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 , 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 pastos, las descargas de los tanques sépticos y los corrales de engorde y las emisiones de la combustión. El exceso de nutrientes se ha resumido como potencialmente conducente a:
- Efectos sobre la población: crecimiento excesivo de algas (floraciones); [1]
- Efectos en la comunidad: cambios en la composición de especies (taxones dominantes);
- Efectos ecológicos: cambios en la red alimentaria, limitación de la luz;
- Efectos biogeoquímicos: exceso de carbono orgánico (eutrofización); déficit de oxígeno disuelto ( hipoxia ambiental ); producción de toxinas; [2]
- Efectos sobre la salud humana: exceso de nitrato en el agua potable ( síndrome del bebé azul ); subproductos de la desinfección en el agua potable; [3]
- Efectos sobre la biodiversidad: proliferación excesiva de algas ( pérdida de biodiversidad ). [4]
En un informe de la Agencia de Protección Ambiental (EPA) de los Estados Unidos de 2011 , la Junta Asesora Científica de la agencia declaró sucintamente: "El exceso de compuestos de nitrógeno reactivo en el medio ambiente está asociado con muchas preocupaciones ambientales a gran escala, incluida la eutrofización de las aguas superficiales, la proliferación de algas tóxicas, la hipoxia , lluvia ácida, saturación de nitrógeno en los bosques y calentamiento global ". [5]
Fuentes
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 . [6] A nivel mundial, los balances de nitrógeno están distribuidos de manera bastante ineficiente, y algunos países tienen excedentes y otros déficits, lo que provoca especialmente una serie de problemas ambientales en los primeros [7]
Fósforo
La contaminación por fósforo es causada por el uso excesivo de fertilizantes y estiércol , particularmente cuando se agrava por la erosión del suelo . El fósforo también se descarga en las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales y en algunas industrias. [8]
Usos de la tierra
La (s) principal (s) fuente (s) de contaminación por nutrientes en una cuenca depende de los usos predominantes de la tierra . Las fuentes pueden ser fuentes puntuales , fuentes no puntuales , o ambos:
- 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 contaminantes del aire (por ejemplo , plantas de energía eléctrica ), descargas de aguas residuales de diversas industrias. [9]
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 gran distancia de los contaminantes del aire desde fuentes distantes. [2]
Fuentes de escorrentía con alto contenido de nutrientes
Fuentes puntuales
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Para evaluar la mejor forma de prevenir 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 difusas .
Fuentes puntuales
Las fuentes puntuales son directamente atribuibles a una influencia. En las fuentes puntuales, los desechos de nutrientes viajan directamente desde la fuente al agua. Las fuentes puntuales son relativamente fáciles de regular.
Fuentes difusas
La contaminación de fuente difusa (también conocida como contaminación "difusa" o "de escorrentía") es la que proviene de fuentes difusas y mal definidas. Las fuentes difusas son difíciles de regular y generalmente 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, [11] [12] incluida la cantidad de desarrollo. [13] El arado en la agricultura y el desarrollo son actividades que más contribuyen a la carga de nutrientes. Hay tres razones por las que las fuentes difusas son especialmente problemáticas: [14]
Retención de suelo
Los nutrientes de las actividades humanas tienden a acumularse en el suelo y permanecen allí durante años. Se ha demostrado [15] 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 finalmente llega al agua. El nitrógeno, de manera similar, tiene un tiempo de rotación de décadas.
Escorrentía al agua superficial
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 alcantarillado 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 suelen aplicar más nutrientes de los que absorben los cultivos [16] o los pastos. Las reglamentaciones destinadas a minimizar las exportaciones de nutrientes de la agricultura suelen ser mucho menos estrictas que las aplicadas a las plantas de tratamiento de aguas residuales [10] y otras fuentes de contaminación puntuales. También debe tenerse en cuenta que los lagos dentro de las 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, suministrar los cuerpos de agua, lo que lleva a una eutrofización natural lenta. [17]
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 mediante dos procesos diferentes, el primero es la deposición húmeda, como la lluvia o la nieve, y el segundo, la deposición seca, que son las partículas y los gases que se encuentran en el aire. [18] La deposición atmosférica (por ejemplo, en forma de lluvia ácida ) también puede afectar la concentración de nutrientes en el agua, [19] especialmente en regiones altamente industrializadas.
