Elementos de la Dinámica Molecular del Planeta Tierra

(Procesos Físicos, Químicos y Biológicos del Planeta o

Introducción a la Microbiología en la era Ambiental)

1. Introducción

3. Vida Acuática

1. Introducción

El planeta Tierra tiene el aspecto de una esfera, ligeramente aplastada en los polos y está rodeado de su propia atmósfera gaseosa. Su radio medio es de unos 6.371 Km., su circunferencia ecuatorial es de 40.076 Km., mientras que los círculos que pasan por sus polos miden unos 40.009 Km. El planeta se encuentra a unos 150 millones de kilómetros de su Sol, el que provee la energía que permanentemente ingresa al planeta.

Si bien sólo un cuarto de la superficie del planeta es tierra sólida, su densidad media es de 5,52 Ton/m³, totalizando una masa del planeta de unas 6· 10²¹ Toneladas. La superficie del planeta Tierra, en tanto, es de unos 510 millones de kilómetros cuadrados, es decir, la superficie de los continentes es de unos 128 millones de kilómetros cuadrados.

Los dos movimientos principales del planeta inciden sobre las propiedades del movimiento de la atmósfera y las características del clima a lo largo del año. Estos dos movimientos son:

• su rotación sobre su propio eje, que dura 23 horas, 56 minutos y 4 segundos y
• su traslación alrededor de su Sol, que tarda 365 días, 6 horas, 9 minutos y 5 segundos.

La actividad perceptible desde el espacio exterior, a raíz de la vida en el planeta, es extraordinariamente alta. Por ejemplo, desde el punto de vista de emisiones de radiación hertziana, es un planeta sumamente bullicioso (radios, TV, etc.); también, desde el punto de vista de la construcción de máquinas, se observa la presencia de satélites artificiales; etc.

Dentro de las actividades del planeta se puede distinguir la operación de subsistemas ecológicos y económicos. Por razones relacionadas a la administración del planeta que realiza la especie humana, su superficie se encuentra repartida a distintos grupos que conforman partes del subsistema económico, llamados países. Chile es una de estas particulares subdivisiones de la superficie del planeta. Como Chile consiste de una subdivisión planetaria de unos 2 millones de kilómetros cuadrados (sin contar el océano, porque los conceptos de repartirse también el océano son más recientes en la historia y menos estables ya que aún no se define en definitiva cuánto mar sería de cada uno), se puede decir que esta preciosa nación al sur oeste del continente sudamericano es responsable de un buen 1,6% de la superficie planetaria.

Aparte de la vista ofrecida al observador exterior, quienes hemos tenido la oportunidad de observar, oler, sentir y percibir alguno de los maravillosos paisajes naturales del planeta, seguramente coincidiremos en que es éste un planeta maravilloso y que algo en nuestra respuesta afectiva nos liga a él. De sólo recordar, u observar fotografías de, los sobrecogedores paisajes de Las Torres del Paine, el Salto del Laja, la Isla de Pascua, el Desierto de Atacama, los Ventisqueros, en fin, se obtiene un estado emocional que nos informa sobre la belleza, a nuestros ojos, del planeta en que vivimos. También nos retrotrae a un estado de beneplácito interior el mero aroma de las tierras agrícolas, el aire inmediatamente después de una lluvia y otras tantas experiencias cotidianas que nos ligan a nuestro planeta. Es probable que la variedad del paisaje sea responsable, en buena medida, de estos placenteros efectos; es decir, que la diversidad resulta placentera y sana para los seres humanos.

En contraste con la belleza que percibimos de los simples parajes naturales, modernamente, podemos observar que el desarrollo de los subsistemas económicos creados por los habitantes humanos (perfectamente naturales) del planeta Tierra, dentro la interacción con los subsistemas naturales, nos ha dejado pocas posibilidades de percibir las bellezas del planeta; particularmente en ciudades donde la intensidad de operación del subsistema económico es particularmente alta para la capacidad del sistema natural de ventilar gases (Santiago, Ciudad de México, etc.). Lo mismo rige para áreas de extracción de recursos en que la intensidad haya sido particularmente alta. Similarmente, nos es cada vez más difícil encontrar fuentes de aguas limpias para nuestra subsistencia. Se podría continuar enumerando efectos poco placenteros que la vida moderna debe enfrentar en el planeta; pero, como ejemplos del caso, estos son suficientes.

En estos tiempos, queda cada vez más claro que la protección del planeta debe recibir una muy alta prioridad, porque su alteración pone en riesgo la sobrevivencia de la especie humana sobre la faz del planeta. Para cuidar nuestro planeta se deberá entender, en el más alto grado posible, la naturaleza y la magnitud de los problemas que hemos impuesto al planeta y, también, de las medidas que se podrían implementar para detener su deterioro. Todo esto requiere conocimientos y creatividad.

