La pérdida de calidad de las aguas subterráneas y superficiales, así como la escasez de este recurso, es uno de los problemas ambientales más alarmantes que enfrenta la humanidad ^1,2. Además de ello, numerosos estudios predicen aumentos en la intensidad, la duración y la extensión espacial de las sequías, cambios en los patrones de precipitación y disminución de los glaciares, todo ello como consecuencia del cambio climático. Por tanto, el agua dulce es uno de los recursos más vulnerables ante este fenómeno natural ³.

En Cuba, también se han presentado graves problemas de sequía en periodos recientes, que pueden afectar considerablemente las cosechas de los próximos años ⁴. Además, se ha observado eutrofización de los lagos e incremento del contenido de metales en zonas de acuíferos, debido a la descarga de residuos industriales y pecuarios, insuficientemente tratados ⁵. El río Almendares es el cuerpo de agua superficial más importante de la capital cubana, reflejo de prácticas antrópicas mal empleadas que afectan su vitalidad. Diferentes estudios evidencian la calidad deteriorada actual de este ecosistema, principalmente por los altos niveles de materia orgánica, metales pesados y otros contaminantes ^6-8. Sin embargo, las evaluaciones realizadas en su nacimiento son muy escasas y, por tanto, es insuficiente la información acerca de la composición química del agua desde su inicio.

El problema de la escasez y la contaminación de las aguas es aún mayor si se considera que la agricultura utiliza el 70 % del agua dulce disponible. Como estrategia de solución, diferentes administraciones han propuesto la reutilización de las aguas residuales en la agricultura ⁹. En Cuba, prácticamente no se reúsan las aguas residuales, pero dado los problemas de sequía que ha presentado el país y la conveniencia de darle un uso productivo, diferentes investigadores promueven la implementación de esta práctica ⁴.

Sin embargo, la necesidad de implementarlas de manera segura para el medio ambiente requiere de estudios previos que evalúen su calidad. El río Almendares nace en el poblado de Tapaste, San José de las Lajas, Mayabeque, donde inicia un curso intermitente y las actividades agrícolas y urbanos desarrolladas en el lugar pueden modificar la composición química del agua. Por esta razón, el objetivo del presente trabajo fue caracterizar el agua del Río Tapaste y evaluar su calidad para uso potencial en la agricultura, consumo familiar y conservación biológica de la vida acuática.

Se colectaron cuatro muestras de agua en el río intermitente que pasa por el poblado de Tapaste, el cual se corresponde con el nacimiento de la cuenca Almendares-Vento. El muestreo se realizó el 11 de agosto de 2015, correspondiente a un período lluvioso en Cuba. Los puntos muestreados se ubicaron a los 23o02’53” de Latitud Norte y 82o13’23” Longitud Oeste (Punto I), 23o02’42” de Latitud Norte y 82o13’29” Longitud Oeste (Punto II), 23o02’13” de Latitud Norte y 82o13’52” Longitud Oeste (Punto III) y 23o01’88” de Latitud Norte y 82o14’36” Longitud Oeste (Punto IV) (Figura 1). Las muestras se colectaron siguiendo los procedimientos de muestreo y preservación establecidos ¹⁰.

En el lugar del muestreo se midió el pH y la conductividad eléctrica y se conservaron y almacenaron las muestras de acuerdo a los requerimientos de los análisis posteriores. El pH y la conductividad eléctrica se midieron por triplicado, utilizando un medidor multiparamétrico portátil Orion Star^TM A325. Luego se realizaron los análisis de laboratorio en el departamento de Bioquímica y Fisiología Vegetal del Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas. Se determinó la alcalinidad por valoración potenciométrica con H₂SO₄ 0.1N. Se evaluaron los residuos totales (RT), residuos fijos (RF) y residuos volátiles (RV) por gravimetría, a través del secado en estufa y mufla (HERON mod HD-150). Para este último análisis se realizaron sucesivos tiempos de calentamiento de 20 minutos hasta alcanzar peso constante. También se determinó la demanda bioquímica de oxígeno (DBO₅) por el método respirométrico a través del OxiTop (WTW mod IS-12) y el contenido de Ca, Na, K, Mg, Cu, Pb, Cd, Mn por espectrofotometría de absorción atómica (Analytic Jena novAA 350). Los procedimientos para estos análisis se describen en el Manual de Análisis de Agua ¹⁰.

La calidad agronómica del agua fue evaluada mediante el cálculo de la relación de adsorción de sodio (RAS), dureza en grados hidrométricos franceses (°F) e índice de Kelly, según se muestra en las ecuaciones 1, 2 y 3, respectivamente. Los resultados obtenidos se procesaron mediante un análisis factorial. Los indicadores que presenten diferencias entre los puntos se analizarán según la prueba de Comparación de Rangos Múltiples de Duncan con p≤0,05 %, utilizando el programa SPSS Statistics. v22 para Windows.

