Monitoreo ambiental

El monitoreo de la contaminación del suelo ayuda a los investigadores a identificar patrones y tendencias en la deposición, el movimiento y el efecto de los contaminantes. Las presiones de origen humano, como el turismo, la actividad industrial, la expansión urbana , las obras de construcción y las prácticas agrícolas/forestales inadecuadas, pueden contribuir a la contaminación del suelo y agravarla , provocando que el suelo se vuelva inadecuado para su uso previsto. Tanto los contaminantes inorgánicos como los orgánicos pueden llegar al suelo, teniendo una amplia variedad de efectos perjudiciales. Por lo tanto, el monitoreo de la contaminación del suelo es importante para identificar áreas de riesgo, establecer líneas de base e identificar zonas contaminadas para su remediación. Los esfuerzos de monitoreo pueden abarcar desde granjas locales hasta iniciativas a nivel nacional, como las realizadas por China a finales de la década de 2000, ^{[ 20 ]} proporcionando detalles como la naturaleza de los contaminantes, su cantidad, efectos, patrones de concentración y viabilidad de la remediación. ^{[ 25 ]} Idealmente, los equipos de monitoreo y análisis tendrán tiempos de respuesta rápidos, altos niveles de resolución y automatización, y cierto grado de autosuficiencia. ^{[ 26 ]} Se pueden utilizar técnicas químicas para medir elementos tóxicos y COP mediante cromatografía y espectrometría ; las técnicas geofísicas pueden evaluar las propiedades físicas de grandes terrenos; y las técnicas biológicas pueden utilizar organismos específicos para medir no solo el nivel de contaminantes, sino también los subproductos de su biodegradación. Estas técnicas y otras son cada vez más eficientes, y la instrumentación de laboratorio es cada vez más precisa, lo que da como resultado resultados de monitoreo más significativos. ^{[ 27 ]}

El monitoreo de la erosión del suelo ayuda a los investigadores a identificar patrones y tendencias en el movimiento del suelo y los sedimentos. Los programas de monitoreo han variado a lo largo de los años, desde investigaciones académicas a largo plazo en parcelas universitarias hasta estudios de reconocimiento de áreas biogeoclimáticas. Sin embargo, en la mayoría de los métodos, el enfoque general es identificar y medir todos los procesos de erosión dominantes en un área determinada. ^{[ 28 ]} Además, el monitoreo de la erosión del suelo puede intentar cuantificar los efectos de la erosión en la productividad de los cultivos, aunque esto resulta difícil "debido a las muchas complejidades en la relación entre los suelos y las plantas y su manejo bajo un clima variable". ^{[ 29 ]}

El monitoreo de la salinidad del suelo ayuda a los investigadores a identificar patrones y tendencias en el contenido de sal del suelo. Tanto el proceso natural de intrusión de agua de mar como los procesos inducidos por el ser humano de manejo inadecuado del suelo y el agua pueden provocar problemas de salinidad en el suelo, afectando hasta mil millones de hectáreas de tierra a nivel mundial (a partir de 2013). ^{[ 30 ]} El monitoreo de la salinidad a nivel local puede examinar detenidamente la zona radicular para evaluar el impacto de la salinidad y desarrollar opciones de manejo, mientras que a nivel regional y nacional puede ayudar a identificar áreas en riesgo y apoyar a los responsables políticos en abordar el problema antes de que se propague. ^{[ 30 ]} El proceso de monitoreo en sí puede realizarse utilizando tecnologías como la teledetección y los sistemas de información geográfica (SIG) para identificar la salinidad a través del verdor, el brillo y la blancura en el nivel de la superficie. El análisis directo del suelo de cerca, incluido el uso de técnicas de inducción electromagnética , también puede utilizarse para monitorear la salinidad del suelo. ^{[ 30 ]}

Véase también Parámetros de calidad ambiental del agua dulce

El abanico de parámetros químicos que pueden afectar a cualquier ecosistema es muy amplio, y en todos los programas de monitoreo es necesario seleccionar un conjunto de parámetros, basándose en el conocimiento local y la práctica previa, para una revisión inicial. Esta lista puede ampliarse o reducirse según el conocimiento adquirido y los resultados de los estudios iniciales.

