Dentro de los múltiples problemas a los que se enfrentan las masas de agua, algunos de los cuales ya se han abordado en este blog, como la presencia de macro y microplásticos, la excesiva contaminación por sustancia químicas o la presencia de bacterias resistentes a antimicrobianos, existe uno que es inherente a la actividad humana y que, desgraciadamente, se expande cada vez más. Es la eutrofización.
La eutrofización es el proceso en el que un exceso de nutrientes, especialmente compuestos de nitrógeno y/o fósforo, provoca un crecimiento acelerado de algas y formas superiores de vida vegetal en el ecosistema acuático.
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| Embalse Forcadas (Valdoviño) |
Si bien la eutrofización ocurre de manera natural, normalmente está asociada a fuentes antropogénicas de nutrientes. El “estado trófico” de los lagos es el concepto central en la gestión de las masas de agua. Describe la relación entre el estado de los nutrientes y la materia orgánica del acuífero. La eutrofización es el proceso de cambio de un estado trófico a un estado trófico superior mediante la adición de nutrientes.
El problema de la eutrofización se reconoció por primera vez en la década de 1960, cuando un gran número de lagos y embalses, especialmente en los países industrializados, se volvieron cada vez más fértiles (eutróficos) y su naturaleza cambió debido a la adición de nutrientes vegetales procedentes de las actividades humanas. La principal fuente de nutrientes en estas aguas eran las aguas residuales municipales e industriales y las escorrentías agrícolas y urbanas. El resultado de la eutrofización es una alteración indeseable del equilibrio de los organismos presentes en el agua y de la calidad del agua en cuestión. Esto puede dar lugar a una baja biodiversidad con reducción y cambios en la variedad de especies de invertebrados acuáticos y especies de peces presentes en aguas eutróficas. (OCDE, 1982)
El término eutrófico, se utiliza para distinguir aquellos lagos en los cuales el nivel nutritivo es particularmente alto y que se caracterizan por el estancamiento de sus aguas además de abundante vegetación litoral, siendo una situación irreversible por los nutrientes acumulados. El agua se vuelve turbia y verdosa, y aparecen bacterias aerobias que consumen el oxígeno de las aguas para oxidar la materia orgánica. Esto provoca una disminución alarmante de los niveles de oxígeno disuelto en el sistema acuático y por lo tanto, la muerte de otros seres vivos, como los peces, por asfixia. Se llega, por tanto, a condiciones anaerobias y se desarrollan procesos fermentativos que originan SH2 (sulfhídrico) y NH3 (amoníaco), responsables de mal olor en estos sistemas acuáticos.
Como ya he mencionado, la eutrofización produce cambios en la calidad del agua, incluyendo la reducción del oxígeno disuelto y de la biodiversidad acuática, pérdida de las cualidades organolépticas, muerte de los peces, y aumento de la incidencia de floraciones de microalgas y cianobacterias. Esas floraciones pueden provocar el aumento en el coste del tratamiento del agua del abastecimiento y tener consecuencias relacionadas con la salud de la población abastecida y de la población y animales que utilizan agua eutrofizada para bañarse o consumir.
Las cianofíceas o cianobacterias o algas verde-azuladas son microorganismos no deseados en las aguas y su desarrollo puede ser debido a un proceso de sustitución natural de los diferentes grupos de algas que aparecen en los acuíferos, Normalmente lo hacen como consecuencia de un desequilibrio de las relaciones de nitrógeno y fósforo, a favor de éste, lo que les puede configurar una estructura de "plaga" para el resto de los componentes del fitoplancton, durante los períodos de desarrollo.
Las cianobacterias son una familia de organismos procariotas unicelulares que pueden crecer en medios muy diversos: en la columna de agua (planctónicas), en la superficie del sedimento (bentónicas) y en superficies terrestres. Algunos fósiles han demostrado la existencia de cianobacterias desde hace billones de años y se cree que contribuyeron a la oxigenación de la primitiva atmósfera ya que son los primeros organismos conocidos capaces de realizar la fotosíntesis.
