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7.3: Contaminación del agua

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    La crisis global del agua también involucra la contaminación del agua. Para que el agua sea útil para beber y regar, no debe contaminarse más allá de ciertos umbrales. Según la Organización Mundial de la Salud, en 2008 aproximadamente 880 millones de personas en el mundo (o 13% de la población mundial) no tenían acceso a agua potable segura. Al mismo tiempo, alrededor de 2.600 millones de personas (o el 40% de la población mundial) vivían sin saneamiento mejorado, lo que se define como tener acceso a un sistema público de alcantarillado, fosa séptica, o incluso a una simple letrina de pozo. Cada año mueren aproximadamente 1.7 millones de personas por enfermedades diarreicas asociadas con agua potable insegura, saneamiento inadecuado y mala higiene. Casi todas estas muertes se producen en países en desarrollo, y alrededor del 90% de ellas ocurren entre niños menores de 5 años (Figura\(\PageIndex{1}\)). A la crisis del agua se agrava el tema de la justicia social; los pobres suelen carecer de agua potable y saneamiento que los ricos en áreas similares. A nivel mundial, mejorar la seguridad del agua, el saneamiento y la higiene podría prevenir hasta 9% de todas las enfermedades y 6% de todas las muertes.

    Además de la crisis mundial de enfermedades transmitidas por el agua, la contaminación química de la agricultura, la industria, las ciudades y la minería amenaza la calidad global del agua. Algunos contaminantes químicos tienen efectos graves y bien conocidos en la salud, mientras que muchos otros tienen efectos poco conocidos en la salud a largo plazo. En Estados Unidos actualmente más de 40,000 cuerpos de agua se ajustan a la definición de “deteriorada” establecida por la EPA, lo que significa que no podrían apoyar un ecosistema saludable ni cumplir con los estándares de calidad del agua. En Gallup encuestas públicas realizadas durante la última década, los estadounidenses constantemente colocaron la contaminación del agua y el suministro de agua como las principales preocupaciones ambientales sobre temas como la contaminación del aire, la deforestación, la extinción de especies y el calentamiento global.

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    Figura\(\PageIndex{1}\). Esta obra fue creada por la Organización Mundial de la Salud.

    Cualquier agua natural contiene químicos disueltos, algunos de los cuales son nutrientes humanos importantes mientras que otros pueden ser perjudiciales para la salud humana. La concentración de un contaminante del agua se da comúnmente en unidades muy pequeñas como partes por millón (ppm) o incluso partes por mil millones (ppb). Una concentración de arsénico de 1 ppm significa 1 parte de arsénico por millón de partes de agua. Esto equivale a una gota de arsénico en 50 litros de agua. Para darle una perspectiva diferente sobre la apreciación de unidades de concentración pequeñas, convertir 1 ppm en unidades de longitud es de 1 cm (0.4 in) en 10 km (6 millas) y convertir 1 ppm en unidades de tiempo es de 30 segundos en un año. Los sólidos disueltos totales (TDS) representan la cantidad total de material disuelto en agua. Los valores promedio de TDS para agua de lluvia, agua de río y agua de mar son de aproximadamente 4 ppm, 120 ppm y 35,000 ppm, respectivamente.

    Descripción de la contaminación del agua

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    Figura\(\PageIndex{2}\). Contaminación del Agua. Contaminación obvia del agua en forma de escombros flotantes; los contaminantes invisibles del agua a veces pueden ser mucho más dañinos que los visibles. Fuente: Stephen Codrington en Wikimedia Commons

