Los parámetros de calidad ambiental del agua dulce son aquellos parámetros químicos, físicos y biológicos que se pueden utilizar para caracterizar una masa de agua dulce. Dado que casi todas las masas de agua tienen una composición dinámica, los parámetros de calidad pertinentes suelen expresarse como un rango de concentraciones esperadas.
Incluyen las características químicas , biológicas y microbiológicas naturales y artificiales de los ríos , lagos y aguas subterráneas , las formas en que se miden y las formas en que cambian. Los valores o concentraciones atribuidos a dichos parámetros pueden utilizarse para describir el estado de contaminación de un medio ambiente, su estado biótico o para predecir la probabilidad o no de la presencia de un organismo particular. El seguimiento de los parámetros de calidad ambiental es una actividad clave para gestionar el medio ambiente, restaurar entornos contaminados y anticipar los efectos de los cambios provocados por el hombre en el medio ambiente.
El primer paso para comprender la química del agua dulce es determinar las concentraciones pertinentes de los parámetros de interés. Tradicionalmente, esto se hace tomando muestras representativas del agua para su posterior análisis en un laboratorio. Sin embargo, también se utilizan equipos analíticos portátiles o estaciones de monitoreo en las orillas del río para realizar un seguimiento in situ.
Las aguas dulces son sorprendentemente difíciles de muestrear porque rara vez son homogéneas y su calidad varía durante el día y el año. Además, los lugares de muestreo más representativos suelen estar alejados de la costa o la orilla, lo que aumenta la complejidad logística.
Llenar una botella limpia con agua de río es una tarea muy sencilla, pero una sola muestra solo es representativa de ese punto a lo largo del río del que se tomó la muestra y en ese momento. Comprender la química de un río completo, o incluso de un afluente significativo, requiere una investigación previa para entender cuán homogéneo o mezclado es el flujo y para determinar si la calidad cambia durante el transcurso de un día y durante el transcurso de un año. Casi todos los ríos naturales tendrán patrones muy significativos de cambio a lo largo del día y de las estaciones. La teledetección del agua ofrece una herramienta espacialmente continua para mejorar la comprensión de la calidad espacial y temporal del agua del río. Muchos ríos también tienen un flujo muy grande que no se ve. Este fluye a través de capas subyacentes de grava y arena y se llama flujo hiporreico . La cantidad de mezcla que haya entre la zona hiporreica y el agua en el canal abierto dependerá de una variedad de factores, algunos de los cuales se relacionan con los flujos que salen de los acuíferos que pueden haber estado almacenando agua durante muchos años.
Por su propia naturaleza, las aguas subterráneas suelen ser de difícil acceso para tomar una muestra. En consecuencia, la mayoría de los datos sobre aguas subterráneas proceden de muestras tomadas de manantiales , pozos , perforaciones de abastecimiento de agua y cuevas naturales . En las últimas décadas, a medida que ha aumentado la necesidad de comprender la dinámica de las aguas subterráneas, se han perforado cada vez más pozos de seguimiento en los acuíferos.
Los lagos y estanques pueden ser muy grandes y sustentar un ecosistema complejo en el que los parámetros ambientales varían ampliamente en las tres dimensiones físicas y con el tiempo. Los grandes lagos de la zona templada a menudo se estratifican en los meses más cálidos en una capa superior más cálida rica en oxígeno y una capa inferior más fría con niveles bajos de oxígeno. En otoño, la caída de las temperaturas y los fuertes vientos ocasionales dan lugar a la mezcla de las dos capas en un todo más homogéneo. Cuando se produce la estratificación, no solo afecta a los niveles de oxígeno, sino también a muchos parámetros relacionados, como el hierro , el fosfato y el manganeso , cuya forma química cambia debido al cambio en el potencial redox del medio ambiente.
Los lagos también reciben aguas, a menudo de muchas fuentes diferentes y de calidades variables. Los sólidos provenientes de los aportes de los ríos normalmente se asientan cerca de la desembocadura del río y, dependiendo de diversos factores, el agua entrante puede flotar sobre la superficie del lago, hundirse debajo de la superficie o mezclarse rápidamente con el agua del lago. Todos estos fenómenos pueden distorsionar los resultados de cualquier monitoreo ambiental a menos que se comprenda bien el proceso.
