Contaminación por nutrientes

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.Las fuentes de contaminación por nutrientes incluyen la escorrentía superficial de los campos agrícolas y los pastos, las descargas de los tanques sépticos y los corrales de engorde, y las emisiones 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 descarga 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 reactivo 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.

Desde el auge agrícola en 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. 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 resulta en cantidades excesivas de nutrientes que ingresan al suelo. El nitrógeno, el fósforo y el potasio son los nutrientes primarios "Big 3" en los fertilizantes comerciales, cada uno de estos nutrientes fundamentales juega un papel clave en la nutrición de las plantas. Cuando el nitrógeno y el fósforo no son utilizados por completo por las plantas en crecimiento, pueden perderse de los campos agrícolas y afectar negativamente la calidad del aire y del agua río abajo.Estos nutrientes eventualmente pueden terminar en los ecosistemas acuáticos y contribuyen a una mayor eutrofización. Cuando los agricultores esparcen su fertilizante, ya sea orgánico o sintético, parte de él saldrá como escorrentía y puede acumularse río abajo generando eutrofización cultural.

Los enfoques de mitigación para reducir las descargas de contaminantes de nutrientes incluyen la remediación de nutrientes, el comercio de nutrientes y la distribución de fuentes de nutrientes.

Fuentes

tipos de alimentos	Emisiones de eutrofización(g PO 4 eq por 100 g de proteína)
Carne de res	365.3
pescado de piscifactoría	235.1
Crustáceos de cultivo	227.2
Queso	98.4
cordero y cordero	97.1
Cerdo	76.4
Aves de corral	48.7
Huevos	21.8
maní	14.1
Guisantes	7.5
tofu	6.2

La(s) fuente(s) principal(es) de contaminación por nutrientes en una cuenca individual depende(n) de los usos predominantes de la tierra. Las fuentes pueden ser fuentes puntuales, fuentes no puntuales o ambas:

• Agricultura: producción animal o cultivos
• Urbano/suburbano: escorrentía de aguas pluviales de carreteras y estacionamientos; uso excesivo de fertilizantes en el césped; plantas de tratamiento de aguas residuales municipales; emisiones de vehículos de motor
• Industrial: emisiones de contaminación del aire (por ejemplo, plantas de energía eléctrica), descargas de aguas residuales de varias industrias.

La contaminación por nutrientes 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.

Para evaluar cómo prevenir mejor que ocurra 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.

Nitrógeno

El uso de fertilizantes sintéticos, la quema de combustibles fósiles y la producción animal agrícola, especialmente las operaciones concentradas de alimentación animal (CAFO), han agregado grandes cantidades de nitrógeno reactivo a la biosfera. A nivel mundial, los balances de nitrógeno se distribuyen de manera bastante ineficiente, con algunos países con superávit y otros con déficit, lo que provoca especialmente una serie de problemas ambientales en los primeros. Para la mayoría de los países del mundo, la compensación entre cerrar las brechas de rendimiento y mitigar la contaminación por nitrógeno es pequeña o inexistente.

Fósforo

La contaminación por fósforo es causada por el uso excesivo de fertilizantes y estiércol, particularmente cuando se ve agravada por la erosión del suelo. El fósforo también es descargado por las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales y algunas industrias.

Fuentes puntuales

Las fuentes puntuales son directamente atribuibles a una influencia. En las fuentes puntuales, los desechos de nutrientes viajan directamente desde la fuente hasta el agua. Las fuentes puntuales son relativamente fáciles de regular.

Fuentes no puntuales

La contaminación de fuentes difusas (también conocida como contaminación 'difusa' o 'escorrentía') es la que proviene de fuentes mal definidas y difusas. Las fuentes no puntuales son difíciles de regular y, por lo general, varían espacial y temporalmente (con la estación, la precipitación y otros eventos irregulares).

Se ha demostrado que el transporte de nitrógeno está correlacionado con varios índices de actividad humana en las cuencas hidrográficas, incluido el grado de desarrollo. El arado en la agricultura y el desarrollo se encuentran entre las actividades que más contribuyen a la carga de nutrientes.

Retención de suelo

Los nutrientes de las actividades humanas tienden a acumularse en los suelos y permanecen allí durante años. Se ha demostrado 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 rotación de décadas.

