Formulaciones basadas en organoarcilla para reducir el im­pacto producido por el uso de herbicidas en suelos de olivar

 

C. Trigo¹, R. Celis, G. Facenda & J. Cornejo

¹ Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología de Sevilla (IRNAS), CSIC, Avenida Reina Mercedes 10, 41012 Sevilla, Spain, e-mail: ctrigo@irnase.csic.es

 

RESUMEN

Los repetidos episodios de contaminación de aguas superficiales y subterráneas origi­nados por herbicidas utilizados en el cultivo del olivar son motivo de una gran preocupa­ción en muchas regiones mediterráneas. El hecho de que la mayoría de las formulacio­nes comerciales de herbicidas contengan las materias activas en una forma inmediata­mente disponible acentúa el riesgo de pérdi­das por transporte de los herbicidas que se aplican al olivar y, por consiguiente, el ries­go de contaminación de aguas adyacentes. En este trabajo se presenta la preparación de formulaciones de liberación lenta de tres herbicidas (diurón, terbutilazina y MCPA), muy utilizados en el control de malas hier­bas en el olivar, a partir del soporte de los mismos en una montmorillonita modificada con cationes hexadeciltrimetilamonio. Pos­teriormente, se ha evaluado la capacidad de las formulaciones preparadas de reducir la velocidad de liberación de los herbicidas en medio acuoso y de retrasar su lixiviación a través de columnas de suelo, en compara­ción a formulaciones comerciales conven­cionales de los herbicidas. Los resultados sugieren la utilidad de las formulaciones desarrolladas para reducir las pérdidas por transporte de los herbicidas estudiados tras su aplicación a suelos de olivar.

Palabras-clave: formulaciones, herbicidas, lixiviación, olivar, organoarcillas

 

Organoclay-based formulations to reduce the environmental impact caused by herbicides commonly applied to olive groves

ABSTRACT

Ground and surface water contamination by herbicides commonly applied to olive groves is a matter of current concern in Mediterranean regions. The fact that most commercial herbicide formulations in cur­rent use contain the herbicide in an immedi­ately available form that is readily released into the environment exacerbates the risk of ground and surface water contamination by rapid herbicide transport losses. In this work, we prepared slow release formula­tions of three herbicides (diuron, terbuthy­lazine, and MCPA) widely applied to olive groves by preadsorbing the herbicides on hexadecyltrimethylammonium-modified montmorillonite. Then, we evaluated the ability of the organoclay-based formulations to slow the release of the herbicides into wa­ter and to reduce their leaching through soil columns, as compared to conventional commercial formulations containing the herbicides in a readily available form. The results indicated that organoclay-based for­mulations can be useful to reduce the mobil­ity of the assayed herbicides after applica­tion to soils such as those typically used for olive growing in Mediterranean regions.

Key-words: formulations, herbicides, leach­ing, olive groves, organoclays

 

INTRODUCCIÓN

Los residuos de plaguicidas que se en­cuentran en los suelos y en aguas superficia­les y subterráneas aumentan continuamente como resultado del creciente y continuado empleo de estas sustancias en agricultura y otros campos de actividad. En particular, la aplicación de herbicidas a suelos de olivar supone una gran preocupación en la actuali­dad por el impacto que dichos herbicidas pueden tener debido a su alta movilidad en diferentes compartimentos como son el suelo y las aguas superficiales y subterráneas, algunas de las cuales son utilizadas para uso doméstico y otras para riego del propio oli­var y de otros cultivos (Celis et al., 2007).

