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Parámetros de calidad ambiental del agua dulce.

El ciclo del agua en la Tierra

Los parámetros de calidad ambiental del agua dulce son aquellos parámetros químicos, físicos o biológicos que pueden utilizarse para caracterizar una masa de agua dulce. Debido a que casi todos los cuerpos de agua tienen una composición dinámica, los parámetros de calidad relevantes generalmente se expresan 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 se pueden utilizar para describir el estado de contaminación de un medio ambiente, su estado biótico o para predecir la probabilidad o no de que un organismo particular esté presente. El seguimiento de los parámetros de calidad ambiental es una actividad clave en la gestión del medio ambiente, la restauración de entornos contaminados y la anticipación de los efectos de los cambios provocados por el hombre en el medio ambiente.

Caracterización

El primer paso para comprender la química del agua dulce es establecer las concentraciones relevantes de los parámetros de interés. Convencionalmente, esto se hace tomando muestras representativas del agua para su posterior análisis en un laboratorio. Sin embargo, también se utiliza el monitoreo in situ utilizando equipos analíticos portátiles o estaciones de monitoreo en el lado del banco.

Muestreo

El agua dulce es sorprendentemente difícil de tomar muestras porque rara vez es homogénea y su calidad varía durante el día y el año. Además, los lugares de muestreo más representativos suelen estar alejados de la costa o del banco, lo que aumenta la complejidad logística.

ríos

Llenar una botella limpia con agua de río es una tarea muy sencilla, pero una sola muestra sólo es representativa del punto a lo largo del río del que se tomó la muestra y en ese momento. Comprender la química de todo un río, o incluso de un afluente importante, requiere una investigación previa para comprender qué tan homogéneo o mezclado es el flujo y determinar si la calidad cambia en el transcurso de un día y durante el transcurso de un año. Casi todos los ríos naturales tendrán patrones de cambio muy significativos 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 de los ríos. Muchos ríos también tienen un caudal muy grande que no se ve. Este fluye a través de capas subyacentes de grava y arena y se denomina flujo hiporreico . El grado 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 flujos que salen de acuíferos que pueden haber estado almacenando agua durante muchos años.

Aguas subterráneas

Las aguas subterráneas, por su propia naturaleza, suelen ser de muy difícil acceso para tomar muestras. Como consecuencia, la mayoría de los datos sobre aguas subterráneas provienen de muestras tomadas de manantiales , pozos , perforaciones para el suministro de agua y cuevas naturales . En las últimas décadas, a medida que ha aumentado la necesidad de comprender la dinámica del agua subterránea, se han perforado en los acuíferos un número cada vez mayor de perforaciones de seguimiento.

lagos

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 capas superiores más cálidas y ricas en oxígeno y una capa inferior más fría con bajos niveles de oxígeno. En otoño, la caída de las temperaturas y los fuertes vientos ocasionales provocan que las dos capas se mezclen en un todo más homogéneo. Cuando se produce la estratificación, no solo afecta los niveles de oxígeno sino también 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 agua, a menudo de muchas fuentes diferentes con diferentes calidades. Los sólidos provenientes de los aportes del arroyo generalmente se depositan cerca de la desembocadura del arroyo y, dependiendo de una variedad de 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.

Zonas de mezcla

Cuando dos ríos se encuentran en una confluencia 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 química del agua puede ser muy variable y difícil de predecir. Las interacciones químicas no son simplemente una simple 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.

Insumos geológicos

La geología que subyace a un río o lago tiene un impacto importante en su química. Es probable que un río que fluye a través de esquistos precámbricos muy antiguos se haya disuelto muy poco 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 calcáreas , y especialmente si su fuente está en la creta, 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 atravesar una variedad de tipos geológicos y puede tener aportes de acuíferos que no aparecen en la superficie en ningún lugar de la localidad.

Entradas atmosféricas

El oxígeno es probablemente el componente químico más importante de la química del agua superficial, ya que todos los organismos aeróbicos lo necesitan para sobrevivir. Entra al agua principalmente por difusión en la interfaz agua-aire. La solubilidad del oxígeno en 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 bajas temperaturas y, por lo tanto, más oxígeno que los remansos lentos. 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 se produce 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 artificiales o antropogénicas , las más importantes de las cuales son los óxidos de azufre producidos al quemar 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 porque reduce el pH del agua, haciéndola más ácida. El cambio de pH es más marcado en ríos con concentraciones muy bajas de sales disueltas, ya que éstas no pueden amortiguar los efectos del aporte de ácido. Los ríos aguas abajo de las principales conurbaciones industriales también corren mayor riesgo. En partes de Escandinavia , el oeste de Gales y Escocia, muchos ríos se volvieron tan ácidos debido a 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]

Aportes antropogénicos

La mayoría de los ríos del planeta y muchos lagos han recibido o están recibiendo aportes de las actividades de la humanidad. En el mundo industrializado, muchos ríos han resultado gravemente contaminados, al menos durante el siglo XIX y la primera mitad del XX. Aunque en general ha habido muchas mejoras en el mundo desarrollado, todavía hay una gran contaminación de los ríos en el planeta.