Se evaluó la calidad del agua en los cuatro puntos muestreados, según los criterios establecidos por la FAO ¹¹, OMS ¹² y el Ministerio de Medio Ambiente y Estrategia de Cambio Climático del gobierno de Columbia Británica ¹³, para su uso en la agricultura, doméstico y conservación de la vida acuática, respectivamente. La evaluación de la calidad para uso agrícola se realizó sobre la base de las siguientes categorías: salinidad, problemas de infiltración y toxicidad ¹¹. La conductividad eléctrica (CE) en los puntos I, III y IV fue menor que los límites superiores establecidos por la FAO y, por tanto, no representan un problema de salinización del suelo (Tabla 1). En cambio, el punto II se encuentra en el rango establecido de “Problema creciente” de salinización (0,75-3 dS m^-1), lo que significa que puede tener efectos perjudiciales en cultivos sensibles.

El análisis comparativo de la Relación de Adsorción de Sodio (RAS), con los límites de la FAO reflejó que el agua del río no presentó problemas de sodificación e infiltración en el suelo (Tabla 1). Sin embargo, estos problemas se deben, entre otros factores, a la combinación de los efectos asociados con la sodicidad y la salinidad del agua.

La evaluación simultánea de los indicadores RAS y CE en el diagrama de la FAO (1985), evidenció que el agua de los cuatro puntos presenta problemas de reducción leve o moderada en la velocidad de infiltración en el suelo. Por tales motivos se recomienda su uso sin descuidar los posibles efectos en cultivos que demanden de alto contenido de este recurso.

El pH y la concentración de la mayoría de los elementos (Tabla 1) fueron inferiores a los límites máximos permisibles, por lo que no representan un riesgo de toxicidad para las plantas, el uso doméstico y la conservación de la vida acuática. Entre los indicadores que no cumplieron con lo establecido se encuentra la concentración de Cd, la cual superó en un promedio de 14, 47 y 70 veces los criterios de aceptabilidad para el uso en la agricultura, doméstico y conservación de la vida acuática, respectivamente.

Es importante señalar que el Cd es uno de los metales pesados que más ha llamado la atención de las ciencias del suelo, las plantas y los seres vivos; en general, debido a su alta toxicidad, movilidad y poder bioacumulativo. Los niveles encontrados en el agua del nacimiento del río Almendares no solo afectan su utilidad, sino que evidencian problemas alarmantes de contaminación. Dada su capacidad de acumulación es altamente probable que las concentraciones en los sedimentos y organismos vivos que se desarrollen en este medio sean superiores a las determinadas en el agua. En la década de 1940, la contaminación con Cd en el río Jinzu y en el cultivo del arroz se puso de manifiesto cuando en Japón más de 100 personas murieron a causa de la toxicidad por este metal ¹⁴. Estos hechos deben ser motivo de preocupación y alarma para otros países en similares situaciones ambientales.

Dado que el pH, en todos los puntos muestreados, es inferior a 8,3, la alcalinidad se debe casi totalmente a los iones bicarbonatos. Este es otro de los indicadores que superó el límite para el uso en la agricultura (Tabla 1) y además sobrepasó el rango habitual de la concentración de iones bicarbonatos en el agua de riego (0-10 meq L^-1). El bicarbonato, incluso a concentraciones muy bajas, es un problema, principalmente cuando los cultivos de frutas se riegan por aspersión durante periodos de muy baja humedad (HR<30 %) y alta evaporación. Bajo estas condiciones, se forman depósitos blancos en frutos y hojas que no son lavados por riego posterior y reducen su comerciabilidad.

Según la caracterización química realizada, el agua del río se clasifica como del tipo bicarbonatada cálcica sódica. Se atribuye que el Ca y la alcalinidad deben sus contenidos en el agua a la interacción de la misma con las rocas de la formación Cojímar, que consisten en margas calcáreas suaves y, en ocasiones, se endurecen formando calizas compactas ¹⁵.

