Contaminación por nutrientes
Contaminación del agua por aportes excesivos de nutrientes
Contaminación por nutrientes causada por la escorrentía superficial del suelo y fertilizantes durante una tormenta de lluvia
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La contaminación por nutrientes, una forma de contaminación del agua , se refiere a la contaminación por aportes excesivos de nutrientes . 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 los campos agrícolas y los pastos, las descargas de fosas sépticas y corrales de engorde y las emisiones de la combustión. Las aguas residuales sin tratar contribuyen en gran medida a la eutrofización cultural, ya que tienen un alto contenido de nutrientes. La liberación de aguas residuales sin tratar en un gran cuerpo de agua se conoce como vertido de aguas residuales, y todavía ocurre en todo el mundo. El exceso de compuestos reactivos de nitrógeno en el medio ambiente está asociado con muchos problemas ambientales a gran escala. Estos incluyen la eutrofización de las aguas superficiales , las floraciones de algas nocivas , la hipoxia , la lluvia ácida , la saturación de nitrógeno en los bosques y el cambio climático . [2]

Desde el auge agrícola de la década de 1910 y nuevamente en la década de 1940 para satisfacer el aumento de la demanda de alimentos, la producción agrícola depende en gran medida del uso de fertilizantes. [3] El fertilizante es una sustancia natural o modificada químicamente que ayuda a que el suelo sea más fértil. Estos fertilizantes contienen altas cantidades de fósforo y nitrógeno, lo que da como resultado que ingresen cantidades excesivas de nutrientes al suelo. El nitrógeno , el fósforo y el potasio son los "tres grandes" nutrientes primarios en los fertilizantes comerciales, cada uno de estos nutrientes fundamentales juega un papel clave en la nutrición de las plantas. [4] Cuando las plantas en crecimiento no utilizan completamente el nitrógeno y el fósforo, pueden perderse de los campos agrícolas e impactar negativamente la calidad del aire y del agua corriente abajo. [5] Estos nutrientes pueden terminar en los ecosistemas acuáticos y contribuyen al aumento de la eutrofización. [6] Cuando los agricultores esparcen su fertilizante, ya sea orgánico o sintético, parte de él se irá como escorrentía y puede acumularse río abajo generando eutrofización cultural. [7]

Los enfoques de mitigación para reducir las descargas de contaminantes de nutrientes incluyen la remediación de nutrientes, el comercio de nutrientes y la distribución de fuentes de nutrientes.

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 áreas urbanas y la deposición atmosférica.
Emisiones eutrofizantes medias (medidas como
equivalentes de fosfato) de diferentes alimentos [8]
Tipos de alimentosEmisiones eutrofizantes
(g PO 4 3- eq por 100 g de proteína)
Carne de res
365.3
Peces de cultivo
235.1
Crustáceos de cultivo
227.2
Queso
98.4
Cordero y carnero
97.1
Cerdo
76.4
Aves de corral
48,7
Huevos
21.8
Cacahuetes
14.1
Guisantes
7.5
Tofu
6.2
Un ejemplo en Tennessee de cómo el suelo de los campos fertilizados puede convertirse rápidamente en escorrentía, creando un flujo de nutrientes que fluye hacia un cuerpo de agua local.

Las principales fuentes de contaminación por nutrientes en una cuenca hidrográfica determinada dependen de los usos predominantes de la tierra . Las fuentes pueden ser puntuales , difusas o ambas:

La contaminación por nutrientes proveniente de algunas fuentes de contaminación del aire puede ocurrir independientemente de los usos locales de la tierra, debido al transporte a larga distancia de contaminantes del aire desde fuentes distantes. [10]

Para evaluar 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: fuentes puntuales y fuentes no puntuales .

Nitrógeno

El uso de fertilizantes sintéticos , la quema de combustibles fósiles y la producción agrícola animal , especialmente las operaciones concentradas de alimentación animal (CAFO), han añadido grandes cantidades de nitrógeno reactivo a la biosfera . [11] A nivel mundial, los balances de nitrógeno están distribuidos de manera bastante ineficiente, y algunos países tienen excedentes y otros déficits, lo que provoca una serie de problemas ambientales, especialmente en los primeros. Para la mayoría de los países del mundo, la compensación entre cerrar las brechas de rendimiento y mitigar la contaminación por nitrógeno es pequeña o inexistente. [12]

Fósforo

La contaminación por fósforo es causada por el uso excesivo de fertilizantes y estiércol , en particular cuando se agrava con la erosión del suelo . En la Unión Europea, se estima que podemos perder más de 100.000 toneladas de fósforo en los cuerpos de agua y lagos debido a la erosión hídrica. [13] El fósforo también es vertido por las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales y algunas industrias. [14]

Fuentes puntuales

Las fuentes puntuales son directamente atribuibles a una 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. [15]