    La contaminación del agua es la contaminación del agua por una cantidad excesiva de una sustancia que puede causar daño a los seres humanos y/o al ecosistema. El nivel de contaminación del agua depende de la abundancia del contaminante, del impacto ecológico del contaminante y del uso del agua. Los contaminantes se derivan de procesos biológicos, químicos o físicos. Si bien los procesos naturales como las erupciones volcánicas o la evaporación a veces pueden causar contaminación del agua, la mayor parte de la contaminación se deriva de actividades humanas, terrestres (Figura\(\PageIndex{2}\)). Los contaminantes del agua pueden moverse a través de diferentes depósitos de agua, a medida que el agua que los transporta avanza a través de etapas del ciclo del agua (Figura\(\PageIndex{3}\)). El tiempo de residencia del agua (el tiempo promedio que una molécula de agua pasa en un reservorio de agua) es muy importante para los problemas de contaminación porque afecta el potencial de contaminación. El agua en los ríos tiene un tiempo de residencia relativamente corto, por lo que la contaminación suele estar ahí solo brevemente. Por supuesto, la contaminación en los ríos puede simplemente trasladarse a otro embalse, como el océano, donde puede causar más problemas. El agua subterránea se caracteriza típicamente por un flujo lento y un tiempo de residencia más prolongado, lo que puede hacer que la contaminación del agua subterránea Finalmente, el tiempo de residencia de la contaminación puede ser mucho mayor que el tiempo de residencia del agua porque un contaminante puede ser absorbido por mucho tiempo dentro del ecosistema o absorbido en el sedimento.

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    Figura\(\PageIndex{3}\). Fuentes de Contaminación del Agua. Fuentes de algunos contaminantes del agua y movimiento de contaminantes hacia diferentes depósitos de agua del ciclo del agua. Fuente: Servicio Geológico de los Estados Unidos

    Los contaminantes ingresan a los suministros de agua desde fuentes puntuales, que son fácilmente identificables y ubicaciones relativamente pequeñas, o fuentes no puntuales, que son áreas grandes y más difusas. Las fuentes puntuales de contaminación incluyen granjas industriales de animales (Figura\(\PageIndex{4}\)) que crían un gran número y alta densidad de ganado como vacas, cerdos y pollos. Además, las tuberías incluidas son tuberías de fábricas o plantas de tratamiento de aguas residuales. Los sistemas combinados de alcantarillado que tienen un solo conjunto de tuberías subterráneas para recolectar tanto las aguas residuales como la escorrentía de aguas pluviales de las calles para el tratamiento de aguas residuales pueden ser fuentes puntuales importantes de contaminantes Durante fuertes lluvias, la escorrentía de aguas pluviales puede exceder la capacidad de alcantarillado, lo que hace que retroceda y derrame aguas residuales no tratadas directamente en las aguas superficiales (Figura\(\PageIndex{5}\)).

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    Figura\(\PageIndex{4}\). Las granjas de animales grandes a menudo se denominan operaciones de alimentación concentrada (CFO). Estas granjas se consideran posibles fuentes puntuales de contaminación debido a que los desechos animales no tratados pueden ingresar a cuerpos de agua cercanos como aguas residuales no tratadas. Crédito: ehp.gov

    Las fuentes no puntuales de contaminación incluyen campos agrícolas, ciudades y minas abandonadas. Las lluvias recorren la tierra y el suelo, recogiendo contaminantes como herbicidas, pesticidas y fertilizantes de campos agrícolas y céspedes; petróleo, anticongelante, desechos animales y sal vial de las zonas urbanas; y elementos ácidos y tóxicos de minas abandonadas. Entonces, esta contaminación es transportada a cuerpos de agua superficial y agua subterránea. La contaminación de fuentes no puntuales, que es la principal causa de contaminación del agua en Estados Unidos, suele ser mucho más difícil y costosa de controlar que la contaminación de fuentes puntuales debido a su baja concentración, múltiples fuentes y mucho mayor volumen de agua.

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    Figura\(\PageIndex{5}\). Sistema de alcantarillado combinado Un sistema de alcantarillado combinado es una posible fuente puntual importante de contaminación del agua durante fuertes lluvias debido al desbordamiento de aguas residuales no tratadas. Durante el clima seco (y pequeñas tormentas), todos los flujos son manejados por las obras de tratamiento de propiedad pública (POTW). Durante grandes tormentas, la estructura de relieve permite que algunas de las aguas pluviales y aguas residuales combinadas se descarguen sin tratar a un cuerpo de agua adyacente. Fuente: Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos en Wikimedia Commons

    Tipos de Contaminantes del Agua

    Los residuos que demandan oxígeno son un contaminante extremadamente importante para los ecosistemas. La mayor parte del agua superficial en contacto con la atmósfera tiene una pequeña cantidad de oxígeno disuelto, que es necesario por los organismos acuáticos para la respiración celular. Las bacterias descomponen la materia orgánica muerta y eliminan el oxígeno disuelto (O 2) de acuerdo con la siguiente reacción:

    \[\text{organic matter} + O_{2} \rightarrow CO_{2} + H_{2} O\]