El problema del deterioro ambiental ha sido preocupación de los más altos líderes de la humanidad, de los más entrenados científicos y técnicos; pero, al mismo tiempo, del ciudadano común y cotidiano. Algunas muestras de la preocupación y de la toma de conciencia a los altos niveles han sido los sabios informes y las reuniones multinacionales en las últimas décadas, que han contado con una concurrencia jamás vista en número de Jefes de Estado presentes.

La nomenclatura actual se basa sobre un modelo de funcionamiento del planeta, en que las funciones que ofrece el planeta en forma natural, sirven de sustento al subsistema económico que establecen los seres humanos.

Una cita textual conviene aquí:

"Ya no se puede sostener que el crecimiento económico, como ha sido percibido y medido convencionalmente, sea el objetivo incuestionable de las políticas de desarrollo económico. El antiguo concepto de crecimiento, que designamos como crecimiento de consumo de recursos (throughput growth), con un consumo siempre creciente de energía y otros recursos naturales, no se puede mantener, y debe dar paso a una búsqueda imaginativa de fines económicos que sean menos dependientes de los recursos. La manera como subvaloramos los servicios del capital natural y dejamos de registrar la degradación de los recursos ambientales casi siempre significa que nos estamos empobreciendo mientras imaginamos que nuestras economías crecen. La nueva aproximación requiere un esfuerzo concertado para moldear de nuevo las preferencias de los consumidores, y para encaminar las necesidades hacia actividades benignas desde el punto de vista ambiental, mientras que simultáneamente se reduce el consumo de recursos por unidad de producto terminado, incluyendo los servicios.

Los estudios anteriores hacían énfasis en las limitaciones de las fuentes (agotamiento del petróleo, del cobre, etc.). La experiencia ha demostrado, en cambio, que los límites de los vertederos (efecto invernadero, destrucción del ozono, contaminación del aire y del agua a nivel local, etc.) son los más severos. Debido a que las funciones de vertedero constituyen mayor propiedad común que las funciones de fuente, este sobreuso es más difícil de corregir a través del ajuste automático del mercado."

La cita, naturalmente, sigue bastante más en detalle.

El punto, sin embargo, queda claro: el crecimiento del consumo de recursos de la economía global ya no puede mantenerse, sobre todo porque las funciones de vertedero del planeta Tierra han sido sobrepasadas por el sistema económico. El diagrama propuesto por Daly (ver cita 3 y figura 1) puede ser ilustrativo. El diagrama considera que el planeta Tierra tiene límites finitos no sólo es su geometría sino que también en las funciones con que se sustenta la humanidad.

El subsistema económico debiera abastecerse de la energía y los recursos necesarios, vigilando no extraer más que el flujo de energía y recursos que el planeta puede proveer. De otro modo, el planeta no podrá sustentar a la especie humana (en sentido estricto, no podrá sustentar el estado actual de la vida sobre el planeta). Es decir, el sistema global es finito (el planeta Tierra y la entrada y salida de radiaciones, en concreto) pero el subsistema económico crece continuamente. Este crecimiento es posible debido a la acumulación de recursos, previo a la era industrial, en el planeta.

Se acepta, en la comunidad de expertos internacionales, que el principal problema es la cuantía y el ritmo de incremento de la población humana. Esta tesis suele ser rechazada sobre bases subjetivas (religiosas, por ejemplo) pero es aceptable sobre bases científicas, ecológicas y técnicas.
 

Figura 1: Diagrama de Daly3, donde el sistema de recursos, servicios y fuentes del planeta son fijos, mientras que el subsistema económico crece más allá de las posibilidades.

Se ha propuesto que la era actual busque el desarrollo económico sostenible de las naciones del mundo, reconociendo y acogiendo una gran disparidad entre el hemisferio sur y el norte del planeta. El término desarrollo en esta definición es crítico y se opone al término crecimiento económico que, por la razones expuestas, no es sostenible en el tiempo.

Para enfrentar el problema que la especie humana impone al planeta será necesario, decíamos, entender en primer lugar como funciona (el planeta). De hecho, las funciones de vertedero del planeta son funciones de carácter físico (disipación de calor), químico (reacciones gaseosas y líquidas de los compuestos que vierte el sistema económico) y, sobre todo, biológico (el propio sustento de la especies y la disposición de residuos orgánicos en la ruta de reciclaje del diagrama de Daly).

El conocimiento atingente tendrá que aplicarse al funcionamiento natural del planeta, para observar luego cómo los mecanismos naturales pueden establecer mecanismos de interacción entre los subsistemas naturales y el subsistema económico.