En las últimas décadas, estos microorganismos han vuelto a atraer la atención debido a su presencia cada vez más amplia y frecuente. En las últimas décadas el número de blooms (floraciones), también conocidos como Harmful Algal Blooms (HAB) de cianobacterias ha aumentado considerablemente y se cree que seguirá aumentando, debido a la eutrofización del medio acuático. Los incidentes de blooms de cianobacterias en masas de agua dulce y salada eutróficas son un fenómeno habitual en todo el mundo, con ejemplos en más de 30 países. Algunos de los géneros de cianobacterias de agua capaces de formar blooms con mayor frecuencia también pueden producir toxinas (cianotoxinas). Es más, estudios sistemáticos realizados en diferentes partes del mundo han revelado una gran frecuencia de blooms tóxicos en aguas. Sin embargo, no existe ningún método sencillo, como por ejemplo el examen de las células al microscopio, que permita distinguir si las cianobacterias son tóxicas y, además, la toxicidad del bloom puede fluctuar en el espacio y en el tiempo. Por otra parte, la concentración de células de un bloom no está necesariamente relacionada con la toxicidad del bloom ya que pueden coexistir cianobacterias tóxicas y no tóxicas. Las toxinas de cianobacteria también tienen efectos nocivos para el zooplancton y se pueden acumular en crustáceos y peces. Paradójicamente, algunas cianobacterias como la Spirulina platensis, son consumidas por el hombre como suplemento alimentario.
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| Embalse eutrofizado |
Las cianobacterias producen una gran variedad de compuestos, considerados metabolitos secundarios. Entre estos metabolitos secundarios se encuentran las cianotoxinas que producen diferentes efectos sobre la salud de los organismos que se ven expuestos a ellos.
Las cianotoxinas pueden ser de muy diversa naturaleza química: péptidos cíclicos, alcaloides y lipopolisacáridos, aunque normalmente se clasifican por los efectos que producen: hepatotoxinas, neurotoxinas, citotoxinas, dermatotoxinas y toxinas irritantes.
Hepatotoxinas, Pueden considerarse las cianotoxinas más importantes tanto por su abundancia en la naturaleza, como por la elevada toxicidad que pueden presentar. Entre ellas distinguimos las microcistinas (MC) producidas por cianobacterias planctónicas (Anabaena, Microcystis, Planktothrix, Nostoc y Anabaenopsis) y bentónicas (Hapalosiphon) y las nodularinas producidas por Nodularia. Una característica importante es que son extremadamente estables y no se destruyen por los oxidantes más utilizados en los tratamientos de aguas, tales como la cloración, incluso aguantan la ebullición del agua donde están disueltas. Sus efectos en los mamíferos son el retraimiento de los hepatocitos y por lo tanto producen hemorragias hepáticas varias horas después de una exposición a dosis agudas, que puede conducir a la muerte por choque hipobolémico. También producen trastornos gastrointestinales. A dosis crónicas se considera que pueden estar relacionadas con cáncer de hígado.
Neurotoxinas. Como su nombre indica son toxinas que afectan al sistema nervioso de los vertebrados. Afortunadamente son menos habituales que las hepatotoxinas, y sus efectos son muy severos y rápidos: parada cardiorrespiratoria en menos de 1 hora tras el suministro. Las toxinas más habituales son anatoxina-a, anatoxina-a(S) y las saxitoxinas (que son como las producidas por las mareas rojas en las zonas litorales y que tanto afectan a la economía). Sus efectos biológicos son variados, polarizando o despolarizando las células nerviosas, evitando la correcta transmisión del impulso nervioso provocando finalmente la muerte por fallo cardiovascular y/o respiratorio.
Citotoxinas. Este grupo de toxinas está representado fundamentalmente por una toxina, la cilindrospermopsina, sobre la que se está trabajando mucho en la actualidad, ya que, aunque fundamentalmente había sido descrita su presencia en zonas tropicales o cálidas, recientemente ha sido descubierta en Europa, y en particular en España a altas concentraciones. Se considera citotóxica ya que afecta a una gran diversidad de líneas celulares y entre sus órganos diana tiene una gran diversidad de estos (hígado, bazo, riñones, timo y corazón). Esta toxina, aunque está apareciendo en muchos cuerpos de agua es más sensible a los oxidantes y los tratamientos tradicionales la destruyen.
