20.1.1: Contaminantes del Agua y sus Fuentes
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El agua puede estar contaminada por diversas actividades humanas o por características naturales existentes, como formaciones geológicas ricas en minerales. Las actividades agrícolas, las operaciones industriales, los rellenos sanitarios, las operaciones con animales y los procesos de tratamiento de aguas residuales a pequeña y gran escala, entre muchas otras cosas, pueden contribuir potencialmente a la contaminación. A medida que el agua corre sobre la tierra o se infiltra en el suelo, disuelve el material dejado por estas posibles fuentes contaminantes. Los riesgos y el tipo de remediación de un contaminante dependen del tipo de químicos presentes.
La contaminación por fuente puntual se puede atribuir a un origen único y definible. Por ejemplo, las granjas industriales de animales (cifra\(\PageIndex{b}\)) elevan una gran cantidad y alta densidad de ganado como vacas, cerdos y pollos. 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 también 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. Esto derrama aguas residuales no tratadas directamente en aguas superficiales (figura\(\PageIndex{c}\)). Otros ejemplos incluyen tuberías de fábricas, sitios de eliminación de desechos, tanques de almacenamiento y derrames químicos.
La contaminación de fuentes no puntuales proviene de múltiples fuentes dispersas. Todo el aporte de contaminantes es dañino, pero los componentes individuales pueden no alcanzar concentraciones nocivas. Las fuentes no puntuales de contaminación incluyen campos agrícolas, ciudades y minas abandonadas. La lluvia corre sobre la tierra y a través del suelo, captando contaminantes de toda la cuenca (incluyendo áreas de tierra y arroyos más pequeños que drenan en un cuerpo de agua particular). Estos contaminantes podrían incluir herbicidas, pesticidas y fertilizantes de campos agrícolas y céspedes; petróleo, anticongelante, desechos animales y sal vial de áreas urbanas; y elementos ácidos y tóxicos de minas abandonadas. Entonces, esta contaminación es transportada por escorrentía hacia cuerpos de agua superficiales y aguas subterráneas. 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.
Según un reporte de 2016, hubo 20 mil 912 casos de cuerpos de agua deteriorados en Estados Unidos, lo que significa que no podían apoyar un ecosistema saludable ni cumplir con los estándares de calidad del agua (tabla\(\PageIndex{a}\)). Las causas seleccionadas de deterioro (contaminantes del agua) se discuten a continuación, categorizadas de acuerdo a si surgen de procesos químicos, biológicos o físicos.
| Causa de Deterioro | Número de cuerpos de agua deteriorados |
|---|---|
| Bifenilos policlorados (PCB) | 3,712 |
| Patógenos | 2,248 |
| Nutrientes | 2,228 |
| Mercurio | 2,138 |
| Metales (excepto el mercurio) | 2,075 |
| Causar biota desconocida- deteriorada | 1,852 |
| Enriquecimiento orgánico/agotamiento de oxígeno | 1,281 |
| Turbidez | 1,175 |
| Pesticidas | 795 |
| Salinidad/sólidos disueltos totales/cloruros/sulfatos | 576 |
| pH/acidez/condiciones cáusticas | 489 |
| Sedimento | 453 |
| Temperatura | 358 |
| Tóxicos totales | 282 |
| Crecimiento de algas | 174 |
| Causa desconocida | 159 |
| Dioxinas | 136 |
| Orgánicos tóxicos | 127 |
| Inorgánicos tóxicos | 99 |
Contaminantes Químicos
La contaminación química de la agricultura, la industria, las ciudades y la minería amenaza la calidad global del agua. Los contaminantes del aire de estas actividades también pueden ingresar a cuerpos de agua (y convertirse en contaminantes del agua) a través de deposición seca, precipitación y escorrentía. 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.
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.
Contaminantes Orgánicos
Los contaminantes orgánicos incluyen herbicidas y pesticidas, productos farmacéuticos, combustibles (como derrames de petróleo), solventes industriales y limpiadores, y hormonas sintéticas asociadas con productos farmacéuticos. Estas hormonas sintéticas pueden actuar como disruptores endocrinos. Muchos son contaminantes orgánicos persistentes (COP), que son de larga vida en el medio ambiente, se biomagnifican a través de la cadena alimentaria y pueden ser tóxicos. Como se mencionó anteriormente, el DDT (pesticida), la dioxina (subproducto herbicida) y los PCB (bifenilos policlorados, que se utilizaron como aislante líquido en transformadores eléctricos), son todos COP.
