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Contaminación por nutrientes

La contaminación por nutrientes es una forma de contaminación del agua causada por el exceso de nutrientes que ingresan al agua. Es una causa principal de la eutrofización de la...

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La contaminación por nutrientes es una forma de contaminación del agua causada por el exceso de nutrientes que ingresan al agua. Es una causa principal de la eutrofización de las aguas superficiales (lagos, ríos y aguas costeras ), en la que el exceso de nutrientes, generalmente nitrógeno o fósforo , estimula el crecimiento de algas . [ 1 ] Las fuentes de contaminación por nutrientes incluyen la escorrentía superficial de granjas, desechos de tanques sépticos , corrales de engorde y emisiones de la quema de combustibles. Las aguas residuales sin tratar , que son ricas en nutrientes, también son un factor contribuyente cuando se vierten en cuerpos de agua. El exceso de nitrógeno causa problemas ambientales como floraciones de algas nocivas , hipoxia , lluvia ácida , saturación de nitrógeno en los bosques y cambio climático . [ 2 ]

La producción agrícola depende en gran medida del uso de fertilizantes naturales y sintéticos . Estos suelen contener altos niveles de nitrógeno , fósforo y potasio . [ 3 ] [ 4 ] Cuando las plantas no utilizan completamente el nitrógeno y el fósforo, estos se pierden de los campos de cultivo y afectan negativamente la calidad del aire y del agua aguas abajo. [ 5 ] Estos nutrientes pueden terminar en los ecosistemas acuáticos y contribuir a una mayor eutrofización. [ 6 ] Es decir, el agua es demasiado rica en nutrientes.

Para reducir la contaminación por nutrientes, se pueden implementar diversas estrategias. Estas incluyen la instalación de zonas de amortiguación con vegetación alrededor de las explotaciones agrícolas o humedales artificiales para absorber el exceso de nutrientes. Además, un mejor tratamiento de las aguas residuales y la reducción de los vertidos de aguas residuales pueden ayudar a limitar la descarga de nutrientes en los sistemas hídricos. Finalmente, los países pueden crear un sistema de permisos basado en el principio de que quien contamina paga .

Fuentes

La agricultura es la principal fuente de contaminación por nutrientes en el Golfo de México . En la Bahía de Chesapeake , la agricultura es una fuente importante, junto con las zonas urbanas y la deposición atmosférica.
Contaminación por nutrientes causada por la escorrentía superficial del suelo y los fertilizantes durante las lluvias. Aquí en Tennessee.

La(s) principal(es) fuente(s) de contaminación por nutrientes en una cuenca hidrográfica determinada dependen de los usos predominantes del suelo . Las fuentes pueden ser puntuales , difusas o ambas:

La contaminación por nutrientes proveniente de algunas fuentes de contaminación atmosférica puede ocurrir independientemente de los usos locales del suelo, debido al transporte a larga distancia de contaminantes atmosféricos desde fuentes distantes. [ 9 ]

Para determinar la mejor manera de prevenir la eutrofización, es necesario identificar las fuentes específicas que contribuyen a la carga de nutrientes. Existen dos fuentes comunes de nutrientes y materia orgánica: puntuales y difusas .

Nitrógeno

El uso de fertilizantes sintéticos , la quema de combustibles fósiles y la producción animal agrícola , especialmente las operaciones de engorde intensivo de animales (CAFO), han añadido grandes cantidades de nitrógeno reactivo a la biosfera . [ 10 ] A nivel mundial, los balances de nitrógeno se distribuyen de forma bastante ineficiente, con algunos países que presentan superávits y otros déficits, lo que provoca diversos problemas ambientales, sobre todo en los lugares con superávit. Para la mayoría de los países del mundo, la compensación entre reducir las brechas de rendimiento y mitigar la contaminación por nitrógeno es mínima o inexistente. [ 11 ]