Dermatotoxinas, son normalmente alcaloides como aplisiatoxina y lyngbyatoxina, produciendo dermatitis severa con el simple contacto cutáneo. En caso de ingestión accidental producen inflamación gastrointestinal.
Toxinas irritantes, son de naturaleza lipopolisacarídica (LPS), que es un componente habitual en la pared de todas las bacterias Gram negativas. Es la parte lipídica de esta molécula la que produce unos efectos irritantes o alergénicos en los mamíferos expuestos. Generalmente los LPS de las cianobacterias son menos tóxicos que los LPS de algunas bacterias patógenas (como Salmonella).
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| Cianotoxinas |
Como muestra de la importancia de la eutrofización y la producción de ciano toxinas, puedo citar CYANONET, que es parte del Programa Internacional de Hidrología-VI de la UNESCO y que se estableció para abordar un problema de creciente preocupación mundial: la producción anual de poblaciones excesivas de cianobacterias (algas verdeazuladas) y sus potentes toxinas (cianotoxinas) en los recursos hídricos y los riesgos que éstas presentan para la salud.
“Los objetivos de CYANONET incluyen acciones a corto y largo plazo. Las acciones a corto plazo incluyen: evaluación de la situación mundial de la aparición y los impactos de las poblaciones masivas de cianobacterias y cianotoxinas y respuestas de gestión de riesgos, cuando estén disponibles, para la protección de los recursos hídricos y la salud. Los objetivos a corto plazo (Fase I) se lograrían mediante el establecimiento de un Comité Directivo Internacional, al que informaría una red creciente de contactos nacionales. La Fase I también incluiría el establecimiento de un sitio web de CYANONET con acceso público y la identificación de necesidades y recomendaciones para aliviar los problemas de cianobacterias y cianotoxinas mediante la gestión de riesgos. Los objetivos de la Fase II incluyen: una evaluación más profunda de la situación, la expansión de la red de contactos nacionales y la producción de materiales de capacitación y educativos y su difusión, para ayudar al fortalecimiento de la capacidad internacional.”
Causas de la eutrofización
Las principales causas antropogénicas de procesos de eutrofización pueden ser:
- La descarga de aguas residuales, las cuales son ricas en nutrientes, contribuyendo al cambio trófico del cuerpo de agua receptor.
- El uso excesivo de fertilizantes, que genera una contaminación del agua fundamentalmente mediante el aporte de nitrógeno (en forma de sales de nitrato y amonio) y fósforo (como fosfato).
- La deforestación y la erosión en suelos agrícolas influyen en la carga de nutrientes, ya que las escorrentías, al pasar por una tierra que no tiene protección, “lavan” la capa fértil, llevándose consigo los nutrientes de ésta.
- La presencia de gases ambientales tales como óxidos de nitrógeno (NOx) y óxidos de azufre (SOx), al entrar en contacto con el agua atmosférica forman iones que forman sales solubles al alcanzar el suelo. Dichas sales son volcadas fácilmente en los cuerpos de agua, dando lugar a un proceso de eutrofización
El informe Vollenweider (1968) sobre los antecedentes científicos de la eutrofización de las aguas continentales comienza con la frase “El nitrógeno (N) y el fósforo (P) parecen ser los más importantes entre los nutrientes responsables de la eutrofización”. Desde entonces, el debate sobre si el N o el P o ambos son responsables de la eutrofización no ha cesado y, con él, la discusión sobre los enfoques para revertir la eutrofización continúa. Durante las últimas décadas del siglo XX, el control de la eutrofización de las aguas dulces se centró en el P, con éxito en muchos casos. Una razón es que el P, a diferencia del N, no tiene un reservorio atmosférico ilimitado. Sin embargo, como las fases de limitación de N son comunes en muchos cuerpos de agua poco profundos, algunos autores han concluido que, por lo tanto, es necesario reducir el N junto con el P.