Las concentraciones de los elementos Ca, Mg, Na y K mostraron una tendencia casi similar en su transcurso por los puntos de muestreo (Figura 2). El punto II presentó los mayores valores de concentración para los cuatro elementos. El punto III le siguió en el orden, excepto para el Mg, y los puntos I y IV mostraron los menores valores, lo cual se corresponde con el comportamiento de la CE. Los elementos Ca, Mg y K se encuentran dentro del rango de concentraciones habituales definidos por la FAO para el agua de riego. Para estos elementos no se establecen valores límites sino determinadas relaciones que deben cumplirse entre ellos y el Na, con el objetivo de mantener el equilibrio deseado. Los elementos Ca y Na están casi en similar proporción, superior al Mg y cumplen con la relación establecida por la FAO para que el Ca pueda contrarrestar los efectos dispersantes del Na en el suelo y su toxicidad en los cultivos.

Las concentraciones de los elementos Ca, Mg y K fueron menores que las determinadas por otro investigador en su estudio de la calidad del agua de diferentes pozos cercanos al lugar de muestreo ¹⁶. Sin embargo, el agua de río mostró mayores valores de concentración de Na que el agua de los pozos. Estas diferencias se deben a que las aguas subterráneas, en su paso a través del suelo, adquieren mayor contenido de nutrientes y elementos presentes en las rocas y minerales. El Na no parece ser un elemento característico de la litología del lugar y su mayor concentración en las aguas superficiales podría deberse a las descargas de residuales.

Los mayores valores de residuo total (RT), residuo fijo (RF) y residuo volátil (RV) (Tabla 2) se obtuvieron en el punto II.

Estos datos confirman los resultados obtenidos de alcalinidad, concentración de metales y DBO₅ (Figura 3). La alta alcalinidad, al igual que los valores de residuos totales por encima de 1000 mg L^-1, indica que las aguas analizadas presentan tendencia a formar incrustaciones.

La tendencia a la precipitación química de CaCO₃ se predijo utilizando el índice de saturación de Langelier ¹¹. Los resultados indicaron que las aguas de los puntos I, II, III y IV presentaron índices de saturación de CaCO₃ de 0,18; 0,69; 0,67 y 0,44, respectivamente. Este aspecto puede ser una limitante, especialmente en el fertirriego, debido a que se obstruye el flujo de agua y, además, contribuye a la alcalinización del suelo. El aumento en el pH propicia un desaprovechamiento de los nutrientes, debido a su baja disponibilidad en valores superiores a 8,0. Uno de los posibles mecanismos para minimizar estos efectos es ajustar el pH a 7,0 en el agua de riego y de esta manera el índice de saturación se hace negativo y, por tanto, no debe precipitar el carbonato.

Según los valores de dureza en grados hidrométricos franceses (°F), las aguas de los puntos I y IV son consideradas medianamente duras y los puntos II y III se corresponden con aguas duras. El índice de Kelly (IK) es uno de los indicadores que definen las proporciones adecuadas de los iones Ca, Mg y Na y su valor superior a 35 % indica que las aguas de los cuatro puntos son aptas para el riego (Tabla 2) ¹⁷.

Los valores de DBO₅ son superiores a los límites establecidos en la Norma de Calidad del Agua y Control de Descargas AG-CC-01 para aguas que son destinadas al abastecimiento público (2 mg O₂ L^-1) y la preservación de la fauna y la flora (5 mg O₂ L^-1) ¹⁸. Los puntos II y III, incluso superan el límite (10 mg O₂ L^-1) para la utilización como agua de riego a los cultivos alimentarios, incluidos aquellos cultivos de raíces que se consumen crudos y cultivos donde la porción comestible está en contacto directo con el agua ¹⁹. Por tanto, debido al alto contenido de materia orgánica, las aguas de los diferentes puntos no son aptas para los usos mencionados. Es importante destacar que en los puntos I y IV se alcanzaron los menores valores de esta variable, dado que se corresponden con la entrada y salida del río por el poblado. Este resultado indica que la contaminación está dada por las descargas residuales urbanas y los residuos de crianza animal.

Por las razones expuestas se sugiere la necesidad de un muestreo sistemático para confirmar el nivel de contaminación y obtener conclusiones definitivas sobre la calidad ambiental del río en estudio.

The quality loss of groundwater and surface water, as well as the scarcity of this resource, is one of the most alarming environmental problems facing humanity ^1,2. In addition, numerous studies predict increases in the intensity, duration and spatial extent of droughts, changes in precipitation patterns, and glaciers decline, all as a consequence of climate change. Therefore, fresh water is one of the most vulnerable resources to this natural phenomenon ³.

In Cuba, there have also been serious drought problems in recent periods, which may considerably affect the harvests in the coming years ⁴. In addition, eutrophication of lakes and increased metal content in aquifer areas have been observed, due to the discharge of insufficiently treated industrial and livestock waste ⁵. Almendares river is the most important body of surface water in the Cuban capital, a reflection of poorly used anthropic practices that affect its vitality. Different studies show the current deteriorated quality of this ecosystem, mainly due to high levels of organic matter, heavy metals and other pollutants ^6-8. However, evaluations carried out at its source are very scarce and, therefore, the information about the chemical composition of the water since its inception is insufficient.

