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De la revisión de los factores que afectan a la distribución y a la asociación del mercurio en los suelos y sedimentos, es evidente que el mercurio, al igual que el resto de metales pesados presentes en suelos y sedimentos, no se encuentra asociado a una única fase del suelo o el sedimento (materia orgánica, óxidos de Fe y Mn, etc), sino que, por el contrario, puede estarlo a varias de ellas y la distribución entre unas u otras dependerá de los factores antes mencionados (pH, potencial redox, contenido de materia orgánica,...) y determinará su potencial toxicidad y movilidad dentro del medioambiente.

Con el fin de poder evaluar los riesgos medioambientales y la posible contaminación, es necesario el uso de metodologías analíticas y estrategias que proporcionen información acerca de la movilidad de los metales traza en suelos y sedimentos. En este sentido, el uso de métodos basados en extracciones químicas selectivas constituyen la aproximación más habitual, para entender y establecer las interacciones de los metales pesados con los componentes de los suelos y sedimentos, o para evaluar su movilidad y disponibilidad para las plantas [11].

Durante las últimas decadas, se han desarrollado y modificado varios métodos de extracción con diferentes propósitos en el campo de la geoquímica, química marina y ciencias agrícolas [12]. Dentro de los esquemas de extracción podemos distinguir dos

grupos principales: extracciones simples, empleadas principalmente en el estudio de suelos, y extracciones secuenciales, desarrolladas inicialmente para el estudio del fraccionamiento de metales pesados en sedimentos, pero que cada vez se emplean con más frecuencia en el estudio de suelos.

4.2.1.1. Extracciones simples

Por lo general, estos procedimientos están diseñados para disolver una fase cuyo contenido en un elemento se relaciona con la disponibilidad de dicho elemento para las plantas. De esta manera, estos esquemas se emplean con frecuencia para la determinación de mayores constituyentes y nutrientes en estudios de fertilización y calidad de las cosechas, para la predicción de toma de elementos esenciales, para la evaluación de exceso o deficiencia de un elemento en el suelo, para el estudio del comportamiento fisicoquímico de elementos en suelos y con propósitos de inspección [13-15].

Los disolventes empleados en los procedimientos de extracción simple pueden ser agentes extractantes suaves (CaCl2, NaNO3) [16, 17], ácidos (CH3COOH, HNO3, HCl)

[16, 18] o agentes formadores de complejos (EDTA, DTPA) [16, 19].

4.2.1.2. Extracciones secuenciales

Los métodos de extracción secuencial se aplicaron empleando agentes extractantes con capacidad de extracción creciente. Algunos de estos esquemas han sido desarrollados para determinar las especies que se encuentran dentro de las distintas fases sólidas del suelo. Aunque inicialmente se pensó que era posible la diferenciación de formas químicas de los metales traza presentes [20, 21], en lugar de ello, estos métodos conducen a la obtención de fracciones operacionalmente definidas [22, 23], las cuales pueden relacionarse con las fracciones potencialmente móviles, biodisponibles o tóxicas asociadas a una muestra y más raramente con especies químicas concretas.

El uso de extracciones secuenciales, aunque generalmente consume bastante tiempo, puede proporcionar información detallada acerca del origen, modo de aparición, disponibilidad biológica y fisicoquímica, movilización y transporte de metales traza. Las experiencias en las cuales se han empleado extracciones secuenciales han

Capítulo 4: DESCRIPCIÓN DE METODOS ANALÍTICOS UTILIZADOS PARA EL ESTUDIO DEL Hg

demostrado que se trata de un medio adecuado para la determinación de metales asociados con las principales fases presentes en suelos y sedimentos. El fraccionamiento de los metales traza se realiza mediante una secuencia de extracciones químicas selectivas, gracias a las cuales tiene lugar la extracción sucesiva de las distintas fases y sus metales asociados [24].

Son numerosos los métodos de extracción secuencial que han sido descritos en la bibliografía [25]. Uno de los primeros y también uno de los más utilizados fue el de

Tessier et al. [20] que consiste en una extracción en cinco etapas, en las cuales los metales se distribuyen entre diferentes fracciones, cada una de ellas relacionada con fases presentes en la muestra. Desde entonces han sido numerosos los procedimientos de extracción simple o secuencial que se han aplicado al estudio de la movilidad y biodisponibilidad de metales en suelos y sedimentos, la mayoría de ellos basados en el procedimiento original de Tessier.

Pese a la innegable utilidad de estos métodos, uno de sus mayores inconvenientes es que no existe un acuerdo general sobre las disoluciones a emplear como agentes extractantes en un proceso de extracción secuencial de una muestra de suelo o sedimento. Esto es debido fundamentalmente a los efectos de matriz que tienen lugar en estos procesos químicos heterogéneos y que dan lugar a que no exista una homogeneidad respecto a los resultados que puedan obtenerse al aplicar métodos distintos a una misma muestra. En el estudio de la reactividad de las especies o de las formas químicas asociadas de los metales pesados en estas muestras se han empleado numerosos medios de extracción con distintos fines, como soluciones de electrolitos (CaCl2 o MgCl2), soluciones tampón

de ácidos débiles (ácido acético o ácido oxálico), agentes quelatantes (EDTA o DTPA), agentes reductores (NH2OH), ácidos fuertes (HCl, HNO3, HClO4, HF) o soluciones de

reactivos básicos (NaOH, Na2CO3) [26-29]. Idealmente, la selección de estos agentes

extractantes se realiza en función de su selectividad por determinada fase o fases asociadas del metal extraído, sin embargo, en la práctica, en la mayoría de los casos esta selectividad no suele ser completa y está influenciada por diferentes factores que deben ser evaluados de una manera crítica a la hora de elegir los agentes extractantes en una investigación específica. Algunos de los factores más importantes que influyen en la selección de un agente extractante se citan a continuación:

• Las propiedades químicas del agente extractante elegido.

