónicos TEM SEM y AFM, difracción de rayos X XRD y XRF, cromatografía TLC y HPLC, espectrometría de masas MS, entre otras; las cuales son utilizadas en general para estimar la composición química en el suelo con resultados precisos. Sin embargo, estas técnicas poseen algunas limitaciones como por ejemplo largos procesamientos de las muestras y sus exámenes destructivos. Así mismo dentro de las técnicas también existen limitaciones específicas como “por ejemplo, XRF es inapropiado para la detección de todos los elementos de la tabla periódica; el método microscópico, es decir, SEM-EDS, puede detectar los elementos pero no puede distinguir entre especies iónicas y no iónicas y se requiere vacío para el análisis” Vishal Sharma et al.

Otra forma de poder analizar la composición química del suelo es por medio de los métodos espectroscópicos tales como como la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), Raman, UV-Vis-NIR y la espectroscopia de descomposición inducida por láser (LIBS). Las cuales tienen ventajas tales como que no son métodos destructivos, requiere de mínima preparación de las muestras y son de bajo costo.

Antecedentes de la aplicación de métodos espectroscópicos.

En 2011, los autores Maurel y McBratney publicaron una revisión sobre la aplicación de laespectroscopia NIR y MIR para la detección del contenido de carbono en el suelo. En el cual concluyeron que la espectroscopia MIR es mejor que la espectroscopia NIR para la detección del contenido de carbono porque la MIR proporciona un 10-40 % menos de errores de predicción.

Otro autor llamado E.S. Mohammad et al. ha publicado recientemente un artículo de revisión sobre la aplicación de la espectroscopia de reflectancia NIR, para la estimación cuantitativa de las propiedades del suelo. En VIS-NIR podría ser una buena herramienta para la cartografía de las propiedades del suelo porque reduce el tiempo y el coste.

Y por último en 2016 Senesi y Senesi, publicaron una revisión sobre la aplicación de LIBS en la medición cuantitativa del carbono orgánico del suelo Han encontrado que la exactitud, sensibilidad, precisión y selectividad de la técnica LIBS son comparables con los métodos convencionales/elementales. “Esta técnica es rentable, robusta y puede analizar muchas muestras simultáneamente” Vishal Sharma et al.

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