En la confluencia de dos ríos existe una zona de mezcla. Una zona de mezcla puede ser muy grande y extenderse por muchos kilómetros, como en el caso de los ríos Mississippi y Missouri en los Estados Unidos y los ríos Clwyd y Elwy en el norte de Gales . En una zona de mezcla, la composición química del agua puede ser muy variable y puede ser difícil de predecir. Las interacciones químicas no son simplemente una mezcla, sino que pueden complicarse por procesos biológicos de macrófitos sumergidos y por el agua que se une al canal desde la zona hiporreica o desde manantiales que drenan un acuífero.
La geología que subyace a un río o lago tiene un gran impacto en su composición química. Es probable que un río que fluye a través de esquistos precámbricos muy antiguos tenga muy poca disolución de las rocas y tal vez sea similar al agua desionizada, al menos en las cabeceras. Por el contrario, un río que fluye a través de colinas de tiza , y especialmente si su fuente está en la tiza, tendrá una alta concentración de carbonatos y bicarbonatos de calcio y posiblemente de magnesio .
A medida que un río avanza a lo largo de su curso puede pasar por una variedad de tipos geológicos y puede tener aportes de acuíferos que no aparecen en la superficie en ningún lugar de la localidad.
El oxígeno es probablemente el componente químico más importante de la química de las aguas superficiales, ya que todos los organismos aeróbicos lo necesitan para sobrevivir. Entra en el agua principalmente a través de la difusión en la interfaz agua-aire. La solubilidad del oxígeno en el agua disminuye a medida que aumenta la temperatura del agua. Las corrientes rápidas y turbulentas exponen una mayor superficie del agua al aire y tienden a tener temperaturas bajas y, por lo tanto, más oxígeno que las corrientes lentas y estancadas. El oxígeno es un subproducto de la fotosíntesis, por lo que los sistemas con una gran abundancia de algas y plantas acuáticas también pueden tener altas concentraciones de oxígeno durante el día. Estos niveles pueden disminuir significativamente durante la noche cuando los productores primarios cambian a la respiración. El oxígeno puede ser limitante si la circulación entre la superficie y las capas más profundas es deficiente, si la actividad de los animales es muy alta o si hay una gran cantidad de descomposición orgánica, como ocurre después de la caída de las hojas en otoño.
La mayoría de los demás aportes atmosféricos provienen de fuentes antropogénicas o artificiales , de las cuales las más significativas son los óxidos de azufre producidos por la quema de combustibles ricos en azufre, como el carbón y el petróleo , que dan lugar a la lluvia ácida . [1] La química de los óxidos de azufre es compleja tanto en la atmósfera como en los sistemas fluviales. Sin embargo, el efecto sobre la química general es simple: reduce el pH del agua, volviéndola más ácida. El cambio de pH es más marcado en los ríos con concentraciones muy bajas de sales disueltas, ya que estas no pueden amortiguar los efectos del aporte ácido. Los ríos que se encuentran aguas abajo de las principales conurbaciones industriales también corren un mayor riesgo. En algunas partes de Escandinavia , Gales occidental y Escocia, muchos ríos se volvieron tan ácidos por los óxidos de azufre que la mayor parte de la vida de los peces fue destruida y se registraron pH tan bajos como pH4 durante condiciones climáticas críticas. [2]
La mayoría de los ríos del planeta y muchos lagos han recibido o están recibiendo aportes de la actividad humana. En el mundo industrializado, muchos ríos han sido gravemente contaminados, al menos durante el siglo XIX y la primera mitad del siglo XX. Aunque en general ha habido muchas mejoras en el mundo desarrollado, todavía se observa una gran contaminación fluvial en el planeta.
En la mayoría de las situaciones ambientales, la presencia o ausencia de un organismo está determinada por una compleja red de interacciones, de las cuales solo algunas estarán relacionadas con parámetros químicos o biológicos mensurables. El caudal, la turbulencia, la competencia inter e intraespecífica, el comportamiento alimentario, las enfermedades , el parasitismo , el comensalismo y la simbiosis son solo algunas de las presiones y oportunidades a las que se enfrenta cualquier organismo o población. La mayoría de los componentes químicos favorecen a algunos organismos y son menos favorables para otros. Sin embargo, hay algunos casos en los que un componente químico ejerce un efecto tóxico, es decir, cuando la concentración puede matar o inhibir gravemente el funcionamiento normal del organismo. Cuando se ha demostrado un efecto tóxico, esto se puede indicar en las secciones siguientes que tratan de los parámetros individuales.