Fósforo

La contaminación por fósforo se debe al uso excesivo de fertilizantes y estiércol, especialmente cuando se combina con la erosión del suelo . En la Unión Europea, se estima que podríamos perder más de 100 000 toneladas métricas de fósforo en masas de agua y lagos debido a la erosión hídrica. [ 12 ] El fósforo también se descarga desde las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales y algunas industrias. [ 13 ]

Fuentes puntuales

Las fuentes puntuales son aquellas que se atribuyen directamente a una sola 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. [ 14 ]

Fuentes difusas

La contaminación difusa (también conocida como contaminación por escorrentía o contaminación por contaminación difusa) proviene de fuentes mal definidas y difusas. Las fuentes difusas son difíciles de regular y suelen variar espacial y temporalmente (con la estación del año , las precipitaciones y otros eventos irregulares ). [ 15 ]

Se ha demostrado que el transporte de nitrógeno está correlacionado con varios índices de actividad humana en las cuencas hidrográficas, [ 16 ] [ 17 ] incluyendo la cantidad de desarrollo humano. [ 18 ] El arado en la agricultura y el desarrollo se encuentran entre las actividades que más contribuyen a la carga de nutrientes. [ 8 ]

Retención del suelo

Los nutrientes provenientes de las actividades humanas tienden a acumularse en los suelos y permanecer allí durante años. Se ha demostrado [ 19 ] 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 termina llegando al agua. De manera similar, el nitrógeno tiene un tiempo de renovación de décadas. Esto significa que los nutrientes permanecen en el suelo durante un período prolongado.

Escorrentía hacia aguas superficiales

Los nutrientes provenientes de las actividades humanas tienden a desplazarse desde la tierra hacia las aguas superficiales o subterráneas. El nitrógeno, en particular, se elimina a través de desagües pluviales , tuberías de alcantarillado y otros sistemas de filtración. Las pérdidas de nutrientes en la escorrentía y el lixiviado suelen ser causadas por la agricultura . La agricultura moderna a menudo implica la aplicación de nutrientes en los campos para maximizar la producción y el rendimiento de los cultivos. Sin embargo, los agricultores frecuentemente aplican más nutrientes de los que necesitan los cultivos. Esto es lo que causa la gran cantidad de contaminación que llega a las aguas superficiales y subterráneas. [ 20 ] Las regulaciones destinadas a minimizar las exportaciones de nutrientes de la agricultura suelen ser mucho menos estrictas que las impuestas a las plantas de tratamiento de aguas residuales, [ 21 ] u otros contaminantes puntuales. Cabe señalar también que los lagos ubicados en terrenos forestales también están bajo la influencia de la escorrentía superficial. La escorrentía puede arrastrar el nitrógeno y el fósforo minerales de los detritos y, en consecuencia, abastecer los cuerpos de agua, lo que conduce a una eutrofización lenta y natural. [ 22 ]

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 importante contribuyente de origen humano 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. También existe la deposición seca, que son partículas y gases presentes en el aire. [ 23 ] La deposición atmosférica (por ejemplo, en forma de lluvia ácida ) también puede afectar la concentración de nutrientes en el agua, [ 24 ] especialmente en regiones altamente industrializadas.

Efectos de la agricultura

Los agricultores a menudo se ven obligados a usar fertilizantes que contienen fósforo para mantener la producción. Sin embargo, la presión económica para producir puede llevarlos a un uso excesivo de fertilizantes. Curiosamente, no todos los nutrientes que las plantas reciben a través de los fertilizantes son absorbidos por las plantas. En estos casos, los productos químicos se convierten en escorrentía con el agua de lluvia. También se filtran al suelo y contaminan las aguas subterráneas. [ 25 ]

Impactos

Impactos ambientales y económicos

(Añadir párrafos más detallados sobre los impactos de la contaminación por nutrientes en lugar de viñetas) [ 26 ]

Proliferación de algas nocivas en la parte occidental del lago Erie el 9 de julio de 2018.

