Los caminos del NITRÓGENO en los PROCESOS BIOLÓGICOS. Consecuencias de la alteración del Ciclo General del Nitrógeno y otros ciclos: Eutrofización

in #steemstem10 months ago (edited)


¿Has visto alguna vez un cuerpo de agua eutrofizado? Lo más seguro es que sí.

Fig. 1. Parte de un caño eutrofizado en el Hato El Cedral, Estado Apure, Venezuela. Foto tomada y facilitada por:

@panchocroquer

Hola amigos. Nos llegó el momento de profundizar un poco más sobre las consecuencias de la alteración del Ciclo del Nitrógeno conjuntamente con la alteración de otros ciclos de bioelementos.

En el post anterior señalamos que “no es solo el nitrógeno” el que es afectado por las actividades humanas sino que también se alteran, y al mismo tiempo, los ciclos de otros bioelementos como carbono, fósforo, etc. Eso lo representamos en esquema que es conveniente recordar:

Fig. 2. Las actividades humanas que alteran al ciclo del nitrógeno también alteran, y al mismo tiempo, los ciclos de otros bioelementos. Elaborado por:

@josedelacruz

También se indicó que la alteración de esos ciclos causa efectos negativos como eutrofización, lluvia ácida, smog fotoquímico, etc, que a su vez pueden conducir a catástrofes, daño a ecosistemas, extinción de especies, enfermedades, entre otras cosas. Recordemos la representación de esta situación:

Fig. 3. Efectos de la alteración de los ciclos de los bioelementos por las actividades humanas. Elaborado por:

@josedelacruz

Debido a que los efectos negativos son muchos, señalé que, desarrollaré solo algunos de ellos principalmente relacionados con los ambientes acuáticos, aéreos y el suelo. Uno en cada caso.

Sin embargo, hay que tener presente que, así como los ciclos están relacionados o conectados también lo están las alteraciones de los ciclos y sus efectos.

Por esta conexión de los ciclos y sus alteraciones, cuando se afecta un ambiente o medio, se afectan también, aunque sea a largo plazo, los demás ambientes.

Esto me llevo a la decisión de desarrollar casos representativos y conectarlos con los ambientes acuáticos, aéreos y el suelo.

Los casos que he seleccionado son: eutrofización, lluvia ácida y smog fotoquímico .

En este post desarrollaremos la primera parte de la eutrofización dejando para el próximo post la segunda parte.

Comencemos.

Para el desarrollo de la eutrofización tomaremos en cuenta los siguientes aspectos: fases, definición, tipos, causas y consecuencias. En este post nos ocuparemos solo de los primeros aspectos.

Para llegar a una definición de eutrofización y asegurar una clara comprensión del término he querido primero hablar de sus fases o etapas.

Los cuerpos de agua, principalmente las de poca corriente o sin ella (cerrados), tienden, en forma natural, a envejecer.

Por ello, los de tipo cerrado como los lagos, lagunas entre otros han sido clasificados en oligotróficos, mesotróficos, eutróficos e hipertróficos. Sin embargo, los ríos y caños de poca corriente pueden ajustarse a esta clasificación y por ello los incluiré dentro de la misma.

La diferencia fundamental entre ellos la determina la cantidad de nutrientes y de oxígeno presentes en el cuerpo de agua. A su vez, las cantidades de nutrientes y oxígeno influirán y determinarán las características de los diferentes tipos de cuerpos de agua.

En un cuerpo de agua oligotrófico la cantidad de nutrientes es muy baja y la de oxígeno elevada tanto en las partes superficiales como las profundas. Al contrario, en un cuerpo de agua eutrófico o hipertrófico la cantidad de nutrientes es muy alta (superficial y profunda) y la de oxígeno es baja, muy baja o inexistente en las partes profundas.

Pero resulta que un cuerpo de agua oligotrófico, en su proceso de envejecimiento, puede ir acumulando nutrientes e ir aumentando su cantidad progresivamente. De esta manera puede pasar de oligotrófico a mesotrófico que al tener mayor cantidad de nutrientes sus características serán modificadas y seguirán siendo modificadas cada vez que aumente o varié la cantidad de nutrientes.