A menudo, la característica visual más evidente es el color del agua dulce o lo clara o turbia que sea. Lamentablemente, ni el color ni la turbidez son indicadores sólidos de la composición química general del agua. Sin embargo, tanto el color como la turbidez reducen la cantidad de luz que penetra en el agua y pueden tener un impacto significativo en las algas y los macrófitos. Algunas algas en particular dependen en gran medida del agua con poco color y turbidez.
Muchos ríos que drenan páramos altos cubiertos de turba tienen un color marrón amarillento muy intenso causado por los ácidos húmicos disueltos .
Una de las principales fuentes de concentraciones elevadas de componentes químicos orgánicos proviene de las aguas residuales tratadas.
La materia orgánica disuelta se mide más comúnmente utilizando la prueba de demanda bioquímica de oxígeno (DBO) o la prueba de demanda química de oxígeno (DQO). Los componentes orgánicos son importantes en la química del río por el efecto que tienen en la concentración de oxígeno disuelto y por el impacto que las especies orgánicas individuales pueden tener directamente en la biota acuática.
Todo material orgánico y degradable consume oxígeno a medida que se descompone. Cuando las concentraciones de materia orgánica son significativamente elevadas, los efectos sobre las concentraciones de oxígeno pueden ser significativos y, si las condiciones se vuelven extremas, el lecho del río puede volverse anóxico .
Algunos componentes orgánicos, como las hormonas sintéticas , los pesticidas y los ftalatos, tienen efectos metabólicos directos sobre la biota acuática e incluso sobre el agua potable que beben los seres humanos del río. Comprender estos componentes y cómo identificarlos y cuantificarlos es cada vez más importante para comprender la química del agua dulce.
En los ríos se puede encontrar una amplia variedad de metales provenientes de fuentes naturales, como minerales metálicos presentes en las rocas sobre las que fluye el río o en los acuíferos que alimentan el río. Sin embargo, muchos ríos tienen una mayor carga de metales debido a las actividades industriales, que incluyen la minería y la explotación de canteras, así como el procesamiento y uso de metales.
El hierro, generalmente en forma de Fe +++ , es un componente común de las aguas de los ríos en niveles muy bajos. Las concentraciones más altas de hierro en manantiales ácidos o en una zona hiporreica anóxica pueden causar manchas visibles de color naranja o marrón o precipitados semigelatinosos de densos copos bacterianos de hierro de color naranja que tapizan el lecho del río. Estas condiciones son muy perjudiciales para la mayoría de los organismos y pueden causar graves daños en un sistema fluvial.
La minería de carbón también es una fuente muy importante de hierro, tanto en las aguas de las minas como en los depósitos de carbón y en el procesamiento del carbón. Las minas abandonadas durante mucho tiempo pueden ser una fuente muy difícil de tratar de altas concentraciones de hierro. Los niveles bajos de hierro son comunes en las aguas de manantial que emanan de acuíferos profundos y que tal vez se consideren fuentes beneficiosas para la salud. Estos manantiales se denominan comúnmente manantiales de Chalbeate y han dado lugar a una serie de ciudades balnearias en Europa y los Estados Unidos.
El zinc se asocia normalmente con la minería de metales, especialmente la minería de plomo y plata, pero también es un componente contaminante asociado con una variedad de otras actividades de minería de metales y con la minería de carbón . El zinc es tóxico en concentraciones relativamente bajas para muchos organismos acuáticos. El microrregma comienza a mostrar una reacción tóxica en concentraciones tan bajas como 0,33 mg/L. [3]
El plomo y la plata se encuentran comúnmente juntos en las aguas de los ríos y asociados a la extracción de plomo. Los efectos de las minas muy antiguas pueden ser muy duraderos. En el río Ystwyth en Gales , por ejemplo, los efectos de la extracción de plata y plomo en los siglos XVII y XVIII en las cabeceras aún provocan niveles inaceptablemente altos de zinc y plomo en el agua del río hasta su confluencia con el mar. La plata es muy tóxica incluso en concentraciones muy bajas, pero no deja evidencia visible de su contaminación.