El estudio de más de 30 años de David Schindler (nombro a este científico porque quizá sea el que mejor ha estudiado la eutrofización a lo largo de la historia y al que además vi en una magnífica conferencia en 2015 en el congreso de ASLO en Granada) en un lago natural en el área de los lagos experimentales (El Área de Lagos Experimentales del IISD (IISD-ELA, conocida como ELA antes de 2014) es una estación de investigación única a nivel internacional que abarca 58 lagos de agua dulce que antes eran vírgenes en el distrito de Kenora, Ontario, Canadá. Anteriormente administrado por Fisheries and Oceans Canada, después de haber sido desfinanciado por el Gobierno Federal de Canadá, la instalación ahora es administrada y operada por el Instituto Internacional para el Desarrollo Sostenible (IISD) y tiene el mandato de investigar los efectos acuáticos de una amplia variedad de estrés en los lagos y sus cuencas hidrográficas. IISD-ELA utiliza el enfoque de ecosistema completo y realiza investigaciones a largo plazo de agua dulce en todo el lago, centrándose en la eutrofización) concluyó que la eutrofización de los lagos no puede ser controlada reduciendo la aportación de nitrógeno. Para conocer mejor los experimentos que se han realizado en el área de los lagos experimentales, además de sobre eutrofización sobre otros fenómenos de contaminación como la lluvia ácida, en el libro “Artículos científicos del The New York Times”, existe un capítulo completo dedicado a ellas,
Prevención y remediación de la eutrofización
A continuación, se describen posibles métodos de corrección de la eutrofización. Estas metodologías se han utilizado en diversos lugares y podrían extrapolarse para casos similares en otros lugares. Existen muchos más y, en este documento, Update of reference documents on algae control, del cual soy coautor, se citan muchos de ellos.
- Medidas de gestión del acuífero. Evidentemente todas estas medidas de gestión están basadas en una idea primordial que es eliminar el continuo aporte de nutrientes al embalse. Para eliminar este aporte continuo de nutrientes deberían revisarse las condiciones de vertido de las plantas de tratamiento de aguas residuales y de las explotaciones agropecuarias circundantes
- Modificación del régimen de flujo: Los incrementos de flujo en condiciones adecuadas, tienen el potencial para reducir el crecimiento de fitoplancton reduciendo (a través del mantenimiento de condiciones más oxidantes), diluyendo y, parcialmente, exportando la carga de nutrientes interna de los sedimentos, aumentando la turbidez (para reducir la luz que reciben las algas) y manteniendo un entorno cambiante de agua para que las tasas de crecimiento del fitoplancton se mantengan bajas. No se ha observado predominancia de cianobacterias en los embalses donde el tiempo de retención hidráulico es menos de cinco días.
- Uso de algicidas. Productos químicos que atacan la estructura celular de las cianobacterias, destruyéndolas. Son opciones de choque que pueden eliminar las floraciones, pero debido a que sus toxicidades podrían dañar potencialmente a otros organismos, deben usarse con mucho cuidado y solo en las primeras etapas de una floración, cuando las dosis requeridas para controlarla son menores. El alguicida más conocido y utilizado es el sulfato de cobre, por ser relativamente barato. Mata eficazmente a las cianobacterias cuando se aplica la dosis correcta, sin embargo, no ofrece resultados duraderos Otros alguicidas empleados para el control de cianobacterias son: peróxido de hidrógeno, quelatos de cobre, cloro, óxido de cloro o cal
- Tratamiento con arcillas modificadas: El uso de una arcilla modificado ofrece otra forma de estabilización y reducción del fosfato. La arcilla modificada puede aplicarse como una mezcla sobre la superficie del lago y dejarla asentarse. Como ejemplos el uso de Phoslock o las Blue Green Technologieso o Riplox
- Oxidación de sedimentos: La oxidación de sedimentos se ha probado como un método para controlarlas cargas internas de fosfato de los sedimentos anaeróbicos. Por lo general, esto implica la inyección de nitrato de calcio, Ca(NO3)2, en los 20 cm superiores de los sedimentos del lago. Los posibles beneficios incluyen la degradación de la materia orgánica, la oxidación de los compuestos de hierro y la inactivación del fósforo por sorción al hierro oxidado. Uno de los problemas potenciales en el uso de nitrato de calcio puede ocurrir si una parte del nitrato es rechazada desde el sedimento a la columna de agua, lo que podría modificar el equilibrio en el agua.