Los ecosistemas de agua dulce se han estudiado exhaustivamente durante muchos años y existe un conocimiento sólido de las interacciones entre la química y el medio ambiente en gran parte del mundo. Sin embargo, a medida que se desarrollan nuevos materiales y surgen nuevas presiones, será necesario revisar los programas de monitoreo. En los últimos 20 años , la lluvia ácida , los análogos de hormonas sintéticas , los hidrocarburos halogenados , los gases de efecto invernadero y muchos otros factores han requerido cambios en las estrategias de monitoreo.

En el monitoreo ecológico, la estrategia y el esfuerzo de monitoreo se dirigen a las plantas y los animales del entorno que se está estudiando y son específicos para cada estudio individual.

Sin embargo, en el monitoreo ambiental más generalizado, muchos animales actúan como indicadores fiables de la calidad del entorno que están experimentando o han experimentado en el pasado reciente. ^{[ 32 ]} Uno de los ejemplos más conocidos es el monitoreo de la cantidad de peces salmónidos , como la trucha común o el salmón del Atlántico , en sistemas fluviales y lagos para detectar tendencias lentas en efectos ambientales adversos. La fuerte disminución de las poblaciones de peces salmónidos fue una de las primeras indicaciones del problema que más tarde se conoció como lluvia ácida .

En los últimos años se ha prestado mucha más atención a un enfoque más holístico en el que la salud del ecosistema se evalúa y se utiliza como la propia herramienta de monitoreo. ^{[ 33 ]} Es este enfoque el que sustenta los protocolos de monitoreo de la Directiva Marco del Agua en la Unión Europea .

La monitorización de la radiación implica la medición de la dosis de radiación o la contaminación por radionúclidos por razones relacionadas con la evaluación o el control de la exposición a la radiación ionizante o a sustancias radiactivas, y la interpretación de los resultados. ^{[ 34 ]} La «medición» de la dosis suele referirse a la medición de una cantidad equivalente a la dosis como un indicador (es decir, un sustituto) de una cantidad de dosis que no se puede medir directamente. Asimismo, el muestreo puede formar parte de un paso preliminar para la medición del contenido de radionúclidos en medios ambientales. Los detalles metodológicos y técnicos del diseño y funcionamiento de los programas y sistemas de monitorización para diferentes radionúclidos, medios ambientales y tipos de instalaciones se describen en la Guía de Seguridad RS-G-1.8 del OIEA [ ^{35 ] y} en el Informe de Seguridad n.º 64 del OIEA. ^{[ 36 ]}

La monitorización de la radiación se suele realizar mediante redes de sensores fijos y móviles, como la red Radnet de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. y la red SPEEDI en Japón. Organizaciones como el Equipo de Apoyo ante Emergencias Nucleares también realizan estudios aéreos .

Las bacterias y los virus son los grupos de microorganismos que se monitorean con mayor frecuencia, e incluso estos solo revisten gran relevancia cuando el agua del medio acuático se utiliza posteriormente como agua potable o cuando se practican actividades recreativas en contacto con el agua, como la natación o el piragüismo .

Aunque los patógenos son el foco principal de atención, el esfuerzo principal de monitoreo casi siempre se dirige a especies indicadoras mucho más comunes como Escherichia coli , ^{[ 37 ]} complementado con recuentos totales de bacterias coliformes . La razón de esta estrategia de monitoreo es que la mayoría de los patógenos humanos se originan de otros humanos a través del flujo de aguas residuales . Muchas plantas de tratamiento de aguas residuales no tienen una etapa final de esterilización y, por lo tanto, descargan un efluente que, aunque tiene una apariencia limpia, todavía contiene muchos millones de bacterias por litro, la mayoría de las cuales son bacterias coliformes relativamente inofensivas. El recuento de la cantidad de bacterias inofensivas (o menos dañinas) en las aguas residuales permite evaluar la probabilidad de que haya cantidades significativas de bacterias o virus patógenos presentes. Cuando los niveles de E. coli o coliformes superan los valores de activación preestablecidos, se inicia un monitoreo más intensivo que incluye el monitoreo específico de especies patógenas.

Las estrategias de monitoreo pueden generar resultados engañosos si se basan únicamente en el recuento de especies o en la presencia o ausencia de organismos específicos, sin tener en cuenta el tamaño de la población. Comprender la dinámica poblacional del organismo monitoreado es fundamental.