El conocimiento ha sido subdividido, también, en partes que permiten que un ser humano, supuestamente de limitadas capacidades, pueda profundizar y comprender algunos aspectos, dejando otros para la ocupación de sus congéneres. Así las cosas, para comprender el funcionamiento de los funciones fuente y vertedero del planeta se deberá recurrir a un número de disciplinas desagregadas en las áreas de la física, la química, la biología y la ecología, al menos y como mínimo. Es posible que una comprensión cabal debiera comenzar con la historia y la filosofía, más bien, para luego adentrarse en el efecto que ha tenido la humanidad en el planeta y enfrentar este último aspecto con herramientas de la ciencia y la tecnología. Sin embargo, dado que la caracterización del estado actual del planeta y las herramientas para su mantención provienen de las ciencias y de la tecnología, será este último enfoque el adoptado en lo que sigue.

1. La hidrosfera, la atmósfera, la litosfera y la biosfera

 

La forma más clásica de estudiar cada una de las esferas sería definirlas como el estudio de: el agua; el aire; el suelo; y la vida (si bien la litosfera contiene mucho más que el suelo, que es sólo su capa más exterior).

Tal subdivisión de las áreas de estudio es clásica, sobre todo desde el punto de vista de la química ambiental. Su interelación, por otra parte, se puede estudiar mediante herramientas pertinentes a la ecología o a la teoría de sistemas.

Desde el punto de vista de los seres vivientes, es clara la importancia del agua, de modo que una correcta comprensión de las propiedades y la química del agua resulta imprescindible para entender la vida del planeta. Similarmente, la acción antropogénica sobre la biosfera ha consistido en la emisión de gases y energía a la atmósfera, la descarga de residuos líquidos, sean estos de origen industrial o urbanos y la acumulación de sólidos en distintas partes del planeta. Todos estos subproductos de las actividades humanas interactuan con las diversas componentes y/o funciones del planeta, sobre todo por la participación del agua que contacta estas especies.

1. Contaminantes

La contaminación, en general, alude a:

Así por ejemplo, en una vasija de ácido sulfúrico puro, la presencia de otros elementos o moléculas (hierro, arsénico, cenizas...) conforma un conjunto de contaminantes de esa vasija de ácido sulfúrico (que suele ocurrir en trazas, si fuese un reactivo analítico).

En el contexto ambiental, la noción es la misma, pero se suele explicitar con mayor precisión. El concepto básico dirá que
 

La definición socialmente aceptada para un contaminante ambiental, según la ley de bases del medio ambiente es más explícita y ligeramente diferente a las anteriores:
 

En este último caso, se deberá acordar límites para las concentraciones o para la presencia de los distintos contaminantes y, por ende, un mismo compuesto puede ser contaminante o no, según si excede o no los límites legislados (es decir, el cromo no es contaminante en sí).

De acuerdo a lo anterior, la presencia de un contaminante se debe a algún origen explícito, no natural (entendiendo a las actividades antropogénicas como no naturales). El tema del origen es, sin duda, crítico puesto que la mayor parte de las estrategias de remediación arrancan de la noción de impedir la emisión en la fuente o recircular a la fuente. Secundariamente, dado el principio: "el que contamina paga", la fuente de un contaminante es de interés legal, para determinar quién debe "pagar".

1. Aguas del Planeta

Naturalmente, la calidad del agua de un sistema ecológico puede reflejar la presencia de la humanidad en su entorno. La historia de la humanidad guarda nítidos recuerdos sobre grandes pestes que significaron la muerte de millones, sólo porque ciertas enfermedades pueden ser transmitidas de un enfermo a una persona sana mediante el agua de bebida (por ejemplo, cólera o tifoidea).

La química del agua, como disciplina del saber, estudia las aguas en ríos, lagos estuarios, océanos, subterráneas e incluso, en sistemas de abatimiento de contaminantes. Su tema particular son los fenómenos asociados a la distribución, cambio químico y circulación de especies químicas en las aguas. Naturalmente, se busca la comprensión del comportamiento de las fuentes del agua, tanto como de su transporte, características y composición.

Las reacciones químicas y la composición del agua están fuertemente influenciadas por el ambiente y sus interacciones con los cuerpos líquidos. Por ejemplo, la composición del agua y las reacciones que ocurren varían significativamente según si se estudian las aguas superficiales o las de fondo de un mismo lago.

La primera observación que se hace evidente al analizar las aguas del planeta es que estas ciclan permanentemente, debido a la entrada de energía solar (veremos que muchos elementos y propiedades del planeta presentan ciclos, algunos de ellos impulsados, precisamente, por el ciclo del agua).

El agua del planeta se encuentra repartida en cinco partes del ciclo hidrológico:

• una gran parte está localizada en los océanos;
• otra parte importante se encuentra en estado sólidos, como hielo o nieve;
• las aguas superficiales se encuentran en lagos, represas y ríos;
• una fracción no despreciable se encuentra bajo la superficie, como aguas subterráneas; y
• existe una fracción en fase vapor (nubes y humedad) que se renueva permanentemente y que constituye el promotor de la dinámica de las aguas.