El plomo también es altamente tóxico para los organismos de agua dulce y para los humanos si el agua se usa como agua potable. Al igual que con la plata, la contaminación por plomo no es visible a simple vista. El río Rheidol en el oeste de Gales tuvo una serie importante de minas de plomo en sus cabeceras hasta finales del siglo XIX y sus descargas mineras y vertederos de desechos permanecen hasta el día de hoy. En 1919 - 1921 solo se encontraron 14 especies de invertebrados en el bajo Rheidol cuando las concentraciones de plomo estaban entre 0,2 ppm y 0,5 ppm. Para 1932, la concentración de plomo se había reducido a 0,02 ppm a 0,1 ppm debido al abandono de la minería y, en esas concentraciones, la fauna del fondo se había estabilizado a 103 especies, incluidas tres sanguijuelas . [4]
La minería del carbón también es una fuente muy importante de metales, especialmente hierro, zinc y níquel, particularmente donde el carbón es rico en piritas que se oxidan en contacto con el aire produciendo un lixiviado muy ácido que es capaz de disolver los metales del carbón.
No es habitual encontrar niveles significativos de cobre en los ríos y, cuando se encuentra, lo más probable es que su origen sea la actividad minera, el almacenamiento de carbón o la cría de cerdos . En raras ocasiones, los niveles elevados pueden tener un origen geológico. El cobre es sumamente tóxico para muchos organismos de agua dulce, especialmente las algas, en concentraciones muy bajas y una concentración significativa en el agua de los ríos puede tener efectos adversos graves para la ecología local.
Los compuestos nitrogenados tienen una variedad de fuentes, incluyendo el lavado de óxidos de nitrógeno de la atmósfera, algunos aportes geológicos y algunos de la fijación de nitrógeno de macrófitos y algas . Sin embargo, para muchos ríos en la proximidad de los humanos, el mayor aporte proviene de aguas residuales, ya sean tratadas o no. El nitrógeno se deriva de productos de descomposición de proteínas que se encuentran en la orina y las heces . Estos productos, al ser muy solubles, a menudo pasan por el proceso de tratamiento de aguas residuales y se descargan en los ríos como un componente del efluente de tratamiento de aguas residuales . El nitrógeno puede estar en forma de nitrato , nitrito , amoníaco o sales de amonio o lo que se denomina nitrógeno albuminoide o nitrógeno todavía dentro de una molécula proteínica orgánica.
Las diferentes formas de nitrógeno son relativamente estables en la mayoría de los sistemas fluviales, ya que el nitrito se transforma lentamente en nitrato en ríos bien oxigenados y el amoníaco se transforma en nitrito/nitrato. Sin embargo, el proceso es lento en ríos fríos y la reducción de la concentración puede atribuirse más a menudo a una simple dilución. Todas las formas de nitrógeno son absorbidas por los macrófitos y las algas y los niveles elevados de nitrógeno suelen estar asociados con el crecimiento excesivo de plantas o la eutrofización . Estos pueden tener el efecto de bloquear canales e inhibir la navegación . Sin embargo, ecológicamente, el efecto más significativo es sobre las concentraciones de oxígeno disuelto, que pueden sobresaturarse durante el día debido a la fotosíntesis de las plantas , pero luego caen a niveles muy bajos durante la oscuridad a medida que la respiración de las plantas consume el oxígeno disuelto. Junto con la liberación de oxígeno en la fotosíntesis se crea la creación de iones de bicarbonato que causan un aumento pronunciado del pH y esto se corresponde en la oscuridad, ya que el dióxido de carbono se libera a través de la respiración, lo que reduce sustancialmente el pH. Por lo tanto, los altos niveles de compuestos nitrogenados tienden a conducir a la eutrofización con variaciones extremas en los parámetros que a su vez pueden degradar sustancialmente el valor ecológico del curso de agua.
Los iones de amonio también tienen un efecto tóxico, especialmente en los peces . La toxicidad del amoníaco depende tanto del pH como de la temperatura y una complejidad añadida es el efecto amortiguador de la interfaz sangre/agua a través de la membrana branquial , que enmascara cualquier toxicidad adicional por encima de un pH de aproximadamente 8,0. La gestión de la química del río para evitar daños ecológicos es particularmente difícil en el caso del amoníaco, ya que se debe considerar una amplia gama de posibles escenarios de concentración, pH y temperatura, y se debe tener en cuenta la fluctuación diurna del pH causada por la fotosíntesis. En los días cálidos de verano con altas concentraciones de bicarbonato, se pueden crear condiciones inesperadamente tóxicas.
