La contaminación por nutrientes, una forma de contaminación del agua , se refiere a la contaminación por aportes excesivos de nutrientes . Es una de las principales causas de eutrofización de las aguas superficiales (lagos, ríos y aguas costeras ), en las que el exceso de nutrientes, normalmente nitrógeno o fósforo , estimula el crecimiento de algas . [1] Las fuentes de contaminación por nutrientes incluyen la escorrentía superficial de los campos agrícolas y pastos, las descargas de fosas sépticas y corrales de engorde , y las emisiones provenientes de la combustión. Las aguas residuales sin tratar contribuyen en gran medida a la eutrofización cultural, ya que las aguas residuales tienen un alto contenido de nutrientes. La liberación de aguas residuales sin tratar en una gran masa de agua se conoce como vertido de aguas residuales y todavía ocurre en todo el mundo. El exceso de compuestos de nitrógeno reactivos en el medio ambiente está asociado con muchas preocupaciones ambientales a gran escala. Estos incluyen la eutrofización de las aguas superficiales , la proliferación de algas nocivas , la hipoxia , la lluvia ácida , la saturación de nitrógeno en los bosques y el cambio climático . [2]
Desde el auge agrícola de la década de 1910 y nuevamente en la década de 1940 para igualar el aumento de la demanda de alimentos, la producción agrícola depende en gran medida del uso de fertilizantes. [3] El fertilizante es una sustancia natural o químicamente modificada que ayuda a que el suelo se vuelva más fértil. Estos fertilizantes contienen altas cantidades de fósforo y nitrógeno, lo que hace que entren cantidades excesivas de nutrientes al suelo. El nitrógeno , el fósforo y el potasio son los "3 grandes" nutrientes primarios de los fertilizantes comerciales; cada uno de estos nutrientes fundamentales desempeña un papel clave en la nutrición de las plantas. [4] Cuando las plantas en crecimiento no utilizan completamente el nitrógeno y el fósforo, pueden perderse de los campos agrícolas y afectar negativamente la calidad del aire y del agua corriente abajo. [5] Estos nutrientes pueden eventualmente terminar en los ecosistemas acuáticos y contribuyen al aumento de la eutrofización. [6] Cuando los agricultores esparcen su fertilizante, ya sea orgánico o sintético, parte de él saldrá como escorrentía y podrá acumularse aguas abajo generando eutrofización cultural. [7]
Los enfoques de mitigación para reducir las descargas de contaminantes de nutrientes incluyen la remediación de nutrientes, el comercio de nutrientes y el reparto de fuentes de nutrientes.
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Las principales fuentes de contaminación por nutrientes en una cuenca individual dependen de los usos predominantes de la tierra . Las fuentes pueden ser fuentes puntuales , fuentes difusas o ambas:
La contaminación por nutrientes proveniente de algunas fuentes de contaminación del aire puede ocurrir independientemente de los usos locales de la tierra, debido al transporte a larga distancia de contaminantes del aire desde fuentes distantes. [10]
Para evaluar la mejor manera de prevenir que se produzca la eutrofización, se deben identificar las fuentes específicas que contribuyen a la carga de nutrientes. Hay dos fuentes comunes de nutrientes y materia orgánica: fuentes puntuales y no puntuales .
El uso de fertilizantes sintéticos , la quema de combustibles fósiles y la producción animal agrícola , especialmente las operaciones concentradas de alimentación animal (CAFO), han añadido grandes cantidades de nitrógeno reactivo a la biosfera . [11] A nivel mundial, los balances de nitrógeno se distribuyen de manera bastante ineficiente: algunos países tienen superávits y otros déficits, lo que causa especialmente una serie de problemas ambientales en los primeros. Para la mayoría de los países del mundo, el equilibrio entre cerrar las brechas de rendimiento y mitigar la contaminación por nitrógeno es pequeño o inexistente. [12]
La contaminación por fósforo es causada por el uso excesivo de fertilizantes y estiércol , particularmente cuando se ve agravado por la erosión del suelo . En la Unión Europea, se estima que podemos perder más de 100.000 toneladas de fósforo en masas de agua y lagos debido a la erosión hídrica. [13] Las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales y algunas industrias también vierten fósforo . [14]
Las fuentes puntuales son directamente atribuibles a una influencia. En las fuentes puntuales, los desechos de nutrientes viajan directamente desde la fuente al agua. Las fuentes puntuales son relativamente fáciles de regular. [15]
La contaminación de fuentes difusas (también conocida como contaminación 'difusa' o 'escorrentía') es la que proviene de fuentes difusas y mal definidas. Las fuentes difusas son difíciles de regular y generalmente varían espacial y temporalmente (según la estación , la precipitación y otros eventos irregulares ). [dieciséis]
Se ha demostrado que el transporte de nitrógeno se correlaciona con varios índices de actividad humana en las cuencas hidrográficas, [17] [18] incluida la cantidad de desarrollo. [19] El arado en la agricultura y el desarrollo se encuentran entre las actividades que más contribuyen a la carga de nutrientes. [9]
Los nutrientes provenientes de las actividades humanas tienden a acumularse en los suelos y permanecer allí durante años. Se ha demostrado [20] que la cantidad de fósforo que se pierde en las aguas superficiales aumenta linealmente con la cantidad de fósforo en el suelo. Por lo tanto, gran parte de la carga de nutrientes en el suelo eventualmente llega al agua. El nitrógeno, de manera similar, tiene un tiempo de renovación de décadas.