Las aguas utilizadas como fuente de agua potable (Norma Chilena NCh409, INN) suelen ser superficiales o subterráneas. Sin embargo, en ciertas regiones del territorio nacional se debe recurrir a agua de mar o a aguas de alta salinidad. Las aguas superficiales difieren considerablemente de las aguas subterráneas, principalmente debido a la solubilización de especies o al arrastre de materiales en las aguas superficiales pero también porque las aguas superficiales permiten el desarrollo de algas (las aguas subterráneas no reciben luz) y de bacterias, según el grado de orgánicos disueltos en el agua. Así, la calidad de las aguas superficiales puede variar enormemente, conforme un río baja hacia el mar. En tiempos de alta actividad industrial, la calidad de las aguas de los ríos se deteriora conforme avanza hacia el mar.

Las características propias del agua nos parecen sorprendentes, porque permiten el desarrollo de la vida.

Por ejemplo:

• la densidad máxima del agua ocurre a 4ºC de modo que el agua solidificada flota en el agua líquida. Una vez congelado un cuerpo de agua quieta, si la profundidad es suficiente, siempre habrá agua líquida debajo (y ésta estará a 4ºC)
• su capacidad solvente es muy alta (en comparación con otros líquidos) lo que posibilita el transporte de nutrientes y de productos de desecho para el soporte a la vida
• su calor latente de fusión es el más alto de todos los líquidos conocidos (excepto amonio), que permite la estabilización de la temperatura en el punto de fusión
• su calor de evaporación es el más alto de todos los materiales comunes, y permite regular la transferencia de calor entre la atmósfera y el agua
• etc.

En el caso de aguas quietas, se pueden observar las especiales propiedades del agua en cuanto a sus relaciones entre densidad y temperatura. Estas propiedades producen un efecto de perfiles de temperatura a lo largo de la profundidad, perfil que se utiliza para definir tres capas distintivas de los cuerpos quietos de agua (en el caso de cuerpos con oleaje, el mezclado produce una mayor uniformidad de la temperatura). Las capas producen una estratificación térmica, porque no se mezcla, produciendo un gradiente de densidad. Se las denomina:

• Epilimnion, la capa superior, que durante el verano recibe calor solar y su baja densidad le hace flotar sobre el cuerpo más inferior, denominado
• Hypolimnion, la capa más de fondo, más densa que la superficial, que en tiempos de calor es más fría pero que al congelarse el Epilimnion, está más caliente. Entre ambas capas se produce (si no está todo el cuerpo a una misma temperatura) una capa intermedia, que presenta un gradiente más fuerte de temperatura denominada
• Termoclina, nombre que, simplemente, significa que existe un gradiente de temperatura (más caliente arriba en verano; más frío arriba en invierno).

1. Vida Acuática

 

 
 
 

Los organismos vivos tienen características muy diversas. Una comprensión mínima de los microorganismos permitirá discutir la microbiología de las agua en algún detalle, al menos el suficiente para observar la participación de los microorganismos en la recirculación de materiales en el planeta Tierra. Se debe enfatizar que la microbiología de sistemas naturales es compleja, de modo que se la enfrenta con conocimientos experimentales, basados en una ciencia más manejable, conocida como microbiología básica o, simplemente, microbiología.

1. Microbiología Básica

Microfotografías de la bacteria Eschirichia coli. Cada una de las células tiene alrededor de 1 micrón (10-6 metros) de largo.

Según se pudo observar más tarde, sólo las bacterias y las algas azul-verde presentan características procariotes, es decir, no tienen membrana nuclear ni organización del ADN en cromosomas. Hoy en día, las algas azul-verde son consideradas bacterias y se las llama, en particular, las cianobacterias. De este modo, los términos bacteria y procariote son sinónimos. Los hongos, las algas y los protozoos constituyen los protistas eucariotes. En síntesis, los microorganismos incluyen los protistas eucariotes, los protistas procariotes (bacterias) y los virus.

Al discutir la participación de los microorganismos y su interrelación con los efluentes de procesos industriales, se debería revisar la posible contribución de cada tipo de microorganismo tanto como de las interrelaciones entre ellos.

Desde un punto de vista global, las bacterias juegan un rol mucho más importante que todos los otros microorganismos, ya que forman la base de los ciclos de reciclaje de nutrientes y elementos del ecosistema (la base energética está en los fotosintéticos -algas y cianobacterias- ya que sintetizan orgánicos a partir de luz solar). Las bacterias más estudiadas han sido las patógenas (particularmente para los humanos). Sin embargo, muchas otras bacterias no patógenas son del mayor interés tecnológico, por ejemplo aquellas que participan en depuración de aguas servidas o industriales; depuración natural en ríos, esteros o lagos; descomposición de orgánicos en el suelo; relleno sanitario (metanogénesis) y aquellas que forman la base de los procesos biotecnológicos que utilizan la ingeniería (o manipulación) genética.

