ciclo del agua

CICLOS BIOGEOQUÍMICOS Y
ALTERACIONES ANTROPOGÉNICAS.
Modelo general de compartimentos
Ciclo del agua
Ciclo N
Ciclo P
Ciclo S
Alteraciones antropogénicas del ciclo del N, P, S, agua
Tipos y causas de la contaminación:
Lluvia ácida
Nitratos en aguas subterráneas
Eutrofización
12 junio 2015
DIAGRAMA DEL FLUJO DE LA ENERGÍA Y CICLO DE
LA MATERIA EN UN ECOSISTEMA
Fase biótica
Fase abiótica
Movimiento de la energía (flechas oscuras) y los nutrientes (flechas claras)
Formas inorgánicas
Formas orgánicas
TRANSFORMACIONES Y RECICLADO DE LOS ELEMENTOS
EN UN ECOSISTEMA
Procesos biológicos
Procesos físico-químicos
/geológicos
Organismos vivos de la biósfera.
Depósitos en tierra y
Autótrofos
Consumidores
océanos (Compuestos
Descomponedores
orgánicos: petróleo, turba)
Asimilación
(Fotosíntesis)
Desasimilación
(Respiración)
Agua
Aire
Suelo
Nutrientes
Combustión de combustibles
fósiles, erosión
Sedimentación
(Compuestos
inorgánicos
accesibles)
Rocas, sedimentos marinos
(Compuestos inorgánicos
inaccesibles)
Erosión
Meteorización
(procesos geológicos
lentos)
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
circuitos de circulación y transformación de elementos químicos
que permiten su reciclado
Ciclo hidrológico: Ciclo del H20.
circula entre compartimentos de la hidrósfera, atmósfera, litósfera y
organismos vivos.
Ciclos gaseosos/globales: Ciclos del N O C.
Gases más importantes para la vida presentes en la atmósfera:
Nitrógeno 78%, Oxígeno 21% y Dióxido de carbono 0.03%.
circulan entre la atmósfera (y océano) y organismos vivos.
reciclados entre horas o días.
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
Ciclos sedimentarios/locales: Ciclos del P
circulan en la corteza terrestre (suelo, rocas, sedimentos), la
hidrósfera y los organismos vivos.
Retenidos en las rocas sedimentarias miles a millones de años.
Baja movilidad.
Ciclo del S (híbrido entre gaseoso y sedimentario)
C, N y S presentan importantes perturbaciones por la actividad
antropogénica.
CICLO DEL AGUA
¿Cuál fue el origen del agua en la tierra?
Distribución
(3/4 partes)
0,001% del agua en la hidrósfera
Evapotranspiración
SOL
2,428%
Evaporación
Precipitación
Escurrimiento
Tiempo medio de residencia del agua en los
97,571%
Capa de hielo
y glaciares,
aguas
subterráneas,
lagos, ríos,
humedales,
distintos vapor
compartimentos
de agua
en atmósfera,
organismos.
CICLO DEL AGUA
Procesos que impulsan el ciclo= evaporación y condensación (físicos).
0,001%
Evapotranspiración
SOL
2,428%
Evaporación
Precipitación
Escurrimiento
97,571%
Capa de hielo
y glaciares,
aguas
subterráneas,
lagos, ríos,
humedales,
vapor de agua
en atmósfera,
organismos.
¿Qué perturbaciones antropogénicas ocurren en el ciclo del agua?
en la escorrentía
Efecto de la deforestación en una cuenca hídrica
y transporte de nutrientes
Aumenta el flujo de salida.
Con reducción de la vegetación
un 40% más de lluvia fue a agua
subterránea y escorrentía
(exportación de nutrientes).
La vegetación altera los flujos.
EFECTOS DEL CAMBIO CLIMATICO SOBRE
EL CICLO DEL AGUA
Tºc media global
Concentración CO2 atmósfera
Intensificación (aceleración) del ciclo del agua
 1950-2000, 4%
 fin de siglo, 24% con una proyección de aumento de 3ºC de la temperatura.
Permafrost
capa congelada del subsuelo
Agujero realizado por el metano en
Alaska. (Foto: Katey Walter Anthony)
El derretimiento del "permafrost" acelera el calentamiento global
por la liberación de metano y óxido nitroso.