    Demasiada materia orgánica en descomposición en el agua es un contaminante porque elimina el oxígeno del agua, lo que puede matar peces, mariscos e insectos acuáticos. La cantidad de oxígeno utilizada por la descomposición bacteriana aeróbica (en presencia de oxígeno) de la materia orgánica se denomina demanda bioquímica de oxígeno (DBO). La principal fuente de materia orgánica muerta en muchas aguas naturales son las aguas residuales; el pasto y las hojas son fuentes más pequeñas. Un cuerpo de agua no contaminado con respecto al DBO es un río turbulento que fluye a través de un bosque natural. La turbulencia continuamente pone el agua en contacto con la atmósfera donde se restaura el contenido de O 2. El contenido de oxígeno disuelto en dicho río varía de 10 a 14 ppm O 2, DBO es bajo y peces de agua limpia como la trucha. Un cuerpo de agua contaminado con respecto al oxígeno es un lago profundo estancado en un entorno urbano con un sistema de alcantarillado combinado. Este sistema favorece un alto aporte de carbono orgánico muerto de desbordamientos de aguas residuales y una probabilidad limitada de circulación de agua y contacto con la atmósfera. En dicho lago, el contenido disuelto de O 2 es ≤5 ppm O 2, el DBO es alto y predominan los peces con baja tolerancia a O 2, como la carpa y el bagre.

    Los nutrientes excesivos de las plantas, particularmente el nitrógeno (N) y el fósforo (P), son contaminantes estrechamente relacionados con los desechos que requieren oxígeno. Las plantas acuáticas requieren alrededor de 15 nutrientes para su crecimiento, la mayoría de los cuales abundan en el agua. N y P se denominan nutrientes limitantes, sin embargo, porque suelen estar presentes en el agua a bajas concentraciones y por lo tanto restringen la cantidad total de crecimiento de las plantas. Esto explica por qué N y P son ingredientes principales en la mayoría de los fertilizantes. Las altas concentraciones de N y P de fuentes humanas (principalmente escurrimientos agrícolas y urbanos, incluyendo fertilizantes, aguas residuales y detergentes a base de fósforo) pueden causar eutrofización cultural, lo que conduce al rápido crecimiento de productores acuáticos, particularmente algas. Las gruesas esteras de algas flotantes o plantas enraizadas conducen a una forma de contaminación del agua que daña el ecosistema al obstruir las branquias de los peces y bloquear la luz solar. Un pequeño porcentaje de las especies de algas producen toxinas que pueden matar animales, incluidos los humanos. Los crecimientos exponenciales de estas algas se denominan floraciones algales dañinas. Cuando muere la prolífica capa de algas, se convierte en residuo que requiere oxígeno, lo que puede crear concentraciones muy bajas de O 2 en el agua (< 2 ppm O 2), una condición llamada hipoxia. Esto da como resultado una zona muerta porque provoca la muerte por asfixia a organismos que no pueden salir de ese ambiente. Se estima que el 50% de los lagos en Norteamérica, Europa y Asia se ven afectados negativamente por la eutrofización cultural. Además, el tamaño y el número de zonas marinas hipóxicas han crecido dramáticamente en los últimos 50 años, incluyendo una zona muerta muy grande ubicada en la costa de Louisiana en el Golfo de México. La eutrofización cultural y la hipoxia son difíciles de combatir, porque son causadas principalmente por la contaminación de origen no puntual, que es difícil de regular, y el N y P, que son difíciles de eliminar de las aguas residuales.

    Los patógenos son microorganismos causantes de enfermedades, por ejemplo, virus, bacterias, gusanos parásitos y protozoos, que causan una variedad de enfermedades intestinales como disentería, fiebre tifoidea y cólera. Los patógenos son la principal causa de la crisis de contaminación del agua discutida al inicio de esta sección. Desafortunadamente, casi mil millones de personas en todo el mundo están expuestas a la contaminación por patógenos transmitidos por el agua diariamente y alrededor de 1.5 millones de niños, principalmente en países subdesarrollados, mueren cada año de enfermedades transmitidas por el agua por patógenos. Los patógenos ingresan al agua principalmente de desechos fecales humanos y animales debido a un tratamiento inadecuado de aguas residuales. En muchos países subdesarrollados, las aguas residuales se descargan a las aguas locales ya sea sin tratar o después de un tratamiento rudimentario. En los países desarrollados, la descarga de aguas residuales no tratadas puede ocurrir por desbordamientos de sistemas de alcantarillado combinados, granjas ganaderas mal administradas y sistemas de recolección de aguas residuales con fugas o roturas. El agua con patógenos se puede remediar agregando cloro u ozono, hirviendo o tratando las aguas residuales en primer lugar.