Otras causas
Cualquier factor que provoque un aumento de las concentraciones de nutrientes puede conducir potencialmente a la eutrofización. Al modelar la eutrofización, la tasa de renovación del agua juega un papel crítico; se permite que el agua estancada recolecte más nutrientes que los cuerpos con suministros de agua reabastecidos. También se ha demostrado que el secado de los humedales provoca un aumento en la concentración de nutrientes y la consiguiente proliferación de eutrofización. [20]
Mitigación de descargas de nutrientes contaminantes
Estados Unidos
La contaminación de fuentes agrícolas difusas (NPS) es la mayor fuente de deterioro de la calidad del agua en los EE. UU., Según las encuestas realizadas por las agencias ambientales estatales. [21] : 10 La contaminación NPS no está sujeta a permisos de descarga bajo la Ley Federal de Agua Limpia (CWA). [22] 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 . [21] : 10-11
Permisos de descarga
Muchos descargadores de fuentes puntuales en los EE. UU., Si bien no son necesariamente las fuentes más grandes 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 Contaminantes (NPDES), de conformidad con el CWA. [23] Algunas grandes plantas de tratamiento de aguas residuales municipales , como la Planta de tratamiento de aguas residuales avanzada Blue Plains en Washington, DC, han instalado sistemas de eliminación de nutrientes biológicos (BNR) para cumplir con los requisitos reglamentarios. [24] Otros municipios han realizado ajustes en las prácticas operativas de sus sistemas de tratamiento secundario existentes para controlar los nutrientes. [25]
Los vertidos de grandes instalaciones ganaderas (CAFO) también están regulados por permisos del NPDES. [26] La escorrentía superficial de los campos agrícolas, la principal fuente de nutrientes en muchas cuencas hidrográficas, [27] está clasificada como contaminación NPS y no está regulada por permisos NPDES. [22]
Programa TMDL
Una carga diaria máxima total (TMDL) es un plan reglamentario que prescribe la cantidad máxima de un contaminante (incluidos los nutrientes) que puede recibir una masa de agua sin dejar de cumplir con los estándares de calidad del agua de la CWA. [28] 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 los TMDL como el establecimiento de un "presupuesto de contaminantes" con asignaciones a cada una de las fuentes de contaminantes. [29] Para muchas masas de agua costeras, el principal problema de los contaminantes es el exceso de nutrientes, también denominado sobreenriquecimiento de nutrientes. [30]
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. ( Consulte Hipoxia acuática ). En 2010, el 18 por ciento de los TMDL en todo el país estaban relacionados con los niveles de nutrientes, incluido el enriquecimiento orgánico / agotamiento de oxígeno, las plantas nocivas, el crecimiento de algas y el amoníaco. [31]
Los TMDL identifican todos los contaminantes de fuentes puntuales y no puntuales dentro de una cuenca. Para implementar TMDL con fuentes puntuales, las asignaciones de carga de desechos se incorporan en sus permisos NPDES. [32] Las descargas de NSP generalmente se encuentran en un escenario de cumplimiento voluntario. [28]
En Long Island Sound , el proceso de desarrollo de TMDL permitió al Departamento de Energía y Protección Ambiental de Connecticut y al Departamento de Conservación Ambiental del Estado de Nueva York incorporar un objetivo de reducción de nitrógeno del 58.5 por ciento en un marco regulatorio y legal. [29]
Remediación de nutrientes
Se han concebido soluciones innovadoras para hacer frente a la contaminación por nutrientes en los sistemas acuáticos alterando o mejorando los procesos naturales para desviar los efectos de los nutrientes de los impactos ecológicos perjudiciales. [ cita requerida ] La remediación de nutrientes es una forma de remediación ambiental, pero solo afecta a los nutrientes biológicamente activos como el nitrógeno y el fósforo . “Remediación” se refiere a la remoción de polución o contaminantes, generalmente para la protección de la salud humana. En la remediación ambiental, las tecnologías de eliminación de nutrientes incluyen la biofiltración , que utiliza material vivo para capturar y degradar biológicamente los contaminantes. Los ejemplos incluyen cinturones verdes, áreas ribereñas , humedales naturales y artificiales y estanques de tratamiento. Estas áreas capturan más comúnmente descargas antropogénicas, como aguas residuales, escorrentías de aguas pluviales o tratamiento de aguas residuales, para la recuperación de tierras después de la actividad minera, de refinería o desarrollo de tierras. [ cita requerida ] La biofiltración utiliza la asimilación biológica para capturar, absorber y eventualmente incorporar los contaminantes (incluidos los nutrientes) en el tejido vivo. Otra forma de eliminación de nutrientes es la biorremediación , que utiliza microorganismos para eliminar los contaminantes. La biorremediación puede ocurrir por sí sola como atenuación natural o biorremediación intrínseca o puede fomentarse mediante la adición de fertilizantes, una estrategia llamada bioestimulación. [ cita requerida ]