Una de las causas que más contribuyen a acentuar el impacto producido por los herbi­cidas aplicados a suelos de olivar está rela­cionada con el hecho de que la mayoría de las formulaciones de herbicidas que se usan actualmente contienen la materia activa en una forma libre o inmediatamente disponi­ble y que, por lo tanto, también es suscepti­ble de transportarse rápidamente hacia pun­tos alejados del lugar de aplicación por pro­cesos de lixiviación y escorrentía (Johnson & Pepperman, 1998; Celis et al., 2002). En este sentido, se ha propuesto que la aplica­ción del herbicida en un soporte adecuado, que lo libere gradualmente a lo largo del tiempo, puede atenuar los efectos adversos de contaminación de áreas alejadas del lugar de aplicación, que afectan a los plaguicidas utilizados en escenarios de alto riesgo, como es el caso de los suelos de olivar (Gerstl et al., 1998; Lagaly, 2001; Cornejo et al., 2004).

En este trabajo se han desarrollado formu­laciones de liberación lenta de tres herbici­das (diurón, terbutilazina y MCPA) muy uti­lizados en el cultivo del olivar, mediante su soporte en una montmorillonita previamente modificada con el catión orgánico hexade­ciltrimetilamonio (HDTMA). La modifica­ción de la montmorillonita se llevó a cabo con el propósito de aumentar su afinidad por los herbicidas (Prost & Yaron, 2001; Corne­jo et al., 2008). La organoarcilla resultante tras la modificación de la montmorillonita con HDTMA se trató con los herbicidas pa­ra obtener complejos organoarcilla­herbicida y, posteriormente, se comparó el comportamiento de estos complejos con el de formulaciones comerciales convenciona­les de diurón, terbutilazina y MCPA a través de ensayos de liberación en medio acuoso y de lixiviación y eficacia biológica en un sue-lo representativo de olivar mediterráneo.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Herbicidas y suelo

Las estructuras químicas de los herbicidas diurón [3-(3,4-diclorofenil)-1,1-dimetil­urea], terbutilazina [N²-tert-butil-6-cloro-N⁴­etil-1,3,5-triazina-2,4-diamina] y MCPA (ácido 4-cloro-2-metil-fenoxiacético] se muestran en la Figura 1. Los herbicidas uti­lizados en los experimentos de adsorción­desorción y para la preparación de las for­mulaciones con organoarcilla fueron los productos de alta pureza suministrados por Sigma (España). Las formulaciones comer­ciales de herbicida utilizadas como referen­cia en los ensayos de liberación en agua, lixiviación y eficacia biológica fueron: DIURÓN 80 WDG (80% diurón en forma de gránulo dispersable en agua proporcio­nado por la casa comercial Massó), CUÑA (terbutilazina 500 g l^-1 en forma de suspen­sión concentrada suministrada por Spicam Inagra S.A.) y AYAX (sal amina de MCPA 600 g l^-1 en forma de concentrado soluble suministrada por Tratamientos Guadalquivir S.L.).

 

Figura 1 -Estructuras químicas de los herbicidas.

 

El suelo utilizado en los experimentos fue un suelo de textura franco arcillo arenosa (63% arena, 16% limo, 21% arcilla) proce­dente de una finca experimental del IRNAS (CSIC) localizada en Coria del Río (Sevilla, España). La muestra de suelo se tomó a una profundidad de 0-20 cm, se secó al aire y se tamizó usando un tamiz de 2 mm. El suelo tenía un 2,40% de materia orgánica, un 16,9% de CaCO3 y un pH de 8,5.

Organoarcillas y formulaciones orga­noarcilla-herbicida

La organoarcilla usada en este trabajo (SA-HDTMA) se seleccionó atendiendo a estudios previos que indicaron su posible validez para preparar formulaciones de libe­ración lenta de los herbicidas diurón, terbu­tilazina y MCPA (Celis et al., 2007). Para la preparación de la organoarcilla, la montmo­rillonita SAz-1, rica en Ca²⁺, suministrada por “The Clay Minerals Society” fue modi­ficada con el catión hexadeciltrimetilamonio (HDTMA, Figura 2), suministrado por Sig­ma (España), a través de una reacción de in­tercambio catiónico. Para ello, la montmori­llonita SAz-1 se trató con una disolución etanol:agua (50:50) que contenía la cantidad de HDTMA correspondiente al 100% de la capacidad de intercambio catiónico (CIC) de la montmorillonita (CICSAz-1= 120 cmolc kg^-1). La suspensión se agitó durante 24 h, se centrifugó y el sólido resultante se lavó con agua destilada y después se liofilizó.