The problem of water scarcity and pollution is even greater if one considers that agriculture uses 70 % of the fresh water available. As a solution strategy, different administrations have proposed the reuse of wastewater in agriculture ⁹. In Cuba, wastewater is practically not reused, but given the drought problems that the country has presented and the convenience of giving it a productive use, different researchers promote this practice implementation ⁴.

However, the need to implement them in a safe way for the environment requires prior studies to evaluate their quality. Almendares River is born in Tapaste town, San José de las Lajas, Mayabeque, where it begins an intermittent course and the agricultural and urban activities carried out in the place can modify the chemical composition of water. For this reason, the objective of this work was to characterize the Tapaste River water and evaluate its quality for potential use in agriculture, family consumption and biological conservation of aquatic life.

Four water samples were collected in the intermittent river that passes through Tapaste town, which corresponds to the source of the Almendares-Vento basin. The sampling was carried out on August 11, 2015, corresponding to a rainy period in Cuba. The sampled points were located at 23º02'53”of North Latitude and 82º13'23” West Longitude (Point I), 23º02'42 ”of North Latitude and 82º13'29” West Longitude (Point II), 23º02'13 ”of North Latitude and 82º13'52 ”West Longitude (Point III) and 23º01'88” North Latitude and 82º14'36 ”West Longitude (Point IV) (Figure 1). The samples were collected following established sampling and preservation procedures ¹⁰.

At the sampling site, the pH and electrical conductivity were measured and samples were conserved and stored according to requirements of subsequent analyzes. PH and electrical conductivity were measured in triplicate, using an Orion Star^TM A325 portable multiparameter meter. Then the laboratory analyzes were carried out in the Department of Biochemistry and Plant Physiology of the National Institute of Agricultural Sciences. Alkalinity was determined by potentiometric titration with 0.1N H2SO4. Total residues (TR), fixed residues (FR) and volatile residues (VR) were evaluated by gravimetry, through drying in an oven and muffle (HERON mod HD-150). For this last analysis, successive heating times of 20 minutes were carried out until reaching constant weight. The biochemical oxygen demand (BOD₅) was also determined by the respirometric method through the OxiTop (WTW mod IS-12) and the content of Ca, Na, K, Mg, Cu, Pb, Cd, Mn by atomic absorption spectrophotometry. (Analytic Jena novAA 350). The procedures for these analyzes are described in the Water Analysis Manual ¹⁰.

The agronomic water quality was evaluated by calculating the sodium adsorption ratio (SAR), hardness in French hydrometric degrees (°F) and Kelly index, as shown in equations 1, 2 and 3, respectively. The results were processed by factor analysis. The indicators that present differences between points will be analyzed according to Duncan's Multiple Range Comparison test with p≤0.05 %, using the SPSS Statistics program v22 for Windows.

The water quality was evaluated in the four sampled points, according to the criteria established by FAO ¹¹, WHO ¹² and the Ministry of Environment and Climate Change Strategy of the government of British Columbia ¹³, for their use in agriculture, domestic and conservation of aquatic life, respectively. The quality evaluation for agricultural use was carried out on the basis of the following categories: salinity, infiltration problems and toxicity ¹¹. The electrical conductivity (EC) in points I, III and IV was lower than the upper limits established by FAO and, therefore, they do not represent a problem of soil salinization (Table 1). In contrast, point II is in the established range of “Increasing problem” of salinization (0.75-3 dS m^-1), which means that it can have detrimental effects on sensitive crops.

The comparative analysis of the Sodium Adsorption Ratio (SAR), with the FAO limits, reflected that the river water did not present problems of sodification and infiltration in the soil (Table 1). However, these problems are due, among other factors, to the combination of the effects associated with the sodium and salinity of the water.

The simultaneous evaluation of the SAR and EC indicators in the FAO diagram (1985) showed that the water from the four points presents problems of slight or moderate reduction in the infiltration rate in the soil. For these reasons, its use is recommended without neglecting the possible effects in crops that demand a high content of this resource.

The pH and concentration of most of elements (Table 1) were lower than the maximum permissible limits, so they do not represent a risk of toxicity for plants, domestic use and the conservation of aquatic life. Among the indicators that did not comply with what was established is the concentration of Cd, which exceeded by an average of 14, 47 and 70 times the acceptability criteria for use in agriculture, domestic use and conservation of aquatic life, respectively.