Los virus, mucho más pequeños que las bacterias (virus: 0,01 a 0,25 mm, bacterias: 1 a 4 µm), basan su ciclo vital en la maquinaria celular de la célula receptora. Invaden a todos los otros seres, tanto a las bacterias como a las plantas y animales. Los virus suelen considerarse en la frontera de lo vivo ya que no es simple su adscripción, al no disponer de una maquinaria que les permita su propia síntesis.

Las algas (y las cianobacterias) forman la maquinaria necesaria para la síntesis orgánica a partir de la energía solar. Son verdaderos transductores de energía solar (luz y calor) a energía de enlaces químicos. Toda la cadena alimenticia del globo terráqueo descansa sobre la fotosíntesis (se conocen muy pocos casos de utilización de elementos inorgánicos), de modo que su importancia es del todo evidente. En cuanto a la posible utilización de algas fotosintéticas en aplicaciones industriales, esta se encuentra limitada por la dificultad de construir grandes reactores permeables a la luz, solar o artificial, que permita el manejo de una explotación a gran escala. Sin embargo, existen consideraciones de alta escala a considerar: en primer lugar, las aguas que reciben excesos de nutrientes suelen alojar una cantidad muy grande de algas, a tal punto que su crecimiento excede los límites de densidad natural y se agota el sustrato, problema conocido como el florecimiento de algas; además, las algas son del mayor interés para el tratamiento de aguas servidas en lagunas (o pozos) ya que permiten mantener condiciones de oxígeno disuelto por sobre el valor de saturación en agua en la fracción superior (menos profunda), donde penetra la luz solar.

Los hongos son seres que existen tanto en forma unicelular como multicelular (cenocíticos), no-fotosintéticos, que pueden sobrevivir en las más diversas condiciones de pH (acidez o alcalinidad). Su participación en aplicaciones industriales es amplia y tradicional, conocida desde hace muchísimos años, aun antes de la revolución industrial (baste mencionar la levadura y la cerveza). En cuanto al tratamiento de aguas, son importantes tanto en los tratamientos de aguas residuales industriales como urbanas, además de la compostación de sólidos.

Los protozoos son más grandes que las bacterias (alrededor de un orden de magnitud mayor) y suelen participar en procesos biológicos de purificación.

Se pueden considerar como protistas otros microorganismos del tipo crustáceo, los putrefactores y otros que, en último análisis, caen dentro de la clase de los pequeños animales más que en alguna de las anteriores.

1. Bacterias

 

Grupo	Género	Importancia (característica)
Indicadores	Escherichia Enterobacter Streptococcus Clostridium	Se les utiliza como indicadores de contaminación de una fuente de agua, por contacto con feces humanas. Se utilizan como indicadores aquellas bacterias cuyo hábitat usual es principalmente humano.
Nitrificadores	Nitrobacter Nitrosomonas	Oxidan compuestos inorgánicos de nitrógeno.
Denitrificadores	Bacillus Pseudomonas	Reducen nitritos y nitratos a nitrógeno molecular gaseoso o a óxido nitroso gaseoso.
Bacterias del decaimiento o de la degradación	Pseudomonas Flavobacterium Zooglea Clostridium Micrococcus Methanobacterium Methanococcus Methanosarcina	Degradación de orgánicos Degradación de proteínas Formación de flóculos en lodos activados Productor anaerobio de ácidos grasos Productor anaerobio de ácidos grasos Productor anaerobio de metano a partir de ácidos grasos (útiles en reactores de metanogénesis).
Bacterias del Azufre	Thiobacillus Desulfovibrio	Oxidadora de azufre y de hierro Reductora anaerobia (azufre y otros, corrosión)
Bacterias fotosintéticas	Chlorobium Chromatium	ambos géneros reducen sulfuros (S=) a azufre elemental.

Las bacterias contienen una serie de estructuras (evidentemente aun más pequeñas que la propia célula) de propósito específico: genes en cromosomas; ribosomas; membranas, entre otras. Todas estas sub-estructuras se encuentran en suspensión en un medio líquido, llamado el citoplasma, donde se disuelven -además- las proteínas, azúcares, ácidos grasos, etc. que participan del ciclo vital de la célula.

1. Ciclo de vida de las bacterias

Desde el punto de vista nutricional, se distinguen dos grandes grupos: los heterótrofos y los autótrofos. Las bacterias heterótrofas obtienen tanto su energía como su carbono a partir de moléculas orgánicas. Los autótrofos, en cambio, obtienen el carbono desde el dióxido de carbono "CO₂" y la energía a partir de compuestos inorgánicos (sales que resultan oxidadas) o de la luz. Si el autótrofo del caso utiliza luz, será clasificado como fotoautótrofo mientras que si utiliza sales se le llama quimioautótrofo.