25 % de la superficie de la tierra en el HN está cubierta por “permafrost”
Impacto sobre la disponibilidad y calidad de agua dulce
Reducción del 20% del agua disponible hacia
fines XXI.
Ascenso del nivel del mar afectará acuíferos
coteros.
Pozos cercanos a la costa tendrán menor espesor
de agua dulce.
Intrusión salina en acuíferos sobrexplotados.
Sequías más severas y duraderas.
Incremento de lluvias en latitudes altas, y
reducción a bajas (en el cinturón árido del mundo).
Reducción de la descarga de ríos al mar.
Escasez de agua dulce es uno de los principales
problemas ambientales.
Acuíferos: grandes reservas de agua Sistema Acuífero Guaraní
subterránea.
245-144 millones de años.
Profundidad 50-1500m
30 y 40 mil km3 de agua. 1 km3 = 109 L
1.190.000 km2 de superficie,
193 mil km2 Argentina
Abastecería
6.000 millones durante
200 años, a una tasa de
100 litros/día por habitante.
Proyecto para la Protección Ambiental y
Desarrollo Sostenible del Sistema Acuífero
Guaraní.
Contaminación local y difusa.
Sobreexplotación: pérdida de
potabilidad y salinización.
CICLO DEL FOSFORO
P componente esencial de los organismos.
¿Dónde está en mayor cantidad?
Fósforo orgánico de
detritos a P inorgánico.
(bact. fosfatizadoras)
Sales de P
Meteorización de la roca.
Explotación minera
Suelo con fosfato
PO43Fitoplancton
Zooplancton
Cadena trófica
Rocas fosfatadas
(la mayor reserva)
millones de años en liberar
las sales de fósforo.
ALTERACIONES DEL CICLO DEL FOSFORO
Principales vías del flujo de nutrientes (negro) y las perturbaciones causadas por
las actividades humanas (color). Flujos y compartimentos insignificantes están
representados por líneas punteadas.
CICLO DEL NITROGENO
4to elemento más abundante en los tejidos vivos.
Organismos fijadores nitrógeno: diazótrofos.
El más abundante.
Escasa disponibilidad. Macronutriente.
El reciclaje del N depende de
transformaciones bioquímicas
Clorosis (déficit)
Formas químicas en la naturaleza
(N≡N)
Distribución del nitrógeno
CICLO DEL NITRÓGENO
Asimilación
Desnitrificación
Rhizobium
Amonificación
Fijación
Nitrificación
Fijación industrial:
uso de fertilizantes
(comp. Nitrogenados)
Tormentas Eléctricas
(ác. Nítrico se incorpora
al suelo con la lluvia)
Fijación biológica
Azotobacter, Clostridium
Cianobacterias, Rhizobium
Aportes de nitrógeno:
• Precipitación
• Fijación biológica
• Fertilización de suelos
• Aportes por drenajes (escorrentías terrestres)
Pérdidas de nitrógeno:
• Por descarga de agua desde la cubeta
•Sedimentación
• Escorrentía
• Desnitrificación (Reducción de NO3- y/o NO2- a N2) Suelos con
• Lavado o lixiviación de nitratos en el suelo
exceso de agua
• Volatilización del amoníaco en el suelo (pH alcalino)
NH4+ NH3 + H+
.
Fijación biológica del Nitrógeno: entrada del N2 a la biosfera.
Diazótrofos Reducción biológica de nitrógeno molecular
únicamente microorganismos procariotas:
eubacterias y arquebacterias, heterotrofos y autotrofos.
Fitoplancton
Aguas abiertas
-Cianobacterias o algas verde azules
(de agua dulce, marinas y en el suelo)
-Bacterias libres del suelo
Rhizobium,
- Bacterias asociadas a raíces de leguminosas
(trebol, alfalfa, alubias, soja…). Nódulos radiculares.
- Bacterias actinomicetes asociadas a raíces de árboles
madereros
TRANSFORMACIONES BIOLÓGICAS
NO3 Desnitrificación
N2
Asimilación
Nitrificación
N orgánico
NO2 Asimilación
Fijación
NH4 +
Amonificación
TRANSFORMACIONES BIOLÓGICAS
Nitrificación
NO3 -
NO2 -
Amonificación
NH4 +
N orgánico
Amonificación: Mineralización.