It is important to point out that Cd is one of the heavy metals that has attracted the most attention in the sciences of soil, plants and living beings; in general, due to its high toxicity, mobility and bioaccumulative power. The levels found in the water from the source of the Almendares River not only affect its usefulness, but also show alarming problems of contamination. Given its accumulation capacity, it is highly probable that the concentrations in sediments and living organisms that develop in this environment are higher than those determined in water. In the 1940s, Cd contamination in the Jinzu River and in rice cultivation became apparent when more than 100 people in Japan died from Cd toxicity ¹⁴. These events should be a cause for concern and alarm for other countries in similar environmental situations.

Since the pH, at all the points sampled, is below 8.3, the alkalinity is almost entirely due to bicarbonate ions. This is another of the indicators that exceeded the limit for use in agriculture (Table 1) and exceeded the usual range of bicarbonate ion concentration in irrigation water (0-10 meq L^-1). Bicarbonate, even at very low concentrations, is a problem, especially when fruit crops are sprinkled during periods of very low humidity (Hr <30 %) and high evaporation. Under these conditions, white deposits form on fruits and leaves that are not washed away by subsequent irrigation and reduce their marketability.

According to the chemical characterization carried out, the river water is classified as of the sodium calcium bicarbonate type. It is attributed that Ca and alkalinity owe their content in the water to its interaction with Cojímar formation rocks, which consist of soft calcareous marls and on occasions, harden into compact limestone ¹⁵.

The concentrations of elements such as Ca, Mg, Na and K showed an almost similar trend in their course through sampling points (Figure 2). Point II presented the highest concentration values for four elements. Point III followed in order, except for Mg, and I and IV points showed the lowest values, which corresponds to the behavior of EC. The elements Ca, Mg and K are within the range of usual concentrations defined by FAO for irrigation water. Limit values are not established for these elements, but rather certain relationships that must be met between them and Na, in order to maintain the desired balance. The elements Ca and Na are in almost a similar proportion, higher than Mg and comply with the relationship established by FAO so that Ca can counteract the dispersant effects of Na in the soil and its toxicity in crops.

The concentrations of Ca, Mg and K elements were lower than those determined ones by another researcher in his study of the water quality in different wells near the sampling site ¹⁶. However, river water showed higher Na concentration values than well water. These differences are due to the fact that groundwater, as it passes through the soil, acquires a higher content of nutrients and elements present in rocks and minerals. Na does not seem to be a characteristic element of the place lithology and its higher concentration in surface waters could be due to waste discharges.

The highest values of total residue (TR), fixed residue (FR) and volatile residue (VR) (Table 2) were obtained in point II.

These data confirm the results obtained for alkalinity, metal concentration and BOD₅ (Figure 3). The high alkalinity, as well as the total residue values above 1000 mg L^-1, indicates that the analyzed waters have a tendency to form incrustations.

The tendency to chemical precipitation of CaCO₃ was predicted using the Langelier saturation index ¹¹. The results indicated that the waters of points I, II, III and IV presented CaCO₃ saturation indices of 0.18; 0.69; 0.67 and 0.44, respectively. This aspect can be a limitation, especially in fertigation, because the flow of water is obstructed and, in addition, it contributes to soil alkalization. The increase in pH enhances a waste of nutrients, due to their low availability in values higher than 8.0. One of the possible mechanisms to minimize these effects is to adjust the pH to 7.0 in the irrigation water and in this way the saturation index becomes negative and, therefore, the carbonate should not precipitate.

According to the hardness values in French hydrometric degrees (°F), the waters of I and IV points are considered moderately hard and points II and III correspond to hard waters. The Kelly index (KI) is one of indicators that define the appropriate proportions of Ca, Mg and Na ions and its value greater than 35 % indicates that the waters of the four points are suitable for irrigation (Table 2) ¹⁷.

The BOD₅ values are higher than the limits established in the Water Quality and Discharge Control Standard AG-CC-01 for waters that are destined for public supply (2 mg O₂ L^-1) and the preservation of fauna and flora (5 mg O₂ L^-1) ¹⁸. Points II and III even exceed the limit (10 mg O₂ L^-1) for use as irrigation water for food crops, including those root crops that are consumed raw and crops where the edible portion is in direct contact with the water ¹⁹. Therefore, due to the high content of organic matter, waters of the different points are not suitable for the mentioned uses. It is important to note that in I and IV points the lowest values of this variable were reached, since they correspond to the entrance and the river exit through the town. This result indicates that the contamination is caused by urban residual discharges and animal husbandry residues.

For the reasons stated, the need for a systematic sampling is suggested to confirm the contamination level and obtain definitive conclusions about the environmental quality of the river under study.