De igual manera, un cuerpo de agua mesotrófico al acumular demasiado nutrientes se eutrofizara y pasara a ser un cuerpo de agua eutrófico. Si la acumulación de nutrientes se eleva más todavía haciéndose muy excesiva se convierte en un cuerpo de agua hipertrófico.

Tenemos entonces que, los tipos de cuerpos de agua según la cantidad de nutrientes y oxígeno, no son otra cosa que fases en su proceso de envejecimiento.

Pero veamos, paso a paso, un poco más detallado esos pases de una fase a otra.

Nuestro punto de partida es, lógicamente, un cuerpo de agua oligotrófico ya sea lago, laguna, río, caño, etc.

Un cuerpo de agua oligotrófico por tener muy pocos nutrientes tiene, igualmente, pocos organismos productores primarios (algas, plantas, etc) tanto superficiales como en aguas profundas. O sea, su productividad primaria es baja. Esto limita la cantidad de organismos consumidores en él. Por ello, sus aguas son claras y bien oxigenadas.

Sin embargo, aunque su productividad primaria es baja, este tipo de cuerpo de agua alberga algas planctónicas y bentónicas. También contiene, aunque pocas, plantas bentónicas. Todos estos productores primarios mantienen bien oxigenadas las aguas de este cuerpo de agua.

También pueden albergar peces, insectos, caracoles, lombrices, etc pero su cantidad estará siempre limitada por la poca cantidad de productores primarios.

En general un cuerpo de agua oligotrófico tiene pocos nutrientes, poca biomasa, aguas claras y mucho oxígeno (Fig. 4). Esto hace que se acumulen pocos restos orgánicos en el fondo ya que van siendo degradados por los descomponedores.

Fig. 4. Cuerpo de agua oligotrófico. Se caracteriza por tener pocos nutrientes, aguas claras bien oxigenadas y poca biomasa. Elaborado por:

@josedelacruz

Debido a varias causas un cuerpo de agua oligotrófico puede ganar progresivamente nutrientes, principalmente nitrógeno y fósforo, lo que permite un aumento moderado en la cantidad de organismos productores (algas, plantas, etc). Es decir aumenta su productividad primaria. Esta nueva productividad primaria admite un aumento, también moderado, en la cantidad de consumidores (peces, anfibios, insectos, aves acuáticas, reptiles, caracoles, gusanos, etc).

Cuando esto sucede, el cuerpo de agua, ha dejado de ser oligotrófico para convertirse en mesotrófico con niveles medios de nutrientes y de productividad primaria moderada.

Sin embargo, puede seguir presentando aguas transparentes y buenos niveles de oxígeno. Además, sus niveles moderados de nutrientes son suficientes para mantener lechos de plantas acuáticas sumergidas, plantas flotantes y semi sumergidas cerca de la orilla.

Todo esto implica una sedimentación y acumulación de materia orgánica mayor que la de un cuerpo de agua oligotrófico por lo que esta capa se hace más gruesa. El cuerpo de agua ha comenzado a colmatarse. Es decir, la sedimentación de materia orgánica y otros materiales aumentan el grosor de la capa de sedimentos en el fondo por lo que disminuye la profundidad del cuerpo de agua. Por lo tanto, cada vez que la capa de sedimentos aumente de grosor el cuerpo de agua estará más colmatado.

Representemos un cuerpo de agua mesotrófico:

Fig. 5. Cuerpo de agua mesotrófico. Se caracteriza por tener una cantidad moderada de nutrientes, aguas claras con buena oxigenación y una biomasa media. Elaborado por:

@josedelacruz

Si la acumulación de nutrientes continúa los cambios seguirán sucediendo. A medida que la concentración de nutrientes va pasando de niveles medios a niveles altos van proliferando rápidamente los productores primarios superficiales (algas planctónicas y plantas flotantes) y los productores primarios del fondo (algas y plantas bentónicas). Por lo tanto, aumentan los niveles de oxígeno y alimento en todo el cuerpo de agua. En estas condiciones la fauna aumenta aceleradamente ayudando a aumentar la biomasa total.