Por ejemplo, si la presencia o ausencia de un organismo en particular dentro de un  área de 10 km² es la medida adoptada por una estrategia de monitoreo, entonces una reducción de la población de 10.000 por cuadrado a 10 por cuadrado puede pasar desapercibida a pesar del impacto muy significativo que experimenta el organismo.

En el muestreo por juicio, la selección de las unidades de muestreo (es decir, el número, la ubicación y/o el momento de la recolección de muestras) se basa en el conocimiento de la característica o condición bajo investigación y en el juicio profesional. El muestreo por juicio se distingue del muestreo probabilístico en que las inferencias se basan en el juicio profesional, no en la teoría estadística científica. Por lo tanto, las conclusiones sobre la población objetivo son limitadas y dependen completamente de la validez y precisión del juicio profesional; no es posible realizar afirmaciones probabilísticas sobre los parámetros. Como se describe en capítulos posteriores, el juicio de expertos también puede utilizarse junto con otros diseños de muestreo para producir un muestreo eficaz que permita tomar decisiones justificables. ^{[ 48 ]}

En el muestreo aleatorio simple, se seleccionan unidades de muestreo específicas (por ejemplo, ubicaciones y/o momentos) mediante números aleatorios, y todas las selecciones posibles de un número determinado de unidades tienen la misma probabilidad. Por ejemplo, se puede tomar una muestra aleatoria simple de un conjunto de bidones numerándolos todos y seleccionando números al azar de esa lista, o bien muestreando un área mediante pares de coordenadas aleatorias. Este método es fácil de entender y las ecuaciones para determinar el tamaño de la muestra son relativamente sencillas. El muestreo aleatorio simple es más útil cuando la población de interés es relativamente homogénea; es decir, no se esperan patrones importantes de contaminación ni "puntos críticos". Las principales ventajas de este diseño son:

1. Proporciona estimaciones estadísticamente imparciales de la media, las proporciones y la variabilidad.
2. Es fácil de entender y fácil de implementar.
3. Los cálculos del tamaño de la muestra y el análisis de datos son muy sencillos.

En algunos casos, la implementación de un muestreo aleatorio simple puede ser más difícil que otros tipos de diseños (por ejemplo, muestreos en cuadrícula) debido a la dificultad de identificar con precisión ubicaciones geográficas aleatorias. Además, el muestreo aleatorio simple puede ser más costoso que otros planes si las dificultades para obtener muestras debido a la ubicación generan un esfuerzo adicional. ^{[ 48 ]}

En el muestreo estratificado , la población objetivo se divide en estratos no superpuestos, o subpoblaciones que se sabe o se cree que son más homogéneas (en relación con el medio ambiental o el contaminante), de modo que tiende a haber menos variación entre las unidades de muestreo dentro del mismo estrato que entre las unidades de muestreo en diferentes estratos. Los estratos pueden elegirse en función de la proximidad espacial o temporal de las unidades, o en función de información preexistente o criterio profesional sobre el sitio o proceso. Las ventajas de este diseño de muestreo son que tiene el potencial de lograr una mayor precisión en las estimaciones de la media y la varianza, y que permite calcular estimaciones fiables para subgrupos de población de especial interés. Se puede obtener una mayor precisión si la medición de interés está fuertemente correlacionada con la variable utilizada para crear los estratos. ^{[ 48 ]}

En el muestreo sistemático y en cuadrícula, las muestras se toman a intervalos regulares en el espacio o el tiempo. Se elige una ubicación o un tiempo inicial al azar, y luego se definen las ubicaciones de muestreo restantes de manera que todas estén a intervalos regulares en un área (cuadrícula) o tiempo (sistemático). Ejemplos: Muestreo sistemático en cuadrícula - Cuadrícula cuadrada; Muestreo sistemático en cuadrícula - Cuadrícula triangular. Las cuadrículas sistemáticas incluyen cuadrículas cuadradas, rectangulares, triangulares o radiales. Cressie, 1993. En el muestreo sistemático aleatorio, se elige una ubicación (o tiempo) de muestreo inicial al azar y se especifican los sitios de muestreo restantes de manera que estén ubicados según un patrón regular. El muestreo sistemático aleatorio se utiliza para buscar puntos críticos y para inferir medias, percentiles u otros parámetros, y también es útil para estimar patrones espaciales o tendencias a lo largo del tiempo. Este diseño proporciona un método práctico y sencillo para designar ubicaciones de muestreo y garantiza una cobertura uniforme de un sitio, unidad o proceso. ^{[ 48 ]}