Fuentes no puntuales

La contaminación de fuentes no puntuales (también conocida como contaminación “difusa” o “por escorrentía”) es aquella que proviene de fuentes difusas y mal definidas. Las fuentes no puntuales son difíciles de regular y suelen variar espacial y temporalmente (con la estación , las precipitaciones y otros eventos irregulares ). [16]

Se ha demostrado que el transporte de nitrógeno está correlacionado con varios índices de actividad humana en las cuencas hidrográficas, [17] [18] incluida la cantidad de desarrollo. [19] El arado en la agricultura y el desarrollo se encuentran entre las actividades que más contribuyen a la carga de nutrientes. [9]

Retención del suelo

Los nutrientes provenientes de las actividades humanas tienden a acumularse en los suelos y permanecer allí durante años. Se ha demostrado [20] que la cantidad de fósforo que se pierde en las aguas superficiales aumenta linealmente con la cantidad de fósforo presente en el suelo. Por lo tanto, gran parte de la carga de nutrientes del suelo acaba llegando al agua. El nitrógeno, de manera similar, tiene un tiempo de renovación de décadas.

Escorrentía hacia aguas superficiales

Los nutrientes de las actividades humanas tienden a viajar desde la tierra hacia 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 el lixiviado 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 con frecuencia aplican más nutrientes de los que necesitan los cultivos, lo que da como resultado que el exceso de contaminación se escurra hacia las aguas superficiales o subterráneas. [21] o los pastos. 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 [22] y otros contaminantes de fuentes puntuales. También debe notarse que los lagos dentro de tierras forestales también están bajo la influencia de la escorrentía superficial. La escorrentía puede lavar el nitrógeno mineral y el fósforo de los detritos y, en consecuencia, abastecer los cuerpos de agua, lo que conduce a una eutrofización lenta y natural. [23]

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 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 es la deposición seca, que son partículas y gases que se encuentran en el aire. [24] La deposición atmosférica (por ejemplo, en forma de lluvia ácida ) también puede afectar la concentración de nutrientes en el agua, [25] especialmente en regiones altamente industrializadas.

Impactos

Impactos ambientales y económicos

Floración de algas nocivas en el oeste del lago Erie el 9 de julio de 2018.

Se ha resumido que el exceso de nutrientes puede provocar:

La contaminación por nutrientes puede tener impactos económicos debido al aumento de los costos de tratamiento del agua , las pérdidas de pesca comercial y de mariscos, las pérdidas de pesca recreativa y la reducción de los ingresos por turismo. [28]

Impactos en la salud

Los efectos sobre 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. [29]

Reducción de vertidos

Comercio de nutrientes

El comercio de nutrientes es un tipo de comercio de calidad del agua , un instrumento de política basado en el mercado que se utiliza para mejorar o mantener la calidad del agua. El concepto de comercio de calidad del agua se basa en el hecho de que las diferentes fuentes de contaminación en una cuenca hidrográfica pueden afrontar costos muy diferentes para controlar el mismo contaminante. [30] 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 con nutrientes. El principio subyacente es " quien contamina paga ", generalmente vinculado con un requisito regulatorio para participar en el programa de comercio. [31]

Un informe de Forest Trends de 2013 resumió los programas de intercambio de calidad del agua y encontró tres tipos principales de financiadores: los beneficiarios de la protección de cuencas hidrográficas, los contaminadores que compensan sus impactos y los "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 . A partir de 2013, los pagos fueron iniciados abrumadoramente por pagadores de bienes públicos como gobiernos y ONG. [31] : 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, luego 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. [32] 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 al identificar las fuentes de contaminación. Hay dos enfoques generales para el modelado de distribución de carga: (i) enfoques orientados a la carga que distribuyen el origen según los datos de monitoreo en el curso [33] [34] y (ii) enfoques orientados a la fuente donde las cantidades de emisiones de contaminación difusa o de fuente no puntual se calculan utilizando modelos generalmente basados ​​en coeficientes de exportación de cuencas con características similares. [35] [36] Por ejemplo, el modelo de distribución de la carga de origen (SLAM) adopta el último enfoque, estimando la contribución relativa de las fuentes de nitrógeno y fósforo a las aguas superficiales en las cuencas irlandesas sin datos de monitoreo en el curso de agua, integrando información sobre descargas puntuales (aguas residuales urbanas, industria y sistemas de fosas sépticas), fuentes difusas (pastos, cultivos, silvicultura, etc.) y datos de la cuenca, incluidas las características hidrogeológicas. [37]

Ejemplos de países

Estados Unidos

Según encuestas realizadas por agencias ambientales estatales, la contaminación de fuentes no puntuales (NPS) agrícola es la mayor fuente de deterioro de la calidad del agua en todo Estados Unidos. [38] : 10  La contaminación de NPS no está sujeta a permisos de descarga según la Ley de Agua Limpia (CWA) federal. [39] 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 . [38] : 10–11 

Desarrollo de la política de nutrientes

Los requisitos básicos para que los estados desarrollen criterios y estándares de nutrientes fueron establecidos en la Ley de Agua Limpia de 1972. La implementación de este programa de calidad del agua ha sido un importante desafío científico, técnico y de gran consumo de recursos tanto para la EPA como para los estados, y su desarrollo continúa hasta bien entrado el siglo XXI.

