Módulo 17 Eutrofización Introducción El proceso de eutrofización de las aguas continentales se refiere al crecimiento de fitoplancton y/o plantas acuáticas potenciado por la combinación de tres factores: alta disponibilidad de luz, alta temperatura del agua y alta disponibilidad de nutrientes. Las aguas residuales domésticas o agropecuarias pueden estimular el proceso de eutrofización y son las principales causas del deterioro de la calidad del agua. Para predecir el proceso de eutrofización se han desarrollado métodos de predicción basados en el balance de masa del fósforo total soluble . Mire en el mapa conceptual de la multimedia, en el botón EUTROFIZACIÓN, el video “Aspectos químicos“. Capítulo 4. Ecosistemas leníticos Contenido 17.1 Eutrofización 17.2 Predicción del proceso de eutrofización 114 17.1 Eutrofización El proceso de eutrofización de las aguas continentales se refiere al crecimiento de fitoplancton y/o plantas acuáticas potenciado por la combinación de tres factores: alta disponibilidad de luz (> 100 000 luxes), alta temperatura del agua (> 25 °C) y alta disponibilidad de nutrientes (nitrógeno soluble > 1 mg/l y ortofosfato > 0,1 mg/l). Las aguas residuales domésticas o agropecuarias pueden estimular el proceso de eutrofización y son las principales causas del deterioro de la calidad del agua. Una forma sencilla de aproximarse al diagnóstico del estado trófico de un cuerpo de agua es a través de la evaluación de los gases disueltos (Roldán y Ramírez, 2008). En la figura 17.1 se presentan las curvas de distribución vertical del oxígeno disuelto y el dióxido de carbono en tres sistemas leníticos con diferente estado trófico: oligotrófico, mesotrófico y eutrófico. Oligotrófico Mesotrófico Eutrófico CO2 O2 Figura 17.1. Distribución vertical de los gases O2 y CO2 y el estado trófico de tres cuerpos de agua (Roldan y Ramírez, 2008). Como se ve en la figura, en un sistema oligotrófico las curvas de O2 y CO2 no se cruzan, en uno mesotrófico se cruzan en el hipolimnion y en uno eutrófico se cruzan en el epilimnion. 17.2 Predicción del proceso de eutrofización Para predecir el proceso de eutrofización en un cuerpo de agua se han desarrollado métodos de predicción basados esencialmente en el balance de masa para el fósforo total soluble. Se determinan la carga de entrada de este nutriente y su concentración en el cuerpo de agua (Cepis, 1990). Hidobiología sanitaria - Universidad de Antioquia-Programa de Educación Virtual —Ude@— Módulo 17. Eutrofización El Cepis, o Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, ha reunido información y trabajos relacionados con el proceso de eutrofización en lagos y embalses cálidos tropicales (Cepis, 1990). Este esfuerzo ha tenido como finalidad obtener y calibrar un modelo empírico que permita predecir y diagnosticar el proceso de eutrofización. La eutrofización tiene efectos positivos sobre los usos de agua, como por ejemplo una mayor producción de peces y la obtención de agua rica en nutrientes para irrigar los terrenos, pero los efectos negativos pueden ser varios: aumento en las restricciones de los usos del agua por su deterioro, disminución de áreas de recreación y turismo, impedimento de la navegación, proliferación de especies de algas o plantas acuáticas menos deseables y efectos sobre la salud (Cepis, 1990). Para predecir el proceso de eutrofización en un cuerpo de agua lenítico, el Cepis planteó la siguiente expresión de cálculo: P = L(p) * Tw¾ /3z, donde P es el fósforo total (mg/l), L(p) es el aporte de fósforo total (en g/m2 año), z es la profundidad promedio (m) y Tw (años) es el tiempo de retención hidráulico. La carga de fósforo se calcula como sigue: Carga de P (kg/día): P = Q * Cp , donde Cp es la concentración promedio (mg/l) de fósforo total y Q es caudal. El fósforo puede determinarse como fósforo total o fósforo total soluble. En algunos trabajos se emplea para los cálculos la concentración de ortofosfatos, dado que esta especie de fósforo es la que se asimila directamente por los organismos fotoautótrofos como algas y plantas acuáticas. Lo más común es que en los cuerpos de agua neotropicales se presenten limitaciones por fósforo; sin embargo, hay cuerpos de agua limitados por nitrógeno, por lo cual es importante para el estudio del proceso de eutrofización analizar las posibles limitaciones por nutrientes. En el módulo 7 se incluye este tema relacionado con las proporciones de los nutrientes, especialmente el nitrógeno y el fósforo y sus demandas en el agua. Una regla de decisión en cuanto a la disponibilidad de nutrientes y las posibles limitaciones fue propuesta por Vollenweider (1968). La relación nitrógeno/fósforo permite establecer el nutriente limitante para la producción primaria que potencia el proceso de eutrofización, así: Si NT/PT > 9, el factor limitante es el fósforo, Si NT/PT < 9, el factor limitante es el nitrógeno, donde NT es nitrógeno total y PT es fósforo total. En una investigación realizada en el embalse El Peñol-Guatapé por Aguirre (1994) se encontró que en aguas abiertas es oligotrófico, pero a la entrada las aguas fueron eutróficas (Aguirre et al., 2002). Hidobiología