Revisión sistemática de literatura sobre la relación entre la teoría y la práctica en estudiantes de biología y química de Colombia

Juan Pablo Betancourt Arango¹  , María del Carmen Suárez Millán²  , Diana Yurany Álvarez Márquez³  

 Recibido: 29 de abril del 2021 Aceptado: 2 de Agosto de 2021 Actualizado: 27 diciembre de 2021

DOI: 10.17151/luaz.2022.54.7

Resumen

Las revisiones sistemáticas (RS) son investigaciones científicas en las que se pretende dar respuesta a una pregunta de investigación claramente formulada mediante un proceso sistemático, en este caso enfocado a demostrar aspectos importantes de la relación teoría-práctica aportados en el proceso formativo en estudiantes de áreas de biología y química de Colombia. De esta manera, a través de una metodología sistemática y cualitativa, se busca realizar una comparación constructiva de diferentes investigaciones reportadas en la literatura, con el fin de demostrar la relación entre el saber disciplinar (teoría) y la praxis (práctica), que se pueden evidenciar a través de investigaciones publicadas por diferentes instituciones del país, demostrando la relación teoría-práctica como una unión sinérgica e indisoluble. Esto permitió concluir que, independiente del área de biología o química en el que se encuentre, siempre va existir una relación entre la teoría y la práctica, donde el sujeto interrelacione ambos componentes, cuando se establece dicha conexión se podrá afirmar que los procesos teóricos ayudan a fundamentar los diferentes procesos prácticos que se pueden encontrar en nuestro diario vivir, además, esa estrecha relación es lo que complementa la formación no solo de estudiantes de la Licenciatura en Biología y Química, sino que también en estudiantes que se dedican al estudio y desarrollo de investigaciones en dichas áreas.

Palabras clave: formación, investigaciones científicas, revisión sistemática, teoría-práctica.

Systematic Review of Literature on the Relationship between Theory and Practice in Biology and Chemistry Students of Colombia

Abstract

Systematic reviews (SR) are scientific research in which the aim is to answer a clearly formulated research question through a systematic process, in this case focused on demonstrating important aspects of the theory-practice relationship provided in the training process in students of the biology and chemistry areas in Colombia. In this way, through a systematic and qualitative methodology, the purpose is to carry out a constructive comparison of different research papers reported in the literature, in order to demonstrate the relationship between disciplinary knowledge (theory) and praxis (practice), which can be evidenced through research published by different institutions in the country demonstrating the theory-practice relationship as a synergistic and indissoluble union. This allowed concluding that, regardless of the area of biology or chemistry in which one is located, there will always be a relationship between theory and practice, where the subject interrelates both components. When this connection is established, it can be stated that theoretical processes help to support the different practical processes that can be found in our daily lives, in addition, this close relationship is what complements the training not only of students of the Bachelor's Degree in Biology and Chemistry, but also in students who are dedicated to the study and development of research in these areas. 

Key words: training, scientific research, systematic review, theory – practice.

Introducción

Actualmente existe una explosión de información, más de dos millones de artículos son publicados anualmente, en más de 20.000 revistas. Ante este volumen inmanejable de información, los investigadores preferimos resúmenes no sesgados de investigaciones originales (fuentes primarias) (González et al., 2011). De esta manera, dentro de los estudios por revisión de publicaciones se conocen dos tipos diferentes: la revisión sistemática y la revisión no sistemática o revisión narrativa (update). El método tradicional de integración en la literatura ha sido la revisión narrativa, pero tiene dos debilidades básicas (González et al., 2011). En primer lugar, no hay norma sobre cómo conseguir los datos primarios, cómo integrar los resultados; lo que prima es el criterio subjetivo del revisor. En segundo lugar, el revisor narrativo no sintetiza cuantitativamente los datos hallados en las distintas publicaciones, por tanto, estas revisiones son muy susceptibles a imprecisiones y sesgos. La revisión sistemática, por el contrario, exige un método riguroso y explícito para la identificación, evaluación crítica y síntesis de la evidencia obtenida (González et al., 2011).

Este proceso de revisión debe estar desarrollado y planeado por adelantado (a priori) para reducir los sesgos y eliminar los estudios irrelevantes o de baja calidad. Para ello, González et al. (2011) reportan el siguiente protocolo:

1. Formulada una pregunta basada en una estructura PICO (población, intervención, comparación, desenlace) o una estructura PIO (población, intervención y desenlace)

2. Desarrollo de protocolos, en el cual se anexan los criterios de exclusión (filtros para el descarte de artículos que no pertenecen a la temática) e inclusión (filtros para la obtención de artículos relacionados a la temática): idioma, tipo de diseño, tipo de publicación, superposición de la población, entre otros.

3. Adquisición de evidencia (búsqueda bibliográfica)

4. Síntesis de evidencia

5. Evaluación del riesgo de sesgo: calidad de la evidencia

Revisión sistemática (RS) 

Las revisiones sistemáticas (RS) son investigaciones científicas en las cuales la unidad de análisis son los estudios primarios; de esta manera, constituyen una herramienta esencial para sintetizar la información científica disponible (González et al., 2011). Las RS pueden ser de tres tipos diferentes: cualitativa, cuantitativa y mixta. Las revisiones de tipo cualitativo son las que resumen la información pero no hacen un análisis matemático de los resultados, prima la subjetividad del autor y no hay manera de comprobar, interpretar o aplicar lo reportado en el estudio; las revisiones de tipo cuantitativo son las que presentan un análisis matemático (estadístico) para combinar los resultados de dos o más estudios y se conoce como metaanálisis; las revisiones de tipo mixto son los que realizan protocolos en forma de revisión sistemática pero que además, amplían los resultados con un metaanálisis.

La RS son investigaciones científicas que analizan estudios primarios, sintetizan información, incrementan la validez de las conclusiones e identifican áreas de incertidumbre donde debe hacerse investigación, es una recopilación de información en la que los artículos son los individuos de estudio, es decir, en el análisis, la cantidad total de artículos es el tamaño de la muestra (Ferreira-González et al., 2011). A diferencia de Sobrido y Rumbo (2018), que establecen la RS como un tipo especial de documento científico, en el cual, se pretende resumir el estado actual de la investigación frente a una determinada temática en particular, siendo un proceso sistemático riguroso y reproducible, que toma como base los resultados de gran variedad de investigaciones primarias reportadas sobre dicha temática.

Revisión narrativa (RN)

Las revisiones bibliográficas narrativas proporcionan un examen de literatura reciente, nacen con el fin de ofrecer una comprensión más profunda de un fenómeno, consolidar el conocimiento existente e identificar carencias (González et al., 2011). También es considerada como una síntesis de literatura sobre un tema, en la que se utilizan métodos informales para seleccionar e interpretar la información. En la RN no aparece claramente especificada la metodología o, si aparece, esta suele ser difusa (González et al., 2011).

Metaanálisis (MA)

El metaanálisis proviene del griego meta (después de) y análisis (descripción o interpretación); por ende, consiste en el análisis estadístico de la recolección de resultados extraídos desde estudios primarios o individuales, con el propósito de integrar los hallazgos obtenidos (Pérez, 2010). Tiene dos etapas. La primera consiste en calcular las medidas de efecto para cada estudio y su intervalo de confianza (Pérez, 2010). La segunda es calcular el efecto global, resumen o combinado de la intervención como una medida ponderada de los efectos obtenidos en los estudios individuales (Pérez, 2010).

El objetivo del MA es la integración de los estudios y la posterior obtención de información global de los resultados aportados por cada uno de ellos. El metaanálisis es una metodología para la revisión sistemática y cuantitativa de la investigación, ampliamente consolidada y aplicada en las ciencias en general y aún más en el área de la salud; de esta forma, con esta metodología se ofrece las técnicas necesarias para acumular rigurosa y eficientemente los resultados cuantitativos de los estudios empíricos sobre un mismo problema, permitiendo a los profesionales la determinación de decisiones informadas en sus respectivas áreas de trabajo (Marín-Martínez et al., 2009).

Relación entre la teoría y la práctica

La relación teoría - práctica es uno de los temas más relevantes y recurrentes en el campo de la didáctica porque es tan amplio, complejo y difuso que es imposible darle una respuesta definitiva; aquellos que se han dedicado a la enseñanza, han planteado en mayor o menor medida, cómo conectar mejor su saber con la práctica y llevarlo al mundo contemporáneo (Álvarez y Hevia, 2014). La teoría tiene que ver con la elaboración sistemática de conocimiento pedagógico, y algunos términos habituales para referirse a este concepto son los de: conocimiento, ciencia o investigación; a su vez, constituye un conjunto de leyes, enunciados e hipótesis que configuran el conocimiento científico, sistematizado y organizado (Álvarez y Hevia, 2014).

La práctica, por su parte, se concibe como “el cuerpo a cuerpo” del trabajo cotidiano del profesorado en los diferentes niveles de los centros educativos, sobre todo en las aulas, pero también fuera de ellas (Álvarez, 2012). Estaría constituida por el repertorio de comportamientos, acciones, actitudes y valores manifestados por los docentes en su centro de trabajo; para referirse a la práctica suelen emplearse términos como praxis, acción o enseñanza (Álvarez y Hevia, 2014).

Importancia de la revisión sistemática en la relación teoría-práctica

Siempre ha existido una gran diferencia entre los procesos abordados desde la teoría y los resultados que se obtienen cuando el mismo proceso se realiza de forma práctica. La teoría parte de un fundamento científico que toma en cuenta todas las posibles finalidades que podría presentar algo en cuestión y aborda los temas de una manera completa, la práctica como tal, es la aplicación de esa teoría, enfrentar y contrastar con la realidad lo que se ha documentado con anterioridad (Álvarez y Hevia, 2014).

Por ende, la implementación de la RS en un proceso teórico-práctico en la formación de docentes en Colombia y especialmente los relacionados con biología y química, pretende poner a prueba la mayoría de información científica posible en diferentes momentos del docente, aplicar proyectos de aula, proyectos de investigación a nivel institucional, proyectos de grados o cualquier tipo de investigación científica, para la cual sea necesaria la recolección de información (Álvarez y Hevia, 2014). De esta manera, es importante hacer una comparación entre la literatura reportada con la realidad, para poder realizar una RS que permita recolectar la mayor cantidad de evidencias, analizarlas y con base en esto, tomar decisiones decisión frente a la influencia generada por la interacción entre la teoría y la práctica en las áreas de conocimiento de biología y química en Colombia.

 Metodología

Este tipo de investigación se trabajó con base en un análisis cualitativo, en el cual Nava et al. (2008) nos expresa que:

Los métodos de investigación cualitativa son actualmente herramientas fundamentales y complementarias en todas las disciplinas de las Ciencias Sociales para enriquecer el trabajo Multi, Inter y Transdisciplinar, como es el caso de los estudios para el desarrollo, donde confluyen diversas áreas del conocimiento. La investigación cualitativa privilegia la subjetividad de las y la intersubjetividad dentro de los contextos, la cotidianidad y la dinámica de interacción entre estos elementos como objeto de estudio.

De esta forma, a partir de esta revisión sistemática se pretende contestar a una pregunta de investigación claramente formulada mediante un proceso sistemático, para este caso es: ¿de qué manera la revisión sistemática aplicada en la teoría - práctica aporta en el proceso formativo en estudiantes de biología y química en Colombia?; en donde, a través de una búsqueda exhaustiva en diferentes bases de datos, se encuentre gran variedad de artículos de investigación dentro de la población de interés, por ende, ayudando así a dar solución a la pregunta de investigación establecida y comparando la información reportada por otros investigadores.

Una vez realizada la revisión sistemática, se procede a extraer la información de los artículos de interés, para establecer una comparación entre estos; teniendo en cuenta los intereses, las intencionalidades y los conocimientos que les permitirán a los estudiantes en formación comprender la relación entre la teoría y la práctica en la enseñanza de áreas de biología y química en escenarios reales y cotidianos en donde se desenvolverá el docente de forma profesional.

Con la información extraída, se procede a realizar un metaanálisis con el fin de analizar las situaciones establecidas en los artículos de interés de forma cualitativa y cuantitativa dependiendo del caso; para así comparar dichos datos reportados en la literatura. Con estos datos obtenidos, luego se procederá a realizar un metaanálisis un poco más ilustrativo para la población científica, a través de un análisis de red (teoría de grafos) con la ayuda de los programas VOSviewer para análisis de datos. El flujo de trabajo se muestra a través de la Figura 1.

Figura 1. Flujo de metodología de trabajo.

Resultados

Enfoques de estudio en Colombia

En primer lugar, se quiso mostrar un análisis de las diferentes áreas de estudio que están siendo más investigadas en los últimos años en Colombia; dicho análisis se realizó a través del programa Wizdom (https://www.wizdom.ai/), en donde se obtuvo el siguiente resultado representado a través de la Figura 2.

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Figura 2. Principales áreas de investigación en Colombia en los últimos nueve años. En color rojo se representa el área de biología y en color morado el área de la química.

En la figura 2 vemos que, la principal área de interés en Colombia en la que se reporta gran variedad de investigaciones, es el área de las ciencias de la salud (Health Science) y es seguido por el área de la biología con diferentes enfoques. El área de la química se ve con un bajo porcentaje dentro de la representación, esto debido a que los enfoques en la química al final de las investigaciones están enlazados al área de la biología y las ciencias de la salud. Pero en resumen se ve la importancia de estas dos áreas de interés para esta investigación, debido a que tienen un alto impacto en la sociedad y en el mundo químico-biológico que hay en Colombia.

Normalización de metadatos

Los metadatos se entienden como cada uno de los términos indexados que componen la pregunta de investigación; de esta forma para verificar la normalización del lenguaje al momento de trabajar con cada término y con los diferentes sinónimos que existen de este, se utilizó el tesauro de Medline, el cual es el Medical Subject Headings (MeSH), que permite al usuario encontrar los términos indexados reportados en la mayoría de los artículos de las bases de datos; y de esta forma, se maneja un lenguaje controlado, haciendo uso de los descriptores utilizados en las bases de datos.