Toxicidad

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 sólo algunas estarán relacionadas con parámetros químicos o biológicos mensurables. La tasa de flujo, la turbulencia, la competencia inter e intraespecífica, el comportamiento alimentario, las enfermedades , el parasitismo , el comensalismo y la simbiosis son sólo algunas de las presiones y oportunidades que enfrenta cualquier organismo o población. La mayoría de los constituyentes químicos favorecen a algunos organismos y son menos favorables a otros. Sin embargo, hay algunos casos en los que un componente químico ejerce un efecto tóxico. es decir, donde 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.

Componentes químicos

Color y turbidez

A menudo es el color del agua dulce o lo clara o turbia que es el agua, la característica visual más obvia. 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 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 amarillo muy intenso causado por los ácidos húmicos disueltos .

Componentes orgánicos

Una de las principales fuentes de concentraciones elevadas de componentes químicos orgánicos son las aguas residuales tratadas.

El material orgánico disuelto se mide más comúnmente mediante la prueba de demanda bioquímica de oxígeno (DBO) o la prueba de demanda química de oxígeno (DQO). Los constituyentes orgánicos son importantes en la química de los ríos por el efecto que tienen sobre la concentración de oxígeno disuelto y por el impacto que las especies orgánicas individuales pueden tener directamente sobre la biota acuática.

Cualquier material orgánico y degradable consume oxígeno al descomponerse. Cuando las concentraciones orgánicas son significativamente elevadas, los efectos sobre las concentraciones de oxígeno pueden ser significativos y, a medida que 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 en la biota acuática e incluso en los seres humanos que beben agua extraída del río. Comprender dichos constituyentes y cómo pueden identificarse y cuantificarse es cada vez más importante en la comprensión de la química del agua dulce.

Rieles

Se puede encontrar una amplia gama de metales en ríos de fuentes naturales donde hay minerales metálicos en las rocas sobre las que fluye el río o en los acuíferos que alimentan el agua del río. Sin embargo, muchos ríos tienen una mayor carga de metales debido a las actividades industriales que incluyen minas y canteras y el procesamiento y uso de metales.

Hierro

El hierro, generalmente como 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 una zona hiporreica anóxica pueden causar manchas visibles de color naranja/marrón o precipitados semigelatinosos de un denso flóculo bacteriano de hierro de color naranja que alfombra 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 del carbón es también 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 altamente intratable 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 manantiales saludables. Estos manantiales se denominan comúnmente manantiales de Chalybeate y han dado origen a varias ciudades balneario en Europa y Estados Unidos.

Zinc

El zinc normalmente se asocia 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. Microregma comienza a mostrar una reacción tóxica en concentraciones tan bajas como 0,33 mg/L. [3]

Metales pesados

El plomo y la plata en las aguas de los ríos se encuentran comúnmente juntos y asociados con la minería del plomo. Los impactos de minas muy antiguas pueden ser muy duraderos. En el río Ystwyth, en Gales, por ejemplo, los efectos de la minería de plata y plomo en los siglos XVII y XVIII en las cabeceras todavía 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 muy tóxico para los organismos de agua dulce y para los seres humanos si el agua se utiliza como agua potable. Al igual que ocurre con la plata, la contaminación por plomo no es visible a simple vista. El río Rheidol, en el oeste de Gales, tuvo una importante serie 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. Entre 1919 y 1921, sólo se encontraron 14 especies de invertebrados en el bajo Rheidol cuando las concentraciones de plomo estaban entre 0,2 ppm y 0,5 ppm. En 1932, la concentración de plomo se había reducido a 0,02 ppm o 0,1 ppm debido al abandono de la minería y, en esas concentraciones, la fauna del fondo se había estabilizado en 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 oxida al contacto con el aire produciendo un lixiviado muy ácido que puede disolver los metales del carbón.

Los niveles significativos de cobre son inusuales en los ríos y, cuando ocurre, la fuente más probable es que sean actividades mineras, almacenamiento de carbón o cría de cerdos . En raras ocasiones, los niveles elevados pueden ser de 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 graves efectos adversos en la ecología local.

Nitrógeno

Los compuestos nitrogenados tienen una variedad de fuentes que incluyen el lavado de óxidos de nitrógeno de la atmósfera, algunos aportes geológicos y algunos de la fijación de nitrógeno por macrófitos y algas . Sin embargo, en muchos ríos cercanos a los seres humanos, el mayor aporte proviene de aguas residuales, ya sean tratadas o no. El nitrógeno proviene de los productos de degradación de las proteínas que se encuentran en la orina y las heces . Estos productos, al ser muy solubles, a menudo pasan por procesos de tratamiento de aguas residuales y se vierten a los ríos como componente del efluente del 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 proteinoide orgánica.