    Los derrames de petróleo son otro tipo de contaminación orgánica. Los derrames de petróleo pueden ser el resultado de accidentes de superpetroleros como el Exxon Valdez en 1989, que derramó 10 millones de galones de petróleo en el rico ecosistema de la costa de Alaska y mató a un número masivo de animales. El mayor derrame de petróleo marino fue el desastre de Deepwater Horizon, que comenzó con una explosión de gas natural (Figura\(\PageIndex{6}\)) en un pozo de petróleo a 65 km de la costa de Louisiana y fluyó durante 3 meses en 2010, liberando aproximadamente 200 millones de galones de petróleo. El peor derrame de petróleo jamás ocurrido durante la guerra del Golfo Pérsico de 1991, cuando Irak arrojó deliberadamente aproximadamente 200 millones de galones de petróleo en la costa de Kuwait y provocó más de 700 incendios de pozos petroleros que liberaron enormes nubes de humo y lluvia ácida durante más de nueve meses.

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    Figura\(\PageIndex{6}\). Deepwater Horizon Explosion Barcos que combaten el incendio de una explosión en la plataforma de perforación Deepwater Horizon en el Golfo de México en alta mar Luisiana el 20 de abril de 2010. Fuente: Guardacostas de Estados Unidos vía Wikimedia Commons

    Durante un derrame de petróleo sobre el agua, el petróleo flota a la superficie porque es menos denso que el agua, y los hidrocarburos más ligeros se evaporan, disminuyendo el tamaño del derrame pero contaminando el aire. Entonces, las bacterias comienzan a descomponer el aceite restante, en un proceso que puede llevar muchos años. Después de varios meses solo puede quedar alrededor del 15% del volumen original, pero se encuentra en gruesos terrones de asfalto, una forma que es particularmente dañina para aves, peces y mariscos. Las operaciones de limpieza pueden incluir barcos skimmer que aspiran petróleo de la superficie del agua (efectivo solo para pequeños derrames), combustión controlada (funciona solo en etapas tempranas antes de que la luz, la parte encendible se evapore pero también contamina el aire), dispersantes (detergentes que descomponen el petróleo para acelerar su descomposición, pero algunos dispersantes pueden ser tóxicos para el ecosistema), y biorremediación (agregar microorganismos que se especializan en descomponer rápidamente el petróleo, pero esto puede alterar el ecosistema natural).

    Los productos químicos tóxicos involucran muchos tipos y fuentes diferentes, principalmente de la industria y la minería. Los tipos generales de productos químicos tóxicos incluyen productos químicos peligrosos y contaminantes orgánicos persistentes que incluyen DDT (pesticida), dioxina (subproducto herbicida) y PCB (bifenilos policlorados, que se utilizaron como aislante líquido en transformadores eléctricos). Los contaminantes orgánicos persistentes (COP) son de larga duración en el medio ambiente, se biomagnifican a través de la cadena alimentaria y pueden ser tóxicos. Otra categoría de productos químicos tóxicos incluye materiales radiactivos como cesio, yodo, uranio y gas radón, que pueden resultar en una exposición a largo plazo a la radiactividad si ingresa al cuerpo. Un grupo final de químicos tóxicos son los metales pesados como el plomo, el mercurio, el arsénico, el cadmio y el cromo, que pueden acumularse a través de la cadena alimentaria. Los metales pesados son comúnmente producidos por la industria y en las minas de mineral metálico. El arsénico y el mercurio se discuten con más detalle a continuación.