El exceso de nutrientes se ha resumido como potencialmente causante de:

Crecimiento excesivo de algas ( floraciones algales nocivas ); [ 27 ] y pérdida de biodiversidad . [ 28 ]

La proliferación excesiva de algas nocivas se conoce como «marea roja». Esto ocurre cuando el crecimiento desmesurado de algas es tan significativo que provoca la desoxigenación de las masas de agua. Esto tiene efectos perjudiciales sobre la población de vida marina y plantas. Estas floraciones pueden durar meses. Cuando finalmente mueren, liberan toxinas dañinas en el agua. Esto mata aún más vida, creando « zonas muertas » donde no hay vida. [ 29 ] Esto reduce significativamente la biodiversidad. No solo se erradican por completo algunas especies, sino que también hay menos organismos presentes en el ecosistema. Ambos factores perjudican la biodiversidad, lo que agrava aún más la situación del ecosistema. [ 28 ]

Cambios en la composición de especies

Se ha investigado exhaustivamente que las grandes floraciones de algas , resultado de la contaminación por nutrientes, tienen efectos nocivos sobre la composición de especies. [ 30 ] Las especies importantes para mantener un ecosistema saludable son las comunidades microbianas . Se ha investigado y descubierto que las diferentes fases de estas agresivas floraciones de algas afectan la supervivencia de estas importantes especies. Este es otro efecto nocivo sobre el ecosistema que resulta de la contaminación por nutrientes, un efecto dominó.

La contaminación por nutrientes puede tener impactos económicos debido al aumento de los costos del tratamiento del agua , la pesca comercial, las pérdidas de mariscos, las pérdidas de la pesca recreativa y la reducción de los ingresos del turismo. [ 31 ]

Impactos en la salud

Los efectos en la salud humana incluyen el exceso de nitrato en el agua potable ( síndrome del bebé azul ) y los subproductos de la desinfección en el agua potable. Nadar en agua afectada por una floración de algas nocivas puede causar erupciones cutáneas y problemas respiratorios. [ 32 ]

Reducción de la contaminación por nutrientes

Comercio de nutrientes

El comercio de nutrientes es un tipo de comercio de calidad del agua , un instrumento de política de mercado utilizado 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 hidrográfica pueden enfrentar costos muy diferentes para controlar el mismo contaminante. [ 33 ] 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 calidad del agua de nutrientes. El principio subyacente es " quien contamina paga ", generalmente vinculado a un requisito reglamentario para participar en el programa de comercio. [ 34 ]

Un informe de Forest Trends de 2013 resumió los programas de comercio de derechos de 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 o una ONG . En 2013, los pagos fueron iniciados mayoritariamente por pagadores de bienes públicos como gobiernos y ONG. [ 34 ] : 11

Distribución de las fuentes de nutrientes

La atribución 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 suele ser 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. [ 35 ] Cuando la calidad del agua se ve afectada por el exceso de nutrientes, los modelos de atribución de fuentes de carga pueden apoyar la gestión proporcional y pragmática de los recursos hídricos al identificar las fuentes de contaminación. Hay dos enfoques generales para el modelado de atribución de carga, (i) enfoques orientados a la carga que atribuyan el origen basándose en datos de monitoreo en el cauce [ 36 ] [ 37 ] y (ii) enfoques orientados a la fuente donde las cantidades de emisiones de contaminación difusa o de fuentes no puntuales se calculan utilizando modelos generalmente basados ​​en coeficientes de exportación de cuencas con características similares. [ 38 ] [ 39 ] Por ejemplo, el modelo de asignación de carga de fuentes (SLAM) adopta este 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 el cauce mediante la integración de información sobre descargas puntuales (aguas residuales urbanas, industria y sistemas de tanques sépticos), fuentes difusas (pastos, tierras de cultivo, silvicultura, etc.) y datos de la cuenca, incluidas las características hidrogeológicas. [ 40 ]