La bioextracción de nutrientes es la biorremediación que involucra plantas y animales cultivados. La bioextracción o bioextracción de nutrientes es la práctica de cultivar y recolectar mariscos y algas con el fin de eliminar el nitrógeno y otros nutrientes de los cuerpos de agua naturales. [33] Se ha sugerido que la remoción de nitrógeno por los arrecifes de ostras podría generar beneficios netos para las fuentes que enfrentan restricciones de emisión de nitrógeno, similar a otros escenarios de comercio de nutrientes. Específicamente, si las ostras mantienen los niveles de nitrógeno en los estuarios por debajo de los umbrales que llevarían a la imposición de límites de emisión, las ostras ahorran efectivamente a las fuentes los costos de cumplimiento en los que incurrirían de otra manera. [34] Varios estudios han demostrado que las ostras y los mejillones tienen la capacidad de impactar dramáticamente los niveles de nitrógeno en los estuarios. [35] [36] [37] Además, los estudios han demostrado el potencial de las algas marinas para mejorar los niveles de nitrógeno. [38]
Historia de la política de nutrientes en los Estados Unidos
Los requisitos básicos para que los estados desarrollen criterios y estándares de nutrientes fueron obligatorios 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. [39] En 1998, la agencia publicó una Estrategia Nacional de Nutrientes con un enfoque en el desarrollo de criterios de nutrientes. [40]
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 en 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 para los criterios numéricos (a diferencia de los criterios narrativos menos específicos) para el nitrógeno total (TN), el fósforo total (TP), la clorofila a (chl-a) y la claridad, y estableció "mutuamente acordados 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. La EPA reiteró sus expectativas sobre los criterios numéricos y prometió su apoyo a los esfuerzos estatales para desarrollar sus propios criterios. [41]
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). [42] En el mismo año, la EPA también estableció un Grupo de Trabajo de Innovaciones de Nutrientes (NITG), compuesto por expertos estatales y de la EPA, para monitorear y evaluar el progreso de la reducción de la contaminación por nutrientes. [43] En 2009, la NTIG emitió un informe, "Un Llamado Urgente a la Acción", expresando preocupación porque la calidad del agua continuaba deteriorándose en todo el país debido a la creciente contaminación de nutrientes, y recomendando un desarrollo más vigoroso de estándares de nutrientes por parte de los estados. [44]
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 la proliferación de algas nocivas estaba aumentando. . La agencia estableció un marco para que los estados desarrollen prioridades y metas a nivel de cuencas hidrográficas para la reducción de nutrientes. [45]
Comercio de nutrientes
Después de que la EPA introdujera los permisos NPDES basados en cuencas hidrográficas en 2007, [46] el interés en la eliminación de nutrientes y el logro de TMDL regionales condujo al desarrollo de planes de comercio de nutrientes. El comercio de nutrientes es un tipo de comercio de la calidad del agua , un instrumento de política basado en el mercado que se utiliza para mejorar o mantener la calidad del agua. El comercio de la calidad del agua surgió alrededor de 2005 y se basa en el hecho de que diferentes fuentes de contaminación en una cuenca pueden enfrentar costos muy diferentes para controlar el mismo contaminante. [47] El comercio de la calidad del agua implica el intercambio voluntario de créditos de reducción de la contaminación de fuentes con bajos costos de control de la contaminación por 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 vinculado con un requisito reglamentario para participar en el programa comercial. [48]
Un informe de Tendencias Forestales de 2013 resumió los programas de comercio de calidad del agua y encontró tres tipos principales de financiadores: beneficiarios de la protección de las 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 gobierno u ONG . A partir de 2013, los pagos fueron iniciados abrumadoramente por buenos pagadores públicos como gobiernos y ONG. [48] : 11
Distribución 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, después de la atenuación o el tratamiento. La agricultura es típicamente la principal fuente de nitrógeno en los cuerpos de agua en Europa, mientras que en muchos países los hogares y las industrias tienden a ser los principales contribuyentes de fósforo. [49] 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 amplios para el modelado de distribución de carga, (i) enfoques orientados a la carga que distribuyen el origen en base a datos de monitoreo en la corriente [50] [51] y (ii) enfoques orientados a la fuente donde cantidades de contaminación de fuente difusa o no puntual , las emisiones se calculan utilizando modelos que normalmente se basan en coeficientes de exportación de cuencas de captación con características similares. [52] [53] Por ejemplo, el modelo de distribución de carga de fuentes (SLAM) adopta el último enfoque, estimando la contribución relativa de las fuentes de nitrógeno y fósforo a las aguas superficiales en las cuencas hidrográficas irlandesas sin datos de seguimiento en la corriente mediante la integración de información sobre descargas puntuales (aguas residuales urbanas, industria y sistemas de fosas sépticas), fuentes difusas (pastos, cultivos, silvicultura, etc.) y datos de captación, incluidas las características hidrogeológicas. [54]
Ver también
- Tratamiento de aguas residuales agrícolas
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