Parámetros de calidad ambiental del agua dulce

Los parámetros de calidad ambiental del agua dulce son aquellos parámetros químicos, físicos o biológicos que se pueden utilizar para caracterizar un cuerpo de agua dulce. Debido a que casi todos los cuerpos de agua son dinámicos en su composición, 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 ríos, lagos y aguas subterráneas, las formas en que se miden y las formas en que cambian. Los valores o concentraciones atribuidos a tales parámetros pueden usarse para describir el estado de contaminación de un medio ambiente, su estado biótico o para predecir la probabilidad o no de que esté presente un organismo en particular. 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 usando estaciones de monitoreo al lado del banco.

Muestreo

Las aguas dulces son sorprendentemente difíciles de muestrear porque rara vez son homogéneas y su calidad varía durante el día y durante 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 simple, pero una sola muestra es solo 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 comprender cuán homogéneo o mixto es el flujo y 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 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 espacial y temporal de la calidad del agua del río. 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.

Aguas subterráneas

Las aguas subterráneas, por su propia naturaleza, suelen ser muy difíciles de acceder para tomar una muestra. Como consecuencia, la mayoría de los datos de aguas subterráneas provienen de muestras tomadas de manantiales, pozos, pozos de 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 ha perforado un número cada vez mayor de pozos de monitoreo en los acuíferos.

Lagos

ver también Limnología

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 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 dan como resultado la mezcla de las dos capas en un todo más homogéneo. Cuando ocurre la estratificación, no solo afecta los niveles de oxígeno, sino también muchos parámetros relacionados, como el hierro, el fosfato y el manganeso, que cambian en su forma química por el cambio en el potencial redox del medio ambiente.

Los lagos también reciben aguas, a menudo de muchas fuentes diferentes con distintas calidades. Los sólidos de las entradas de los arroyos generalmente se asentarán 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 sesgar los resultados de cualquier monitoreo ambiental a menos que se comprenda bien el proceso.

Zonas de mezcla

Donde dos ríos se encuentran en una confluencia existe una zona de mezcla. Una zona de mezcla puede ser muy grande y extenderse por muchas millas como en el caso de los ríos Mississippi y Missouri en los Estados Unidos y el río Clwyd y el río Elwy en el norte de Gales. En una zona de mezcla, la química del agua puede ser muy variable y puede ser difícil de predecir. Las interacciones químicas no son solo una simple mezcla, sino que pueden complicarse por procesos biológicos de macrófitos sumergidos y por agua que se une al canal desde la zona hiporreica o desde manantiales que drenan un acuífero.

Entradas geológicas

La geología que subyace a un río o lago tiene un gran impacto 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 caliza, 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.

Entradas atmosféricas

El oxígeno es probablemente el componente químico más importante de la química del agua superficial, ya que todos los organismos aeróbicos lo requieren para sobrevivir. Entra al agua principalmente a través de la 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 parte de la 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,

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 al quemar combustibles ricos en azufre, como el carbón y el petróleo, que dan lugar a la lluvia ácida.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 ya que 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 aglomeraciones industriales también corren mayor riesgo. En partes de Escandinavia, Gales Occidental y Escocia, muchos ríos se volvieron tan ácidos debido a los óxidos de azufre que la mayoría de los peces fueron destruidos y se registraron pHs tan bajos como pH4 durante condiciones climáticas críticas.

Insumos 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 sido muy seriamente 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 cantidad de 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, solo algunas de las cuales estarán relacionadas con parámetros químicos o biológicos mensurables. El caudal, la turbulencia, la competencia interespecífica 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 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 haya demostrado un efecto tóxico, esto puede indicarse en las secciones siguientes que tratan de los parámetros individuales.

Constituyentes químicos

Color y turbidez

A menudo, la característica visual más obvia es el color del agua dulce o cuán clara o turbia es el agua. Desafortunadamente, ni el color ni la turbidez son indicadores fuertes 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 las macrófitas. 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 profundo causado por los ácidos húmicos disueltos.

Constituyentes orgánicos

Una de las principales fuentes de concentraciones elevadas de constituyentes 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 significativos 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 a medida que se descompone. Donde 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 sobre la biota acuática e incluso sobre los seres humanos que beben agua del río. Comprender tales constituyentes y cómo pueden identificarse y cuantificarse se está volviendo cada vez más importante en la comprensión de la química del agua dulce.