Un ejemplo de contaminación química orgánica es el Canal del Amor, en las Cataratas del Niágara, Nueva York (Figura\(\PageIndex{d}\)). De 1942 a 1952, la Hooker Chemical Company desechó más de 21 mil toneladas de desechos químicos, incluidos hidrocarburos clorados, en un canal y lo cubrió con una fina capa de arcilla. Los hidrocarburos clorados son un gran grupo de químicos orgánicos que tienen grupos funcionales de cloro, la mayoría de los cuales son tóxicos y cancerígenos para los humanos (DDT y PCB son ejemplos). La compañía vendió los terrenos a la Junta Escolar de Nueva York, quien la convirtió en un barrio. Después de que los residentes comenzaron a sufrir graves dolencias de salud y albercas de líquido oleoso comenzaron a subir a los sótanos de los residentes, el barrio tuvo que ser evacuado. Este sitio se convirtió en un Superfund Site de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos, un sitio con financiamiento federal y supervisión para asegurar su limpieza.
Contaminantes inorgánicos
Los contaminantes inorgánicos (figura\(\PageIndex{e}\)) incluyen nutrientes como nitrato (NO 3 -) y fosfato (PO 4 3 -), metales pesados, cloruro (Cl -) e isótopos radiactivos liberados de accidentes mineros o nucleares (como cesio, yodo, uranio y gas radón). Los nutrientes pueden ser de material geológico, como rocas ricas en fósforo, pero la mayoría de las veces se obtienen de fertilizantes y desechos animales y humanos. Las aguas residuales no tratadas y la escorrentía agrícola concentran nitrógeno y fósforo que son esenciales para el crecimiento de microorganismos. Los nutrientes como el nitrato y el fosfato en las aguas superficiales pueden promover el crecimiento de microbios, como las algas verdeazuladas (cianobacterias), que a su vez agotan el oxígeno disuelto (O 2) y producen toxinas. Este proceso se conoce como eutrofización (discutido a continuación y anteriormente en Ciclos Biogeoquímicos, Amenazas a la Biodiversidad y Agricultura Industrial).
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Ejemplos de metales pesados incluyen arsénico, mercurio, plomo, cadmio y cromo, y pueden bioacumularse y biomagnificarse a través de la cadena alimentaria. El arsénico (As) ingresa al 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 ingresa al suministro de agua de forma natural por la meteorización de minerales ricos en mercurio y, como el mercurio, 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 mercurio en los 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.
La sal, típicamente cloruro de sodio, es un contaminante inorgánico común. Se puede introducir en el agua subterránea a partir de depósitos naturales o de fuentes antropogénicas como las sales aplicadas a las carreteras en el invierno para evitar que se forme hielo (figura\(\PageIndex{f}\)). La contaminación por sal también puede ocurrir por la intrusión de agua salada, donde los conos de depresión alrededor de las aguas subterráneas frescas que bombean cerca de las costas oceánicas inducen la invasión de agua salada en el cuerpo de agua dulce.
La acidez o alcalinidad de un cuerpo de agua también puede afectar su calidad. El pH es una medida de la concentración de iones hidrógeno (protones) en una solución, lo que determina qué tan ácida o básica (alcalina) es una solución. Las soluciones ácidas tienen una alta concentración de iones hidrógeno y un pH menor a 7, y las soluciones básicas tienen un pH mayor a 7. El pH del agua dulce suele oscilar entre 5 y 9, y el agua salada es ligeramente básico (pH = 8.2) en un ecosistema saludable. Cuando las condiciones son demasiado ácidas, algunos animales acuáticos no pueden reproducirse, y las estructuras de carbonato de calcio (almejas, caracoles, corales, etc.) se disuelven. La deposición ácida se discute más adelante en este capítulo, y la acidificación de los océanos se discute en el siguiente capítulo.
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 evitar que los minerales precipiten en las superficies (figura\(\PageIndex{g}\)). 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.