sanitaria - Universidad de Antioquia - Programa de Educación Virtual —Ude@— 115 Módulo 18 Producción acuática y biomasa Introducción La productividad biológica es un proceso en el que se genera biomasa en un intervalo de tiempo determinado. La productividad biológica se mide en calorías o kilocalorías por unidad de volumen y unidad de tiempo. Así, la productividad incluye las dimensiones de espacio y tiempo. La producción primaria se refiere al cambio en la biomasa de los productores primarios en el tiempo . Mire en el mapa conceptual de la multimedia, en el botón PRODUCTIVIDAD, las biografías de August Thienemann y Einar Nauman. Capítulo 4. Ecosistemas leníticos Contenido 18.1 Productividad biológica en el agua 18.2 Tipos de productividad 118 18.1 Productividad biológica en el agua La productividad biológica es un proceso en el que se genera biomasa en un intervalo de tiempo determinado según el área en un ecosistema terrestre, o según el volumen en un ecosistema acuático (Aguirre y González, 2011). Los humedales, los estuarios y las selvas lluviosas tropicales son los ecosistemas más productivos, mientras que los desiertos y el océano abierto tienen las más bajas tasas de productividad (Odum, 2000). La productividad biológica se mide en calorías o kilocalorías (1 kcal = 4186 julios). Además, la productividad incluye las dimensiones de espacio y tiempo. Por ello, la unidad usada suele ser caloría/ unidad de superficie/unidad de tiempo (Odum, 2000). 18.2 Tipos de productividad Según Odum (2000), existen diferentes formas de estimar la productividad biológica de un ecosistema. Algunos de los parámetros que se emplean son: ▪▪ P roductividad primaria bruta (PPB), o fotosíntesis total: es la cantidad de energía fijada por una comunidad algal/vegetal en un volumen/superficie y tiempo determinados. ▪▪ P roductividad primaria neta (PPN): es la diferencia entre la productividad primaria bruta (PPB) y el gasto energético en respiración que realizan los componentes autótrofos del ecosistema (algas y plantas) destinado al mantenimiento de sus procesos vitales y al crecimiento (RA). O sea: PPN = PPB - RA. La producción primaria se refiere al cambio en la biomasa de los productores primarios en el tiempo. La alta tasa de producción primaria es un sistema con alta oferta trófica. El proceso que representa la producción primaria es la fotosíntesis: CO2 + H2O luz C6H12O6 + O2 fotosíntesis Por medio de la fotosíntesis hay producción de energía. Este proceso es esencial en los ecosistemas acuáticos. Según Ramírez (1991a), la producción primaria y la respiración pueden determinarse como sigue (en miligramos por metro cúbico y por hora): Hidobiología sanitaria - Universidad de Antioquia-Programa de Educación Virtual —Ude@— Módulo 18. Producción acuática y biomasa Producción primaria bruta: = 0, 312 * (C3 - C2) mg C * 1000; < 3 F m h t * PQ Producción primaria neta: 0, 312 * (C3 - C1) mg C * 1000; < 3 F = m h t * PQ Respiración: = 0, 312 * (C1 - C2) mg O * 1000; < 3 2 F t m h donde: C3 = promedio del oxígeno disuelto final en las botellas claras. C2 = promedio del oxígeno disuelto final en las botellas oscuras. C1 = promedio del oxígeno disuelto inicial. t = tiempo de incubación de las botellas en horas. PQ = 1,2 cociente fotosintético. La regla de decisión en cuanto al proceso de producción neto en un cuerpo de agua continental puede ser: ▪▪ Sistema oligoproductivo: bajos niveles de producción (0-75 mg C/m3h). ▪▪ Sistema mesoproductivo: niveles medios de producción (75-250 mg C/m3h). ▪▪ Sistema euproductivo: niveles altos de producción (> 300 mg C/m3h) (Margalef, 1983). Por su parte, la biomasa algal es una variable puntual e indica la cantidad de organismos productores que hay en un momento dado. Se mide por medio de pigmentos fotosensibles, tales como las clorofilas a, b, c1 y c2. Se pueden determinar los pigmentos totales, la clorofila a y los pigmentos degradados o feopigmentos. Talling y Driver (1963) propusieron una ecuación monocromática para el cálculo de la clorofila a (Ramírez, 1991b). Cl a = 11, 9 (Abs665 0 - Abs750 0) - (Abs665 ac - Abs750 ac) * v , V*Z donde: A6650 = absorbancia a 665 nm antes de acidificar el extracto. A665ac = absorbancia a 665 nm después de acidificar el extracto. A7500 = absorbancia a 750 nm antes de acidificar el extracto. A750ac = absorbancia a 750 nm después de acidificar el extracto. Hidobiología sanitaria - Universidad de Antioquia - Programa de Educación Virtual —Ude@— 119 Capítulo 4. Ecosistemas leníticos v = volumen del extracto (en ml). V = volumen filtrado (en l). Z = ancho de la celda de cuarzo (en cm). 120 En ingeniería sanitaria se consideran valores altos de clorofila a aquellos mayores de 10 mg/l cuando el agua es una posible fuente de agua potable. En sistemas de tratamiento de aguas residuales por lagunaje, valores de clorofila a altos (> 100 mg/l) son considerados favorables en lagunas facultativas y de pulimiento dado que las algas son deseables en estos sistemas porque remueven sólidos disueltos, tales como nutrientes (Rolim, 2000). Hidobiología sanitaria - Universidad de Antioquia-Programa de Educación Virtual —Ude@—