Pero, los productores primarios superficiales van formando una barrera que dificulta el paso de la luz hacia las aguas profundas. Las algas de esta barrera le dan un color verdoso al agua (Fig. 6).

Fig. 6. Río Potomac. Washington, DC. Aguas verdosas debido a la proliferación de algas causada por la eutrofización del río. Imagen de Alexandr Trubetskoy en Wikimedia Commons.

Fuente

La barrera puede ser también en forma de capa formada por algas (Fig. 7) o formada por plantas flotantes (Fig. 8) o ambas.

Veamos.

Barrera en forma de capa formada por algas:

Fig. 7. Algas formando una capa o barrera en un cuerpo de agua debido a la eutrofización. Obsérvese el color turbio de las aguas en la parte superior de la imagen. Imagen de F. lamiot en Wikimedia Commons.

Fuente

Barrera en forma de capa formada por plantas flotantes:

Fig. 8. Superficie de un cuerpo de agua cubierto por plantas acuáticas flotantes. Las más grandes son de la especie Pistia stratiotes conocida como lechuga de agua. Las más pequeñas que forman una capa más compacta no logro identificarlas. Imagen de Georges Seguin (Okki) en Wikimedia Commons.

Fuente

Estas barreras afectan a los productores primarios del fondo que al no poder realizar la fotosíntesis van muriendo y aumentando progresivamente la materia orgánica en el fondo. Los productores primarios superficiales y el zooplancton que mueren colaboran con el aumento de materia orgánica en el fondo. Los descomponedores aeróbicos accionan sobre esta materia orgánica gastando el oxígeno de las aguas profundas. O sea, disminuyen considerablemente el oxígeno de las aguas profundas.

En este punto se ve comprometida la fauna de las aguas profundas. La mayoría muere aumentando la materia orgánica del fondo. Solo quedan especies adaptadas a aguas de poco oxígeno, las cuales, sí la falta de oxígeno se agudiza o este desaparece por completo (anoxia), también desaparecen.

Todo lo anterior crea un medio propicio para la proliferación de descomponedores anaeróbicos los cuales van a liberar como productos de su actividad metano (CH4), amoníaco (NH3) y ácido sulfhídrico (H2S). Estos productos le dan mal sabor y mal olor a las aguas del cuerpo de agua.

Por otro lado, a medida que avanza el proceso se van imponiendo las cianobacterias que forman una capa más densa en la superficie. Esta capa es menos penetrable por la luz lo que da el toque final para la eliminación de los productores primarios del fondo. Pero, además, dentro de las cianobacterias puede haber algunas especies tóxicas que podrían liberar cianotoxinas sobre todo cuando mueren y se rompen sus células. Todo lo anterior hace no consumibles estas aguas y sin valor turístico.

En este punto podemos decir que el cuerpo de agua se ha eutrofizado. Ha dejado de ser mesotrófico para convertirse en eutrófico (Fig. 9).

Fig. 9. Cuerpo de agua eutrófico. Se caracteriza por tener exceso de nutrientes, una barrera superficial que puede estar formada por algas, plantas flotantes y cianobacterias, aguas turbias no consumibles, aguas profundas con poco o sin oxígeno y descomponedores anaeróbicos. Elaborado por:

@josedelacruz

También podemos señalar que ese pase de mesotrófico a eutrófico a ocurrido en varias sub fases. Una donde se ha alcanzado la concentración de nutrientes suficiente para que ocurra la explosión de productores primarios (planctónicos y bentónicos) y el aumento masivo de la fauna. Otra donde mueren los productores primarios bentónicos por falta de luz y se acumula demasiada materia orgánica en el fondo. Y finalmente, la muerte de la fauna bentónica y la implantación de descomponedores anaeróbicos en las aguas profundas.

Precisamente, en esta última sub fase, donde la eutrofización ya ha avanzado demasiado y la concentración de nutrientes se ha seguido elevando excesivamente favoreciendo la proliferación de los productores primarios de la barrera superficial, se puede indicar que se ha llegado a una hipertrofización. O sea, el cuerpo de agua ha pasado a ser hipertrófico (Fig. 10).