En 1978, la EPA publicó un reglamento de gestión de aguas residuales para comenzar a abordar el problema nacional de contaminación por nitrógeno, que había ido aumentando durante décadas. [40] En 1998, la agencia publicó una Estrategia Nacional de Nutrientes centrada en el desarrollo de criterios de nutrientes. [41]

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 "ecoregionales" para 14 ecorregiones en todo Estados Unidos. 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 (en oposición a los criterios narrativos menos específicos) para el nitrógeno total (NT), el fósforo total (TP), la clorofila a (chl-a) y la claridad, y estableció "planes mutuamente acordados" 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 para los criterios numéricos y prometió su apoyo a los esfuerzos de los estados para desarrollar sus propios criterios. [42]

Después de que la EPA introdujo los permisos NPDES basados ​​en cuencas hidrográficas en 2007, el interés en la eliminación de nutrientes y el logro de limitaciones regionales de la Carga Diaria Máxima Total (TMDL) condujo al desarrollo de esquemas de comercio de nutrientes. [43]

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). [44] En el mismo año, la EPA también estableció un Grupo de Trabajo de Innovaciones en Nutrientes (NITG), compuesto por expertos estatales y de la EPA, para monitorear y evaluar el progreso en la reducción de la contaminación por nutrientes. [45] En 2009, el NTIG publicó un informe, "Un llamado urgente a la acción", expresando 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. [46]

En 2011, la EPA reiteró la necesidad de que los estados desarrollaran plenamente sus normas sobre nutrientes, y señaló que las infracciones en materia de agua potable relacionadas con los nitratos se habían duplicado en ocho años, que la mitad de todos los arroyos del país tenían niveles de nitrógeno y fósforo entre medios y altos, y que las floraciones de algas nocivas estaban aumentando. La agencia estableció un marco para que los estados desarrollaran prioridades y objetivos a nivel de cuencas hidrográficas para la reducción de nutrientes. [47]

Permisos de descarga

Muchos de los descargadores de fuentes puntuales en los EE. UU., si bien no son necesariamente las mayores fuentes 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 de Contaminantes (NPDES), de conformidad con la CWA. [48] Algunas grandes plantas de tratamiento de aguas residuales municipales , como la Planta de Tratamiento Avanzado de Aguas Residuales Blue Plains en Washington, DC, han instalado sistemas de eliminación biológica de nutrientes (BNR) para cumplir con los requisitos reglamentarios. [49] Otros municipios han realizado ajustes a las prácticas operativas de sus sistemas de tratamiento secundario existentes para controlar los nutrientes. [50]

Las descargas de grandes instalaciones ganaderas (CAFO) también están reguladas por permisos NPDES. [51] La escorrentía superficial de los campos agrícolas, la principal fuente de nutrientes en muchas cuencas hidrográficas, [52] se clasifica como contaminación del NPS y no está regulada por permisos NPDES. [39]

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. [53] 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 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 a cada una de las fuentes de contaminantes. [54] Para muchos cuerpos de agua costeros, el principal problema de contaminación es el exceso de nutrientes, también denominado sobreenriquecimiento de nutrientes. [55]

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. ( Ver Hipoxia acuática ). Los TMDL que abordan la contaminación por nutrientes son un componente importante de la Estrategia Nacional de Nutrientes de los EE. UU. [56] Los TMDL identifican todos los contaminantes de fuentes puntuales y no puntuales dentro de una cuenca hidrográfica. Para implementar los TMDL con fuentes puntuales, las asignaciones de carga de desechos se incorporan en sus permisos NPDES. [57] Las descargas de NPS generalmente se encuentran en un escenario de cumplimiento voluntario. [53]

En 2010, la EPA publicó un TMDL para la bahía de Chesapeake , que aborda la contaminación por nitrógeno, fósforo y sedimentos en toda la cuenca, que abarca una superficie de 170.000 km2 (64.000 millas cuadradas ) . Este plan regulador abarca tanto el estuario como sus afluentes, y es el documento TMDL más grande y complejo que la EPA ha emitido hasta la fecha. [58] [59]

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. [54]

Véase también

Referencias

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  • Dominio público Este artículo incorpora material de dominio público de 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.
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