Soluciones basadas en la naturaleza

Existen diversas soluciones basadas en la naturaleza para abordar el problema de la solución de nutrientes. [ 41 ] Por ejemplo, las granjas pueden crear humedales artificiales , que ayudan a eliminar la escorrentía de nutrientes. Estos también pueden incluir un cuerpo de agua. Las granjas también pueden crear zonas de amortiguación para capturar los nutrientes presentes en las aguas subterráneas o la escorrentía. Finalmente, al vegetar las zanjas de drenaje, existe otra oportunidad para capturar el exceso de nutrientes. [ 42 ]

Ejemplos de países

Estados Unidos

Según encuestas realizadas por agencias ambientales estatales, la contaminación agrícola difusa (NPS) es la principal causa de deterioro de la calidad del agua en todo Estados Unidos [ 43 ]. La contaminación NPS no está sujeta a permisos de descarga bajo la Ley Federal de Agua Limpia (CWA) [ 44 ] . La EPA y los estados han utilizado subvenciones, asociaciones y proyectos de demostración para incentivar a los agricultores a ajustar sus prácticas y reducir la escorrentía superficial [ 43 ] : 10-11 .

Desarrollo de la política nutricional

La Ley de Agua Limpia de 1972 estableció los requisitos básicos para que los estados desarrollen criterios y estándares de nutrientes. La implementación de este programa de calidad del agua ha representado un importante desafío científico, técnico y que ha requerido una gran cantidad de recursos tanto para la EPA como para los estados, y su desarrollo continúa vigente en pleno siglo XXI.

La EPA publicó una normativa sobre gestión de aguas residuales en 1978 para abordar el problema nacional de la contaminación por nitrógeno, que había estado aumentando durante décadas. [ 45 ] En 1998, la agencia publicó una Estrategia Nacional de Nutrientes centrada en el desarrollo de criterios nutricionales. [ 46 ]

Entre 2000 y 2010, la EPA publicó criterios federales de nutrientes para ríos/arroyos, lagos/embalses, estuarios, humedales y guías relacionadas. En estas publicaciones se incluyeron criterios de nutrientes "ecorregionales" para 14 ecorregiones de los Estados Unidos. Si bien los estados pueden adoptar directamente los criterios publicados por la EPA, en muchos casos deben modificarlos para reflejar las condiciones específicas de cada sitio. En 2004, la EPA expresó sus expectativas respecto a los criterios numéricos (en contraposición a los criterios narrativos menos específicos) para el nitrógeno total (NT), el fósforo total (PT), la clorofila a (chl-a) y la claridad, y estableció "planes acordados mutuamente" 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 respecto a los criterios numéricos y prometió apoyo a los esfuerzos estatales para desarrollar sus propios criterios. [ 47 ]

Después de que la EPA introdujera en 2007 el sistema de permisos NPDES basado en cuencas hidrográficas , el interés en la eliminación de nutrientes y el logro de las limitaciones regionales de la Carga Máxima Diaria Total (TMDL) condujo al desarrollo de esquemas de comercio de nutrientes. [ 48 ]

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 con estuarios). [ 49 ] Ese mismo año, la EPA también estableció un Grupo de Trabajo de Innovaciones en Nutrientes (NTIG), compuesto por expertos estatales y de la EPA, para monitorear y evaluar el progreso en la reducción de la contaminación por nutrientes. [ 50 ] En 2009, el NTIG emitió un informe, "Un llamado urgente a la acción", expresando su preocupación por el continuo deterioro de la calidad del agua en todo el país debido al aumento de la contaminación por nutrientes, y recomendando un desarrollo más enérgico de estándares de nutrientes por parte de los estados. [ 51 ]