Fig. 10. Cuerpo de agua hipertrófico. En él, las aguas situadas por debajo de la barrera de productores primarios superficiales son anóxicas, mal oliente y su profundidad se ha reducido considerablemente. La fauna acuática está casi desaparecida y en general cuerpo de agua ha perdido su atractivo. Elaborado por:

@josedelacruz

Si el proceso de sedimentación continúa el cuerpo de agua desaparecerá por completo. Todo su espacio quedará relleno. Y las plantas que antes eran de orilla o semi sumergidas abran copado el área. El nuevo terreno, progresivamente, será invadido por gramíneas y otras hierbas. Posteriormente aparecerán arbustos y luego árboles. Este nuevo tipo de productores primarios darán cavidad a una nueva fauna en este caso terrestre. Se dice que el cuerpo de agua se ha colmatado totalmente (Fig. 11).

Fig. 11. Cuerpo de agua colmatado totalmente. Las aguas han desaparecido por el relleno. Gramíneas, arbustos y árboles van invadiendo poco a poco el nuevo terreno. Esto permitirá la instalación de una fauna terrestre pero se ha perdido un cuerpo de agua. Elaborado por:

@josedelacruz

En realidad lo que hemos descrito es una sucesión ecológica que va desde un cuerpo de agua oligotrófico hasta un ecosistema terrestre. Cada tipo de cuerpo de agua (desde el oligotrófico hasta el hipertrófico), más el ecosistema terrestre (que sigue evolucionando hasta alcanzar la comunidad clímax), es una fase o serie de dicha sucesión. Obsérvese que cada fase contiene una comunidad biológica diferente en un biotopo diferente. O sea, el ecosistema cambia cuando se pasa de una fase a la otra.

Podemos señalar, entonces, que la eutrofización, no es más que una fase de este tipo de sucesión ecológica (Fig. 12).

Fig. 12. Sucesión ecológica de un cuerpo de agua hasta un ecosistema terrestre. Este ecosistema sigue evolucionando hacia una comunidad clímax. Obsérvese que la eutrofización es una fase de este tipo de sucesión ecológica. Elaborado por:

@josedelacruz

Basado en lo anterior, podemos decir que, la eutrofización es parte de una sucesión ecológica donde, por acumulación excesiva de nutrientes y proliferación descontrolada de algas y plantas superficiales, un cuerpo de agua mesotrófico se transforma en uno eutrófico de aguas anóxicas y tóxicas con muy poca fauna acuática o ninguna.

Probablemente, los post posteriores lleven a modificar la definición aquí presentada.

Espero les haya gustado y les sea de utilidad.

Lecturas recomendadas:

• Biología y Geología. Dinámica de los ecosistemas (UD5). Sucesiones ecológicas. Sucesión desde un lago hasta un bosque (imagen). Gobierno de Aragón

• Eutrofización. EcuRed

• Eutrofización. Wikipedia

• Fernández A., Isabel (2018). La Eutrofización. Greenteach

• García L., Marleny (2016). Eutrofización: una visión general. CienciAcierta. Universidad Autónoma de Coahuila

• García P., Iris. Ecosistemas. Dinámica y transformaciones de los ecosistemas. Cambios naturales: Las sucesiones ecológicas. Sites.google.com

• Gavira V., José Mª (2012). Eutrofización: Causas y Efectos. En TRIPLENLACE

• Goyenola Guillermo (Lic.). Calidad del Agua y Desarrollo Sustentable

• Las zonas muertas, eutrofización e hipoxia. Instituto de Investigación sobre Evolución Humana A.C. (IIEH 2012)

• Ongley, E.D. (FAO 1997). Lucha Contra la Contaminación Agrícola de los Recursos Hídricos. Capítulo 3 - Los Fertilizantes, en cuanto Contaminantes del agua

• Palacios P., Christian. Estructura y productividad de sistemas acuáticos (2007 - 2008). Escuela Superior Politécnica del Litoral. Facultad de Ingeniería Marítima y Ciencias del Mar

• ¿Qué Son Los Lagos Oligotróficos, Mesotróficos y Eutróficos? es.ripleybelieves.com

• Sancho M., Maribel (2016). Eutrofización natural ¿Por qué cambian de color las aguas? Eutrofización: concepto y ejemplos

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