Descomposición de MO por microrganismos heterótrofos
aeróbicos y anaeróbicos, termófilos.
Clostridium Acetobacter
Favorecido en suelos anegados y altas Tº.
Nitrificación: oxidación del amonio por bacterias nitrificantes
quimioautótrofas y aeróbicas.
(a) suelo, alcantarillado, agua dulce, ambiente marino, (b) agua dulce, ambiente marino,
(c) suelo, (d) suelo, agua dulce, ambiente marino, (e) ambiente marino.
Factores abióticos que limitan la nitrificación
-Concentración de oxígeno disuelto en agua
-Concentración de materia orgánica disuelta
- pH (óptimo 8-9)
- Tº
- Metales (Hg, Cu, Cromio)
¿La nitrificación es un proceso beneficioso para la agricultura?
Para reducir la actividad de nitrificación en suelos dedicados a la
agricultura, se utiliza con frecuencia amoniaco anhidro (NH3) como
fertilizante nitrogenado, en combinación con inhibidores específicos del
proceso de nitrificación (ej. nitrapyrin).
TRANSFORMACIONES BIOLÓGICAS
Desnitrificación:
Reducción del nitrato
Bacterias anaeróbica y falcultativas.
Bacterias quimiosintéticas del azufre Thiobacillus, termófilas.
Bacillus, Pseudomonas, Spirillum, Micrococcus, Paracoccus, otras.
_ Tratamiento de depuración de aguas contaminadas.
Factores que favorecen la desnitrificación:
Falta de oxígeno disponible
_ suelos con alto contenido hídrico durante periodos prolongados.
_ temperatura (> pérdida en primavera-verano).
¿La desnitrificación posee implicancias ambientales y para
actividad agrícola?
¿La desnitrificación posee implicancias ambientales y para
actividad agrícola?
Asimilación: proceso de incorporación de N por las plantas en
forma de NO3 – y NH4 + .
Desnitrificación: representa una pérdida económica ya que se
escapan elementos esenciales
Proceso de desnitrificación es incompleto (lo mas frecuente).
liberan óxidos de nitrógeno (N2O).
con 200 y 300 veces más capacidad de retener la radiación
térmica que el CO2
agente desestabilizante de la capa de ozono.
ALTERACIONES DEL CICLO DEL NITRÓGENO
Principales vías del flujo de nutrientes (negro) y las perturbaciones causadas por
las actividades humanas (color). Flujos y compartimentos insignificantes están
representados por líneas punteadas.
ALTERACIÓN ANTROPOGÉNICA DEL CICLO DEL
NITRÓGENO
Aumento de la cantidad de N que se intercambia.
Aceleración tasa de fijación N en el suelo
Duplicó la transferencia anual de las formas asimilables del N
Exceso de nitrógeno por aportes del hombre.
1 Tg = 10 12
Fijación del nitrógeno natural
Tormentas eléctricas < 10 Tg/anual
Microrganismos
90-140 Tg/anual (pre cultivos extensivos
leguminosas)
Fijación del nitrógeno por actividades humanas
Fertilizantes nitrogenados
80 Tg/anual
Cultivos fijadores de nitrógeno 40 Tg/anual
140 Tg/anual
Liberación de nitrógeno almacenado
Quema de combustibles fósiles 20 Tg/anual
Movilización de nitrógeno en suelo y MO 40-50 Tg/anual
Causas:
_ producción de fertilizantes nitrogenados.Aumento exponencial dsd 1940.
_ cultivo de soja, porotos y otros cultivos con bacterias siombiontes.
1/3 sup. terrestre uso agrícola y pasturas. Reemplazo de bosques.
_ movilización del nitrógeno almacenado en materia orgánica de suelos
y troncos. Quema de bosques y pastizales. Desmote de tierras. Drenajes
de humedales.
_ liberación de N de reservas geológicas. Uso de combustible fósil
(carbón y aceites). Procesos de combustión (Autos, industrias, centrales
térmicas).
_ eliminación de residuos urbanos (aguas cloacales), agrícolas, indust.