Los nutrientes de las actividades humanas tienden a viajar desde la tierra hasta las aguas superficiales o subterráneas. El nitrógeno, en particular, se elimina a través de desagües pluviales , tuberías de alcantarillado y otras formas de escorrentía superficial . Las pérdidas de nutrientes en escorrentías y lixiviados suelen estar asociadas con la agricultura . La agricultura moderna a menudo implica la aplicación de nutrientes en los campos para maximizar la producción. Sin embargo, los agricultores suelen aplicar más nutrientes de los que necesitan los cultivos, lo que provoca que el exceso de contaminación se escurra hacia las aguas superficiales o subterráneas. [21] o pastos. Las regulaciones destinadas a minimizar las exportaciones de nutrientes de la agricultura suelen ser mucho menos estrictas que las impuestas a las plantas de tratamiento de aguas residuales [22] y a otras fuentes puntuales de contaminación. También cabe señalar que los lagos dentro de tierras boscosas también están bajo la influencia de la escorrentía superficial. La escorrentía puede eliminar el nitrógeno mineral y el fósforo de los detritos y, en consecuencia, abastecer las masas de agua, lo que lleva a una eutrofización lenta y natural. [23]
El nitrógeno se libera al aire debido a la volatilización del amoníaco y la producción de óxido nitroso. La combustión de combustibles fósiles contribuye en gran medida a la contaminación por nitrógeno atmosférico, iniciada por el hombre. El nitrógeno atmosférico llega al suelo mediante dos procesos diferentes: el primero es la deposición húmeda, como la lluvia o la nieve, y el segundo es la deposición seca, que consiste en partículas y gases que se encuentran en el aire. [24] La deposición atmosférica (por ejemplo, en forma de lluvia ácida ) también puede afectar la concentración de nutrientes en el agua, [25] especialmente en regiones altamente industrializadas.
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Se ha resumido que el exceso de nutrientes puede provocar:
La contaminación por nutrientes puede tener impactos económicos debido al aumento de los costos de tratamiento del agua , la pesca comercial y las pérdidas de mariscos, las pérdidas de la pesca recreativa y la reducción de los ingresos del turismo. [28]
Los efectos sobre la salud humana incluyen el exceso de nitrato en el agua potable ( síndrome del bebé azul ) y subproductos de la desinfección en el agua potable. Nadar en agua afectada por una proliferación de algas nocivas puede provocar erupciones cutáneas y problemas respiratorios. [29]
El comercio de nutrientes es un tipo de comercio de calidad del agua , un instrumento de política basado en el mercado que se utiliza para mejorar o mantener la calidad del agua. El concepto de comercio de calidad del agua se basa en el hecho de que diferentes fuentes de contaminación en una cuenca pueden enfrentar costos muy diferentes para controlar el mismo contaminante. [30] El comercio de la calidad del agua implica el intercambio voluntario de créditos de reducción de la contaminación de fuentes con bajos costos de control de la contaminación a aquellas con altos costos de control de la contaminación, y los mismos principios se aplican al comercio de la calidad del agua nutritiva. El principio subyacente es " quien contamina paga ", generalmente vinculado a un requisito reglamentario para participar en el programa comercial. [31]
Un informe de Forest Trends de 2013 resumió los programas de comercio de calidad del agua y encontró tres tipos principales de financiadores: beneficiarios de la protección de cuencas, contaminadores que compensan sus impactos y "pagadores de bienes públicos" que pueden no beneficiarse directamente, pero financiar los créditos de reducción de la contaminación en nombre de un gobierno u ONG . A partir de 2013, los pagos fueron iniciados abrumadoramente por pagadores de bienes públicos, como gobiernos y ONG. [31] : 11