Las diferentes formas de nitrógeno son relativamente estables en la mayoría de los sistemas fluviales: 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 macrófitos y algas y los niveles elevados de nitrógeno a menudo se asocian con un crecimiento excesivo de plantas o eutrofización . Estos pueden tener el efecto de bloquear canales e inhibir la navegación . Sin embargo, desde el punto de vista ecológico, el efecto más significativo se produce en las concentraciones de oxígeno disuelto, que pueden sobresaturarse durante el día debido a la fotosíntesis de las plantas , pero luego caer 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 está la creación de iones de bicarbonato que causan un fuerte aumento en el pH y esto se corresponde en la oscuridad cuando se libera dióxido de carbono a través de la respiración, lo que reduce sustancialmente el pH. Por tanto, los niveles elevados de compuestos nitrogenados tienden a provocar una eutrofización con variaciones extremas de 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 adicional 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 fluvial para evitar daños ecológicos es particularmente difícil en el caso del amoníaco, ya que hay que considerar una amplia gama de escenarios potenciales de concentración, pH y temperatura y considerar 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.

Fósforo

Los compuestos de fósforo se encuentran normalmente como fosfatos relativamente insolubles en el agua de los ríos y, salvo en circunstancias excepcionales, su origen es la agricultura o las aguas residuales humanas. El fósforo puede favorecer 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 mediante procesos naturales. En verano, los lagos se estratifican de modo que el agua cálida y rica en oxígeno flota sobre el agua fría y pobre en oxígeno. En las cálidas capas superiores, el epilimnion , las plantas consumen el fosfato disponible. Cuando las plantas mueren a finales del verano, caen en las capas de agua fría que se encuentran debajo (el hipolimnio ) y se descomponen. Durante el cambio de invierno, cuando un lago se mezcla completamente debido a la acción de los vientos sobre una masa de agua que se enfría, los fosfatos se esparcen nuevamente por todo el lago para alimentar a una nueva generación de plantas. Este proceso es una de las principales causas de la proliferación persistente de algas en algunos lagos.

Arsénico

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 provocar que el arsénico entre en el ciclo hidrológico .

Sólidos

En todos los ríos montanos se producen sólidos inertes, ya que la energía del agua ayuda a triturar las rocas y convertirlas en grava, arena y materiales más finos. Gran parte de esto se deposita muy rápidamente y proporciona 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.

Aportes bacterianos, virales y parásitos.

Tanto la agricultura como el tratamiento de aguas residuales producen aportes a los ríos con concentraciones muy altas de bacterias y virus , incluida una amplia gama de organismos patógenos . Incluso en áreas con poca actividad humana se pueden detectar niveles significativos de bacterias y virus provenientes de peces y mamíferos acuáticos y de animales que pastan cerca de 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 una evaluación de riesgos.

Bajo ciertas condiciones, las bacterias pueden colonizar aguas dulces, ocasionalmente formando grandes balsas de esteras filamentosas conocidas como hongos de aguas residuales , generalmente Sphaerotilus natans . La presencia de tales organismos es casi siempre un indicador de contaminación orgánica extrema y se esperaría que fuera acompañada de bajas concentraciones de oxígeno disuelto y altos valores de DBO.

La bacteria E. coli se ha 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. E. coli se encuentra en todos los animales de sangre caliente. También se ha encontrado E. coli en peces y tortugas. [6] Las enterobacterias también pueden persistir en el medio ambiente en el barro, los sedimentos, la arena y el suelo durante períodos de tiempo considerables. [7]

pH

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 sólo se convierta en un problema en ríos de tierras altas con muy poca amortiguación, donde los óxidos atmosféricos de azufre y nitrógeno pueden reducir significativamente el pH hasta pH 4 o en ríos alcalinos eutróficos donde la producción de iones fotosintéticos de bicarbonato en la fotosíntesis puede elevar el pH por encima. pH10.

Ver también

Referencias

  1. ^ Comparaciones, GE, WC Keene, JM Miller y JN Galloway. 1987. Química de la precipitación de un sitio terrestre remoto en Australia. J. Geophys. Res. 92(D11):13.299-13.314.
  2. ^ La contaminación del aire, la lluvia ácida y el medio ambiente. Kenneth Mellanby, Comité Watt de Energía, Springer, 1988 ISBN  1-85166-222-7 , ISBN 978-1-85166-222-7 
  3. ^ Bringmann G. y Kuhn R., 1959, Los efectos tóxicos de las aguas residuales sobre bacterias acuáticas, algas y pequeños crustáceos, Gesund Ing 80, 115
  4. ^ Laurie, RD y Jones, JRE, 1938, La recuperación faunística de un río contaminado con plomo en el norte de Cardiganshire, Gales, J. Anim. Eco, 7, 272 -286
  5. ^ "Ciclo de vida del salmón | Exploradores de corrientes". www.streamexplorers.org . Consultado el 15 de septiembre de 2020 .
  6. ^ John J. Clark; Satoshi Ishii; Michael J. Sadowsky ; Randall E. Hicks (2008). "Fuentes y sumideros de Escherichia coli en peces bentónicos y pelágicos" (PDF) . Internacional. Asociación. Res. de los Grandes Lagos . Consultado el 7 de julio de 2017 .
  7. ^ "Presencia y fuentes de bacterias coliformes fecales en comunidades epilíticas de Periphyton del lago Superior" (PDF) . Sociedad Estadounidense de Microbiología. 2007 . Consultado el 7 de julio de 2017 .