Escorrentía a aguas superficiales

Los nutrientes de las actividades humanas tienden a viajar desde la tierra a las aguas superficiales o subterráneas. El nitrógeno en particular se elimina a través de desagües pluviales, tuberías de aguas residuales y otras formas de escorrentía superficial. Las pérdidas de nutrientes en la escorrentía y los lixiviados a menudo se asocian con la agricultura. La agricultura moderna a menudo implica la aplicación de nutrientes en los campos para maximizar la producción. Sin embargo, los agricultores con frecuencia aplican más nutrientes de los que necesitan los cultivos, lo que da como resultado que el exceso de contaminación se escurra hacia las aguas superficiales o subterráneas. o pastos. Las regulaciones destinadas a minimizar las exportaciones de nutrientes de la agricultura suelen ser mucho menos estrictas que las que se aplican a las plantas de tratamiento de aguas residuales.y otros contaminantes de fuente puntual. También se debe tener en cuenta 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 los cuerpos de agua, lo que lleva a una eutrofización natural y lenta.

Deposición atmosférica

El nitrógeno se libera al aire debido a la volatilización del amoníaco y la producción de óxido nitroso. La combustión de combustibles fósiles es un gran contribuyente iniciado por el hombre a la contaminación atmosférica por nitrógeno. El nitrógeno atmosférico llega al suelo por dos procesos diferentes, el primero es la deposición húmeda, como la lluvia o la nieve, y el segundo es la deposición seca, que son partículas y gases que se encuentran en el aire. La deposición atmosférica (p. ej., en forma de lluvia ácida) también puede afectar la concentración de nutrientes en el agua, especialmente en regiones altamente industrializadas.

Impactos

Impactos ambientales y económicos

El exceso de nutrientes se ha resumido como potencialmente conducente a:

• Crecimiento excesivo de algas (floración de algas nocivas); y pérdida de biodiversidad;
• Cambios en la composición de especies (taxones dominantes);
• Cambios en la red alimentaria, limitación de luz;
• Exceso de carbono orgánico (eutrofización); déficit de oxígeno disuelto (hipoxia ambiental); producción de toxinas;

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.

Impactos en la salud

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 dañinas puede causar erupciones en la piel y problemas respiratorios.

Reducción de las descargas de contaminantes de nutrientes

Comercio de nutrientes

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. El comercio de 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 nutrientes de la calidad del agua. El principio subyacente es "quien contamina paga", generalmente relacionado con un requisito reglamentario para participar en el programa comercial.

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 hidrográficas, contaminadores que compensan sus impactos y "pagadores de bienes públicos" que pueden no beneficiarse directamente, pero financian 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.

Prorrateo de fuentes de nutrientes

La distribución 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 en Europa, mientras que en muchos países los hogares y las industrias tienden a ser los principales contribuyentes de fósforo. Cuando la calidad del agua se ve afectada por el exceso de nutrientes, los modelos de distribución 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 generales para el modelado de distribución de carga, (i) enfoques orientados a la carga que distribuyen el origen en función de los datos de monitoreo en la corrientey (ii) enfoques orientados a la fuente en los que las cantidades de emisiones de contaminación difusa o de fuentes difusas se calculan usando modelos basados ​​típicamente en coeficientes de exportación de cuencas con características similares. Por ejemplo, el modelo de distribución de la carga en la fuente (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 mediante la integración de información sobre descargas puntuales (aguas residuales urbanas, industria y sistemas de tanques sépticos), fuentes difusas (pastos, cultivos, silvicultura, etc.) y datos de captación, incluidas las características hidrogeológicas.

Ejemplos de países

Estados Unidos

La contaminación de fuentes no puntuales agrícolas (NPS, por sus siglas en inglés) es la mayor fuente de deterioro de la calidad del agua en los EE. UU., según encuestas realizadas por agencias ambientales estatales. La contaminación por NPS no está sujeta a permisos de descarga según la Ley Federal de Agua Limpia (CWA). 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.

Desarrollo de la política de nutrientes

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 gran desafío científico, técnico y de uso intensivo de recursos tanto para la EPA como para los estados, y el desarrollo continúa hasta bien entrado el siglo XXI.

La EPA publicó un reglamento de gestión de aguas residuales en 1978 para comenzar a abordar el problema nacional de contaminación por nitrógeno, que había ido en aumento durante décadas. En 1998, la agencia publicó una Estrategia Nacional de Nutrientes con un enfoque en el desarrollo de criterios de nutrientes.