El reparto de fuentes de nutrientes se utiliza para estimar la carga de nutrientes de varios sectores que ingresan a los cuerpos de agua, luego de la atenuación o el tratamiento. La agricultura suele ser la principal fuente de nitrógeno en las masas de agua de Europa, mientras que en muchos países los hogares y las industrias tienden a ser los principales contribuyentes de fósforo. [32] Cuando la calidad del agua se ve afectada por el exceso de nutrientes, los modelos de reparto de fuentes de carga pueden respaldar la gestión proporcional y pragmática de los recursos hídricos mediante la identificación de las fuentes de contaminación. Hay dos enfoques amplios para el modelado de reparto de carga, (i) enfoques orientados a la carga que reparten el origen basándose en datos de monitoreo en el flujo [33] [34] y (ii) enfoques orientados a la fuente donde las cantidades de contaminación de fuentes difusas o no puntuales , las emisiones se calculan utilizando modelos típicamente basados en coeficientes de exportación de cuencas con características similares. [35] [36] Por ejemplo, el modelo de reparto de carga en fuentes (SLAM) adopta el último enfoque, estimando la contribución relativa de las fuentes de nitrógeno y fósforo a las aguas superficiales en cuencas irlandesas sin datos de monitoreo en la corriente integrando información sobre descargas puntuales. (aguas residuales urbanas, sistemas industriales y de fosas sépticas), fuentes difusas (pastizales, cultivables, forestales, etc.) y datos de cuencas, incluidas las características hidrogeológicas. [37]
La contaminación agrícola de fuentes difusas (NPS) es la mayor fuente de deterioro de la calidad del agua en los EE. UU., según encuestas realizadas por agencias ambientales estatales. [38] : 10 La contaminación por NPS no está sujeta a permisos de descarga según la Ley federal de Agua Limpia (CWA). [39] La EPA y los estados han utilizado subvenciones, asociaciones y proyectos de demostración para crear incentivos para que los agricultores ajusten sus prácticas y reduzcan la escorrentía superficial . [38] : 10-11
Los requisitos básicos para que los estados desarrollen criterios y estándares de nutrientes fueron establecidos en la Ley de Agua Limpia de 1972. La implementación de este programa de calidad del agua ha sido un importante desafío científico, técnico y que requiere muchos recursos tanto para la EPA como para los estados, y su desarrollo continúa hasta bien entrado el siglo XXI.
La EPA publicó una regulación de gestión de aguas residuales en 1978 para comenzar a abordar el problema nacional de contaminación por nitrógeno, que había ido aumentando durante décadas. [40] En 1998, la agencia publicó una Estrategia Nacional de Nutrientes centrada en el desarrollo de criterios de nutrientes. [41]
Entre 2000 y 2010, la EPA publicó criterios de nutrientes a nivel federal para ríos/arroyos, lagos/embalses, estuarios y humedales; y orientación relacionada. En estas publicaciones se incluyeron criterios de nutrientes "ecoregionales" para 14 ecorregiones de los EE. UU. Si bien los estados pueden adoptar directamente los criterios publicados por la EPA, en muchos casos los estados necesitan modificar los criterios para reflejar las condiciones específicas del sitio. En 2004, la EPA expresó sus expectativas respecto de criterios numéricos (a diferencia de criterios narrativos menos específicos) para el nitrógeno total (TN), el fósforo total (TP), la clorofila a (chl-a) y la claridad, y estableció sobre planes" para el desarrollo de criterios estatales. En 2007, la agencia afirmó que el progreso entre los estados en el desarrollo de criterios de nutrientes había sido desigual. La EPA reiteró sus expectativas respecto de los criterios numéricos y prometió su apoyo a los esfuerzos estatales para desarrollar sus propios criterios. [42]
Después de que la EPA introdujo los permisos NPDES basados en cuencas hidrográficas en 2007, el interés en la eliminación de nutrientes y el logro de limitaciones regionales de carga máxima diaria total (TMDL, por sus siglas en inglés) llevaron al desarrollo de esquemas de comercio de nutrientes. [43]
En 2008, la EPA publicó un informe de progreso sobre los esfuerzos estatales para desarrollar estándares de nutrientes. La mayoría de los estados no habían desarrollado criterios numéricos de nutrientes para ríos y arroyos; lagos y embalses; humedales y estuarios (para aquellos estados que tienen estuarios). [44] En el mismo año, la EPA también estableció un Grupo de Trabajo sobre Innovaciones en Nutrientes (NITG), compuesto por expertos estatales y de la EPA, para monitorear y evaluar el progreso en la reducción de la contaminación por nutrientes. [45] En 2009, el NTIG emitió un informe, "Un llamado urgente a la acción", expresando preocupación porque la calidad del agua continuaba deteriorándose en todo el país debido a la creciente contaminación por nutrientes, y recomendando un desarrollo más vigoroso de estándares de nutrientes por parte de los estados. [46]