 

Figura 2 -Estructura química del catión orgánico HDTMA.

 

Para la preparación de los complejos de diurón y MCPA con la organoarcilla, se mezclaron 100 mg de SA-HDTMA con 160 ml de una disolución de diurón de 40 mg l^-1 y 400 mg de SA-HDTMA con 160 ml de una disolución de MCPA de 600 mg l^-1. En ambos casos, las suspensiones se agi­taron durante 24 h, se filtraron a vacío y los sólidos obtenidos se dejaron secar al aire y posteriormente se molieron en un mortero de ágata. El complejo de terbutilazina con la organoarcilla se preparó mezclando 100 mg de SA-HDTMA con 200 ml de una disolu­ción de terbutilazina de 5 mg l^-1, agitando durante 24 h, centrifugando a 10.000 r.p.m. durante 10 minutos y reemplazando 180 ml del líquido sobrenadante por otros 180 ml de la disolución de terbutilazina de 5 mg l^-1 . Este proceso se repitió tres veces consecuti­vas. A continuación, se filtró a vacío y el sólido resultante se dejó secar al aire y se molió en un mortero de ágata. Estudios preliminares demostraron que con estos procedimientos de síntesis se conseguía sa­turar la organoarcilla con los herbicidas. El contenido final de herbicida en los comple­jos con organoarcilla se calculó mediante extracción de 5 mg de formulación con 10 ml de metanol, en el caso de diurón y terbu­tilazina, o mezcla metanol:ácido fosfórico diluido pH 2 (60:40), en el caso de MCPA. Dicho contenido final fue del 2.8% para diu­rón, 0,6% para terbutilazina y 15,3% para MCPA.

Experimentos de adsorción

Las isotermas de adsorción de diurón, ter­butilazina y MCPA a la organoarcilla SA­HDTMA se obtuvieron equilibrando 20 mg de organoarcilla con 8 ml de disoluciones iniciales de los herbicidas a diferentes con­centraciones (Cini = 0.1, 0.2, 1 y 2 mg l^-1), por agitación mecánica a 20 ± 2ºC durante 24 h. Tras equilibrar, las suspensiones se centrifugaron y se retiraron 4 ml de las diso­luciones sobrenadantes para su análisis. La concentración de herbicida en las disolucio­nes sobrenadantes (Ce) se determinó por cromatografía líquida de alta resolución (HPLC). La cantidad de herbicida adsorbido (Cs) se calculó por la diferencia entre las concentraciones de las disoluciones iniciales y las de equilibrio.

Cinéticas de liberación en agua

Las cinéticas de liberación en agua de los herbicidas a partir de sus complejos con or­ganoarcilla y de las formulaciones comer­ciales se obtuvieron en botellas de vidrio de 500 ml de capacidad a las que se añadieron 250 ml de agua y 0,5 mg de los herbicidas, bien como complejos con la organoarcilla o bien como producto comercial. A los tiem­pos seleccionados (entre 0 y 168 horas), las botellas se agitaron, se dejaron reposar du­rante 10 minutos y se tomaron 2 ml de las disoluciones que se filtraron y analizaron por HPLC para determinar la concentración de herbicida en disolución. Todos los expe­rimentos se realizaron por duplicado.