El soporte a la vida celular incluye no sólo el carbono y la energía; además se deben contemplar fuentes de nitrógeno, fosfato, potasio, azufre, metales y otros elementos en bajas concentraciones y que dependen de cada especie. En la Tabla 2 se han incluido dos medios de cultivo bastante disímiles (en particular, el medio de cultivo de la bacteria quimioautótrofa Thiobacillus ferroxidans, de amplio uso en la lixiviación bacteriana de minerales de cobre u otros y de la bacteria anaerobia heterótrofa Desufovibrio desulfuricans, utilizada para la reducción de sulfatos en aguas de mina).

Desde otro punto de vista, considerando que las variables físicas de mayor interés son la temperatura, el pH y la concentración de gases atmosféricos en la fase líquida, las bacterias se clasifican en grupos que dependen de estas variables. Así, respecto de la temperatura, se habla de psicrófilos para las bacterias capaces de crecer a temperaturas bajo 0ºC hasta los 25ºC; de mesófilos para aquellos capaces de crecer en el rango de los 25 a los 40ºC y de termófilos para aquellos capaces de crecer entre 40 y 100ºC. Desde el punto de vista del pH se definen como bacterias acidófilas aquellas que pueden vivir en condiciones de acidez extrema (pH 1 a 2).

Tabla 2: Ejemplos de medios de cultivo para el desarrollo de bacterias

 

Thiobacillus ferrooxidans		Desulfovibrio desulfuricans
Compuesto	[g/L]	Compuesto	[g/L]
MgSO4×7H2O	0,4	Na2SO4	3,0
(NH4)2SO4	0,4	MgSO4	1,5
K2HPO4×3H2O	0,056	NH4Cl	1,0
		K2HPO4×3H2O	0,65
		CaCl2	0,08
		Fe(NH4)2(SO4)2×6H2O	0,01
		Extracto de levadura	0,2
		Lactato, 85%	5 mL
pH	1,6	pH	7,0

1. La Vida en cuerpos líquidos naturales

 

(Nota: estos fotoautótrofos pueden funcionar, también, heterotróficamente, sobre todo cuando no hay suficiente radiación solar; en este caso, la reacción cursa al revés). La letra "n" se ha usado aquí para destacar que el carbohidrato CH₂O no ocurre en aislación sino que conforma moléculas más grandes, por ejemplo, la glucosa requiere n=6. Si la síntesis fuese de glucosa, la energía de radiación necesaria llegaría a 2800 Kjoule.

La muy simplista ecuación química anterior no toma en cuenta que las algas se componen, además de carbono, oxígeno e hidrógeno, de otros nutrientes que si bien están en cantidades menores su presencia es fundamental; se debe prestar atención, al menos, al nitrógeno (usualmente en la forma NO₃^-) y al fosfato (usualmente en la forma PO₄^3-), al azufre y al hierro, si bien la falta de varios otros elementos podría impedir el desarrollo de fotosintetizadores (y del resto de los seres vivos también, por ejemplo, la hemoglobina de la sangre de mamíferos requiere fierro). Los otros compuestos, sin embargo, se suelen encontrar en forma natural en los grandes sistemas porque el agua de las lluvias disuelve y arrastra los compuestos naturales del suelo o de los lechos de los ríos.

Al contrario, los heterótrofos aerobios, consumen orgánicos y oxígeno (lo mismo que las algas durante la noche) según:

de modo que en un sistema acuático se pueden encontrar interacciones entre seres vivos en que, por ejemplo, el oxígeno producido por las algas sirve para la respiración de bacterias que, de existir orgánicos, producen CO₂ que resulta útil a las algas.

Existe una gran cantidad de microorganismos naturales de las aguas y su presencia y dominancia relativas se utiliza para caracterizar la calidad de ellas. Sin embargo, los cuerpos líquidos no se saturan de microorganismos (excepto en el caso de la eutroficación), como se podría esperar si las algas crecen y en su crecimiento promueven el desarrollo de bacterias. El control se relaciona con la presencia de otros organismos, más grandes (por ejemplo hasta peces) que necesitan ingerir varias veces su masa, de modo que la presencia de las cadenas alimenticias asegura una alta diversidad y una baja densidad de seres vivos en un cuerpo acuático determinado (nota: es muy natural que los seres ingieran varias veces su propia masa, por ejemplo los seres humanos).