El muestreo por conjuntos ordenados es un diseño innovador que puede ser muy útil y rentable para obtener mejores estimaciones de los niveles de concentración promedio en el suelo y otros medios ambientales, al incorporar explícitamente el juicio profesional de un investigador de campo o un método de medición de detección de campo para seleccionar ubicaciones de muestreo específicas en el campo. El muestreo por conjuntos ordenados utiliza un diseño de muestreo de dos fases que identifica conjuntos de ubicaciones de campo, utiliza mediciones económicas para ordenar las ubicaciones dentro de cada conjunto y luego selecciona una ubicación de cada conjunto para el muestreo. En el muestreo por conjuntos ordenados, se identifican m conjuntos (cada uno de tamaño r) de ubicaciones de campo mediante muestreo aleatorio simple. Las ubicaciones se ordenan de forma independiente dentro de cada conjunto utilizando el juicio profesional o mediciones económicas, rápidas o indirectas. Luego se selecciona una unidad de muestreo de cada conjunto (con base en las clasificaciones observadas) para la medición posterior utilizando un método más preciso y confiable (y por lo tanto, más costoso) para el contaminante de interés. En comparación con el muestreo aleatorio simple, este diseño da como resultado muestras más representativas y, por lo tanto, conduce a estimaciones más precisas de los parámetros de la población. El muestreo por conjuntos ordenados es útil cuando el costo de localizar y ordenar ubicaciones en el campo es bajo en comparación con las mediciones de laboratorio. También resulta apropiado cuando se dispone de una variable auxiliar de bajo costo (basada en el conocimiento experto o en mediciones) para clasificar las unidades de la población con respecto a la variable de interés. Para utilizar este diseño de manera efectiva, es importante que el método de clasificación y el método analítico estén fuertemente correlacionados. ^{[ 48 ]}

En el muestreo adaptativo por conglomerados , las muestras se toman mediante muestreo aleatorio simple, y se toman muestras adicionales en lugares donde las mediciones superan un cierto umbral. Pueden ser necesarias varias rondas adicionales de muestreo y análisis. El muestreo adaptativo por conglomerados rastrea las probabilidades de selección para las fases posteriores del muestreo, de modo que se pueda calcular una estimación insesgada de la media poblacional a pesar del sobremuestreo de ciertas áreas. Un ejemplo de aplicación del muestreo adaptativo por conglomerados es la delimitación de los límites de una pluma de contaminación. El muestreo adaptativo es útil para estimar o buscar características raras en una población y es apropiado para mediciones rápidas y económicas. Permite delimitar los límites de los puntos críticos, al tiempo que utiliza todos los datos recopilados con la ponderación adecuada para proporcionar estimaciones insesgadas de la media poblacional. ^{[ 48 ] [ 49 ]}

Las muestras puntuales son muestras tomadas de un material homogéneo, generalmente agua , en un solo recipiente. Llenar una botella limpia con agua de río es un ejemplo muy común. Las muestras puntuales proporcionan una buena instantánea de la calidad del entorno muestreado en el punto y el momento del muestreo. Sin un monitoreo adicional, los resultados no se pueden extrapolar a otros momentos ni a otras partes del río, lago o agua subterránea. ^{[ 49 ] : 3}

Para que las muestras puntuales o los ríos puedan considerarse representativos, se requieren muestreos transversales y longitudinales repetidos, realizados en diferentes momentos del día y del año, para determinar que la ubicación de la muestra sea lo más representativa posible. En el caso de ríos grandes, estos muestreos también deben tener en cuenta la profundidad de la muestra y la mejor manera de gestionar los puntos de muestreo durante épocas de inundación y sequía. ^{[ 49 ] : 8–9}

En los lagos, tomar muestras puntuales es relativamente sencillo utilizando muestreadores de profundidad que se pueden bajar a una profundidad predeterminada y luego cerrar, atrapando un volumen fijo de agua de la profundidad requerida. En todos los lagos, excepto en los más poco profundos, se producen cambios importantes en la composición química del agua a diferentes profundidades, especialmente durante los meses de verano, cuando muchos lagos se estratifican en una capa superior cálida y bien oxigenada ( epilimnion ) y una capa inferior fría y desoxigenada ( hipolimnion ).