Búsqueda y selección de artículos

Para iniciar la búsqueda de literatura se procedió a incluir los términos en la ecuación de búsqueda establecida que abarca la pregunta de investigación, la cual es: ¿De qué manera la revisión sistemática aplicada en la teoría - práctica aporta en el proceso formativo en estudiantes de biología y química en Colombia? Por ende, se creó la siguiente ecuación de búsqueda general que representa la forma estructura de la pregunta de investigación.

Población = (Estudiante* de biología y química en Colombia)

Intervención = (Revisión sistemática aplicada en la teoría - práctica)

Desenlace = (Aporte en el proceso formativo)

De esta forma, se incluyeron 70 términos que constituyen la población de interés para esta pregunta de investigación; 8 términos que representan la intervención y 15 términos que conforman el desenlace o finalidad de la pregunta de investigación. Los diferentes términos utilizados son sinónimos que están relacionados con cada término que conforma la ecuación de búsqueda. Adicional a esto, se agregaron 133 términos a la ecuación de búsqueda, con el fin de condicionarla para que no se reporten dentro de los resultados de búsqueda artículos que no tengan nada que ver con el enfoque que tiene la pregunta de investigación.

La búsqueda se realizó en las siguientes bases de datos; esto debido a que estas bases de datos fueron las únicas que permitieron contener todos y cada uno de los términos que conforman la ecuación. Además, estas bases de datos se caracterizan por permitir realizar búsquedas a partir de metadatos (entendiéndose estos como el conjunto de datos que describen otros datos; en este caso son cada uno de los términos que conforman la estructuración de la pregunta de interés) y por ser dentro del ranking de bases de datos, las más utilizadas y en las que se reporta gran número de investigaciones. Estas bases de datos son:

v  Web of Science (ISI Web of Knowledge de Thomson Reuters) creado por Eugene Garfield en 1964, el cual facilita el acceso a un conjunto de bases de datos en las que aparecen citas de artículos de revistas científicas, libros y otros tipos de material impreso que abarcan todos los campos del conocimiento.

v  Scopus (Elsevier), una base de datos bibliográfica que contiene resúmenes y citas de artículos de revistas académicas cubriendo 21.000 títulos de más de 5.000 editores.

v  NCBI (National Center for Bitechnology Information), creada en 1988 con el fin de ser una biblioteca Nacional de Medicina en Estados Unidos (PubMed).

v  Scielo (Scientific Electronic Library Online) es una biblioteca electrónica que abarca una colección seleccionada de revistas científicas brasileñas. 

Una vez seleccionadas las bases de datos de interés, se procedió a realizar la búsqueda de estos artículos, los cuales el periodo de búsqueda de estos, fue entre enero de 2019 al 13 de julio de 2019. Además de los términos adicionales agregados a la ecuación, también se utilizaron filtros para refinar la información que son establecidos por las bases de datos, esto con el fin disminuir aun más la información y solamente dejar los artículos que cumplen con las condiciones establecidas, los cuales representarían para investigación una alta calidad de información. Se utilizaron refinados como:

País = Colombia

Período de tiempo = Últimos 5 años (2015 - 2019)

Tipo de documento = Artículo o revisión

Especie = Humanos

Lenguaje = Inglés

De esta forma, se obtuvieron los siguientes resultados que se pueden observar a través de la Figura 3.

Análisis de artículos

Una vez obtenidos los resultados de la RS para cada base de datos, se procedió a descargar los artículos obtenidos de cada base de datos al final de la revisión sistemática y se obtuvo su referencia bibliográfica. Se analizó cada artículo obtenido y se le asignó un número por base de datos, además se clasificó en tres categorías establecidas:

1.                Categoría 1. Artículo teórico

              2.           Categoría 2. Artículo práctico

              3.           Categoría 3. Artículo teórico-práctico

En la categoría uno se ubicaron todos los artículos en los cuales se observó un fuerte desarrollo del componente teórico, el cual se estableció que puede estar representado por el desarrollo de teorías, fórmulas, ecuaciones matemáticas y modelos predictivos matemáticos. En la categoría dos se ubicaron todos los artículos en los cuales se vio un fuerte avance del componente práctico, en el que se estableció que puede estar representado por artículos en los que solo se observa trabajos experimentales o de campo y bajo contenido conceptual. En la categoría tres, se ubicaron todos los artículos en los que se observó una unión entre el componente teórico y el componente práctico (existiendo un equilibrio entre ambos), donde el componente teórico respalda al práctico y a su vez, el componente práctico sustente la teoría.

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Figura 3. Resultados obtenidos en la RS.

De esta forma, se obtuvieron los siguientes resultados para cada artículo con respecto a las bases de datos Web of Science, NCBI/PubMed y Scopus, reportados en las Tablas 1 a 3. 

Tabla 1. Artículos obtenidos en Web of Science.

Tabla 2. Artículos obtenidos en National Center for Bitechnology Information / PubMed.

Tabla 3. Artículos obtenidos en Scopus.

Para resumir, los resultados obtenidos por categorías para cada base de datos se reportan los siguientes resultados en las Tablas 4 a 6.

Tabla 4. Análisis estadístico de los artículos de Web of Science.

Tabla 5. Análisis estadístico de los artículos de National Center for Bitechnology Information / PubMed.

Tabla 6. Análisis estadístico de los artículos de Scopus.

La diferenciación en los resultados obtenidos anteriormente se debe a que, publicar en revistas indexadas (Web of Science, Scopus y National Center for Bitechnology Information / PubMed) puede convertirse, a veces, en un camino lleno de obstáculos difíciles de comprender y de salvar para un investigador en el ámbito de las ciencias; debido a que cada revista tiene unos criterios de selección para poder publicar un artículo científico dentro de su base de datos. Por ello, vamos a analizar cuáles son los criterios de evaluación que establece cada revista y que hace que se obtenga este tipo de resultados. Web of Science es un buscador general que obtiene información de artículos que están presentes también en otras bases de datos y tiene los siguientes criterios de aceptación de artículos: revisión por pares, prácticas de publicación éticas, formato de publicación, texto completo en inglés, entre otras. De igual forma aplica para Scopus y otro tipo de bases de datos. Por otro lado, analizando los resultados obtenidos en las bases de datos, por criterios de aceptación que establece cada una de ellas; vemos que, al analizar todos estos criterios de evaluación vemos National Center for Bitechnology Information (NCBI) es una base de datos con investigaciones relevantes para la biotecnología, ciencias de la salud, entre otros; además de ser un recurso importante para las herramientas y servicios de bioinformática; por consiguiente, de ahí el número tan bajo de artículos reportados dentro del campo de interés de esta investigación.

Con los datos obtenidos en la base de datos Scielo, se pudo analizar lo siguiente: en esta base de datos se realizan diferentes publicaciones sobre pedagogía centrados en ejes temáticos como la biología y la química, pero al momento de realizar la revisión sistemática enfocada en la relación teoría-práctica para estos ejes temáticos, no se reporta ningún artículo entre los años 2015 a 2019. De igual manera, puede que en esta base de datos existan artículos que comprendan estos ejes temáticos de interés; pero para esta investigación quedan descartados por la sencilla razón de que ya es información desactualizada. Además de esto, no se reportan datos de artículos que cumplan todas las condiciones de refinamiento (filtros) establecidos para la búsqueda de los artículos.

Con Scopus y WOS, como se obtuvo igual número de resultados, no se pudo sacar una conclusión a simple vista por el número de artículos, sino que, dicho análisis se hace con base en los resultados porcentuales presentes en cada categoría. No hay indicios del por qué se genere esta variación entre una base de datos y otra, lo que sí se puede decir, es que estas variaciones entre los enfoques teórico y teórico – práctico, están determinados por los criterios de aceptación de las revistas y, por ende, los gustos de los mismos autores para la facilidad de publicación entre una base de datos y otra. Además de esto, para centrar un poco el panorama que tiene Colombia frente a este tipo de investigaciones que resaltan la relación teórica – práctica en el área de la biología y la química, se complementó estos resultados con los análisis de datos proporcionados por Scopus, en el cual se graficó el número de citas de los artículos obtenidos con relación al año de publicación (Figura 4A).

Figura 4a. Gráfica número de citaciones por Año en Scopus. b. Gráfica resultados globales con relación al número de artículos por país en Scopus.

En la figura 4a, se puede ver que desde el 2015 hasta el 2018 de forma general, este tipo de temática para Colombia ha tenido un comportamiento exponencial en cuanto al número de citas, pero que para el presente año no se han reportado nuevas citas que superen las del 2018. Para verificar lo anterior, se realizó una comparación del número de artículos publicados por países de forma global y de forma específica para Colombia frente a los artículos publicados en Scopus, que se puede observar en la Figura 4b.

De forma global, vemos que Estados Unidos es el país que reporta la mayor cantidad de investigaciones con un enfoque más teórico y que trabaja ejes temáticos de biología y química. Pero si lo comparamos con Colombia, no se realiza tantos aportes en esta línea de investigación comparado con Estados Unidos; pero a su vez, la cantidad de investigaciones reportadas supera a países suramericanos como Chile. Centrándonos en Colombia, quisimos observar una comparación por universidades a nivel del país con respecto al número de investigaciones realizadas por universidades de forma nacional, también obtuvimos los siguientes resultados (Figura 5A).

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Figura 5a. Gráfica cantidad publicaciones por Universidades en Scopus. B. Gráfica por área de interés en Scopus.

En la figura 5a se puede ver que, de todas las investigaciones adquiridas en esta revisión sistemática, la mayoría de estos artículos han sido elaborados la Universidad Nacional de Colombia y otras universidades del país; pero no se reportan artículos relacionados con la Universidad de Caldas en cuanto a la relación teoría-práctica en ejes temáticos de biología y química. Si analizamos la información encontrada de los 27 artículos que se obtuvieron en la revisión sistemática y centrándonos en el eje temático de interés, se obtuvo el siguiente resultado a través de la base de datos Scopus (Figura 5B). En el cual, podemos observar que de los artículos obtenidos el 31% tiene un área de interés hacia las matemáticas, el 4,8% tiene un enfoque químico y el 4,8% tiene un enfoque hacia la agricultura y biología. Por ende, vemos que en la base de datos de Scopus de forma global hay un gran número investigaciones con un enfoque en la matemática lo cual afirma las anteriores conclusiones al momento de establecer que hay más artículos en la base de datos de Scopus con un enfoque teórico.

De esta forma, de los 27 artículos obtenidos en la base de datos WOS durante la RS, solamente 11 artículos cumplen las dos condiciones de los parámetros que se establecieron inicialmente; es decir, en estos artículos se evidencia una relación entre la teoría y la práctica, además de estar enfocados en áreas de la química y de la biología (Tabla 7). 

Tabla 7. Síntesis de artículos Web of Science (WOS).

Metaanálisis

El metaanálisis tiene como finalidad la integración de los estudios y la posterior obtención de la información bibliométrica de los artículos primarios obtenidos en cada base de datos, se pretende analizar dichos artículos extraídos de WOS, esto debido a que permite descargar un archivo de texto de plano con la información detallada de cada artículo. Por ende, se descargaron los datos de referencia de cada artículo de WOS y se procedió a analizar la metodología de trabajo reportada por Zuluaga et al. (2016), en la cual se puede observar la serie de procedimientos que se implicaría para poder realizar un metaanálisis a través de la teoría de grafos (Figura 6).

Además, también se reporta el uso de dos programas: Sci2 Tools, un programa que se utiliza para generar las diferentes interacciones (correlaciones) entre artículos de una misma base de datos. Posterior a esto, se llevan los resultados de estas interacciones a un visualizador gráfico como lo es Gephi. Como esta metodología es más compleja y dispendiosa, se decidió trabajar con el programa VOSviewer. Esta modificación a la metodología de trabajo se realiza, debido a que este programa posee una interfaz mucho más sencilla de manejar y además permite sacar las interacciones (correlación) entre los datos bajo los criterios que se desee, generando así el grafo obtenido dentro de la misma interfaz del programa, evitando así requerir el uso de programas independientes. Por ende, con dicho archivo obtenido de Web of Science se obtuvieron los siguientes resultados, que se pueden observar a través de la Figura 7.

Figura 6. Flujo metodológico reportado por Zuluaga et al. (2016).

Figura 7. Esquematización de refinado del Grafo. A. (Número de citaciones 1), B. (Número de citaciones 7) y C. (Número de citaciones mayor a 17).

En el cual, se ve que inicialmente se forman varios clúster relacionados por los autores, pero que a medida que se va aumentando el número de interacciones (en este caso el número de citas reportadas por autor), disminuye el número de clústeres y finalmente se obtiene un grafo que muestra la correlación entre el número de citas reportadas por autor frente a otros autores con la misma cantidad de citas; además, también se ve en el grafo final (Figura 8A), que entre estos autores se presenta un trabajo colaborativo o que por el contrario se citan frecuentemente entre ellos mismos.

Figura 8. A. Interacciones generadas en el Grafo C, con un número de citación mayor a 17. B. Grafo de interacciones entre Colombia y otros países, con respecto a investigaciones colaborativas.

Adicional a esto también se puede observar el grafo de las interacciones (correlación) entre autores y países, lo que demuestra la existencia de estudios colaborativos entre Colombia con otros países, como se puede observar a través de la Figura 8B.

Por otro lado, respondiendo la pregunta de interés y con base en los resultados obtenidos anteriormente, vemos que, desde el punto de vista de la biología y la química, debe existir un fundamento teórico-práctico para realizar cualquier tipo de investigación con este eje temático, es necesario implicar un proceso comprensivo del fenómeno biológico o químico utilizando la teoría existente, para ya luego realizar un estudio experimental que ayude a correlacionar la información teórica con los resultados obtenidos. Además, es de carácter obligatorio conocer la teoría, ya que esta es la que informa de los peligros que pueden adquirir algunos compuestos químicos o reacciones que puede tener; con el fin, de dar la fundamentación para la forma de trabajo dentro de un laboratorio. Cuando el estudiante ya adquiere los conocimientos sufrientes de la teoría, ya cuando entrar al laboratorio para comprender el acople de los procesos teóricos a los prácticos, permitiendo analizar de mejor manera lo que se está haciendo.