En cuerpos líquidos (lagos) a gran altura en las montañas, se observa poca vida. Naturalmente, el agua allí contenida no tiene concentraciones notables de ninguna especie, porque el agua que allí se acumula no ha contactado suficientes materiales como para acumular las sales necesarias para la vida. De estos lagos se dice que tienen escasa productividad, en el sentido de no promover la producción de orgánicos mediante algas y fotosintetizadores. Por otra parte, estas aguas pueden ser muy valiosas como fuentes de agua potable, aunque sea necesario dosificar los minerales necesarios para los seres humanos. Los lagos prístinos más conocidos se encuentran en la alta montaña de Siberia.

La productividad de un lago depende de la continua lixiviación de los lechos de los ríos que aportan al lago. Se obtiene alta productividad en lagos que reciben suficientes sales (fosfatos y nitrógeno). La productividad también puede incrementarse, notablemente, por actividades antropogénicas de carácter industrial, más que urbano. Se puede considerar que las aguas servidas (feces) generadas por altas densidades urbanas contienen una razón de carbono a nitrógeno y a fosfato que equilibra los requerimientos de las bacterias, mientras que las aguas descargadas por actividades industriales pueden descargar nitrógeno y fosfatos en total ausencia de carbono. Es posible, entonces, que las descargas industriales generen condiciones de alta productividad de algas porque proveen los compuestos químicos necesarios para el desarrollo de fotoautótrofos y quimioautótrofos, en ausencia de carbono orgánico.

La condición de alta disponibilidad de nutrientes (sin carbono orgánico) genera una condición conocida por el término eutroficación. La eutroficación favorece la formación de microorganismos, como algunas bacterias y en general las algas (que las hay de tamaños mayores que los microscópicos) que pueden operar fotoautotróficamente. Qué organismos se puedan desarrollar, depende del metabolismo de cada uno de ellos.

El metabolismo celular ocurre al interior de la célula y lleva, como se describió anteriormente, a la acumulación de componentes moleculares de la propia célula. Esta acumulación (aumento de la concentración) de componentes lleva a la elongación física de la bacteria. La elongación de la bacteria y/o la acumulación de componentes llega a su cima en el momento en que la célula inicia una división, mediante una serie de pasos conocidos más en su evidencia visible que en su regulación interna precisa. La primera evidencia es la aparición de una cintura en el centro de la célula y una distribución del material celular en dos sectores. La cintura se sigue pronunciando hasta producir, en la práctica, dos nuevas células poco "elongadas" (se podría decir que son dos células "delgadas" o "pequeñas", si bien estos términos resultan muy difusos a nivel celular). La figura 4 contiene un boceto de este proceso, enunciando sus etapas principales.

El tiempo que tome el ciclo desde el nacimiento de una célula hasta la producción de dos nuevas células es una función tanto de la propia célula como de las condiciones ambientales en que se desarrolla. Sin embargo, una vez garantizada la optimalidad del medio de desarrollo, la célula tiene un tiempo de replicación que bien puede parecer una característica intrínseca de esa especie. Es importante estar advertido de que este tiempo de replicación mínimo puede variar notablemente de especie en especie (por ejemplo, desde la veintena de minutos hasta la decena de horas).

El tiempo medio que toma una cantidad de células en duplicarse se conoce como tiempo de replicación y es, en principio, el tiempo medio para que una célula crezca y se divida en dos por fisión binaria.

Según la descripción anterior, la tasa de crecimiento del número de células en un medio dado, es proporcional al número de bacterias inicialmente presentes:

donde [X]: concentración de células (número de bacterias por litro) a tiempo t; k_g: constante de crecimiento de primer orden y d[X]/dt: tasa de crecimiento celular (número de bacterias por litro y por unidad de tiempo).

Diversas manipulaciones permiten, después de integrar, llegar a cualquiera de las siguientes expresiones:

donde [X]₀: concentración de células a tiempo cero, T_g: tiempo de replicación.

De las ecuaciones integradas anteriores, es claro que un gráfico logarítmico deberá mostrar una recta al graficarse la concentración de células (en logaritmo) versus el tiempo. Sin embargo, la visión recién presentada es muy simplistas, comparada con los resultados reales. Un perfil típico de un cultivo en lotes confinados (batch), mostraría que sólo una pequeña región tiene un comportamiento lineal ascendente (marcada como fase logarítmica o exponencial).

La fase anterior a la logarítmica corresponde a la fase de latencia (lag) que es el tiempo que toma a las células, recién iniciado el cultivo, para sintetizar las enzimas necesarias y desarrollar sus componentes hasta tener suficiente material como para iniciar la fisión binaria; esta fase puede tener una duración extensa o breve, según sea el estado fisiológico de las bacterias iniciales, llamadas el inóculo. Existe una transición gradual entre la fase de latencia y la logarítmica que corresponde al momento en el cual más y más células llegan al punto óptimo metabólico e inician el proceso de síntesis y división a la más alta velocidad posible.