Los compuestos de fósforo se encuentran generalmente en forma de fosfatos relativamente insolubles en el agua de los ríos y, salvo en algunas circunstancias excepcionales, su origen es la agricultura o las aguas residuales humanas. El fósforo puede fomentar el crecimiento excesivo de plantas y algas y contribuir a la eutrofización . Si un río desemboca en un lago o embalse, el fosfato puede movilizarse año tras año por procesos naturales. En verano, los lagos se estratifican de modo que el agua cálida rica en oxígeno flota sobre el agua fría pobre en oxígeno. En las capas superiores cálidas (el epilimnion ) las plantas consumen el fosfato disponible. A medida que las plantas mueren a finales del verano, caen a las capas de agua fría que se encuentran debajo (el hipolimnion ) y se descomponen. Durante el recambio invernal, cuando un lago se mezcla por completo a través de la acción de los vientos sobre una masa de agua que se enfría, los fosfatos se esparcen por todo el lago nuevamente para alimentar a una nueva generación de plantas. Este proceso es una de las principales causas de las floraciones de algas persistentes en algunos lagos.
Los depósitos geológicos de arsénico pueden liberarse en ríos donde se explotan aguas subterráneas profundas, como en algunas partes de Pakistán . Muchos minerales metaloides, como el plomo, el oro y el cobre, contienen trazas de arsénico y los relaves mal almacenados pueden hacer que el arsénico entre en el ciclo hidrológico .
En todos los ríos de montaña se producen sólidos inertes, ya que la energía del agua ayuda a triturar las rocas y convertirlas en grava, arena y material más fino. Gran parte de estos sólidos se sedimentan muy rápidamente y proporcionan un sustrato importante para muchos organismos acuáticos. Muchos peces salmónidos necesitan lechos de grava y arena para poner sus huevos. [5] Muchos otros tipos de sólidos provenientes de la agricultura, la minería, las canteras, la escorrentía urbana y las aguas residuales pueden bloquear la luz solar del río y pueden bloquear los intersticios en los lechos de grava, haciéndolos inútiles para el desove y el sustento de la vida de los insectos.
Tanto la agricultura como el tratamiento de aguas residuales producen aportes a los ríos con concentraciones muy altas de bacterias y virus , incluyendo una amplia gama de organismos patógenos . Incluso en áreas con poca actividad humana se pueden detectar niveles significativos de bacterias y virus originados en peces y mamíferos acuáticos y en animales que pastan cerca de los ríos, como los ciervos . Las aguas de las tierras altas que drenan áreas frecuentadas por ovejas , cabras o ciervos también pueden albergar una variedad de parásitos humanos oportunistas, como la duela hepática . En consecuencia, hay muy pocos ríos cuyo agua sea segura para beber sin algún tipo de esterilización o desinfección. En los ríos utilizados para actividades recreativas de contacto, como la natación, se pueden establecer niveles seguros de bacterias y virus basándose en la evaluación de riesgos.
En determinadas condiciones, las bacterias pueden colonizar las aguas dulces formando, en ocasiones, grandes masas de filamentos conocidos como hongos de las aguas residuales (normalmente, Sphaerotilus natans) . La presencia de estos organismos es casi siempre un indicador de contaminación orgánica extrema y se esperaría que estuviera acompañada de bajas concentraciones de oxígeno disuelto y altos valores de DBO.
Las bacterias E. coli se han encontrado comúnmente en aguas recreativas y su presencia se utiliza para indicar la presencia de contaminación fecal reciente, pero la presencia de E. coli puede no ser indicativa de desechos humanos. Las bacterias E. coli se encuentran en todos los animales de sangre caliente. También se han encontrado bacterias E. coli en peces y tortugas. [6] Las enterobacterias también pueden persistir en el medio ambiente en el lodo, los sedimentos, la arena y el suelo durante períodos considerables de tiempo. [7]
El pH de los ríos se ve afectado por la geología de la fuente de agua, los aportes atmosféricos y una variedad de otros contaminantes químicos. Es probable que el pH solo se convierta en un problema en ríos de tierras altas muy poco amortiguados, donde el azufre atmosférico y los óxidos de nitrógeno pueden reducir significativamente el pH hasta pH 4, o en ríos alcalinos eutróficos, donde la producción de iones de bicarbonato fotosintético en la fotosíntesis puede hacer que el pH suba por encima de pH 10.