Experimentos de lixiviación en columnas de suelo

Los estudios de lixiviación se llevaron a cabo en columnas de vidrio de 30 cm de longitud y 3,1 cm de diámetro interno. Los 5 cm inferiores se rellenaron con lana de vi­drio y arena de mar y los 5 cm superiores con arena de mar para evitar pérdidas de suelo durante el experimento. Los otros 20 cm se rellenaron a intervalos de 5 cm con el suelo, empaquetándose a mano, y a conti­nuación se saturaron con agua destilada y se dejaron drenar durante 24 h. El volumen de poros de las columnas después de la satura­ción fue 63 ± 1 ml. Una vez saturadas las columnas, se añadió el herbicida correspon­diente a una dosis de 2 kg/ha en forma de producto comercial disuelto en agua o en forma de complejo con la organoarcilla SA­HDTMA. Para facilitar la aplicación de los sólidos se utilizaron 15 ml de agua. Para ca­da herbicida, el experimento se realizó por triplicado. Diariamente, se aplicaron 15 ml de agua destilada, se recogieron los lixivia­dos y se determinó su concentración por HPLC. Al finalizar el experimento de lixi­viación, el suelo contenido en las columnas se dividió en 4 porciones de 5 cm que se ex­trajeron mediante agitación durante 24 h con 100 ml de metanol, en el caso de diurón y terbutilazina, o mezcla metanol:ácido fosfó­rico diluido pH 2 (60:40), en el caso de MCPA. Los extractos se filtraron y se anali­zaron por HPLC para determinar la cantidad de herbicida residual en las columnas.

Bioensayos

El estudio de la eficacia biológica de las formulaciones basadas en organoarcilla de los distintos herbicidas se llevó a cabo por medio de un bioensayo realizado con berro (Lepidum sativum), que se eligió por ser una planta sensible a estos herbicidas y con bue­na tasa de germinación. Para ello se usaron macetas con una superficie de 50 cm² en el fondo de las cuales se colocó lana de vidrio y arena de mar (30 g) para facilitar el drena­je y evitar pérdidas de suelo. Posteriormen­te, las macetas se rellenaron con el suelo (220 g/maceta), se colocaron en placas Petri y se les añadió agua hasta que la maceta quedó saturada. Tras dejar drenar 24 h, se sembraron 15 semillas de berro en cada ma­ceta y posteriormente se aplicó cada uno de los herbicidas a una dosis de 2 kg/ha en for­ma de formulación comercial y en forma de complejo con la organoarcilla SA-HDTMA, preparando además macetas a las que no se les aplicó herbicida y que sirvieron de con­trol. Las macetas se prepararon por duplica­do, se colocaron en un lugar idóneo para su germinación y se regaron diariamente.

Análisis de los herbicidas

El método analítico utilizado en el análisis de los herbicidas fue la cromatografía líqui­da de alta resolución (HPLC) de fase rever­sa, usando un cromatógrafo Waters 600E acoplado a un detector de radiación ultravio­leta emitida por una lámpara de deuterio (Waters 996). Las condiciones de determi­nación fueron: Columna Nova-Pack C18 (150 mm longitud × 3,9 mm diámetro inter-no) (Waters), fase móvil acetonitrilo:agua

(40:60) para diurón y (50:50) para terbutila­zina. Para MCPA la fase móvil está com­puesta por MeOH: ácido fosfórico pH 2 (60:40). Se utilizó un flujo de fase móvil de 1 ml min^-1, un volumen de inyección de 25 µl y una detección a 250 nm para diurón, 220 nm para terbutilazina y 230 nm para MCPA. Pa­ra el análisis cuantitativo de los herbicidas se utilizaron curvas de calibración externa con disoluciones patrones de los herbicidas com­prendidas entre 0,1 y 2 mg l^-1 .

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Isotermas de adsorción de los herbicidas a la organoarcilla y liberación a partir de las diferentes formulaciones

Las isotermas de adsorción de diurón, ter­butilazina y MCPA a la organoarcilla SA­HDTMA reflejan que los tres herbicidas muestran una gran afinidad por la organoar­cilla (Figura 3). Por el contrario, la adsor­ción de los herbicidas a la montmorillonita SAz-1 sin modificar resultó ser práctica­mente nula. Esto se puede explicar por la es­tructura parafínica (d₀₀₁> 22 Å) que resulta de la disposición vertical que adoptan los cationes HDTMA en la interlámina de SAz­1 (Jaynes & Boyd, 1991). Dicha disposición da lugar a un ambiente interlaminar marca­damente hidrofóbico con una gran afinidad por los herbicidas, tal y como ha sido obser­vado por otros autores para diferentes com­puestos orgánicos (Jaynes & Vance, 1996; Carrizosa et al., 2001). Por el contrario, el carácter altamente hidrofílico de las superfi­cies externas e internas de la montmorilloni­ta SAz-1 original, de elevada carga laminar, hace que su afinidad por moléculas orgáni­cas como los herbicidas sea muy pequeña (Celis et al., 2007).