- Desestratificación artificial: La estratificación térmica mejora el crecimiento de las cianobacterias. La aireación y mezcla de las capas de agua, que normalmente implican oxigenación adicional del agua, puede ser una solución eficaz para este problema. También afecta a los equilibrios químicos, reduciendo indirectamente algunas de las ventajas de las cianobacterias.La desestratificación artificial se puede lograr utilizando mezcladores mecánicos o aireadores de plumas de burbujas. La selección del sistema correcto depende, por ejemplo (pero no solo) de la profundidad de la columna de agua. Las situaciones más desafiantes ocurren en los embalses profundos, donde la capa inferior puede ser muy deficiente en oxígeno. Otra de las ventajas que tiene esta solución es que los equipos que provocan la desestratificación artificial::
- Se pueden gestionar con energías renovables – por ejemplo energía solar
- Sólo deben estar encendidos cuando se necesitan.
- Son autónomos y no necesitan personal
- Es una solución ecológica y no altera el ecosistema
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| Aireación acuífero |
- Biomanipulación: Introducir plantas que absorben nutrientes, como macrófitos, en la masa de agua, lo que hace que los nutrientes estén menos disponibles para las cianobacterias. También podría ser la introducción de peces que actúen sobre los equilibrios de la red alimentaria.
- Ultrasonidos: La tecnología de ultrasonidos ofrece una solución eficaz para controlar las floraciones de algas nocivas sin los inconvenientes de los tratamientos químicos. Al emitir ondas sonoras ultrasónicas específicas, esta tecnología altera la flotabilidad y la fotosíntesis de las algas, lo que hace que se hundan y mueran de forma natural. A diferencia de los productos químicos, los ultrasonidos no rompen las algas en partículas diminutas que podrían liberar toxinas o contaminar aún más el agua. Este enfoque no invasivo protege los ecosistemas acuáticos y la calidad del agua, lo que lo convierte en una opción sostenible para el control de las algas a largo plazo. Además, minimiza la necesidad de repetir los tratamientos, lo que ahorra tiempo y recursos y ofrece una ventaja competitiva y respetuosa con el medio ambiente frente a los métodos químicos.
- Paja de cebada o de arroz: Consiste en utilizar paja de cebada o de arroz en descomposición para el control de algas y cianobacterias. Se demostraron efectos algistáticos en cultivos de laboratorio con la cianobacteria Microcystis aeruginosa. También se han demostrado efectos inhibidores de las cianobacterias en ensayos de embalses con paja de cebada. Sin embargo, la evidencia sobre la eficacia de la paja de cebada de Australia entra en conflicto con los estudios realizados en el extranjero (varios estudios de laboratorio y de campo no han podido encontrar ningún efecto inhibidor de los extractos derivados de la paja podrida). Estos hallazgos contradictorios y la identidad desconocida de los compuestos fitotóxicos en la paja de cebada podrida indicarían que esta técnica aún es demasiado poco conocida como para recomendar su uso generalizado como medida de control de algas, en particular en situaciones de suministro de agua potable.
- Alelopatías (es un fenómeno biológico por el cual un organismo produce uno o más compuestos bioquímicos que influyen en el crecimiento, supervivencia o reproducción de otros organismos). Puede basarse en:
- La introducción de un organismo externo para combatir las cianobacterias. Por ejemplo, Inoculación de Chlorella para luchar contra las floraciones de cianobacterias.