Consecuencias de la: Aceleración de la tasa de fijación y de liberación
de nitrógeno por actividades humanas
_ Cambio químico en la atmósfera
Emisiones globales de nitrógeno por actividad antrópica y sus fuentes
Oxido nitroso (N2O)
quema combustible y fertilización agrícola
Oxido nítrico (NO)
20 Tg/A quema combustible fosil
10 Tg/A quema bosques y pastizales
5-20 Tg/A volatilización suelo
Amoníaco (NH3)
32 Tg/A liberado por desechos de animales
domésticos
10 Tg/A volatilización en tierras cultivadas
5 Tg/A quema de bosques
Industria, transporte, agricultura: fuentes antropogénicas responsables
del 40% de emisiones.
Los incrementos experimentados desde
1750 se atribuyen a las actividades
humanas de la era industrial.
Uso de fertilizantes a base
de nitrógeno.
Aumento del uso en Asia,
Latinoamérica y África.
Emisiones de óxido nitroso
subirán un 16% en la
próxima década
Las unidades de concentración se miden en partes por millones (ppm) o partes por miles de millones
(ppb), indicando la cantidad de moléculas de gases de efecto invernadero por millones o miles de millones
de moléculas de aire, respectivamente, en una muestra de la atmosférica. (Datos combinados y
simplificados de los capítulos 6 y 2 del presente informe.)
https://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/es/faq-2-1-figure-1.html
Consecuencias
_ Cambio químico en la atmósfera.
Oxido nitroso (N2O)_GEI. Disminuye capa de O3 en estratosfera.
Oxido nítrico (NO)_ Smog fotoquímico y precursor lluvia ácida
Detección a escala
local y regional
Amoníaco (NH3)_
Disminuye
nutrientes como Ca y K
Aumenta trasporte de N de ríos a estuarios y aguas costeras.
Acidificación del suelo
Ecosistemas saturados de nitrógeno
Europa_ concentración de nitratos en lagos y ríos y pérdida de hojas en
los bosque de coníferas (Picea abies).
Complejos efectos en cascada por exceso de N en el suelo
 Nitrificación del amoníaco NH3 N03- + H+. Acidificación del suelo.
Desnitrificación: NO3-  más N2O liberado a atmósfera.
 Más NO3 - soluble en agua llega a los ríos y aguas subterráneas
 Arrastre de minerales alcalinos (Ca, Mg, K).
Disminución de la fertilidad. Acidificación del suelo.
Movilización de los iones de Al. Concentración a niveles tóxicos para
raíces y en cuerpos de agua.
Efectos en Ecosistemas acuáticos por el aumento de la fijación de N
Eutrofización de aguas superficiales
es el proceso de cambio de un estado trófico a otro de nivel superior
por adición de nutrientes.
Enriquecimiento de nutrientes en ecosistemas acuáticos.
Cantidades excesivas de nitrógeno y fósforo en un cuerpo de agua.
Agricultura: uno de los factores principales
_crecimiento de fitoplancton, algas y bacterias.
_ consumen mucho del oxígeno disponible, los peces comienzan a
morir y el ecosistema entero es afectado.
_la proliferación de algas altera la estructura y el funcionamiento
del ecosistema.
Eutrofización en ecosistemas marinos
Efecto de la aceleración del ciclo del N afecta costas marina.
Floraciones de algas marinas nocivas
En los últimos 30 años aumentaron asociadas a descargas antrópicas de
nutrientes.
Producción de toxinas por cianobacterias y dinoflagelados (marea roja).
Los moluscos filtran y absorben las algas tóxicas.
Cambios de color del mar y la fosforescencia nocturna.
Brotes epidémicos de cólera.
Rápido crecimiento de la población de
Vibrio cholerae asociado a los floramientos algales.
Contaminación de agua por nitratos
45 mg/l de nitrato: límite de nitrato en el agua de consumo humano
Organización mundial de la salud (OMS).
10 mg/l de nitrato. Agencia para la Protección del Medio Ambiente
(EPA)
Resolución 523/95 del Ministerio de Trabajo y Seguridad Social de
la Nación, de conformidad con el Código Alimentario Argentino, se
admite para nitratos un valor máximo de 45 mg/l y para nitritos el
valor máximo es de 0.10 mg/l.