    El arsénico (As) ha sido famoso como agente de la muerte durante muchos siglos. Solo recientemente los científicos han reconocido que los problemas de salud pueden ser causados por beber pequeñas concentraciones de arsénico en el agua durante mucho tiempo. Entra en el suministro de agua de forma natural por la meteorización de minerales ricos en arsénico y de actividades humanas como la quema de carbón y la fundición de minerales metálicos. El peor caso de intoxicación por arsénico ocurrió en el país densamente poblado y empobrecido de Bangladesh, que había experimentado 100,000 de muertes por diarrea y cólera cada año por beber agua superficial contaminada con patógenos debido a un tratamiento inadecuado de aguas residuales. En la década de 1970 las Naciones Unidas brindaron ayuda a millones de pozos de aguas poco profundas, lo que resultó en una caída dramática de las enfermedades patógenas. Desafortunadamente, muchos de los pozos produjeron agua naturalmente rica en arsénico. Trágicamente, se estima que hay 77 millones de personas (aproximadamente la mitad de la población) que inadvertidamente pudieron haber estado expuestas a niveles tóxicos de arsénico en Bangladesh como resultado. La Organización Mundial de la Salud la ha calificado como la mayor intoxicación masiva de una población en la historia.

    El mercurio (Hg) se utiliza en una variedad de productos eléctricos, como baterías de celdas secas, bombillas fluorescentes e interruptores, así como en la fabricación de pintura, papel, cloruro de vinilo y fungicidas. El mercurio actúa sobre el sistema nervioso central y puede causar pérdida de vista, sensación y audición, así como nerviosismo, temblores y muerte. Al igual que el arsénico, el mercurio ingresa al suministro de agua de forma natural por la intemperie de minerales ricos en mercurio y de actividades humanas como la quema de carbón y el procesamiento de metales. Un famoso caso de intoxicación por mercurio en Minamata, Japón, involucró descargas industriales ricas en metilmercurio que causaron altos niveles de Hg en peces. La gente de los pueblos pesqueros locales comió pescado hasta tres veces al día durante más de 30 años, lo que resultó en más de 2 mil muertes. Durante ese tiempo la empresa responsable y el gobierno nacional hicieron poco para mitigar, ayudar a aliviar, o incluso reconocer el problema.

    El agua dura contiene abundante calcio y magnesio, lo que reduce su capacidad para desarrollar jabonaduras y mejora la formación de incrustaciones (minerales de carbonato de calcio y magnesio) en equipos de agua caliente. Los ablandadores de agua eliminan el calcio y el magnesio, lo que permite que el agua haga espuma fácilmente y resista la formación de incrustaciones. El agua dura se desarrolla naturalmente a partir de la disolución de minerales de carbonato de calcio y magnesio en el suelo; no tiene efectos negativos para la salud en las personas.

    La contaminación del agua subterránea puede ocurrir a partir de fuentes subterráneas y de todas las fuentes de contaminación que contaminan las aguas superficiales. Las fuentes comunes de contaminación del agua subterránea son tanques de almacenamiento subterráneos con fugas para combustible, fosas sépticas, actividad agrícola, rellenos sanitarios y extracción de combustibles fósiles. Los contaminantes comunes del agua subterránea incluyen nitrato, pesticidas, compuestos orgánicos volátiles y productos derivados del petróleo. Otra característica problemática de la contaminación del agua subterránea es que pequeñas cantidades de ciertos contaminantes, por ejemplo, productos derivados del petróleo y solventes orgánicos, pueden contaminar grandes áreas. En Denver, Colorado 80 litros de varios solventes orgánicos contaminaron 4.5 billones de litros de agua subterránea y produjeron un penacho contaminante de 5 km de largo. Una amenaza importante para la calidad de las aguas subterráneas son los tanques de almacenamiento de combustible subterráneos Los tanques de combustible comúnmente se almacenan bajo tierra en estaciones de servicio para reducir los peligros de explosión. Antes de 1988 en Estados Unidos, estos tanques de almacenamiento podrían estar hechos de metal, que puede corroer, gotear y contaminar rápidamente las aguas subterráneas locales. Ahora, se requieren detectores de fugas y se supone que los tanques de almacenamiento de metal deben estar protegidos de la corrosión o reemplazados por tanques de fibra de vidrio. Actualmente hay alrededor de 600,000 tanques de almacenamiento de combustible subterráneos en Estados Unidos y más del 30% aún no cumplen con las regulaciones de la EPA con respecto a la prevención de liberación o la detección de fugas.

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