En 2011, la EPA reiteró la necesidad de que los estados desarrollaran plenamente sus estándares de nutrientes, señalando que las infracciones de nitratos en el agua potable se habían duplicado en ocho años, que la mitad de todos los arroyos a nivel nacional tenían niveles medios a altos de nitrógeno y fósforo, y que la proliferación de algas nocivas estaba aumentando. . La agencia estableció un marco para que los estados desarrollen prioridades y objetivos a nivel de cuenca para la reducción de nutrientes. [47]
Muchos descargadores de fuentes puntuales en los EE. UU., aunque no necesariamente son las mayores fuentes de nutrientes en sus respectivas cuencas, deben cumplir con las limitaciones de efluentes de nutrientes en sus permisos, que se emiten a través del Sistema Nacional de Eliminación de Descargas de Contaminantes (NPDES), de conformidad con el CWA. [48] Algunas grandes plantas municipales de tratamiento de aguas residuales , como la Planta Avanzada de Tratamiento de Aguas Residuales de Blue Plains en Washington, DC, han instalado sistemas de eliminación biológica de nutrientes (BNR) para cumplir con los requisitos reglamentarios. [49] Otros municipios han hecho ajustes a las prácticas operativas de sus sistemas de tratamiento secundario existentes para controlar los nutrientes. [50]
Los vertidos de grandes instalaciones ganaderas (CAFO) también están regulados por permisos NPDES. [51] La escorrentía superficial de los campos agrícolas, la principal fuente de nutrientes en muchas cuencas hidrográficas, [52] está clasificada como contaminación por NPS y no está regulada por los permisos NPDES. [39]
Una carga diaria máxima total (TMDL) es un plan regulatorio que prescribe la cantidad máxima de un contaminante (incluidos nutrientes) que una masa de agua puede recibir sin dejar de cumplir con los estándares de calidad del agua de la CWA. [53] Específicamente, la Sección 303 de la Ley requiere que cada estado genere un informe TMDL para cada cuerpo de agua afectado por contaminantes. Los informes TMDL identifican niveles de contaminantes y estrategias para lograr objetivos de reducción de contaminantes. La EPA ha descrito que los TMDL establecen un "presupuesto de contaminantes" con asignaciones a cada una de las fuentes de contaminantes. [54] Para muchas masas de agua costeras, el principal problema de contaminación es el exceso de nutrientes, también denominado sobreenriquecimiento de nutrientes. [55]
Un TMDL puede prescribir el nivel mínimo de oxígeno disuelto (OD) disponible en un cuerpo de agua, que está directamente relacionado con los niveles de nutrientes. ( Ver Hipoxia acuática ). Los TMDL que abordan la contaminación por nutrientes son un componente importante de la Estrategia Nacional de Nutrientes de EE. UU. [56] Los TMDL identifican todos los contaminantes de fuente puntual y difusa dentro de una cuenca. Para implementar TMDL con fuentes puntuales, las asignaciones de carga de desechos se incorporan en sus permisos NPDES. [57] Las descargas de NSP generalmente se realizan en un escenario de cumplimiento voluntario. [53]
La EPA publicó un TMDL para la Bahía de Chesapeake en 2010, que aborda la contaminación por nitrógeno, fósforo y sedimentos en toda la cuenca, que cubre un área de 64.000 millas cuadradas (170.000 km2 ) . Este plan regulatorio cubre tanto el estuario como sus afluentes: el documento TMDL más grande y complejo que la EPA haya emitido hasta la fecha. [58] [59]
En Long Island Sound , el proceso de desarrollo de TMDL permitió al Departamento de Energía y Protección Ambiental de Connecticut y al Departamento de Conservación Ambiental del Estado de Nueva York incorporar un objetivo de reducción de nitrógeno del 58,5 por ciento en un marco regulatorio y legal. [54]
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Este artículo incorpora material de dominio público de Informe para el Congreso: Agricultura: Glosario de términos, programas y leyes, edición de 2005 (PDF) . Servicio de Investigación del Congreso .