 

Figura 3 -Isotermas de adsorción de los her­bicidas diurón, terbutilazina y MCPA a la or­ganoarcilla SA-HDTMA.

 

Las cinéticas de liberación en agua se ob­tuvieron para conocer la velocidad y la can­tidad total de diurón, terbutilazina y MCPA liberado en medio acuoso y condiciones es­táticas. Las cinéticas muestran que la libera­ción de los herbicidas se produce más len­tamente a partir de sus formulaciones basa­das en la organoarcilla SA-HDTMA que a partir de las correspondientes formulaciones comerciales utilizadas como referencia (Fi­gura 4). Este comportamiento es caracterís­tico de formulaciones de liberación lenta de plaguicidas (Johnson & Pepperman, 1998). La mayor parte del herbicida se libera de­ntro de las primeras 72 horas para las tres formulaciones y la cantidad de herbicida li­berado permanece después prácticamente constante a lo largo del tiempo.

Lixiviación en columnas de suelo

Las curvas de elución relativas para diurón, terbutilazina y MCPA aplicados a las columnas de suelo como formulacio­nes comerciales convencionales muestran picos de concentración máxima a 400, 300 y 75 ml, respectivamente (Figura 5). En los tres casos se da un retraso en la lixiviación del herbicida tras su aplicación como formulación basada en organoarci­lla, así como una disminución de las con­centraciones de los herbicidas en los lixi­viados (Figura 5), lo que indica que el riesgo de contaminación de aguas subte­rráneas se reduce por el uso de las formu­laciones basadas en organoarcilla (Cox et al., 2000). Además, las cantidades totales lixiviadas se ven reducidas por el uso de las formulaciones basadas en organoarci­lla respecto al uso de las formulaciones comerciales convencionales (Tabla 1). Como apuntan Celis et al. (2002), las can­tidades de herbicida no recuperado (Tabla 1) pueden corresponder a herbicida ad­sorbido de forma irreversible al suelo o a las formulaciones y a herbicida degradado durante el experimento de lixiviación.

 

Figura 4 -Cinéticas de liberación en agua de los herbicidas a partir de formulaciones con la orga­noarcilla SA-HDTMA y de formulaciones comerciales convencionales.

 

Figura 5 -Curvas de elución de los herbicidas aplicados a columnas de suelo como formulaciones comerciales y soportados en la organoarcilla SA-HDTMA.

 

Tabla 1 -Porcentaje de diurón, terbutilazina y MCPA lixiviado, extraído de las columnas y no recu­perado durante los experimentos de lixiviación.

 

Bioensayos

Las pruebas de eficacia biológica pusie­ron de manifiesto que los complejos orga­noarcilla-herbicida preparados fueron tan eficaces en el control de la planta utilizada en los bioensayos (Lepidium sativum) como las formulaciones comerciales correspon­dientes. En todos los casos se observó una mortalidad próxima al 100% de las plantas tras la aplicación de los herbicidas en pre­emergencia y a una dosis de 2 kg/ha. Estos resultados sugieren que los tres complejos preparados pueden ser aplicados a dosis si­milares a las recomendadas para el uso de diurón, terbutilazina y MCPA, reduciendo la lixiviación del herbicida a través del perfil de suelo y manteniendo la eficacia en el control preemergente de malas hierbas (El-Nahhal et al., 1999).

 

CONCLUSIONES

La modificación de la montmorillonita SAz-1 con el catión orgánico HDTMA da lugar a una organoarcilla con gran afinidad por los herbicidas diurón, terbutilazina y MCPA. Complejos preparados preadsor­biendo los herbicidas en la organoarcilla fueron ensayados en el laboratorio como formulaciones de liberación lenta de los herbicidas. La liberación en agua de los her­bicidas a partir de las formulaciones de or­ganoarcilla se produjo más lentamente que en el caso de formulaciones comerciales convencionales y también se redujo la lixi­viación de los herbicidas a través de colum­nas de suelo. La eficacia biológica de los complejos organoarcilla-herbicida fue simi­lar a la de las formulaciones comerciales usadas como referencia. Los resultados de este trabajo muestran que el uso de las for­mulaciones basadas en organoarcillas puede ser una estrategia útil para reducir las pérdi­das por lixiviación asociadas a la elevada movilidad de herbicidas tales como diurón, terbutilazina y MCPA, en escenarios de alto riesgo como el cultivo del olivo en el Medi­terráneo.

 

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo ha sido financiado por el Mi­nisterio Español de Ciencia e Innovación (MICINN) a través de los proyectos AGL2005-05063-C02-01 y AGL2008­04031-C02-01, y por la Junta de Andalucía, a través del proyecto P07-AGR-03077. Carmen Trigo agradece al MICINN la con­cesión de una beca de Formación de Perso­nal Investigador.

 

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Carrizosa, M.J., Koskinen, W.C., Hermosin, M.C. & Cornejo, J. 2001. Dicamba adsorption-desorption on organoclays. Applied Clay Science, 18: 223-231.

Celis, R., Hermosín, M.C., Carrizosa, M.J. & Cornejo, J. 2002. Inorganic and or­ganic clays as carriers for slow release of the herbicide hexazinone. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 50: 2324-2330.

Celis, R., Trigo, C., Facenda, G., Hermosín, M.C. & Cornejo, J. 2007. Selective modification of clay minerals for the ad­sorption of herbicides widely used in olive groves. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 55: 6650-6658.

Cornejo, J., Celis, R., Cox, L. & Hermosín, M.C. 2004. Pesticide-clay interactions and formulations. In F. Wypych & K.G. Satyanarayana (eds) Clay Surfaces: Fundamentals and Applications, Vol. 1, pp. 247-266. Elsevier Academic Press, Amsterdam, The Netherlands.

Cornejo, J., Celis, R., Pavlovic, I. & Ulibarri, M.A. 2008. Interactions of pes­ticides with clays and layered double hydroxides: a review. Clay Minerals, 43: 155-175.

Cox, L., Celis, R., Hermosín, M.C. & Cornejo, J. 2000. Natural soil colloids to retard simazine and 2,4-D leaching in soil. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 48: 93-99.

El-Nahhal, Y., Nir, S., Polubesova, T., Mar­gulies, L. & Rubin, B. 1999. Movement of metolachlor in soil: effect of new or-gano-clay formulations. Pesticide sci­ence, 55: 857-864.

Gerstl, Z., Nasser, A. & Mingelgrin, U. 1998. Controlled release of pesticides into soils from clay-polymer formula­tions. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 46: 3797-3802.

Jaynes, W.F. & Boyd, S.A. 1991. Clay min­eral type and organic compound sorp­tion by hexadecyltrimethylammonium­exchanged clays. Soil Science Society of America Journal, 55: 43-48.

Jaynes, W.F. & Vance, G.F. 1996. BTEX sorption by organo-clays: cosorptive en­hancement and equivalence of interlayer complexes. Soil Science Society of America Journal, 60: 1742-1749.

Johnson, R.M. & Pepperman, A.B. 1998. Release of atrazine and alachlor from clay-oxamide controlled release formu­lations. Pesticide Science, 53: 233-240.

Lagaly, G. 2001. Pesticide-clay interactions and formulations. Applied Clay Science, 18: 205-209.         [ Links ]

Prost, R. & Yaron, B. 2001. Use of modi­fied clays for controlling soil environ­mental quality. Soil Science, 166: 880­-895.