Límite de potabilidad en provincia de Buenos Aires 50mg/L
Esta norma se supera con frecuencia.
Problemas reproductivos, metahemoglobinemia, cáncer, tóxico y letal.
Contaminación por nitratos de las aguas subterráneas
en el acuífero de La Plata (Pcia BsAs)
La Plata_ Fundada en 1882. Servicio de agua potable en 1885. Abastecida agua
subterránea. En 1957_ agua del Río de la Plata en la planta potabilizadora Punta Lara.
60 % consumo Acuífero Puelche y 40% agua potabilizada del Río de la Plata.
Acuífero Puelche: yacimiento de 40 km3 de gua. Recarga por lluvia a través de ríos,
arroyos , lagos.
Acentuada contaminación con NO3 (zona urbana y rural). Explotación intensa hasta 1990.
Causa la contaminación por nitratos de las aguas subterráneas en el acuífero de La Plata
Ho: Intenso uso de fertilizantes. Basado en proximidad a tierras agrícolas (20 mil Ha).
En La Plata y alrededores 137 pozos cubren 60% del consumo de agua potable.
_Zonas agrícolas: la
concentración de
nitratos <<45 mg / L.
_ Pozos de bombeo
arriba de y en periferia
de la ciudad de La
Plata con igual
condición que zona
agrícola.
Dentro de La Plata: > 90 mg / L.
Principal fuente de nitrato en aguas subterráneas se asoció con fugas de
la red de alcantarillado y viejos sistemas sépticos.
CICLO DEL AZUFRE Y SUS ALTERANCIONES
SH2…..SO2, SO3
Ac. Sulfúrico
H2S _sulfuro ferroso
Meteorización de la roca
Formación de proteínas.
Fase Atmósfera y litósfera.
corteza terrestre SO4 (2 -).
3 proc biogeoquímicos:
- Aerosoles espuma de mar
- Actividad volcánica
-Respiración anaeróbica de
bacterias reductores de
Sulfato.
- Salida de atmósfera por
oxidación hasta sulfatos y
sulfúrico.
Principales vias del flujo de nutrientes (negro) y las perturbaciones causadas por
Las actividades humanas (color). Flujos y compartimentos insignificantes están
representados por líneas punteadas.
Producción de deposiciones ácidasd (lluvia ácida):
contaminación regional
En ambiente no contaminado pH lluvia 5-6 (H2O + CO2
H2CO3 )
En atmósferas contaminadas: pH lluvia 2-4 SO2 + H2O  H2SO4
NOx + H2O  HNOx
Causa: combustión de carbón y petróleo en industrias, automóviles, centrales térmicas,
ind. metalúrgica, calderas
NO
N O x
emisiones
volcánicas y
de los mares
y suelos
Gases contaminantes:
Óxidos de azufre y
nitrógeno
Partículas sólidas
con ácido adherido
Nieve
Efectos de la lluvia ácida
_ Corrosión de edificios y monumentos
_ Ecosistemas acuáticos. Acidificación de cuerpos de agua y del suelo
Disminución de peces, anfibios y otros organismos.
No resistentes a pH<5.5.
bosques y lagos del norte de América y Europa
_ Ecosistemas terrestres.
cambios producidos en los suelos.
“Muerte de los bosques”
_ Incremento de las trazas de elementos tóxicos
Aluminio
Mercurio En la naturaleza formando parte de suelos y rocas.
En ambientes ácidos son disueltos y transportados a arroyos y
Plomo
lagos.
Aluminio: asfixia en peces, interfiere en formación de la absorción del
calcio (fragilidad en los huesos).
Lluvia ácida en las regiones altamente industrializadas
Riesgo de lluvia ácida en Europa en 1993
Distribución de los 600 mayores
emisores de SO2 en Europa.
Centrales Eléctricas a carbón
en Bulgaria
Transporte aéreo de contaminantes
a grandes distancias
Contaminación atmosférica se desplaza lejos de sus fuentes.
Bibliografía
• Ricklefs R. 1998.
• Begon et al. 3era Edición
• Stiling PD. 1996
• http://www.esa.org/esa/wpcontent/uploads/2013/03/numero1.pdf
GRACIAS