• Los parámetros experimentales, tales como concentración, pH, proporción entre el volumen de agente extractante y el peso de muestra sólida, tiempo de extracción, tipo de agitación, etc…

• La secuencia de las extracciones individuales.

• Efectos de matriz específicos tales como la contaminación cruzada y readsorción de especies extraídas.

• La heterogeneidad, así como las posibles asociaciones físicas de las diferentes fracciones sólidas.

• La presencia en la muestra de otros compuestos que puedan promover o, en su caso, inhibir la solubilización de las especies metálicas en un determinado agente extractante.

Así, a la hora de diseñar un procedimiento de extracción secuencial adecuado para un propósito específico deberemos considerar los siguientes puntos:

• Agentes extractantes: La selección de los mismos deberá tener en cuenta las posibles interferencias físicas y químicas que puedan producirse, tanto en los procesos de extracción, como en las posteriores etapas de análisis de las fracciones obtenidas. • Etapas de extracción: En este punto deberemos tener en cuenta aspectos tales como

la selectividad y los posibles procesos de readsorción y redistribución que puedan tener lugar. Los agentes extractantes individuales pueden ser elegidos en función de su capacidad de intercambio iónico o de sus propiedades oxidantes o reductoras. • Concentración de los reactivos empleados en las etapas de extracción: La eficacia de

un agente extractante para disolver o desorber metales traza en muestras de suelos o sedimentos se incrementa, en general, al aumentar la concentración o la fuerza iónica de los agentes extractantes.

• pH de las disoluciones extractantes: Influirá de modo fundamental en la capacidad de extracción del agente. También debemos tener en cuenta la conveniencia o no de emplear disoluciones tampón.

• Proporción disolución/sólido: La cantidad relativa de agente extractante añadido a la muestra de suelo o sedimento tiene varias implicaciones respecto a la extracción de los metales. De acuerdo con las conclusiones del estudio de Wenzel et al. [30]

Capítulo 4: DESCRIPCIÓN DE METODOS ANALÍTICOS UTILIZADOS PARA EL ESTUDIO DEL Hg

pueden ocurrir cuatro posibles interacciones entre la disolución extractante y la muestra sólida extraída: (i) la mera disolución de las especies metálicas en función de su producto de solubilidad, (ii) un simple intercambio iónico entre la muestra y soluciones salinas de concentración 0,1-1 mol L-1 o (iii) intercambio iónico entre la muestra y agua o soluciones salinas altamente diluidas (concentración << 0,1 mol L-

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), y (iv) combinaciones de (i) y (ii) o (iii). Si la proporción disolución/sólido es suficientemente alta, la capacidad del agente extractante para disolver el metal presente en una fracción excederá la cantidad de éste presente y podrá ser extraído cuantitativamente. Idealmente un agente extractante no debería ser capaz de extraer una cantidad mayor de metal que la que corresponde a la fase extraída, aún a pesar de aumentar la proporción disolución/sólido, sin embargo, en la práctica debido a la falta de selectividad de los extractantes, con frecuencia éstos disuelven parcialmente los metales asociados a otras fases dando lugar a resultados engañosos. Por todo ello, a la hora de abordar el desarrollo de un método de extracción secuencial es fundamental realizar un estudio exhaustivo de optimización de la proporción relativa entre el volumen de disolución de agente extractante y el peso de muestra sólida empleados.

• Tiempo de extracción: En general un aumento del tiempo de extracción conlleva un aumento de la cantidad de metal extraído. El efecto del tiempo de extracción depende de la cinética de las reacciones que tienen lugar entre la muestra sólida y el agente extractante. Podemos decir que las extracciones químicas se basan fundamentalmente en reacciones de desorción o disolución. En los procesos de desorción de los metales en sistemas sólidos heterogéneos, Sparks [31] identificó cuatro etapas: (i) difusión de los cationes en la disolución, (ii) difusión en la superficie, (iii) difusión de las partículas, y (iv) reacción de desorción. De acuerdo con esto, la velocidad de la mayoría de las reacciones de intercambio iónico está controlada por la etapa de difusión en la superficie y/o por la etapa de difusión de las partículas. La mezcla y agitación vigorosas influye de un modo significativo en estos procesos. La difusión en la superficie normalmente predomina en el caso de partículas pequeñas, mientras que para partículas mayores la etapa limitante será la difusión de partículas. En las disoluciones diluidas, en general, se favorecen los procesos controlados por la difusión en la superficie. El tiempo necesario para alcanzar el equilibrio en procesos de intercambio iónico en suelos puede variar entre

unos pocos segundos y días, y también está afectado por las características de los suelos.

En los procesos de disolución, esencialmente existen tres pasos que controlan la velocidad [32]: (i) transporte del soluto fuera desde el cristal disuelto, (ii) reacción superficial donde los iones son separados de la superficie de los cristales, y (iii) combinación de ambos pasos. La agitación mecánica incrementa la velocidad de las reacciones controladas por los procesos de transporte (i), mientras que no afectan a aquellas controladas por los producidos en superficie (ii).

La influencia de todos estos factores hace que los métodos de extracción secuencial adolezcan de una “falta de armonización intrínseca”. En un esfuerzo por proporcionar un método estándar que permita la comparación e integración de resultados la “European Community Bureau of Reference (BCR)” ha desarrollado un protocolo de extracción secuencial en tres etapas para el estudio del fraccionamiento de los metales en suelos y sedimentos [18]. Las principales características de este método se muestran en la tabla 4.5.

Tabla 4.5. Método de extracción secuencial desarrollado por el BCR

Etapa de extracción Extractante/ Concentración/ pH Fase sólida