Rieles

Se puede encontrar una amplia gama de metales en los ríos de fuentes naturales donde los minerales metálicos están presentes 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 la minería y la explotación de 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 en una zona hiporreica anóxica pueden causar manchas visibles de color naranja/marrón o precipitados semigelatinosos de flóculos bacterianos de hierro naranja denso que alfombran el lecho del río. Tales condiciones son muy perjudiciales para la mayoría de los organismos y pueden causar daños graves en un sistema fluvial.

La minería del carbón también es una fuente muy importante de hierro tanto en las aguas de la mina 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 quizás se consideran manantiales saludables. Estos manantiales se denominan comúnmente manantiales de Chalybeate y han dado lugar a una serie de 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 del carbón. El zinc es tóxico en concentraciones relativamente bajas para muchos organismos acuáticos. Microregma comienza a mostrar una reacción tóxica a concentraciones tan bajas como 0,33 mg/l.

Metales pesados

El plomo y la plata en las aguas de los ríos se encuentran comúnmente juntos y asociados con la minería de 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 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 de minas y vertederos 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 en 103 especies, incluidas tres sanguijuelas.

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 al contacto con el aire produciendo un lixiviado muy ácido que es capaz de disolver los metales del carbón.

Los niveles significativos de cobre son inusuales en los ríos y, donde ocurren, es más probable que la fuente sean actividades mineras, almacenamiento de carbón o cría de cerdos. En raras ocasiones, los niveles elevados pueden ser de origen geológico. El cobre es muy tóxico para muchos organismos de agua dulce, especialmente las algas, en concentraciones muy bajas y una concentración significativa en el agua del río puede tener efectos adversos graves en la ecología local.

Nitrógeno

Los compuestos nitrogenados tienen una variedad de fuentes, incluido 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, la entrada más grande proviene de las aguas residuales, ya sea tratada o sin tratar. El nitrógeno se deriva de los productos de descomposición de las 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 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 se puede atribuir más a menudo a la simple dilución. Las macrófitas y las algas absorben todas las formas de nitrógeno, y los niveles elevados de nitrógeno a menudo se asocian con el crecimiento excesivo de plantas o la 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 está 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, ya 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 provocan un fuerte aumento del pH y esto se iguala en la oscuridad a medida que se libera dióxido de carbono 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 fluvial para evitar daños ecológicos es particularmente difícil en el caso del amoníaco, ya que se debe 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 tóxicas inesperadas.

Fósforo

Los compuestos de fósforo se encuentran generalmente como 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 descarga 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 fines del verano, caen en las capas de agua fría que se encuentran debajo, el hipolimnio, y se descomponen. Durante la rotación de invierno, cuando un lago se mezcla por completo a través de la acción de los vientos en un cuerpo de agua que se enfría, los fosfatos se esparcen por todo el lago nuevamente para alimentar 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 los ríos donde se explotan las aguas subterráneas profundas, como en 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 ingrese al ciclo hidrológico.

Sólidos

Los sólidos inertes se producen en todos los ríos de montaña, ya que la energía del agua ayuda a triturar las rocas para convertirlas en grava, arena y material más fino. Mucho de esto se asienta muy rápidamente y proporciona un sustrato importante para muchos organismos acuáticos. Muchos peces salmónidos requieren lechos de grava y arena para poner sus huevos. Muchos otros tipos de sólidos 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 mantenimiento de la vida de los insectos.

Aportes bacterianos, virales y parasitarios

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 los ríos, como los ciervos. Las aguas de las tierras altas que drenan las áreas frecuentadas por ovejas, cabras o ciervos también pueden albergar una variedad de parásitos humanos oportunistas, como el trematodo hepático. En consecuencia, hay muy pocos ríos de los que el agua sea segura para beber sin algún tipo de esterilización o desinfección. En los ríos que se utilizan para la recreación de contacto, como la natación, se pueden establecer niveles seguros de bacterias y virus en función de la evaluación de riesgos.

Bajo ciertas condiciones, las bacterias pueden colonizar las aguas dulces ocasionalmente y producir 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 coincida con 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 usa 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. Las enterobacterias también pueden persistir en el medio ambiente en lodo, sedimentos, arena y suelo durante períodos de tiempo considerables.

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