 Discusión

Todos los artículos vistos durante el desarrollo de esta investigación y los seleccionados al final nos pudieron dar luces al decir que: “Necesariamente tiene que existir una relación entre la teoría y la práctica para que haya un proceso investigativo”. Además de que toda teoría establecida se desarrolla con el fin de llevarlo a cabo un proceso más práctico y poder sustentar dicho proceso teórico. De igual forma, independientemente del área del conocimiento en que se encuentre, siempre va a existir una relación entre la teoría y la práctica que hará que el sujeto interrelacione ambos componentes, ya sea el docente o el estudiante el que lo haga; pero cuando se establece dicha conexión se podrá afirmar que los procesos teóricos ayudan a fundamentar los diferentes procesos prácticos que se pueden encontrar en nuestro diario vivir.

Por otro lado, respondiendo la pregunta de interés y con base en los resultados obtenidos, vemos que, desde el punto de vista de la biología y la química, debe existir un fundamento teórico-práctico para realizar cualquier tipo de investigación en estas áreas disciplinares, es necesario implicar un proceso comprensivo del fenómeno biológico o químico utilizando la teoría existente, que permita realizar un estudio experimental que ayude a correlacionar la información teórica con los resultados obtenidos. Además, es de carácter obligatorio conocer la teoría ya que esta es la que informa de los peligros que puede adquirir algunos compuestos químicos o reacciones que se lleven a cabo en la práctica, con el fin, de dar la fundamentación para la forma de trabajo en el laboratorio. Cuando el estudiante adquiere los conocimientos suficientes de la teoría, va al laboratorio para comprender el acople de los procesos teóricos a los prácticos, permitiendo analizar de mejor manera lo que se está haciendo.

 Conclusiones

Finalmente, vemos que esa estrecha relación entre lo teórico y lo práctico es lo que complementa la formación no solo de estudiantes de la Licenciatura en Biología y Química, sino que también en estudiantes y trabajadores dedicados al estudio y desarrollo de investigaciones en estas áreas; logrando así una mejor correlación entre estos dos procesos de formación. De igual forma, las RS son de gran importancia para la realización de este tipo de investigaciones secundarias, debido a que permiten obtener conclusiones globales de la pregunta planteada, a partir de los resultados generados al final del proceso con los artículos que cumplen con todos los criterios establecidos.

En Colombia se observan los aportes que están realizando en cuanto a investigaciones que involucren procesos teóricos y prácticos en áreas afines de la biología y la química; que al comparar con otros países, Colombia no investiga tanto en esta relación según lo reportado y obtenido en dichas bases de datos, pero aun así ya se está investigando en la inclusión de los diferentes procesos formativos y la manera en que se pueden involucrar los conceptos teóricos y experimentales. Así mismo, se demuestra con la presente investigación que no es suficiente la relación teórico-práctica que se esté reportando actualmente para áreas de biología y química en Colombia.

En forma general, estimamos que en el futuro se verá una tendencia mucho más exponencial para investigaciones enfocadas en los procesos formativos teórico-prácticos en estas áreas de interés, debido que desde nuestro punto de vista es donde más se nota la existencia de esta estrecha relación; dado que el maestro nunca podrá entrar a la parte experimental de un proceso, sin que le enseñe al estudiante unas bases teórico-conceptuales.

 Agradecimientos

A la Vicerrectoría de Investigaciones y Posgrados de la Universidad de Caldas, por la aprobación y financiamiento del proyecto y a los integrantes del Semillero de Investigación Pedagógica, adscrito al Departamento de Estudios Educativos de la Facultad de Artes y Humanidades.

Conflicto de intereses

Los autores manifiestan no tener conflicto de intereses con respecto al contenido de este artículo.

Referencias

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 1 Universidad de Caldas, Departamento de Quimica, Sede Central, Manizales, Caldas, Colombia. This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

 2  Universidad de Caldas, Departamento de Estudios Educativos, Sede Central, Manizales, Caldas, Colombia  This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

3 Universidad de Caldas, Departamento de Estudios Educativos, Sede Central, Manizales, Caldas, Colombia This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. 

Para citar este artículo: Betancourt Arango, J. P., Suárez Millán, M. C. y Álvarez Márquez, D. Y. (2022). Revisión sistemática de literatura sobre la relación entre la teoría y la práctica en estudiantes de biología y química de Colombia. Revista Luna Azul, 54, 114‐142. https://doi.org/10.17151/luaz.2022.54.7

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Cobertura forestal y belleza escénica: un análisis de los arboles notables de Cali (Colombia)

Derlyn Johana Solano López,M.Sc¹ ; Jairo Mora Delgado,PhD² , Guillermo Duque, PhD³  

Recibido: 15 de mayo del 2021 Aceptado: 20 de Agosto de 2021 Actualizado: 27 diciembre de 2021

DOI: 10.17151/luaz.2022.54.5

Resumen

La cobertura forestal es un elemento de belleza escénica, concepto constitutivo de los servicios del ecosistema cultural (SEC). Su valor estético se aprecia a escala de paisaje, donde la holísticidad cobra importancia en la percepción de los ciudadanos. En esa línea, los árboles y su preservación adquieren una impronta medular para el mejoramiento del hábitat y la producción de SEC, con base a la conservación de los espacios verdes en las ciudades, como un elemento constitutivo de la calidad de vida urbana, y el mejoramiento de la cohesión comunitaria; esto contribuye al bienestar y la salud humana, como aporte al desarrollo sustentable. Este estudio tuvo como objetivo la caracterización dasométrica de árboles notables, pertenecientes a las especies Albizia saman y Ceiba pentandra en dos espacios: los emplazamientos de la ciudad de Cali y el Campus Meléndez de la Universidad del Valle. Así, se realizaron evaluaciones dasometricas en los dos espacios citados. Para el análisis cuantitativo de variables dasométricas, una estadística descriptiva fue desarrollada con el software Infostat. Los resultados sugieren que los individuos forestales declarados como árboles notables en el municipio de Santiago de Cali, representan el 35,47% y 32,09%, respectivamente para A, saman y C, petandra, presentándose diferencias para cada una de las especies (p<0,05), en función de los espacios establecidos. Sin embargo, sus dimensiones fueron las esperadas para las especies y el estado de desarrollo de los individuos, criterio usado para su clasificación como árboles notables. Esta caracterización dasométrica representa una base para emprender proyectos de planificación y manejo de la cobertura forestal en Santiago de Cali, que apunten a la gestión integral de sus espacios verdes, base de su belleza escénica y constituyente de los SAE.

Palabras clave: servicios ecosistémicos, reforestación, ornato, forestería.

Forest cover and scenic beauty: an analysis of the notable trees of Cali (Colombia)

Abstract

Forest cover is an element of scenic beauty and a constitutive concept of cultural ecosystem services (CES). Its aesthetic value is appreciated at the landscape scale, where holisticity becomes important in the perception of citizens. Along these lines, trees and their preservation acquire a core imprint for the improvement of the habitat and the production of CES, based on the conservation of green spaces in cities, as a constitutive element of the quality of urban life, and the improvement of community cohesion. This contributes to human well-being and health, as a contribution to sustainable development. The objective of this study was the dasometric characterization of notable trees, belonging to the species Albizia saman and Ceiba pentandra in two spaces: the locations of the city of Cali and the Meléndez Campus of Universidad del Valle. Thus, dasometric evaluations were carried out in the two aforementioned spaces. For the quantitative analysis of dasometric variables, descriptive statistics were developed with the Infostat software. The results suggest that forest individuals declared as notable trees in the municipality of Santiago de Cali represent 35.47% and 32.09%, respectively for A. saman and C. petandra, presenting differences for each of the species (p <0.05), depending on the established spaces. However, their dimensions were those expected for the species and the development stage of the individuals, a criterion used for their classification as notable trees. This dasometric characterization represents a basis for undertaking planning and management projects of forest cover in Santiago de Cali, which aim at the comprehensive management of its green spaces, the basis of its scenic beauty and constituent of the CES.

Keywords: ecosystem services, reforestation, ornament, forestry.

Introducción

Los servicios ambientales ecosistémicos culturales (SEC) contribuyen al bienestar humano, la salud pública y las experiencias psicológicas de los ciudadanos, por lo cual son muy apreciados por las personas y, en muchos casos, son aún mejor reconocidos que otros servicios ecosistémicos. Sin embargo, el problema es que muchos SEC son difíciles de cuantificar, o su valor es demasiado complejo para evaluar y mapear (Kopperoinen et al., 2027). Una manera indirecta es medir las características de la cobertura forestal, bajo el supuesto de que a mayor cobertura forestal, con caracteristicas deseables de robustez en los espacios públicos, se brinda una mayor belleza escénica.

En esa línea, se dice que los árboles no solo capturan carbono en el día y aporta oxígeno en la noche, sino que también constituye un elemento medular de la belleza escénica, la cual se considera como uno de los servicios ecosistémicos culturales (SEC) (Montes-Pulido y Forero, 2021).

Por otra parte, es sabido que las coberturas forestales en el planeta se están menguando a gran velocidad, con un incremento asociado del aumento de gases de efecto invernadero, y un aceleramiento del cambio climático (Adekunle, et al., 2013; Vargas y Yáñez, 2004). Gran parte de este aceleramiento se le atribuye a la expansión de la frontera agrícola y minero energética; pues en el período 2000-2010 se registró una pérdida anual neta de bosques de 7 millones de hectáreas en los países tropicales, y un incremento anual neto de los zonas de expansión agrícola de 6 millones de hectáreas; naturalmente, como respuesta a un crecimiento poblacional necesita alimentos; así, dichos procesos se presentaron en mayor proporción en los países en desarrollo  (FAO, 2016). De hecho, para el periodo 2010-2020, la pérdida neta de la superficie forestal fue de 4,7 millones de hectáreas anuales, y la superficie forestal mundial disminuyó en 178 millones de hectáreas entre 1999-2020 (FAO, 2020).

Uno de los ecosistemas más afectados, especialmente en América Latina, es el bosque seco tropical (Bs-T). Estos bosques ofrecen múltiples beneficios para la población y el ambiente, especialmente en los pisos térmicos donde se localiza su cobertura, generalmente entre los 0-1000 m s. n. m. (Instituto Alexander Von Humboldt, 1998). A pesar de ello, es uno de los ecosistemas más impactados en el planeta (Carvajal, 2008; Ruiz y Fandiño, 2009) y es muy poco lo que se conoce sobre su dinámica (Pizano y García, 2014). En Colombia, una parte importante del Bs-T se encuentra ubicado en el Valle del Cauca, pero estas coberturas han sido gravemente transformadas, quedando fragmentadas en pequeñas representaciones boscosas y árboles aislados en los diferentes municipios (Torres et al., 2012). La realidad es que estas coberturas han sido intervenidas desde antes del año 1500, cuando quedaba un poco más del 60% de la cobertura original (Etter et al., 2008). Ya para el año 2010 se estimaba un remanente de 17% de bosques y barbechos en el Caribe colombiano y se proyectaba que para el año 2020 restaría sólo el 11% (Burbano-Girón, 2013).

En el casco urbano de Cali, aún se conserva un gran número de ejemplares forestales típicos de este ecosistema, catalogados como arboles notables (DAGMA & Fun&agua, 2016). Esta categoría corresponde a aquellos individuos sobresalientes por su porte, tamaño, volumen, longevidad, valores escénicos, importancia botánica, o en su defecto que representan punto de referencia e identidad para la ciudad, los cuales se han integrado al paisaje urbano a través de la historia y revisten importancia desde el punto de vista ambiental, paisajístico, urbanístico, estético o afectivo; a su vez, se señala que las especies ceiba y samán, así como algunas especies de palmas nativas propias del BsT, constituyen  una gran importancia ecosistémica (Alcaldía Municipal de Santiago de Cali, 2019b). Su distribución, en espacio urbano, corresponde a diferentes emplazamientos como separadores viales, andenes, glorietas, parques zonales o de barrio y plazas públicas.

La declaración de Árboles Notables, según los indicadores antes mencionados, es el resultado de un proceso realizado por el Departamento Administrativo de Gestión del Medio Ambienta (DAGMA) a través del Contrato N° 4133.0.26.1.669-2016 con la Fundación Agua Viva (FUN&AGUA), en el cual se hizo la identificación de 296 individuos forestales en las 22 comunas de Santiago de Cali. Dicho proceso inició con el reconocimiento en campo de los árboles registrados en el censo arbóreo desarrollado en años anteriores por la Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca (CVC) y la Universidad Autónoma de Occidente. A su vez, en la Sede Meléndez de la Universidad del Valle, bajo el programa de manejo silvicultural de la flora de los campus de la misma (Universidad del Valle, 2023), se llevó a cabo el proceso de declaración inicial de 124 individuos forestales como árboles notables.

En los dos espacios, los emplazamientos en la ciudad y el campus Meléndez de la Universidad del Valle, los árboles y su conservación juegan un papel fundamental para el mejoramiento del hábitat y la generación de SEC. Borelli et al. (2018) hablando de los bosques urbanos en el contexto de los objetivos del desarrollo sostenible (ODS), en particular el ODS 11, menciona la importancia de los espacios verdes para mejorar el nivel de vida de los ciudadanos en las ciudades, aumentar la cohesión de la comunidad, mejorar el bienestar y la salud humanos y garantizar el desarrollo sostenible. En términos prácticos, se anota que tradicionalmente los árboles en zonas urbanas se consideraban principalmente por el beneficio estético u ornamental; sin embargo, hoy en día se consideran elementos que presentan múltiples beneficios, tales como la remoción de contaminantes, mengua del ruido del tráfico, barreras cortaviento, nichos de fauna, interceptación de la radiación solar a través de la sombra y regulación la evapotranspiración, entre otros (Alvarado et al., 2014).

Así, el presente estudio tuvo como objetivo caracterizar los individuos arbóreos declarados como árboles notables, correspondientes a las especies Albizia saman y Ceiba pentandra, en dos espacios, los emplazamientos de la ciudad y el Campus Meléndez de la Universidad del Valle.