En mar abierto, las muestras puntuales permiten establecer una amplia gama de parámetros de referencia, como la salinidad y diversas concentraciones de cationes y aniones. Sin embargo, en entornos con condiciones cambiantes, como cerca de vertidos fluviales o de aguas residuales, en zonas afectadas por el vulcanismo o cerca de áreas con aportes de agua dulce procedente del deshielo, una muestra puntual, tomada de forma aislada, solo proporciona una respuesta parcial.

Existe una amplia gama de equipos de muestreo especializados que pueden programarse para tomar muestras a intervalos de tiempo fijos o variables, o en respuesta a un disparador externo. Por ejemplo, un muestreador automático puede programarse para comenzar a tomar muestras de un río a intervalos de 8 minutos cuando la intensidad de la lluvia supera 1  mm/hora. El disparador en este caso puede ser un pluviómetro remoto que se comunica con el muestreador mediante tecnología de telefonía móvil o de detección de meteoritos ^{[ 50 ]} . Los muestreadores también pueden tomar muestras individuales discretas en cada ocasión de muestreo o agrupar muestras en muestras compuestas, de modo que, en el transcurso de un día, un muestreador de este tipo podría producir 12 muestras compuestas, cada una formada por 6 submuestras tomadas a intervalos de 20 minutos.

El monitoreo continuo o casi continuo implica contar con una instalación analítica automatizada cerca del entorno monitoreado para que los resultados puedan, si es necesario, visualizarse en tiempo real. Estos sistemas se establecen a menudo para proteger importantes fuentes de agua, como en el sistema de regulación del río Dee , pero también pueden formar parte de una estrategia general de monitoreo en grandes ríos estratégicos donde la alerta temprana de posibles problemas es esencial. Estos sistemas proporcionan rutinariamente datos sobre parámetros como pH , oxígeno disuelto , conductividad , turbidez y amoníaco mediante sondas. ^{[ 51 ]} También es posible operar tecnologías de cromatografía de gases-líquido con espectrometría de masas (GLC/MS) para examinar una amplia gama de posibles contaminantes orgánicos . En todos los ejemplos de análisis automatizado en la ribera, se requiere bombear agua del río a la estación de monitoreo. Elegir la ubicación de la entrada de la bomba es tan crítico como decidir la ubicación para una muestra puntual del río. El diseño de la bomba y las tuberías también requiere un diseño cuidadoso para evitar la introducción de artefactos debido a la acción de bombear el agua. Es difícil mantener una concentración de oxígeno disuelto en un sistema de bombeo, y las instalaciones de GLC/MS pueden detectar contaminantes microorgánicos procedentes de las tuberías y las juntas .

El uso de muestreadores pasivos reduce considerablemente el costo y la necesidad de infraestructura en el lugar de muestreo. Los muestreadores pasivos son semidesechables y se pueden producir a un costo relativamente bajo, por lo que se pueden emplear en grandes cantidades, lo que permite una mejor cobertura y la recopilación de más datos. Debido a su pequeño tamaño, el muestreador pasivo también se puede ocultar, lo que reduce el riesgo de vandalismo. Ejemplos de dispositivos de muestreo pasivo son el muestreador de gradientes difusivos en películas delgadas (DGT), Chemcatcher , el muestreador integrador químico orgánico polar (POCIS), los dispositivos de membrana semipermeable (SPMD), los dispositivos de membrana líquida estabilizada (SLMD) y una bomba de muestreo de aire .