Contaminantes Biológicos
Los patógenos (microorganismos infecciosos o virus) ingresan al agua principalmente de desechos fecales humanos y animales debido a un tratamiento inadecuado de las 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 (O 3), hirviendo, o tratando las aguas residuales en primer lugar.
Fuentes Físicas de Contaminación
La basura, los sedimentos y la contaminación térmica surgen de fuentes físicas de contaminación (figura\(\PageIndex{h}\)). La basura fue ampliamente discutida en Manejo de Residuos Sólidos. Los sedimentos excesivos ingresan a cuerpos de agua cuando diversos usos de la tierra, como la minería, la deforestación y la agricultura, aumentan la erosión. Los sedimentos pueden transportar toxinas o exceso de nutrientes con ellos, y nublan el agua (resultando en turbidez). La turbidez impide que las plantas acuáticas accedan a la luz solar suficiente. La contaminación térmica ocurre cuando la temperatura del agua excede su rango natural. Muchas plantas de energía (como carbón, gas natural, nuclear, etc.) dependen del agua del medio ambiente para su refrigeración. Esta agua se libera de nuevo a cuerpos de agua a una temperatura más alta de lo habitual. Las altas temperaturas alteran a los organismos acuáticos por varias razones; una es que las aguas más cálidas no pueden contener tanto oxígeno disuelto (ver abajo; figura\(\PageIndex{i}\)). Las presas también pueden elevar la temperatura del agua en detrimento o de los organismos que allí viven.
Demanda bioquímica de oxígeno, hipoxia y eutrofización
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. Los descomponedores, como bacterias y hongos, también conducen la respiración celular y consumen oxígeno a medida que descomponen la materia orgánica muerta.
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 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 oxígeno disuelto. El contenido de oxígeno disuelto en dicho río varía de 10 a 14 ppm. Cuando la demanda biológica de oxígeno es baja, los peces de agua limpia como la trucha prosperan (figura\(\PageIndex{j}\)).
Un cuerpo de agua contaminado con respecto a DBO es un lago estancado y profundo en un entorno urbano con un sistema combinado de alcantarillado. 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 tal lago, el contenido de oxígeno disuelto es ≤ 5 ppm. La demanda biológica de oxígeno es alta, y los peces tolerantes a bajos niveles de oxígeno, como la carpa y el bagre dominan (figura\(\PageIndex{k}\)).
Los nutrientes excesivos, particularmente el nitrógeno (N) y el fósforo (P), son contaminantes estrechamente relacionados con los desechos que requieren oxígeno. Las plantas y las algas requieren 15-20 nutrientes para su crecimiento, la mayoría de los cuales son abundantes en agua. El nitrógeno y el fósforo 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 el nitrógeno y el fósforo son ingredientes principales en la mayoría de los fertilizantes.
Las altas concentraciones de nutrientes limitantes, particularmente nitrógeno (N) y fósforo (P), de fuentes humanas (principalmente escurrimiento agrícola y urbano incluyendo fertilizantes, aguas residuales y detergentes a base de fósforo) pueden causar eutrofización cultural, lo que conduce al rápido crecimiento de los 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 (figura\(\PageIndex{k}\)). 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 tóxicas.
Cuando muere la prolífica capa de algas, se convierte en residuo que requiere oxígeno, lo que puede crear concentraciones de oxígeno muy bajas en el agua (< 2 ppm), 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 (figura\(\PageIndex{l}\)). Aproximadamente el 50% de los lagos en América del Norte, Europa y Asia se ven afectados negativamente por la eutrofización. La eutrofización y la hipoxia son difíciles de combatir porque son causadas principalmente por la contaminación de fuentes no puntuales, que es difícil de regular, y el nitrógeno y el fósforo son difíciles de eliminar de las aguas residuales.
Atribuciones
Modificado por Melissa Ha de las siguientes fuentes:
- Contaminación del agua a partir de una introducción a la geología por Johnson et al. (licenciado bajo CC-BY-NC-SA)
- Contaminación del Agua por Biología Ambiental por Matthew R. Fisher (licenciado bajo CC-BY)
- La industrialización de la naturaleza: una historia moderna (1500 hasta la actualidad) desde la sustentabilidad: una fundación integral por Tom Theis y Jonathan Tomkin, editores. Descárgala gratis en CNX. (licenciado bajo CC-BY)