- El uso de microalgas del propio acuífero para combatir la presencia de cianofíceas. En la India o en Colombia se ha utilizado esta técnica.
También se ha recurrido a la inteligencia artificial como arma de lucha para combatir los blooms de algas. En España, junto a otros países europeos, se ha realizado recientemente un proyecto sobre esta tecnología que está a la espera de proporcionar resultados: AIHAB’s: Artificial Intelligence-powered Forecast for Harmful Algal Blooms. Para abordar el problema de las floraciones masivas de algas, el proyecto AIHAB’s desarrollará un sistema de alerta temprana para pronosticar la aparición, propagación y destino de las cianotoxinas causadas por las HAB’s en aguas interiores y costeras, utilizando inteligencia artificial (IA) y las últimas innovaciones en modelización matemática, nanosensores y teledetección.
La novedad de este proyecto radica en fusionar estas herramientas con el propósito conjunto de proporcionar un sistema de alerta temprana a las autoridades encargadas de la toma de decisiones en términos de riesgo para el público. Las predicciones del modelo permitirán actuar a tiempo para minimizar los riesgos de consumir aguas superficiales o utilizarlas como recursos recreativos cuando las masas de agua sean propensas a producir floraciones de cianobacterias tóxicas.
También investigadores de Escocia están estudiando el potencial de convertir los lodos de depuradora en un material rico en minerales que podría utilizarse para tratar el agua afectada por la eutrofización y la proliferación de algas, un fenómeno que afecta cada vez más a lagos y ríos, asociado con el cambio climático. Incluso se lograría un beneficio adicional según el director del proyecto: "Si bien el fósforo causa desafíos para el medio ambiente y sectores como la acuicultura debido a su impacto en las floraciones de algas, también es un elemento que todos usamos en productos cotidianos. Las reservas naturales se están agotando, por lo que este bioproceso circular podría generar nuevas oportunidades para recuperar el nutriente de las aguas residuales y crear nuevas cadenas de suministro aquí en Escocia”
Más recientemente todavía se han propuesto nuevas ideas, como la oxigenación directa de las masas de agua eutrofizadas Sin duda, existe un potencial inmenso si el exceso de oxígeno de la producción de hidrógeno a gran escala puede mitigar los efectos de la eutrofización en el mar Báltico.
Sin embargo, es necesario probar la oxigenación en condiciones controladas durante un tiempo suficiente antes de implementar la tecnología a mayor escala. Flexens, Lhyfe y la Universidad de Estocolmo han publicado el informe completo sobre el proyecto BOxHy, lanzado en octubre de 2023. En sus conclusiones se esboza el proyecto piloto de inyección de oxígeno en alta mar -´BOxIn´-, que se anunciará dentro de unos meses y cuya duración prevista es de unos 6 años. Gracias a las medidas tomadas en los Estados bálticos, el suministro de nutrientes al mar Báltico se ha reducido drásticamente en los últimos veinte años. La situación ambiental en las áreas costeras también ha mejorado en muchos lugares, pero aún no se ha observado ninguna mejora en el mar Báltico abierto. Una de las razones es que todavía existen fondos anóxicos, lo que reduce las condiciones para que el fósforo se retenga en los sedimentos. Con concentraciones bajas de oxígeno, el fósforo se filtra nuevamente a la masa de agua y puede contribuir nuevamente a la producción de materia orgánica. En cambio, en condiciones de oxígeno elevado, el fósforo podría fijarse permanentemente en los sedimentos del fondo y dejar de contribuir a la eutrofización. Algunos investigadores creen que el mar Báltico está atrapado en un círculo vicioso. Mientras haya falta de oxígeno, el fósforo circula constantemente en el sistema y perpetúa la producción de materia orgánica en forma de, por ejemplo, cianobacterias, lo que conduce a condiciones de oxígeno continuamente tenso.
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| Sistema de hidrólisis para producir hidrógeno y oxígeno |
Cuidemos el agua y que nunca tengamos que cantar una canción como Pollution de Tom Lehrer, que dice:
