Las aguas anóxicas son áreas de agua de mar , agua dulce o agua subterránea que carecen de oxígeno disuelto . El Servicio Geológico de Estados Unidos define las aguas subterráneas anóxicas como aquellas con una concentración de oxígeno disuelto de menos de 0,5 miligramos por litro. [1] Las aguas anóxicas se pueden contrastar con las aguas hipóxicas , que tienen un nivel bajo (pero no nulo) de oxígeno disuelto. Esta condición se encuentra generalmente en áreas que tienen un intercambio de agua restringido.
En la mayoría de los casos, el oxígeno no puede llegar a los niveles más profundos debido a una barrera física [2] , así como a una marcada estratificación de la densidad, en la que, por ejemplo, las aguas hipersalinas más pesadas se encuentran en el fondo de una cuenca. Se producirán condiciones anóxicas si la tasa de oxidación de la materia orgánica por parte de las bacterias es mayor que el suministro de oxígeno disuelto .
Las aguas anóxicas son un fenómeno natural [3] y han ocurrido a lo largo de la historia geológica. La extinción masiva de especies del Pérmico-Triásico , que se produjo en los océanos del mundo, puede haber sido resultado de condiciones anóxicas generalizadas combinadas con la acidificación de los océanos impulsada por una liberación masiva de dióxido de carbono a la atmósfera de la Tierra. [4] Muchos lagos tienen una capa anóxica permanente o temporal creada por la respiración que agota el oxígeno en profundidad y la estratificación térmica que impide su reabastecimiento. [5]
Existen cuencas anóxicas en el mar Báltico , [6] el mar Negro , la fosa de Cariaco , varios valles de fiordos y otros lugares. [7] La eutrofización probablemente ha aumentado la extensión de las zonas anóxicas en áreas que incluyen el mar Báltico, el golfo de México , [8] y el canal Hood en el estado de Washington. [9]
Las condiciones anóxicas son el resultado de una combinación de condiciones ambientales que incluyen estratificación de densidad , [10] entradas de material orgánico u otros agentes reductores y barreras físicas a la circulación del agua. En los fiordos, los umbrales poco profundos en la entrada pueden impedir la circulación, mientras que en los límites continentales, la circulación puede ser especialmente baja mientras que la entrada de material orgánico de la producción en los niveles superiores es excepcionalmente alta. [11] En el tratamiento de aguas residuales , la ausencia de oxígeno por sí sola se indica anóxica, mientras que el término anaeróbico se utiliza para indicar la ausencia de cualquier aceptor común de electrones como nitrato , sulfato u oxígeno.
Cuando se agota el oxígeno en una cuenca, las bacterias recurren primero al segundo mejor aceptor de electrones, que en el agua de mar es el nitrato . Se produce la desnitrificación y el nitrato se consumirá con bastante rapidez. Después de reducir algunos otros elementos menores, las bacterias recurrirán al sulfato reductor . Esto da como resultado el subproducto de sulfuro de hidrógeno (H 2 S), una sustancia química tóxica para la mayoría de la biota y responsable del característico olor a "huevo podrido" y del color negro oscuro de los sedimentos: [12] [13]
Estos sulfuros se oxidarán principalmente a sulfatos (~90%) en agua más rica en oxígeno o se precipitarán y se convertirán en pirita (~10%), de acuerdo con las siguientes ecuaciones químicas: [13]
Algunos quimiolitotrofos también pueden facilitar la oxidación del sulfuro de hidrógeno en azufre elemental , según la siguiente ecuación química: [14]
La anoxia es bastante común en fondos oceánicos fangosos donde hay altas cantidades de materia orgánica y bajos niveles de entrada de agua oxigenada a través del sedimento. Por debajo de unos pocos centímetros de la superficie, el agua intersticial (agua entre sedimentos) está libre de oxígeno.
La anoxia también está influenciada por la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), que es la cantidad de oxígeno que utilizan los organismos marinos en el proceso de descomposición de la materia orgánica. La DBO está influenciada por el tipo de organismos presentes, el pH del agua, la temperatura y el tipo de materia orgánica presente en el área. La DBO está directamente relacionada con la cantidad de oxígeno disuelto disponible, especialmente en cuerpos de agua más pequeños, como ríos y arroyos. A medida que aumenta la DBO, el oxígeno disponible disminuye. Esto causa estrés en los organismos más grandes. La DBO proviene de fuentes naturales y antropogénicas, que incluyen: organismos muertos, estiércol, aguas residuales y escorrentías urbanas. [15]
La eutrofización , una afluencia de nutrientes (fosfato/nitrato), a menudo un subproducto de la escorrentía agrícola y la descarga de aguas residuales, puede dar lugar a floraciones de algas grandes pero de corta duración. Al concluir una floración, las algas muertas se hunden hasta el fondo y se descomponen hasta que se agota todo el oxígeno. Un ejemplo de ello es el Golfo de México, donde se produce una zona muerta estacional, que puede verse alterada por patrones climáticos como huracanes y convección tropical. La descarga de aguas residuales, en concreto la de "lodos" concentrados en nutrientes, puede ser especialmente perjudicial para la diversidad del ecosistema. Las especies sensibles a las condiciones anóxicas son reemplazadas por especies menos resistentes, lo que reduce la variabilidad general del área afectada. [12]
Los cambios ambientales graduales a través de la eutrofización o el calentamiento global pueden causar importantes cambios en el régimen óxico-anóxico. Según estudios de modelos, esto puede ocurrir de manera abrupta, con una transición entre un estado óxico dominado por cianobacterias y un estado anóxico con bacterias reductoras de sulfato y bacterias fototróficas de azufre . [16]
La temperatura de un cuerpo de agua afecta directamente la cantidad de oxígeno disuelto que puede retener. Según la ley de Henry , a medida que el agua se calienta, el oxígeno se vuelve menos soluble en ella. Esta propiedad conduce a ciclos anóxicos diarios en pequeñas escalas geográficas y ciclos estacionales de anoxia en escalas mayores. Por lo tanto, los cuerpos de agua son más vulnerables a las condiciones anóxicas durante el período más cálido del día y durante los meses de verano. Este problema puede verse exacerbado aún más en las proximidades de descargas industriales, donde el agua caliente utilizada para enfriar la maquinaria tiene menos capacidad de retener oxígeno que la cuenca a la que se vierte.
Los ciclos diarios también están influenciados por la actividad de los organismos fotosintéticos. La falta de fotosíntesis durante las horas nocturnas en ausencia de luz puede dar lugar a condiciones anóxicas que se intensifican durante toda la noche y alcanzan su máximo poco después del amanecer. [17]
Las reacciones de las distintas especies a la eutrofización pueden variar ampliamente. Por ejemplo, algunos organismos, como los productores primarios, pueden adaptarse rápidamente e incluso prosperar en condiciones anóxicas. Sin embargo, la mayoría de los organismos son muy susceptibles a pequeños cambios en los niveles de oxígeno acuático. Cuando un organismo que respira se encuentra con poco o nada de oxígeno, las posibilidades de supervivencia disminuyen. Por lo tanto, la eutrofización y las condiciones anóxicas en el agua conducen a una reducción de la biodiversidad.
Por ejemplo, el coral blando Xenia umbellata puede resistir algunas condiciones anóxicas durante períodos cortos. Aun así, después de unas tres semanas, la supervivencia media disminuye a alrededor del 81%, y alrededor del 40% de las especies supervivientes experimentan reducciones de tamaño, disminución de la coloración y estructuras pinnadas comprometidas (Simancas-Giraldo et al., 2021). Otro ejemplo de un organismo susceptible se observa con el berberecho de Sydney, Anadara trapezia . Los sedimentos enriquecidos tienen efectos letales y subletales en este berberecho y, como se afirma en [Vadillo Gonzalez et al., 2021], "el movimiento de los berberechos se redujo en sedimentos enriquecidos en comparación con los tratamientos naturales".
Un estudio que recopila más de 850 experimentos publicados "que informan sobre los umbrales de oxígeno y/o tiempos letales para un total de 206 especies que abarcan todo el rango taxonómico de los metazoos bentónicos". [18]
Cada especie tendrá diferentes respuestas adaptativas a las condiciones anóxicas en función de su composición biológica y de las condiciones de su hábitat. Si bien algunas pueden bombear oxígeno desde niveles más altos de agua hacia el sedimento, otras adaptaciones incluyen hemoglobinas específicas para entornos con poco oxígeno, movimientos lentos para reducir la tasa de metabolismo y relaciones simbióticas con bacterias anaeróbicas. En todos los casos, la prevalencia de exceso de nutrientes da como resultado niveles bajos de actividad biológica y un nivel menor de diversidad de especies si la zona no es anóxica de manera habitual. [12]
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