Aunque la recopilación de datos in situ mediante equipos de medición electrónicos es habitual, muchos programas de monitoreo también utilizan vigilancia remota y acceso remoto a datos en tiempo real. Esto requiere que el equipo de monitoreo in situ esté conectado a una estación base mediante una red de telemetría, línea fija, red celular u otro sistema de telemetría como Meteor Burst. La ventaja de la vigilancia remota es que múltiples flujos de datos pueden llegar a una sola estación base para su almacenamiento y análisis. También permite establecer niveles de activación o alerta para sitios de monitoreo individuales o parámetros específicos, de modo que se puedan tomar medidas inmediatas si se supera un nivel de activación. El uso de la vigilancia remota también permite la instalación de equipos de monitoreo muy discretos que a menudo pueden enterrarse, camuflarse o anclarse a profundidad en un lago o río, con solo una pequeña antena sobresaliendo . El uso de este tipo de equipos tiende a reducir el vandalismo y el robo cuando el monitoreo se realiza en lugares de fácil acceso para el público.

La teledetección ambiental utiliza vehículos aéreos no tripulados (UAV) , aeronaves o satélites para monitorear el medio ambiente mediante sensores multicanal.

Existen dos tipos de teledetección. Los sensores pasivos detectan la radiación natural emitida o reflejada por el objeto o el área circundante que se observa. La luz solar reflejada es la fuente de radiación más común medida por los sensores pasivos, y en la teledetección ambiental, los sensores utilizados están sintonizados a longitudes de onda específicas, desde el infrarrojo lejano hasta el ultravioleta lejano, pasando por las frecuencias de la luz visible . El volumen de datos que se puede recopilar es muy grande y requiere soporte computacional especializado. El resultado del análisis de datos de la teledetección son imágenes en falso color que diferencian pequeñas variaciones en las características de radiación del entorno monitorizado. Con un operador experto que seleccione canales específicos, es posible amplificar diferencias imperceptibles para el ojo humano. En particular, es posible discriminar cambios sutiles en las concentraciones de clorofila a y clorofila b en las plantas y mostrar áreas de un entorno con regímenes de nutrientes ligeramente diferentes.

La teledetección activa emite energía y utiliza un sensor pasivo para detectar y medir la radiación reflejada o retrodispersada por el objetivo. El LIDAR se utiliza a menudo para obtener información sobre la topografía de una zona, especialmente cuando esta es extensa y el levantamiento manual resultaría prohibitivo por su elevado coste o dificultad.

La teledetección permite recopilar datos sobre zonas peligrosas o inaccesibles. Entre las aplicaciones de la teledetección se incluyen la monitorización de la deforestación en zonas como la cuenca del Amazonas , los efectos del cambio climático en los glaciares y las regiones árticas y antárticas, y la medición de la profundidad de las zonas costeras y oceánicas.

Las plataformas orbitales recopilan y transmiten datos de diferentes partes del espectro electromagnético , lo que, junto con la detección y el análisis aéreos o terrestres a mayor escala, proporciona información para monitorear tendencias como El Niño y otros fenómenos naturales a corto y largo plazo. Otros usos incluyen diferentes áreas de las ciencias de la tierra , como la gestión de recursos naturales , la planificación del uso del suelo y la conservación. ^{[ 52 ]}

El uso de organismos vivos como herramientas de monitoreo presenta numerosas ventajas. Los organismos que habitan el entorno estudiado están constantemente expuestos a las influencias físicas, biológicas y químicas de dicho entorno. Los organismos con tendencia a acumular especies químicas pueden acumular cantidades significativas de material a partir de concentraciones muy bajas en el ambiente. Muchos investigadores han utilizado musgos para monitorear las concentraciones de metales pesados ​​debido a su tendencia a adsorberlos selectivamente. ^{[ 53 ] [ 54 ]}

De manera similar, las anguilas se han utilizado para estudiar compuestos orgánicos halogenados , ya que estos se adsorben en los depósitos grasos dentro de la anguila. ^{[ 55 ]}

El muestreo ecológico requiere una planificación cuidadosa para ser representativo y lo menos invasivo posible. Para pastizales y otros hábitats de bajo crecimiento, se suele utilizar un cuadrante (un marco cuadrado de 1 metro) contando la cantidad y los tipos de organismos que crecen dentro de cada área del cuadrante ^{[ 56 ].}

Los sedimentos y suelos requieren herramientas de muestreo especializadas para garantizar que el material recuperado sea representativo. Estos muestreadores suelen diseñarse para recuperar un volumen específico de material y también pueden diseñarse para recuperar la biota viva del sedimento o del suelo ^{[ 57 ],} como el muestreador de draga Ekman .