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 "ecorregionales" 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 deben modificar los criterios para reflejar las condiciones específicas del sitio. En 2004, la EPA declaró sus expectativas de criterios numéricos (en contraposición a los criterios narrativos menos específicos) para el nitrógeno total (TN), el fósforo total (TP), la clorofila a(chl-a) y la claridad, y estableció "acuerdos mutuos". sobre planes" para el desarrollo de criterios estatales. En 2007, la agencia declaró que el progreso entre los estados en el desarrollo de criterios de nutrientes había sido desigual.

Después de que la EPA introdujera los permisos NPDES basados ​​en cuencas hidrográficas en 2007, el interés en la eliminación de nutrientes y el logro de las limitaciones regionales de carga diaria máxima total (TMDL) llevaron al desarrollo de esquemas de comercio de nutrientes.

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). En el mismo año, la EPA también estableció un Grupo de Trabajo de Innovación de Nutrientes (NITG), compuesto por expertos estatales y de la EPA, para monitorear y evaluar el progreso en la reducción de la contaminación por nutrientes. En 2009, la NTIG emitió un informe, "Un llamado urgente a la acción", expresando su preocupación de que la calidad del agua continuara deteriorándose en todo el país debido al aumento de la contaminación por nutrientes y recomendando un desarrollo más vigoroso de los estándares de nutrientes por parte de los estados.

En 2011, la EPA reiteró la necesidad de que los estados desarrollen por completo sus estándares de nutrientes, y señaló que las infracciones de nitratos en el agua potable se habían duplicado en ocho años, que la mitad de todos los arroyos en todo el país 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.

Permisos de descarga

Muchos descargadores de fuentes puntuales en los EE. UU., si bien no necesariamente son las mayores fuentes de nutrientes en sus respectivas cuencas hidrográficas, 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 la CWA. Algunas grandes plantas de tratamiento de aguas residuales municipales, como la planta de tratamiento avanzado de aguas residuales de Blue Plains en Washington, DC, han instalado sistemas de eliminación biológica de nutrientes (BNR) para cumplir con los requisitos reglamentarios. Otros municipios han hecho ajustes a las prácticas operativas de sus sistemas de tratamiento secundario existentes para controlar los nutrientes.

Las descargas de las grandes instalaciones ganaderas (CAFO) también están reguladas por los permisos del NPDES. La escorrentía superficial de los campos agrícolas, la principal fuente de nutrientes en muchas cuencas hidrográficas, se clasifica como contaminación por NPS y no está regulada por los permisos del NPDES.

Programa TMDL

Una Carga Diaria Máxima Total (TMDL) es un plan regulatorio que prescribe la cantidad máxima de un contaminante (incluidos los nutrientes) que un cuerpo de agua puede recibir sin dejar de cumplir con los estándares de calidad del agua de CWA. 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 de TMDL identifican los niveles de contaminantes y las estrategias para lograr los objetivos de reducción de contaminantes. La EPA ha descrito que las TMDL establecen un "presupuesto de contaminantes" con asignaciones para cada una de las fuentes de contaminantes. Para muchas masas de agua costeras, el principal problema de contaminación es el exceso de nutrientes, también denominado sobreenriquecimiento de nutrientes.

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. (Véase Hipoxia acuática.) Las TMDL que abordan la contaminación por nutrientes son un componente importante de la Estrategia Nacional de Nutrientes de EE. UU. Los TMDL identifican todos los contaminantes de fuente puntual y no puntual dentro de una cuenca. Para implementar TMDL con fuentes puntuales, las asignaciones de carga de desechos se incorporan en sus permisos NPDES. Las descargas de NPS generalmente se encuentran en un escenario de cumplimiento voluntario.

La EPA publicó una 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 km). Este plan regulador cubre tanto el estuario como sus afluentes—el documento TMDL más extenso y complejo que la EPA ha emitido hasta la fecha.

En Long Island Sound, el proceso de desarrollo de TMDL permitió que el Departamento de Energía y Protección Ambiental de Connecticut y el Departamento de Conservación Ambiental del Estado de Nueva York incorporaran un objetivo de reducción de nitrógeno del 58,5 por ciento en un marco regulatorio y legal.