 Materiales y métodos

El área de estudio corresponde a la zona urbana de Santiago de Cali con coordenadas 3°26′24″N 76°31′11″O, ubicado en el Valle del Cauca; dentro del municipio existen diferentes campus universitarios, entre los cuales el de la Universidad del Valle, en su sede Meléndez, que tiene una extensión de 100 hectáreas; es el segundo campo más grande de Colombia, por la riqueza natural y diversidad cultural que alberga el campus, se le considera patrimonio y hace parte de la estructura ecológica complementaria del municipio (Alcaldía de Santiago de Cali, 2012) (Figura 1).

Figura 1. Localización de las comunas en la ciudad de Cali en el departamento del Valle del Cauca (Colombia) Fuente: Los autores

Cali es la segunda ciudad más extensa de Colombia, al poseer un área de 564 km² y una longitud de 17 km de Sur a Norte y 12 km de Oriente a Occidente; presenta una altitud de 995 m s. n. m. y un clima de 23ºC (Alcaldía Santiago de Cali, 2017). 

Con base al censo arbóreo, desarrollado por la Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca (CVC) (2015) en Convenio con la Universidad Autónoma de Occidente y el Departamento Administrativo de Gestión del Medio Ambiente (DAGMA), Santiago de Cali contaba en 2015 con 296,499 individuos forestales. Esta cifra se desagregaba en 88 familias botánicas, 302 géneros y 474 especies, siendo los árboles el biotipo dominante, seguido por los arbustos distribuidos en las 22 comunas de la ciudad (Universidad del Valle, 2015; Alcaldía Santiago de Cali, 2019). Por su parte, la Sede Meléndez de la Universidad del Valle aporta el 2% correspondiente a 5,680 individuos forestales aproximadamente, convirtiéndose por tanto en uno de los pocos relictos de BsT semi-intervenido en el Valle del Cauca (Alcaldía Santiago de Cali, 2019).

El área de estudio corresponde a los espacios arbolados con una mezcla de especies nativas e introducidas en emplazamientos de la zona urbana pública de Santiago de Cali y los árboles ubicados en la Sede Meléndez de la Universidad del Valle. Se tiene como hipótesis de trabajo que las dos zonas de estudio presentan diferencias en la intensidad de intervención, dado un mayor grado de afectación de los árboles ubicados en los emplazamientos públicos (parques, separadores de avenidas y andenes) respecto a las plantaciones en el campus universitario de Meléndez de la Universidad del Valle.

Posteriormente, con base en las cifras del censo arbóreo, desarrollado por la Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca (CVC) en 2015, en Convenio con la Universidad Autónoma de Occidente y el Departamento Administrativo de Gestión del Medio Ambiente (DAGMA) al estudio en mención y de acuerdo con la clasificación este proceso de los árboles notables, realizado por el DAGMA, se realizó el análisis para toda la base de datos de los individuos arbóreos de las especies seleccionadas. Para ello, se analizaron las variables dasométricas descritas y para los árboles de la Universidad del Valle, se determinaron analizaron sus variables dasométricas correspondientes a altura H (m), usando un hipsómetro Suunto; el diámetro a la altura del pecho DAP (m), con el uso de una cinta diamétrica, y el diámetro de copa DC (m) con una cinta métrica, tomando de cada árbol dos diámetros de manera perpendicular y promediando las dos medidas (Segura y Andrade, 2008a; Segura y Andrade, 2008b). Una vez obtenidos los datos de las dos zonas, se diseñó la base de datos de las variables dasométricas en una hoja de cálculo Excel, con el fin de realizar el análisis de estas mediante estadística descriptiva (medias, desviación estándar) a través del software Infostat (Di Rienzo et al., 2008). Una prueba de “t” de student (confianza del 95%) fue empleada para detectar diferencia de medias entre privaciones en los dos espacios analizados. Las variables independientes corresponden a H(m), DAP (m) y DC (m).

 Resultados

La mayoría de los individuos forestales seleccionados como árboles notables en los emplazamientos de Cali, corresponden a las especies Albizia saman (105 individuos forestales) y Ceiba pentandra (95 individuos forestales) con el 35% y 31,67%, respectivamente, lo cual resalta la importancia de estas. Seguido del Schizolobium parahyba (15 individuos forestales) con el 5% y Enterolobium cyclocarpum (10 individuos forestales) con el 3,33%. Cabe resaltar que el 23,98% de las especies restantes se encuentran representadas por menos de 6 individuos forestales.

Por su parte, en el campus de Meléndez de la Universidad del Valle, el 47,58% de los individuos forestales seleccionados como árboles notables corresponden a las especies Albizia saman (59 individuos forestales) y Ceiba pentandra (15 individuos forestales) con el 12,10%, resaltándose la importancia de estas. Seguido de Enterolobium cyclocarpum (10 individuos forestales) con el 8,06%, Anacardium excelsum (8 individuos forestales) con el 6,45% y Cedrela odorata (5 individuos forestales) con el 4,03%. Cabe resaltar que el 21,72% de las especies restantes se encuentran representadas por menos de 3 individuos forestales. La cifra de los individuos arbóreos mencionada corresponde a la clasificación de árboles notables en el municipio (convenio) y dentro de la sede Meléndez de la Universidad del Valle y dicha clasificación la realizaron teniendo en cuenta los criterios establecidos en el POT. En la tabla siguiente, se señalan las especies clasificadas como árboles notables, tomando la base de datos del censo arbóreo de Santiago de Cali realizado por el convenio mencionado en líneas anteriores en el 2016 y la base de datos del inventario, realizado en la Sede Meléndez de la Universidad del Valle.

Las especies localizadas en los emplazamientos están distribuidos en las diferentes comunas de Cali. En algunas de estas comunas (p. ej. 1, 8 12, 15) no fue encontrado algún individuo forestal como notable, por lo cual aquí no se hizo la declaratoria de árboles notables (figura 2).

Figura 2. Distribución en frecuencia relativa y absoluta de los individuos forestales por comuna. Fuente: Los autores

En las comunas 2, 19, 22 y 17 se concentran las mayores cantidades de los árboles notables declarados con el 25,34%, 19,93%, 14,53% y 12,50% respectivamente. Es en estos espacios donde se encuentra la mayor cobertura forestal de la ciudad según el censo arbóreo del año 2016.

De acuerdo con la tabla 1, de 124 árboles declarados, el 47,48% de los individuos pertenece a la especie Albizia saman, y el 12,10% corresponde a la especie Ceiba pentandra, teniendo en cuenta la importancia de estas y los parámetros declarados para la selección en las 22 comunas del municipio por parte de la entidad ambiental.

Tabla 1. Veinte mayores frecuencias relativas en el campus de Meléndez de la Universidad del Valle (n = 124) y emplazamientos de Cali (n = 200).

Fuente: Los autores

Para Ceiba pentandra, los datos denotan que la mayor proporción de árboles son maduros dado que más del 84% de los individuos poseen DAP mayor a un metro (tablas 2 y 3); por el contrario, los datos sugieren individuos de menor edad en el campus Meléndez de Univalle, lo cual es coherente con la edad de establecimiento posterior a los árboles notables de los emplazamientos en Cali.

Tabla 2. Individuos forestales de Albizia saman y Ceiba pentandra y sus variables según clase dimétrica en los emplazamientos de Cali.

Fuente: elaboración propia

Tabla 3. Individuos forestales de Albizia saman y Ceiba pentandra y sus variables según clase dimétrica en el campus de Meléndez de la Universidad del Valle.

Fuente: elaboración propia

Las medidas de dispersión y tendencia central de los parámetros dasométricos comparados entre las dos zonas mediante una prueba de “t” de student presentaron diferencias significativas (p < 0,05). Así, es notoria el mayor valor de DAP (p = 0,0069) para los árboles notables de los emplazamientos en Cali, lo que probablemente se explica por una predominancia de individuos forestales de mayor edad respecto a los árboles del campus de Meléndez en la Univalle. En contraste, los individuos forestales fueron más altos en el campus Meléndez de Univalle (p= 0,0039), en donde por su arreglo en bloque, los árboles compiten por la radiación solar estimulando su elongación. Es notoria la diferencia en el área de dosel promedio, ocupada por los árboles en los emplazamientos de la ciudad respecto a los doseles del campus Meléndez, siendo significativamente de mayor área (p= 0,0001) en los primeros respecto a los segundos, ya que en la sede Meléndez los árboles crecen en conjunto, presentándose competencia por luz y nutrientes, mientras que en la ciudad, los árboles se encuentran distantes entre sí.

Para Albizia saman, las medidas de dispersión y tendencia central de los parámetros dasometricos comparados entre las dos zonas mediante una prueba de “t” de student mostraron diferencias significativas. Así, es notoria el mayor valor de DAP (p = 0,0069) para los árboles notables de los emplazamientos en Santiago de Cali. También, es notoria la diferencia en el área de dosel promedia ocupada por los árboles en los emplazamientos de la ciudad respecto a los doseles del Campus de Meléndez, siendo significativamente de mayor área (p: 0,0001) en los primeros respecto a los segundos. Por el contrario, en la variable altura (H) los individuos forestales los mayores avalores se presentaron en el campus Meléndez de Univalle (p = 0,0039).

De acuerdo con lo anterior, se denota para las dos especies, los mayores diámetros de DAP se tienen en aquellos árboles dispersos en los emplazamientos de Cali, mientras que son menores para la sede Meléndez, esto se debe a que los árboles en el primer espacio tienen mayor antigüedad en su establecimiento. Por su parte en cuanto a la variable altura, los datos son mayores en la Sede Meléndez debido a que se presenta competencia por luz, distancias de siembra que son menores, dando como resultado mayores alturas y menores dimensiones en su diámetro, situación igualmente implicada en la variable diámetro de copa y por tanto el área de dosel

La distribución por clases diamétricas para Ceiba pentandra, se encuentra en la Tabla 2, donde la clase diamétrica 1-2 m, presenta el mayor número de árboles en los emplazamientos de Cali, en cambio en el campus Meléndez de Univalle, la distribución es más o menos similar entre las clases 0-1 y 1-2 m. La misma tendencia se ve en la distribución por clases diamétricas para Albizia saman (Tabla 3), donde la clase diamétrica 1-2 m, presenta el mayor número de árboles en los emplazamientos de Cali y en el campus Meléndez de Univalle, una mayor presencia de individuos forestales en la clase 0-1.

Dicha clasificación diamétrica permite conocer de manera indirecta el estado de los árboles en los paisajes, por tanto, puede inferirse que la población de árboles se encuentra en estado maduro por la cantidad de árboles con diámetros mayores a 1 m en los emplazamientos de Santiago de Cali.

Discusión

Los valores de altura de las dos especies encontrados en este estudio son mucho menores a los encontrados por Moya y Muñoz (2010) en plantaciones más jóvenes de ocho especies comerciales monitoreadas en Costa Rica, incluso; sin embargo, los DAP de A. saman y C. pentandra (0,99-1,44 m) son valores mucho más altos que los reportados para especies maderables en el estudio citado, que oscilaron entre 0,18 y 0,37 m. También, Tenorio et al. (2016) reportaron alturas mayores y DAP menores de otras cinco especies. Incluido una variedad de samán (Samanea saman) presentó una altura mayor (16,3 m) que la altura media reportada en este estudio y un DAP menor a las especies aquí estudiadas.

Los individuos forestales de la especie samán y ceiba se agrupan mayormente en las dos primeras clases diamétricas, es decir menores a 2 m de DAP. Así, para la especie samán presentes en las zonas emplazamientos de Cali y campus Meléndez de la Universidad del Valle, respectivamente, más de las dos terceras partes de los árboles se encuentran en la clasificación de <2m DAP. Dicha situación se presenta también para la especie ceiba, cuyos individuos forestales se agrupan en las dos primeras clases diamétricas, en las dos zonas. Por tanto, las poblaciones de árboles de las dos especies tienen gran potencial de permanencia y, dada la longevidad de las mismas, esto implica un potencial de ofrecer múltiples servicios ecosistémicos a su entorno durante muchos años (DAGMA & Fun&agua, 2016).

Probablemente los mayores valores de DAP para las dos especies en los emplazamientos de Cali, obedecen a la predominancia de individuos forestales de mayor edad respecto a los árboles del Campus Meléndez en la Univalle. Además, se verifica en las dos especies analizadas que cuando los árboles crecen en terreno abierto, sin competencia ni perturbaciones, los árboles logran la forma típica de la especie; entre otras cosas, alcanzan un desarrollo completo y simétrico de su copa (Wabo, 1999). Para una especie, estos árboles son los que más cobertura de terreno logran. Los árboles de la misma especie que en cambio han crecido en competencia tendrán, para igual diámetro (DAP), copas menos desarrolladas y menos extendidas (menor cobertura). Para que esta competencia tenga lugar, los árboles involucrados debieron crecer sobre un terreno con una mayor densidad de árboles que sus similares sin competencia. Para profundizar en otras condiciones posibles, se recomienda estudiar la calidad del sitio.

Por otra parte, en este estudio se encontró valores cercanos a medidas dasométricas registradas en otros espacios geográficos; por ejemplo, valores de DAP en A. saman en una plantación en el campus de Burdwan, India, promediaron 0,83 m con alturas medias de 15,85 m (Chatterjee & Mukherjee, 2015). En Costa Rica realizaron un análisis de los árboles dispersos en potreros de fincas ganaderas en un ecosistema seco, reportando para esta especie valores de 14,2 m de altura H y 0,57 m de DAP (Esquivel et al., 2003). Por su parte, los individuos forestales en el sistema agroforestal de cacao en Cárdenas, México, reportaron valores respecto a altura H >25 m (Ruiz et al., 2016).

Para la especie Ceiba pentandra, las media de las variable dasométricas en el presente estudio fue un poco más alta a los datos registrados en otros estudios tanto en emplazamientos urbanos como en bosques de campus. Así, en el parque central de la Urbanización el Paraíso Puerto Rico, la altura fue de 10 m y un DAP de 0,48 m (Nunci et al., 2005). A su vez, en el campus de la escuela agrícola Panamericana Zamorano en Honduras, se reportó valores de 10,5 m de H y 0,59 m de DAP (Jauregui, 2016); mientras que el estudio de estructura y diversidad de la Reserva Natural de Nigeria reportó una media un poco mayor que las anteriores de la variable altura de 11,67 m, pero menor de DAP de 0,15 m (Adekunle et al., 2013).

Hay que resaltar que los individuos forestales en los emplazamientos de Cali, se encuentran en su mayoría como árboles aislados dispersos, es decir, que no tienen problemas en cuanto a la competencia de luz, y que en muchas ocasiones se encuentran establecidos junto a redes de energía, lo que genera un cambio en su dinámica de crecimiento. En contraste, en la sede Meléndez de la Universidad del Valle predomina la distribución en parches y bosques con alta densidad de árboles, lo cual está relacionado con una mayor competencia por la radiación solar, lo que estimula un mayor crecimiento de los individuos forestales. Sin embargo, hay estudios que afirman que, en cuanto a la altura y diámetro de los árboles individuales aislados creciendo sin competencia, no presentan diferencia significativa con aquellos árboles que se encuentran en bosques nativos o urbanos con regeneración propia, en la medida que el DAP y la altura de árboles en un parque urbano son cercanos a los valores de árboles en bosques nativos de edad similar (Nunci et al., 2005).

 Conclusiones

Los árboles del presente estudio contribuyen con su conservación tanto en la sede de la Universidad del Valle, como en las comunas del municipio donde se encuentran los árboles, en la belleza escénica, aportando al mejoramiento del nivel de vida de la comunidad circundante a ellos, mejorando el bienestar y la salud de la comunidad universitaria y la comunidad caleña con su presencia, dirigiéndose en la garantía del desarrollo sostenible.

De acuerdo con la base de datos de los árboles notables declarados tanto por el DAGMA, como por la Universidad del Valle, las especies con mayor número de individuos forestales corresponde a las especies Ceiba pentandra y Albizia saman, representando el 35,47% y 32,09% (respectivamente) de los individuos forestales declarados, localizados en un 47,58% y 12,10% en la Sede Meléndez de la Universidad del Valle, respectivamente.

Las variables dasométricas analizadas señalaron diferencias de las dos especies entre los dos espacios de estudio, dimensiones que eran esperadas, a pesar del estado maduro y desarrollo de estos, criterio usado en la elección de los individuos forestales para su clasificación como árboles notables.

Los individuos forestales se concentraron en mayor proporción en las dos primeras clases diamétricas, es decir menores a 2 m de DAP y dada la longevidad de estos, tienen gran potencial de permanencia en su espacio, continuando con la prestación de los múltiples servicios ecosistémicos que seguirán prestando a su entorno.

Contribución por autor. D.J. Solano realizó las mediciones dasométricas, análisis y escritura de texto; J. Mora-Delgado ideó la investigación y asesoró análisis estadístico y preparación de la escritura del artículo; G. Duque revisó e hizo aportes a la investigación. Todos los autores contribuyeron a la discusión y comentaron los borradores.

 Agradecimientos

Los autores agradecen a la Universidad Nacional de Colombia, sede Palmira, por el espacio de investigación en la Maestría en Ingeniería Ambiental; al Grupo de Investigación Sistemas Agroforestales Pecuarios de la Universidad del Tolima, por la asesoría científica de uno de los coautores; al Departamento Administrativo del Medioambiente DAGMA de Santiago de Cali, por el uso de información básica; y al jefe de la Sección de Servicios Varios, Sergio Cardona, por facilitar la selección y medición de las variables de los árboles seleccionados como árboles notables.

Potencial conflicto de intereses

Los autores hacen constar que el manuscrito se preparó y revisó con la participación de ambos y declaramos que no existe ningún conflicto de intereses que ponga en riesgo la validez de los datos presentados.

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1 Consultora Forestal. Universidad del Valle, Cali. This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. https://orcid.org/0000-0002-6350-7584

2  Profesor titular, Grupo de Investigación Sistemas Agroforestales Pecuarios, Universidad del Tolima, Ibagué. https://orcid.org/0000-0002-1093-4216  This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. Autor para correspondencia.

3  Profesor asociado, Facultad de Ingeniería y Administración, Universidad Nacional de Colombia, Sede Palmira.  http://orcid.org/0000-0002-2468-529X This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Para citar este artículo: DJ Solano López, Mora Delgado, J y Duque, G. (2023). Cobertura forestal y belleza escénica: un análisis de los árboles notables de Cali (Colombia). Revista Luna Azul, 54, 82‐96. https://doi.org/10.17151/luaz.2022.54.5

Esta obra está bajo una Licencia de Creative Commons Reconocimiento CC BY

Código del artículo

Levels of heavy metals. Urban gardens in Bogota Colombia

Daniel A. Vega Castro¹   , Lili T. Vega Clavijo²  

Recibido: 10 de Mayo del 2021 Aceptado: 10 de Agosto de 2021 Actualizado: 27 diciembre de 2021

DOI: 10.17151/luaz.2022.54.6

Abstract

Samples of lettuce, soil, and irrigation water from city gardens located in Bogota were analyzed in order to detect and quantify lead (Pb), cadmium (Cd), chromium (Cr), nickel (Ni), arsenic (As) and mercury (Hg). Metal concentrations of the soils and vegetables varied according to urban garden location; all detected metals in the soils and the lettuce were below health-based guidance values (local and international standards); heavy metals in irrigation waters were not detected; soils, metal concentrations of the irrigation waters and lettuce did not correlate. It means that urban agriculture should not represent a significant chemical risk for the consumer’s healthcare due to the possible intake of heavy metals and trace elements. However, it is necessary to continue conducting research on this important topic that is directly related to food security and food sovereignty and that will add information to update and establish a basis for reference levels regarding heavy metals in water, soil and vegetables.

Keywords: heavy metals, soil, urban agriculture, rainwater harvesting, food security.

Resumen

Se analizaron muestras de lechuga, suelo y agua de riego en huertos urbanos de la ciudad de Bogotá para la detección y cuantificación de plomo (Pb), cadmio (Cd), cromo (Cr), níquel (Ni), arsénico (As) y mercurio (Hg). Las concentraciones de metales de los suelos y hortalizas variaron según la ubicación del huerto urbano; todos los metales detectados en los suelos y la lechuga estaban por debajo de los valores permisibles de referencia (estándares locales e internacionales); no se detectaron metales pesados en las aguas de riego; suelos, concentraciones de metales de las aguas de riego y lechuga no se correlacionaron, lo que permitió concluir que, la agricultura urbana no debe representar un riesgo químico significativo para la salud de los consumidores por la posible ingesta de estos metales pesados y/o elementos traza. No obstante, es necesario continuar investigando sobre esta importante temática, la cual se relaciona directamente con la seguridad y soberanía alimentaria, que debería permitir actualizar y/o generar bases para el establecimiento de niveles de referencia frente al contenido de metales y elementos traza en aguas, suelos y alimentos hortofrutícolas.

Palabras claves: metales pesados, suelo, agricultura urbana, aprovechamiento de aguas pluviales, seguridad alimentaria.

Introduction

By 2030, 60% of the world's population will inhabit urban areas, according to FAO, which will expand large cities to fertile land. According to the 2018 Sustainable Development Goals Report, urban expansion is progressing at a rate of 1.5 times higher than the population growth. This indicates the need to make cities inclusive, safe, resilient and sustainable, involving the three dimensions of sustainable development: social, economic, and ecological well-being. In response, the use of eco-materials, urban agriculture, gardens, living walls and green roofs, rainwater and sustainable urban drainage systems, among many others, have been increasing (United Nations, 2019).

Urban agriculture can be defined as a set of agricultural practices carried out in urban spaces within a city or in its surroundings (peri-urban) in hard or soft areas such as front gardens, lots, terraces, patios, backyards, kitchens etc. These physical places allow using technical and empirical knowledge in addition to articulating available resources. This aims not only at food security and sovereignty, but also at strengthening the social system, the recovery of vacant land, the participation of citizens in environmental sustainability and mitigation of problems caused by climate change (Vega, 2016).

Innocuous vegetables grown through this practice play a decisive role regarding food security. It is noteworthy that there are certain risks of contamination in urban vegetable production (Castro et al., 2018). Contamination, in the specific case of food, is defined by Gay (2017) as: “the presence of any abnormal matter in the food that compromises its quality for human consumption” (p.142).

There are many risks of vegetable contamination. One of those is related with the accumulation of heavy metals inside the edible organs such as leaves, tubers, stems, fruits, and flowers. These chemical elements can come from cultivated soil, irrigation water, agricultural supplies, and the atmosphere. (Vega and Vega, 2020).

Soils can contain heavy metals for two specific reasons. First, due to natural origin (geogenic): when parent materials had been weathered, and the rocks had heavy metals. Second, due to anthropogenic issues: through industrial activities, hydrocarbons combustion, mining, agriculture and livestock, which generate heavy metals during these processes.

Authors such as Angelova et al. (2004) define bioaccumulation as the increase in the concentration of a chemical in a living organism over a certain period of time, compared to the concentration of that chemical in the environment. Heavy metals can be accumulated in the body up to five times  greater than the concentration of the medium from which it comes (Galán & Romero, 2008).

Vegetables have developed multiple mechanisms for the absorption, translocation, transformation, and accumulation of mineral elements. Among these forms, the absorption of minerals through the root system and the leaf tissue stand out. Through roots and their absorption system, plants can transport substances from the soil to the different plant organs.

Vegetables with heavy metal accumulation generate considerable impact on the health of consumers due to the effects of bioaccumulation and the high toxicity of these elements. They also cause damage to vital organs and carcinogenic developments, depending on the metal or metalloid and the degree of accumulation in the organism (Combariza, 2009; Nava and Méndez, 2011).

Sánchez (Quoted by Reyes et al., 2016) affirm that global cases have been reported and demonstrate the health consequences of consuming food contaminated by heavy metals. By 1950, the population along the banks of the Jintsu River in Japan was affected by rice consumption from crops contaminated with cadmium (Cd) from mine dumping. This intake produced a disease known as Itai-Itai or osteoarthritis, which mainly affects bone tissue.

Additionally, in the city, crops near the road were polluted by heavy metals, with up to 160 mg per kilogram of dry weight for lettuce (Antisari et al., 2015). In the case of Canada, concentrations of the heaviest metals were below the limits established by nationals regulations, metals like Cd, Pb, Se and Zn exhibited a mild degree of pollution, whereas As exhibited a severe degree (Montaño-López and Biswas, 2021).

The United States Department of Agriculture USDA (2010), states that soils in community gardens in urban areas can be severely contaminated with heavy metals, and it is necessary to determine the amounts and bioavailability of these toxic elements in soils in urban areas in order to properly assess the risks associated with gardening in these areas and develop rational remediation strategies to reduce the risks.

Therefore, this research work focused its efforts on identifying the possible risks of the consumption of vegetables produced by urban agriculture in comparison with local and international guidance values. The overall goals of the study were to identify and quantify levels of Pb, Cd, Cr, Ni, As and Hg in vegetables and their relationship with soils and irrigation water variables.

 Materials and methods

Location

This study was carried out in Bogotá D.C. This city has the highest automotive fleet in Colombia. The most recent studies in this area revealed an average annual increase of 4.1% in registered vehicles (87,802), which reflects that Bogotá is the city of Colombia with the highest number of vehicles in the last 10 years (Colombia Mobility secretary, 2016).

One hundred urban gardens of the city were located and visited, 49 of them were taken to carry out the respective samplings of vegetables, soils and irrigation waters, which allowed us to work with a measurement error of 10% and a significance of 94%. The study was carried out in 13 of the 20 subdivisions of Bogotá, also called localities (Figure 1). The study was divided into four zones according to their geographical location. South: Rafael Uribe Uribe and Ciudad Bolívar. East: Antonio Nariño, Candelaria, Los Mártires and Santa Fe. North: Engativá, Teusaquillo, Barrio Unidos, Suba and Usaquén. West: Kennedy and Puente Aranda.

Urban gardens were selected based on four standards of placement: away from contaminated rivers, near high vehicular flow routes (distances not greater than 2000 feet), located throughout Bogotá DC and soon- to-be harvested lettuce.

It is noteworthy to mention that the selected urban gardens have agroecological management and are assisted from the technical area by the Botanical Garden José Celestino Mutis JBB from Bogota. Furthermore, these places do not use chemical synthesis inputs for pest management or for soil fertilization.

Figure 1. Location of tracked urban gardens and sampled urban gardens in Bogota

Source: Botanical Garden Jose Celestino Mutis from Bogota, 2019 

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 Soil samples and analysis

Samples of soils were taken in each one of the urban gardens selected for the identification of Pb, Cd, Cr, Ni, As and Hg. The Soil Sampling Guideline of the Colombian Corporation for Agricultural Research - CORPOICA- was followed. This analysis was performed to rule out or corroborate the presence of heavy metals in soils. The 49 soil samples taken were sent in hermetic security bags to the laboratory for their respective preparation and analysis.

The selected samples were analyzed using the Atomic Absorption Spectroscopy technique AAS (Flame Air Acetylene), under EPA methods 3050B, EPA 7471B, (1996) and SM 3111 B, 3112 B and 3114 C Ed 22 (Standard Methods). These parameters were evaluated in accordance with Colombian Technical Standard 5167 NTC, Agricultural Industry Products. Organic Products Used as Fertilizers and Soil Amendments.

Irrigation water samples and analysis

The water was collected from the respective sources of irrigation from the selected urban gardens: aqueduct and rainwater harvested. For this purpose, specific samples were taken based on the methodology proposed by the National Institute of Health of Colombia, in the instructions Manual for Taking Water Samples for Laboratory Analysis. This analysis was performed to rule out or corroborate the presence of heavy metals in irrigation water. To collect the samples, 500 mL amber borosilicate bottles were used and then taken to the laboratory to carry out their respective treatment and corresponding analysis.

The analysis carried out for the identification of heavy metals in irrigation waters was carried out using the AAS/Flame Air Acetylene, following the SM 3030 E edition 22 sample preparation methodologies and SM 3111 B quantification. - Edition 22.

Vegetable samples and analysis

Lettuce (Lactuca sativa L.) plants were harvested for three specific reasons: (1) it is one of the most popular market basket items of the Bogota inhabitants, (2) it is a common plant in urban gardens and (3) its leaves are the organ of direct consumption. Three lettuce plants were randomly sampled for each selected place. They were harvested using tramontin-type stainless steel knives. Those samples were packed and transported in Kraft paper bags and taken directly to the laboratory for the respective laboratory tests.

The identification of heavy metals in plant tissue was carried out under the AAS, under AOAC 975.03B (1990) and SM 3111 B 3114 C edition 22. The equipment used for the determination of heavy metals in the Matrix was a model AA-7000 atomic absorption spectrophotometer for analysis by air acetylene flame.

The analytical quality parameters of the methods used for detection limits and the quantification limits of heavy metals (Table 1) were stipulated for each of the variables analyzed: soils, irrigation water and lettuce plant tissue.

Table 1

Analytical quality parameters of the heavy metals studied

Source: authors

 Statistical analysis

For statistical analysis and hypothesis testing, the PSPP® Program was used. A normality test was initially done using the Kolmogorov Smirnov non-parametric statistic to assess whether the data presented a normal distribution. Thus, it was possible to draw statistically valid conclusions from the descriptive statistics, which are based on a working hypothesis study that the distribution of the variables is different from the normal one.

In addition, tests of independence were performed using the Pearson's Chi square test to check the relationship between these variables: contents of Pb, Cd, Cr, Ni, As and Hg found in soils, irrigation water, plant tissue and the respective 13 localities sampled. These variables are contingent upon a working hypothesis that the variables are related.

Finally, the correlation between the variables was evaluated using the Pearson coefficient to identify if it was strong, moderate or weak among the contents of Pb, Cd, Cr, Ni, As and Hg found in the soil, water of irrigation and the respective vegetal tissue of the lettuce, which is also contingent upon a working hypothesis that the variables are correlated.

In all cases, a significance of 5% is necessary to accept or reject the null hypothesis.

 Results and discussion

Soil results

The respective descriptive statistics of heavy metals and trace elements (Table 2) showed that out of the six elements evaluated in the sampled soils, three: Pb, Cr, and Ni have the highest concentrations, averaging 24.27 ppm, 10.41 ppm, and 6.39 ppm respectively. However, these elements do not present anomalous concentrations and therefore, all those metals should have geogenic origin derived from the respective parent materials and possible volcanic activities when presenting values well below those established by norm 86/278 of the EEC (European Economic Community).

For Cd, As and Hg in soils, no outliers that exceeded the EEC regulations were found. Heavy metals, specifically trace elements, are present in the earth's crust in relatively low concentrations (ppm) and therefore, in the soil as well (Galán and Romero, 2008).

Table 2

Descriptive statistics of metal contents in soils (n=49)

Note: *Values are not presented in the standard

Once the normality test was performed, enough statistical evidence was not present to reject the hypothesis. The distribution of the variables Pb, Cr and Ni in the soil was equal to normal under a significance of 5% (Table 3). In other words, of all the heavy metals and trace elements tested in the different soils of Bogotá, only Pb, Cr, and Ni showed normal behavior.

Table 3

Kolmogorov-Smirnov one sample test (n=49)

Source: authors

The average concentration of Pb showed a value of 24.27 ppm. Its values ranged from 0 to 110 ppm / Pb (Table 1) where 68.3% of the sampled units presented values between 4.43 and 44.12 ppm / Pb. It is noteworthy that for this variable, 25% of the soil samples yielded values between 0 and 13.50 ppm / Pb, 50% of the results found yielded lead contents between 13.50 and 34.30 ppm / Pb and for the remaining 25%, the levels found ranged from 34.30 to 110 ppm / Pb (Figure 2).

Otherwise, EPA (United States Environmental Protection Agency) determined that the maximum values of Pb in soils for agricultural and industrial use should range between 400 and 1200 ppm. The regulation 86/278 of the EEC (European Economic Community) established a limit values of this heavy metals in soils with a maximum range of 300 ppm. Based on the above information, it can be stated that the Pb found in the sampled soils presented values within normal limits when these are compared with the international standards.

Best management practices assure minimal potential for exposure and are common practices in urban gardens. These include the use of residuals-based composts and soil amendments and attention to keeping soil out of homes. This review suggests that benefits associated with urban agriculture far outweigh any risks posed by elevated soil Pb (Brown et al., 2016).

Figure 2. Lead levels in soils sampled in the different localities of Bogotá. D.C.

Source: authors

Regarding Cr in soil, the results of this work of research yielded maximum values of 40.3 ppm and an average of 10.41 ppm. In addition, it was evident that 50% of the samples analyzed showed a behavior with a low amplitude with values between 7.51 and 14.20 ppm/Cr (Figure 3). For this specific case, there are no international reference frameworks that regulate the levels of this trace element in the soil.

However, it should be noted that Chromium is generally found naturally in soils and the respective amounts are directly related to the parent material of soil formation. Histosol and other organic soils have relatively low Cr contents. However, there are soils that naturally contain much more Cr and are derived from ultramafic or mafic rocks very rich in this element (Fernández and Guzmán, 2000).

Figure 3. Chromium levels in soils sampled in the different localities of Bogotá. D.C.

Source: authors

The Ni concentrations showed an average value of 6.39 ppm in the soil (Table 1). 50% of the results found showed contents between 7.51 and 14.20 ppm/Ni with a maximum of 40.3 ppm/Ni that was evident (Figure 4). Ni is an element that occurs in the environment only at very low levels and is essential in small doses, but it can be dangerous when the maximum tolerable amounts are exceeded (Wuana & Okieimen, 2011). With this research, all results show that the contents of this trace element do not present abnormal values according to the EEC and the 86/278 regulation, which stipulates a limit value of 75 ppm of Nickel in the soil.

Figure 4. Nickel levels in soils sampled in the different localities of Bogotá. D.C.

Source: authors

In the case of the variables that did not present a normal distribution, independence tests were carried out (Table 4). Under a significance of 5%, sufficient statistical evidence has not been found to reject the hypothesis that the variable locality is independent of the variables Pb, Cr, Ni and As in soil. That is to say that the levels of these heavy metals and trace elements found in the soil are not related to the sampled locality. Additionally, a relationship between Cd, Hg and localities is observed.

Table 4

Person Chi-square tests Locality vs Heavy metals (n=49)

Source: authors

A bivariate correlation was performed (Pearson's correlation coefficient) to identify whether there is a strong, moderate, or weak relationship between the contaminants of the plant tissue and the planting soil.

It is observed that the significance is greater than the alpha error (0.05) and that the Pearson coefficient is close to zero. Therefore, it cannot be pointed out that there is an association between the variables of the plant tissue contaminants and the planting soil. That is if the levels of the heavy metals and trace elements found in lettuce are not related to the levels of the elements found in the soil.

It is noteworthy that there are multiple factors such as pH and the content of organic matter among other soil properties that affect the solubility of these metals and therefore their bioavailability (McBride et al., 2014). The presence in soil of clays and hydrous Fe and Mn oxides tends to increase metal adsorption and thus reduce soluble metal contents, while the effects of organic matter content and redox potential are more uncertain. (Rieuwerts et al.,1998).

It should be noted that to date, in the case of Colombia, there are no regulatory frameworks that monitor and regulate the contents of heavy metals and trace elements in soils.

Irrigation water results

Rainwater harvesting (RWH) has been used globally to address water scarcity for various ecosystem uses including crop irrigation requirements and to meet the water resource needs of a growing world population. (Ghimire and Johnston, 2019). In the case of Colombia, Decree 1594 of 1984 establishes the admissible criteria in ppm of heavy metals and trace elements in water for agricultural use (Table 5).

Table 5

Heavy metal limits for irrigation water Department of agriculture of Colombia

Source: authors

Studies have demonstrated that although trace metals such as arsenic, cadmium, chromium, lead and iron were present in Australian rainwater, the metallic elements were generally found below the health limit guideline (Chubaka, et al., 2018).

For the present study, the waters used for irrigation in the selected orchards resulted in the non-detection of heavy metals and trace elements. However, the roofing material plays an important role in the concentrations of rainwater pollutants. (Torres et al., 2013). Therefore, the water contact surfaces, the transportation ways and rainwater harvesting containers play a very important roll about water quality and its possible pollution with heavy metals.

Vegetables results

Once the normality test was performed, sufficient statistical evidence was found to reject the hypothesis that the distribution of the variables Pb, Cd, Cr, As and Hg in plant tissue is equal to normal (Table 6). These variables were under a significance of 5%. The only variable that presented normality was Ni in plant tissue.

Table 6

One-Sample Kolmogorov-Smirnov Test (n=49)

Source: authors

All lettuce samples showed different heavy metals contents (Figure 5) that could suggest possible risks for consumers’ health. However, all values of Pb, Cd, Cr, Ni, As and Hg were found far below European Union Regulation’s maximum contents of heavy metals in food.

Figure 5

Heavy metals levels in lettuce sampled in the different localities of Bogotá. D.C.

Source: authors

In the case of the amounts of Ni found in plant tissue, a statistic test was performed (Table 7) obtaining as a result, a maximum value of 1.13 ppm and an average of this heavy metal being 0.28 ppm. In addition, a distribution of the contents of this element was obtained in the following way: 25% of the samples yielded values between 0 and 0.08 ppm / Ni, 50% between 0.08 and 0.41 ppm / Ni and the remaining 25% values between 0.41 and 1.13 ppm / Ni (Figure 6).

Figure 6

Nickel levels in lettuce sampled in the different localities of Bogotá. D.C.

Source: authors

Based on the above, it can be ensured that the maximum Ni content found in plant tissue is well below the permissible limits stipulated by Australian and New Zealand (2016) heavy metal legislation, with a value of up to 5 ppm of Ni in food.

Conclusions

In the case of the soils analyzed for food production in urban gardens, it was found that heavy metals and trace elements are below national and international regulations. However, it is of utmost importance to generate and/or update levels of reference that allow differentiation of the geogenic (normal) values from the anthropogenic (anomalous) levels to avoid greater biases in research associated with the possible chemical risks that urban agriculture can generate.

The variables analyzed in vegetable tissue of lettuce show that that in the case of the present study, urban agriculture should not generate a chemical risk for consumers due to the possible consumption of heavy metals and therefore, should be taken into account in local plans for the development of cities and expanding their positive contributions to food security and sovereignty that this practice proposes.

Results found in the rainwater harvested for the irrigation of vegetables in urban gardens allow us to conclude that it is completely safe for agricultural use since no heavy metals or trace elements were found for the detection limits. It is recommended to delve deeper in studies regarding this variable, which allows us to conclude the best areas for harvesting and storing this type of water in order to generate guidelines for the optimization and reduction of chemical risks associated with this variable.

In the urban gardens of the city of Bogotá, more than 100 species are managed including vegetables, tubers, cereals, legumes and fruits as well as non-food products, which include aromatic and medicinal plants, among others, so it is important to verify the levels of heavy metal contamination considering the different species and different plant organs such as stems, flowers and roots.

Highlights

Soil and vegetable metal concentrations did not correlate.

Soil metal and localities did nor correlate.

Soil metal levels showed values bellowed of EPA and EEC regulations.

Lettuce metal did not exceed the market-basket levels and guidance values (EEC standards).

Rainwater harvested did not show pollution with metals.

Acknowledgments

The authors thank the urban farmers of the capital, to the Botanical Garden of Bogotá José Celestino Mutis and to the Corporación Universitaria Minuto de Dios UNIMINUTO for the financing and support provided for the development of this project.

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1 Junior researcher in Latin America and the Caribbean, Agroecology Department, Uniminuto University. This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. 640 North Broad St Suite 521. Phila PA. https://orcid.org/0000-0002-9967-4421

https://scholar.google.com/citations?hl=es&user=nZYjrz4AAAAJ

2 Department operational technical in Botanical Garden of Bogota Jose Celestino Mutis. This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. Cl. 63 #68-95, Bogotá, Colombia. https://orcid.org/0000-0001-5374-1310

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Determinación de la concentración de cadmio contenido en material particulado menor a 10 micras en el municipio de Nobsa – Boyacá

Jonatan Sebastián Mateus Deaza¹ , Nidia Isabel Molina Gómez ²  , Johan Alexander Álvarez Berrío³  

Recibido: 19 de Mayo del 2021 Aceptado: 12 de Agosto de 2021 Actualizado: 27 diciembre de 2021

DOI: 10.17151/luaz.2022.54.4

Resumen

El municipio de Nobsa se localiza en el Valle de Sogamoso, una de las zonas con mayor actividad industrial en Colombia debido a la presencia de diversos hornos de producción de cal, de polvo de ladrillo y cementeras. Entre los aspectos ambientales más significativos de este tipo de industrias se encuentran las emisiones atmosféricas que incluyen contaminantes como sulfatos, nitratos y metales pesados. Teniendo en cuenta lo anterior, se realizó un monitoreo de material particulado inferior a 10 microgramos (PM₁₀) determinando las concentraciones de cadmio (Cd) presentes en este; dicho monitoreo se llevó a cabo en el municipio de Nobsa (Boyacá) durante 34 días en el punto de muestreo Estación de Bomberos y 36 días en el punto de muestreo Las Caleras. Las concentraciones de los contaminantes fueron determinadas a partir del método gravimétrico para PM₁₀ y el método de espectrofotometría de absorción atómica -horno de grafito para Cd. Con los datos obtenidos se ejecutó un modelo de dispersión y un modelo geoespacial a través de los Software Screen View 4.0 y Arcgis 10.5, lo que permitió evidenciar una elevada concentración de PM₁₀ con bajas trazas de Cd. Los resultados presentan una relación significativa entre las enfermedades respiratorias y la residencia mayor a un año en el municipio, lo que sugiere un efecto crónico sobre la población.

Palabras clave: efectos adversos, contaminación por metales, contaminantes atmosféricos, monitoreo ambiental, metales pesados.

Determination of the concentration of cadmium content in particulate material less than 10 microns in the municipality of Nobsa - Boyacá

Abstract

The municipality of Nobsa is located in the Sogamoso Valley, one of the areas with the greatest industrial activity in Colombia due to the presence of various kilns for the production of lime, brick dust and cement factories. Atmospheric emissions that include pollutants such as sulfates, nitrates and heavy metals are among the most significant environmental aspects of this type of industry. Taking the above into account, monitoring of particulate material of less than 10 micrograms (PM₁₀) was carried out, determining the concentrations of cadmium (Cd) present in it. This monitoring was carried out in the municipality of Nobsa (Boyacá) during 34 days at the Fire Station sampling point and during 36 days at Las Caleras sampling point. The concentration of the pollutants was determined from the gravimetric method for PM₁₀ and the atomic absorption spectrophotometry method-graphite furnace for Cd. With the data obtained, a dispersion model and a geospatial model were executed through the Screen View Software 4.0 and Arcgis 10.5, which showed a high concentration of PM₁₀ with low traces of Cd. The results show a significant relationship between respiratory diseases (ER) and residence of more than one year in the municipality, which suggests a chronic effect on the population.

Key words: Adverse effects, heavy metal pollution, atmospheric pollutans, environmental monitoring, heavy metals.

Introducción

El incremento mundial de enfermedades respiratorias (ER) y de mortalidad prematura hace necesaria la investigación y determinación de posibles factores que influyen sobre este comportamiento (Li et al., 2018). La calidad del aire es un factor determinante debido a su degradación y su relación directa con el sistema respiratorio y cardiovascular (Jo et al., 2017).

Entre los principales contaminantes del aire se encuentra el material particulado (PM), el cual se cataloga actualmente como el mayor riesgo de salud ambiental en el mundo (Megido et al., 2016), debido a su fácil ingreso a las vías respiratorias y la capacidad de generar un efecto biológico en el cuerpo dependiendo de su composición química (Song et al., 2018). Las partículas entre 5 a 10 micras aproximadamente, se depositan en mayor medida en el árbol traqueo bronquial, mientras que las que poseen un diámetro de 1 a 5 micras se depositan en los bronquiolos y los alvéolos, generando una posible alteración en la función de intercambio de gases que realiza el pulmón (Kim et al., 2015). Finalmente, las partículas menores a 2,5 micras se dirigirán al torrente sanguíneo (Song et al., 2017).

La composición química del PM depende de sus orígenes, el porcentaje de elementos y sustancias químicas alojadas en este. Debido a que en una base más extensa las partículas más pequeñas poseerán una mayor superficie para su adsorción, la composición química dependerá estrictamente del tamaño de la partícula y el área de su superficie (Kelly et al., 2012). Dentro de los componentes alojados en la superficie del PM se pueden encontrar residuos de reacciones fotoquímicas en la atmósfera (sulfatos, nitratos, oligoelementos) y fracciones carbonosas orgánicas e inorgánicas, a la cuales se pueden adherir metales de transición (Pb, Cd, V, Ni, Cu, Zn, Mn, Fe), compuestos orgánicos y constituyentes biológicos originados por fuentes naturales o antropogénicas (Romanazzi et al., 2014; Jia et al., 2018).

Las trazas de cadmio (Cd) son relevantes dentro de los contenidos del PM₁₀, debido a sus variados efectos en la salud humana: disfunción renal, muerte celular en el hígado, disminución del funcionamiento de los pulmones y daño en las mitocondrias cerebrales que conlleva a las deficiencias motoras y de memoria (Álvarez, 2016; Shi et al., 2016; Oh et al., 2014), además de ser catalogado en 1993 por la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer de la Organización Mundial de la Salud (OMS) como carcinógeno de clase I (Xu et al., 2017; Choong et al., 2014).

El monitoreo de PM10 con diversos contenidos se ha realizado mediante técnicas como la microscopía óptica de luz reflejada y la fracción de ingesta de una población, en países como EE. UU y Australia (Koval et al., 2018; Lamancusa et al., 2017). De igual forma en Suramérica se ha realizado monitoreo de PM10 y Cd mediante equipos High-vol (Korc, 1999). Específicamente en Colombia se ha realizado un seguimiento del PM10 en ciudades capitales; no obstante, solo se cuenta con planes de descontaminación atmosférica en la ciudad de Bogotá, los corredores industriales del Valle de Sogamoso y el Valle de Aburrá (Secretaría Distrital Ambiental, 2010; Fernández et al., 2010).

El departamento de Boyacá ubicado en Colombia, en el sector conocido como el Valle de Sogamoso, es el tercer corredor industrial del país desde el 2005, debido a la alta presencia de industria pesada e industria artesanal (López, 2016). Dentro de los municipios ubicados en el corredor, Sogamoso cuenta con 403 hornos de ladrillo y el municipio de Nobsa cuenta con cerca de 178 hornos de producción de cal y procesa la piedra caliza para la fabricación de cemento (Corpoboyacá 2013; Muñoz et al., 2016).

El desarrollo de la presente investigación tiene como objetivo determinar la concentración de cadmio contenido en material particulado menor a 10 micras y su asociación con enfermedades respiratorias en el municipio de Nobsa – Boyacá.

Materiales y métodos

Se determinaron las concentraciones de PM₁₀ y de Cd junto a su distribución espacio temporal en los periodos de julio a agosto y de septiembre a octubre de 2017. Posteriormente, se relacionaron las concentraciones diarias de los contaminantes con la presencia de ER identificadas según los registros individuales de prestación de servicios de salud (RIPS) y las concentraciones de los contaminantes en cada predio con la información recopilada mediante un instrumento de percepción en salud en Nobsa. Finalmente, mediante una regresión lineal múltiple se buscó establecer el grado de asociación estadística entre las concentraciones de PM₁₀, Cd y las ER identificadas en los dos casos.

Área de estudio

Nobsa se localiza en la provincia de Sogamoso, Colombia a 2550 m.s.n.m, sobre la Cordillera Oriental, específicamente entre las coordenadas 05°50′ de latitud norte y 72°55′ de longitud oeste (Figura 1). Presenta en su microclima una precipitación media de 780 mm/año, una temperatura media de 15,2 grados Celsius y una humedad relativa de 75% (Alcaldía de Nobsa, Boyacá, 2011).

Para el monitoreo, se ubicaron dos puntos de muestreo, el primero localizado en la zona urbana específicamente en la estación de bomberos (5°46'15.75"N 72°56'16.03"O), y el segundo en la vereda Las Caleras (5°45'10.10"N 72°56'28.15"O) la cual es caracterizada por la minería artesanal de piedra caliza. El primer punto de monitoreo se establece para modelar el comportamiento de los contaminantes en el área residencial urbana y el segundo para evidenciar el aporte de PM10 y Cd por parte de las ladrilleras artesanales.

Figura 1. Valle de Sogamoso con sus principales industrias.

Fuente: los autores.

Identificación de la muestra

De acuerdo con las proyecciones del Departamento Administrativo Nacional de Estadísticas (DANE) en 2017 Nobsa contaba con 6552 habitantes en la cabecera urbana (ESE Unidad de Salud de Nobsa, 2017), así mismo en promedio 5 personas habitan una vivienda (DANE, 2010). A partir de dicha información y junto con la cartografía catastral del municipio se estableció un total de 1311 predios de la cabecera urbana, para realizar el cálculo de la muestra.

En este orden de ideas, por medio del cálculo de muestras para poblaciones finitas se definió una muestra de 297 predios (ecuación 1), los cuales fueron seleccionados mediante un muestreo aleatorio simple (MAS) (Tabla 1) (Rodríguez et al., 2016).

(Ecuación 1)

Tabla 1. Variables utilizadas en el cálculo de la muestra para poblaciones finitas.

Fuente: los autores.

Diseño y aplicación de un instrumento de recolección de información

Se diseñó un instrumento para la determinación de la percepción en salud que fue aplicado en octubre de 2017, el cual estaba basado en la encuesta nacional de salud del Ministerio de Salud y Protección Social. El objetivo principal del instrumento era identificar la presencia de los casos de ER y cáncer con su respectiva ubicación dentro del municipio. Para visualizar otros posibles factores que tuvieran influencia sobre las ER, el instrumento tuvo en cuenta variables como género, edad, tiempo de residencia, presencia de fumadores en el hogar y condición socioeconómica.

Identificación de ER y casos de cáncer

Los casos de ER se identificaron mediante dos instrumentos los RIPS del municipio y el instrumento de recolección de información.

Recolección de muestras y preparación

El monitoreo fue realizado mediante un medidor de alto volumen conocido como High-vol TE-6000 Series el cual fue ubicado inicialmente en el punto de Las Caleras durante 36 días (julio a agosto de 2017) y en la estación de bomberos durante 34 días (septiembre a octubre de 2017). En el muestreo se utilizaron filtros de microfibra de cuarzo, los cuales fueron retirados diariamente y custodiados según la metodología IO-3.1 de la Environmental Protection Agency (EPA) (Environmental Protection Agency, 1999). Las muestras tomadas en el estudio presentan aproximadamente una duración de un mes para mantener una muestra representativa del estudio (Álvarez, 216), sin embargo, el muestreo también se ve afectado por el presupuesto otorgado, así como, la disponibilidad de posicionamiento en los puntos de muestreo.

Junto a la recolección diaria de muestras se tuvo en cuenta las variables meteorológicas temperatura ambiente, precipitación, dirección y velocidad del viento, las cuales fueron registradas por una estación meteorológica portátil Davis Vantage Pro 2 Plus.

Determinación de la concentración de PM₁₀ y Cd

Teniendo como base el protocolo para el monitoreo y seguimiento de la calidad de aire del Ministerio de Ambiente Vivienda y Desarrollo Territorial (MAVDT, 2008), los filtros fueron desecados durante 24 horas antes y después del muestreo. Adicionalmente fueron pesados antes y después de ser retirados del High-vol TE-6000 Series para determinar las concentraciones de PM₁₀ mediante el método gravimétrico. Finalmente, las muestras recolectadas se analizaron en el Laboratorio Instrumental de Alta Complejidad (LIAC) de la Universidad de La Salle.

Modelo de dispersión

El modelo de dispersión se desarrolló mediante el programa Screen View 4.0, el cual según Álvarez permite simular una inmisión como una emisión desde los puntos de muestreo (Álvarez, 2016). Los datos utilizados para el modelo fueron un factor de emisión calculado en función del promedio de la concentración de los contaminantes, la altura del muestreo, la velocidad del viento y la temperatura ambiente; posteriormente se establecieron las distancias en las que se determinarían las concentraciones de los contaminantes. Estas distancias fueron tomadas desde cada punto de monitoreo hasta un punto central en cada polígono que representa los sectores catastrales del perímetro urbano del municipio.

Finalmente, mediante un modelo de pluma gaussiana, que incorpora factores relacionados a la fuente además de factores meteorológicos (Emissions, Monitoring, and Analysis Division, 2000), se calculó la concentración de PM₁₀ y Cd junto a la estabilidad atmosférica en cada distancia estipulada.

Modelo geoespacial

Los resultados de velocidad y dirección de viento generados a partir de las rosas de viento junto con las concentraciones obtenidas en el modelo de dispersión para cada contaminante fueron ingresados al programa ArcGis10.5, para elaborar los mapas de dispersión de PM₁₀ y Cd por medio de la herramienta de Kriging - Cokriging. Esta herramienta permite determinar la concentración de los contaminantes en cada zona del municipio partiendo de una interpolación y autocorrelación estadística entre las concentraciones determinadas en puntos específicos (Chica et al., 2010).

Análisis de asociación

Se realizó una regresión lineal múltiple (RLM) con un nivel de confianza del 95% atendiendo a la posible relación estadística entre los casos de ER en la población de Nobsa con las concentraciones PM₁₀, Cd y el comportamiento de las variables meteorológicas. Adicionalmente, se hizo un segundo análisis contemplando la información recopilada con la encuesta con información como la residencia mayor a un año en la cabecera urbana, la presencia de fumadores activos, el régimen socioeconómico y el género masculino.

La RLM entre contaminantes, variables meteorológicas y casos de ER se realizó mediante el uso del software estadístico Statistical Package for the Social Sciences (SPSS.24). 

 Resultados

En la Figura 2 se pueden evidenciar las elevadas concentraciones de PM₁₀ en los dos puntos de muestreo, superando el límite máximo permisible (LMP) definido en la norma nacional de calidad del aire para el tiempo de exposición y el valor guía establecido por la Organización Mundial de la Salud (OMS, 2005). Así mismo, se puede evidenciar que el percentil 25 de las dos estaciones sobrepasa el LMP.

Figura 2. Comparación de las concentraciones de PM₁₀ diarias en Bomberos y Las Caleras con Niveles Límites Permisibles según la normativa nacional.

Fuente: los autores.

Para el caso del Cd y dado que la norma nacional solo estipula, para este contaminante, un LMP para un periodo anual, y no se existe un valor guía o límite para un periodo de exposición de 24 horas, se hizo uso de la norma anual como base de comparación. En la Figura 3 se evidencia que ambos puntos de monitoreo cumplen con la norma de referencia.

Figura 3. Comparación de las concentraciones de Cd anual en Bomberos y Las Caleras con Niveles Límites Permisibles según la normativa nacional.

Fuente: los autores.

Los comportamientos de PM₁₀ y Cd en ambos puntos de muestreo son similares.  Según los resultados del modelo de Screen View presentados en la Figura 4 y 5, se puede observar que en el punto de monitoreo de la estación de bomberos los dos contaminantes reducen su concentración a los 150 metros (m) de distancia, posteriormente se resuspenden y su concentración se incrementa llegando a los 20 μg/m³ para el PM₁₀ y a 5,5X10⁻⁶ μg/m³ para el Cd. Finalmente empiezan a disminuir nuevamente y sus trazas empiezan a desvanecerse totalmente después de los 600 m.

En el punto de monitoreo Las Caleras presentado en la Figura 6 y 7, el modelo no presenta resuspensión; el PM₁₀ y el Cd, reducen sus trazas hasta disiparse a los 3100 m.

Figura 4. Dispersión de PM₁₀ desde la estación de Bomberos.

Fuente: los autores.

Figura 5. Dispersión de Cd desde la estación de bomberos.

Fuente: los autores.

Figura 6. Dispersión de PM₁₀ desde las Caleras.

Fuente: los autores.

Figura 7. Dispersión de Cd desde las Caleras.

Fuente: los autores.

A partir de las condiciones de estabilidad atmosférica, dirección y velocidad de viento se determinaron las concentraciones de los contaminantes en cada uno de los polígonos previamente generados, simulando la dispersión de PM₁₀ y Cd desde la estación de bomberos.

Figura 8. Modelo geoespacial de PM₁₀ en el municipio de Nobsa desde la estación de bomberos.

Fuente: los autores.

Figura 9. Modelo geoespacial de Cd en el municipio de Nobsa desde la estación de Bomberos.

Fuente: los autores.

La Figura 8 presenta el modelo geoespacial de PM₁₀ realizado con base en los datos simulados del punto de monitoreo estación de bomberos, permite evidenciar elevadas concentraciones en todo el perímetro urbano, en particular hacia las zonas norte y oeste del municipio. Igualmente se puede observar un fenómeno de resuspensión en la zona central del municipio, la cual, presenta las concentraciones más elevadas del contaminante. En la Figura 9 el Cd presenta un comportamiento similar al PM₁₀ pero se encuentra por debajo de los LMP.

De otro lado, en Las Caleras la simulación permite observar en la Figura 10 y 11 que la zona con mayor concentración de PM₁₀ y Cd se encuentra ubicada al noroeste del municipio, coincidiendo geográficamente con las más altas concentraciones identificadas con la simulación realizada con los datos de la estación de bomberos.

Figura 10. Modelo geoespacial de PM₁₀ en el municipio de Nobsa desde Las Caleras.

Fuente: los autores.

La llanura rodeada por montañas, en la cual se ubica la cabecera municipal, permite confirmar la permanencia de los contaminantes en la zona, puesto que la orografía y la baja velocidad de los vientos impiden la dispersión de los contaminantes que llegan al municipio desde las direcciones sur este y sur oeste. La distribución espacial conglomerada para PM₁₀ y Cd, en ambos puntos de monitoreo, muestra que las concentraciones se agrupan en puntos específicos del municipio ya sea en bajas o altas trazas.

Figura 11. Modelo geoespacial de Cd en el municipio de Nobsa desde Las Caleras.

Fuente: los autores.

Descriptivos de información entre los contaminantes, las ER y la presencia de cáncer

En el periodo de muestreo de julio a agosto se identificaron 73 ER en los RIPS, de las cuales se destacan la rinofaringitis aguda (resfriado común) con un 24,6% de los casos, la bronquitis aguda con un 10,9% y la faringitis aguda con un 9,5%; mientras que de septiembre a octubre se identificaron 54 ER, en donde la rinofaringitis aguda y la enfermedad pulmonar obstructiva crónica presentan cada una 14,8% de los casos y la bronquitis aguda un 12,9%.

Por otra parte, de acuerdo con el instrumento aplicado se identificaron 103 ER diagnosticadas por personal médico (Figura 12) y 53 ER sin diagnóstico (Figura 13) (Tablas 2 y 3). El 33,9% del total de los casos de ER diagnosticados corresponden a grupos etarios sensibles como los son menores de 5 años que representan 11,3% del total de casos, mientras que los adultos mayores a 60 años poseen el 24,72% del total de casos.

Figura 12. Número de personas que en el último año han sido diagnosticadas por un médico de algún tipo de infección respiratoria como: asma, neumonía, bronquitis crónica o alguna enfermedad grave de los pulmones.

Fuente: los autores.

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Figura 13. Número de personas que en el último año han tenido problemas pulmonares o infecciones respiratorias como: asma, neumonía, bronquitis crónica o alguna enfermedad grave de los pulmones.

Fuente: los autores.

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Tabla 2. Casos ER identificados en las encuestas en relación con las concentraciones de PM₁₀ y Cd calculadas en cada manzana desde la estación de bomberos.

Fuente: los autores.

Tabla 3. Casos ER identificados en las encuestas con relación a las concentraciones de PM₁₀ y Cd calculadas en cada manzana desde la estación de Caleras.

Fuente: los autores.

Igualmente, a partir de las encuestas se identificaron los casos de cáncer presentes en cada zona del perímetro urbano (Figura 14), los cuales se dividieron dependiendo del tipo de cáncer. De los 31 casos de cáncer diagnosticados, el 22,5% corresponde a cáncer de pulmón, el 19,35% a cáncer de hígado, el 19,35% a leucemia y el porcentaje faltante se asocia a otros tipos de cáncer.

Figura 14. Personas diagnosticadas por un médico por algún tipo de cáncer.

Fuente: los autores.

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Regresión estadística de ER, contaminantes atmosféricos y variables meteorológicas

La regresión estadística realizada para los periodos de julio a agosto y septiembre a octubre establece que las ER identificadas en los RIPS no es una variable dependiente de la concentración de PM₁₀, la concentración de Cd y las variables meteorológicas. De igual forma para esta regresión estadística se rechaza la hipótesis alternativa y se aprueba la hipótesis nula, la cual propone que las ER presentes en el municipio no se ven influenciadas por las concentraciones del contaminante, ni por las variables meteorológicas (Tablas 4 y 5).

Tabla 4. Significancia de la regresión entre las ER identificadas en los RIPS y las concentraciones de los contaminantes además de variables meteorológicas en el periodo de julio a agosto.

Fuente: los autores.

Tabla 5. Significancia de la regresión entre las ER identificadas en los RIPS y las concentraciones de los contaminantes además de variables meteorológicas en el periodo de septiembre a octubre.

Fuente: los autores.

Regresión estadística de ER, contaminantes atmosféricos, tiempo de residencia y distancia al punto de monitoreo

La regresión estadística realizada, teniendo en cuenta la distancia al punto de monitoreo estación de bomberos, estableció que las ER identificadas en la encuesta poseen una relación directamente proporcional con la concentración de PM₁₀, la concentración de Cd, la residencia mayor a un año en el municipio y las personas fumadoras. Cabe añadir, que la hipótesis alternativa solo se aprobó para las variables de residencia mayor a 1 año, presencia de fumadores y género masculino (Tabla 6).

Tabla 6. Significancia de la regresión entre las ER identificadas en la encuesta y la concentración de contaminantes determinadas desde la estación de bomberos además de variables de relevancia identificadas en la encuesta.

Fuente: los autores

Para esta regresión, la hipótesis alternativa solo se aprueba para la variable de presencia de fumadores (Tabla 7).

Tabla 7. Significancia de la regresión entre las ER identificadas en la encuesta y la concentración de contaminantes determinadas desde las Caleras, además de variables de relevancia identificadas en la encuesta.

Fuente: los autores.

Regresión estadística de casos de cáncer, contaminantes atmosféricos, tiempo de residencia y distancia al punto de monitoreo

La regresión estadística realizada teniendo en cuenta la distancia al punto de monitoreo estación de bomberos estableció que los casos de cáncer identificados en la encuesta presentan una relación directamente proporcional con la concentración de PM₁₀, la concentración de Cd, la residencia mayor a un año en el municipio y las personas fumadoras (Tabla 8). No obstante, se rechaza la hipótesis alternativa y se aprueba la hipótesis nula, la cual establece que los casos de cáncer no tienen asociación con las variables analizadas.

 Tabla 8. Significancia de la regresión entre los casos de cáncer identificadas en la encuesta y la concentración de contaminantes determinadas desde la estación de bomberos además de variables de relevancia identificadas en la encuesta.

Fuente: los autores.

Discusión

Nobsa cuenta con cerca de 178 hornos de producción de cal en donde se procesa la piedra caliza para la fabricación de cemento (Corpoboyacá 2013; Muñoz et al., 2016), además se localiza industria cementera y siderúrgica. Según Khaniabadi, Jia y Godoi, fuentes de emisión como las descritas tienen grandes aportes de PM10. (Khaniabadi et al., 2018; Jia et al., 2018, Godoi et al., 2008). Por otra parte, teniendo en cuenta que el Valle de Sogamoso es el tercer corredor industrial del país, el tráfico de vehículos de carga tales como tractomulas y camiones son constante, por lo tanto el aporte de estas fuentes móviles a la emisión de PM10 resulta significativo (Forero y Mayra, 2008).

En la figura 10 se evidencia un aporte entre 16 a 20 μg/m³ de PM₁₀ en el perímetro urbano de Nobsa proveniente de la zona sureste donde se encontraba ubicado el punto de medición Las Caleras. Como se ha mencionado este lugar se caracteriza por alta presencia de hornos de producción de cal, lo cual implica mayores aportes de PM₁₀. Se resalta que el resto del municipio se encuentra rodeado por la cordillera oriental, por lo tanto los aportes del contaminante pueden concentrarse en el perímetro urbano y no dispersarse con facilidad.

Esto puede constatarse en el proceso de resuspensión que se presenta en el centro de Nobsa evidenciado en la figura 8 y 9, es decir, el PM₁₀ y el Cd allí contenido se puede resuspender por causa del transporte de carga y particular; se observa la reducción de este fenómeno con la distancia al centro urbano. Las elevadas concentraciones de PM₁₀, se constatan en estudios realizados en las ciudades de Medellín, Bogotá y Sogamoso donde ha sobrepasado la normativa de nacional y la internacional en diversas ocasiones, por el contrario las concentraciones de Cd han permanecido dentro de la normativa (Pachón y Sarmiento, 2008; Universidad Nacional de Colombia, 2016).

Por otra parte, las trazas de Cd contenidas en el PM₁₀ son mínimas y se encuentran por debajo de lo estipulado por la normativa, aun así, debido a una exposición crónica se pueden presentar enfermedades asociadas al metal como: cáncer de pulmón y cáncer de hígado (Ostadrahimi et al., 2017; Wang et al., 2018). No obstante, el PM10 además del cadmio puede contener otros contaminantes tales como sulfatos, nitratos, metales de transición (Pb, V, Ni, Cu, Zn, Mn, Fe) o compuestos orgánicos volátiles e hidrocarburos policíclicos aromáticos, entre otros. Estos se consideran factores causales de interés en la manifestación de los síntomas de una enfermedad.

Es posible que el municipio presente una exposición crónica en la cual la variable de mayor importancia no es la concentración de los contaminantes sino el tiempo de exposición de la población al metal. Entre otros factores, una exposición crónica al Cd implica que algunas células no son capaces de adaptarse y obtienen características cancerígenas (Person et al., 2013).

Es probable que la exposición a un agente tóxico durante un día no genere un efecto agudo; se requiere de un periodo de acumulación entre 2 a 5 semanas, dependiendo del comportamiento del agente dentro del organismo (Reyna et al., 2015). Esto explica los resultados generados en la regresión lineal múltiple en función del periodo de muestreo, en donde las ER presentes durante los días de muestreo no se asociaron con las concentraciones diarias de los contaminantes, lo mismo sucede en el análisis realizado para la distancia al punto de monitoreo.

No obstante, en el análisis que incluyó el tiempo de residencia se encontró que posiblemente existe un efecto crónico sobre la población debido a la presencia de diversos contaminantes atmosféricos a través de los años en el municipio.

Por último, hay que tener en cuenta que el valle de Sogamoso cuenta con un plan de reconversión tecnológica en el sector productivo artesanal de los hornos de producción de polvo ladrillo y cal, el cual busca que los hornos usen combustible de coque y construyan chimeneas que permitan dispersar los gases (Muñoz et al., 2016). Estas estrategias han permitido la reducción de diversos contaminantes, pero no han logrado que el PM₁₀ presente en el municipio, se encuentre dentro de los límites máximos permisibles estipulados en la normativa nacional.

Conclusiones

Aunque el Valle de Sogamoso cuenta con un plan de descontaminación atmosférica, las concentraciones de PM₁₀ determinadas durante el muestreo incumplen con la normativa nacional vigente; por lo cual es necesario el desarrollo de estrategias que incluyan las condiciones específicas de cada municipio perteneciente al corredor industrial del Valle de Sogamoso.

Se ha demostrado que una exposición crónica al Cd puede generar un efecto tóxico en los seres vivos, por lo tanto, aunque las concentraciones monitoreadas en Nobsa, cumplen con la normativa nacional vigente, es necesario su continuo monitoreo ya que pueden tener una incidencia en la salud de la población.

El confinamiento de Nobsa debido a la cordillera Oriental y la baja dispersión de los contaminantes implica la resuspensión del PM10 en la atmósfera, por lo cual, el fenómeno de dispersión dependerá del tiempo que puede permanecer en la atmósfera más que de la distancia que este recorre.

Agradecimientos

A la ingeniera Mariana Flórez por su trabajo en campo y su recolección de datos los puntos de muestreo.

Conflicto de intereses

Los autores manifiestan que no existe ningún conflicto de intereses para la publicación de este artículo.

Fuentes de financiación

Esta investigación fue financiada por el proyecto FODEIN 2017, el cual se encontraba vinculado con la Universidad Santo Tomas.

 Referencias

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1 Ingeniero Ambiental Universidad Santo Tomas de Bogotá D.C., Colombia. https://orcid.org/0000-0003-3866-7559 This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

2 Ingeniera Ambiental y Sanitaria, Especialista en higiene y salud ocupacional, Magíster en Administración. Facultad de Ingeniería Ambiental Universidad Santo Tomás Bogotá D.C., Colombia. https://orcid.org/0000-0003-4485-262X This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

3 Ingeniero Ambiental y Sanitario, Magíster en Toxicología, Grupo de investigación INAM USTA. Facultad de Ingeniería Ambiental Universidad Santo Tomás Bogotá D.C., Colombia. orcid.org/0000-0001-7805-7128 This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Para citar este artículo: Mateus Deaza, J. S., Molina Gómez, N. I. y Álvarez Berrio, J. A. (2022). Determinación de la concentración de cadmio contenido en material particulado menor a 10 micras en el municipio de Nobsa – Boyacá. Revista Luna Azul (On Line), 54, 61‐81. https://doi.org/10.17151/luaz.2022.54.4

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