En 2011, la EPA reiteró la necesidad de que los estados desarrollaran plenamente sus estándares de nutrientes, señalando que las infracciones relacionadas con los nitratos en el agua potable se habían duplicado en ocho años. La mitad de todos los arroyos del país presentaban niveles de nitrógeno y fósforo de medios a altos, y la proliferación de algas nocivas iba en aumento. La agencia estableció un marco para que los estados desarrollaran prioridades y objetivos a nivel de cuenca hidrográfica para la reducción de nutrientes. [ 52 ]

permisos de descarga

Muchos emisores puntuales de contaminantes en los EE. UU., si bien no son necesariamente las mayores fuentes de nutrientes en sus respectivas cuencas hidrográficas, están obligados a 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), bajo la CWA. [ 53 ] Algunas grandes plantas municipales de tratamiento de aguas residuales , como la Planta de Tratamiento Avanzado de Aguas Residuales de Blue Plains en Washington, D.C., han instalado sistemas de eliminación biológica de nutrientes (BNR) para cumplir con los requisitos reglamentarios. [ 54 ] Otros municipios han realizado ajustes a las prácticas operativas de sus sistemas de tratamiento secundario existentes para controlar los nutrientes. [ 55 ]

Los permisos NPDES también regulan las descargas de las grandes instalaciones ganaderas (CAFO). [ 56 ] La escorrentía superficial de los campos agrícolas, la principal fuente de nutrientes en muchas cuencas hidrográficas, [ 57 ] se clasifica como contaminación NPS y no está regulada por los permisos NPDES. [ 44 ]

Programa TMDL

Una Carga Máxima Diaria Total (TMDL, por sus siglas en inglés) 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 la CWA. [ 58 ] Específicamente, la Sección 303 de la Ley exige que cada estado genere un informe TMDL para cada cuerpo de agua afectado por contaminantes. Los informes TMDL identifican los niveles de contaminantes y las estrategias para lograr los objetivos de reducción de contaminantes. La EPA ha descrito las TMDL como el establecimiento de un "presupuesto de contaminantes" con asignaciones para cada fuente de contaminación. [ 59 ] Para muchos cuerpos de agua costeros, el principal problema de contaminación es el exceso de nutrientes, también denominado sobreenriquecimiento de nutrientes. [ 60 ]

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 ). Los TMDL que abordan la contaminación por nutrientes son un componente importante de la Estrategia Nacional de Nutrientes de EE. UU. [ 61 ] Los TMDL identifican todos los contaminantes de fuentes puntuales y no puntuales dentro de una cuenca hidrográfica. Las asignaciones de carga residual se incorporan en sus permisos NPDES para implementar los TMDL con fuentes puntuales. [ 62 ] Las descargas de NPS generalmente se encuentran en un escenario de cumplimiento voluntario. [ 58 ]

La EPA publicó un TMDL para la bahía de Chesapeake en 2010, que aborda la contaminación por nitrógeno, fósforo y sedimentos en toda la cuenca, que abarca un área de 64 000 millas cuadradas (170 000 km² ) . Este plan regulatorio cubre el estuario y sus afluentes; es el documento TMDL más grande y complejo que la EPA ha emitido. [ 63 ] [ 64 ] 

En Long Island Sound , el proceso de desarrollo del 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. [ 59 ]

Porcelana

Al igual que en Estados Unidos, la contaminación por nutrientes predomina en la contaminación de las aguas superficiales en China. [ 65 ] La urbanización y la agricultura han contribuido a la contaminación por nutrientes, sobre todo la práctica de la descarga de estiércol animal, que se trata como desecho y se vierte al agua. [ 65 ] Los estudios y modelos también han demostrado que los aportes de nitrógeno y fósforo a los ríos son elevados en las regiones del sur y del este de China. [ 66 ] [ 67 ]

Véase también

Referencias

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  • Dominio público Este artículo incorpora material de dominio público del Informe para el Congreso: Agricultura: Glosario de términos, programas y leyes, edición de 2005 (PDF) . Servicio de Investigación del Congreso .
  • EPA. "Protección de la calidad del agua frente a la escorrentía agrícola". Marzo de 2005. Documento n.º EPA 841-F-05-001. Hoja informativa.