Posterior a la fase logarítmica, se inicia la fase estacionaria, durante la cual no hay un aumento importante en la concentración de células; las razones son variadas y no están del todo claras pero parece existir un "tope" de densidad de células que pueden existir en un medio líquido. Por otra parte, puede corresponder al momento en el cual se ha agotado algún nutriente pero aun existe sustrato energético que permite la sobrevivencia celular, sin posibilitar la división en nuevas células.

Finalmente, el cultivo envejecido inicia la fase de muerte o de declinación, período en el cual se observa una disminución del número de células vivas. Nuevamente, las razones de la muerte celular no están del todo dilucidadas pero es evidente que más de algún sustrato se ha agotado; este agotamiento obliga a las bacterias a utilizar compuestos energéticos almacenados a fin de sobrevivir hasta que estos compuestos se agotan; además, se acumulan compuestos de desecho del metabolismo que podrían resultar tóxicos para ellas mismas. Algunas bacterias esporulan (forman esporas) durante esta fase. Las esporas son partículas de mayor densidad y menor tamaño que las bacterias originales pero que contienen todo el material necesario para reconstruir la célula una vez establecidas nuevamente las condiciones de cultivo.

El objetivo de cualquier proceso biológico, como veremos más adelante, será mantener las células en un estado permanente de crecimiento en la fase logarítmica. Esto se consigue mediante reactores continuos o semi-continuos.

Tal como es posible definir las condiciones óptimas de desarrollo de las bacterias, es también posible definir las condiciones más adversas para ellas. Existen diversas razones por las que sería útil la más completa eliminación de las bacterias de un líquido (por ejemplo, leche envasada, productos alimenticios en general, agua potable, etc.).

Las técnicas de eliminación de microorganismos son diversas y la que se ocupe dependerá del propósito a la mano. Por ejemplo, un líquido puede ser esterilizado, mediante vapor de agua a 121ºC (a una presión de 15 psig) durante unos 15 minutos, este tratamiento no sólo destruirá bacterias sino que también esporas y hongos. A fin de evitar la verdadera cocción que significa esta esterilización, se suele operar con un ciclo de temperatura brusco, en el proceso conocido como UHT (Ultra High Temperature) u otros procesos orientados a la pasteurización más que a la esterilización total. La esterilización destruye las bacterias (y otros) mediante la denaturación de las proteínas, principalmente.

Es fácil deducir la imposibilidad de esterilizar un caudal de agua potable (4m³/seg). Por otra parte, puede no ser necesario esterilizar el agua potable sino que puede bastar su desinfección, es decir, eliminar los patógenos acarreados por el agua. La desinfección se suele conseguir mediante agentes oxidantes fuertes y opera por disrupción de la membrana celular y por oxidación de las proteínas y otros materiales citoplasmáticos. Los oxidantes más típicos son el cloro y el ozono.

Existen otros métodos de destrucción de microorganismos, mediante radiación, Por ejemplo, la radiación ultravioleta (longitud de onda entre 200 y 400 nm) destruye los enlaces de los ácidos nucléicos y se la utiliza para desinfectar las superficies de trabajo de instalaciones asépticas.

1. Virus

 

Como se mencionara más arriba, los virus plantean un problema límite a la definición de lo vivo. De hecho, no contienen sino ADN (o ARN) y la proteína de su envoltorio (cápsida) y, por no contener ninguna de las sub-estructuras necesarias para la síntesis ni para el metabolismo, no pueden replicarse a si mismos. Sin embargo, una vez infectada su célula receptora, la célula infectada procede a sintetizar la proteína del envoltorio del virus y el ADN (o ARN) viral. Esto lleva a la muerte de la célula receptora y la producción de muchas réplicas del virus infectante... de allí que si bien es capaz de replicarse mediante la maquinaria celular de otra célula, no se le suele considerar vivo.

Al no tener vida propia, los virus pueden sobrevivir en latencia durante mucho tiempo, aun fuera de la célula receptora. Su destrucción descansa sólo en la destrucción molecular de su ADN (o ARN).

La importancia de los virus reside tanto en el impacto que tienen sobre otras formas de vida (enfermedades) como en la utilidad que ha tenido su forma de acción para la ingeniería genética. No es del caso discutir aquí los aspectos prácticos de la ingeniería genética, ya que las aplicaciones industriales se orientan más a la producción de drogas y reactivos finos más que a tecnologías ambientales; sin embargo, es importante destacar que la ruta a la modificación genética de bacterias (típicamente Escherichia coli) para realizar la producción de interés, se basa en mecanismos de modificación del gene bacteriano que no son del todo distintas a la modificación viral. Un virus que se suele utilizar como indicador de contaminación fecal es el Colifago somático y suele encontrarse relacionado con las caracterizaciones de calidad microbiológica de aguas.

1. Algas

 

El tamaño de las algas recorre desde las microscópicas algas del fitoplancton, unicelulares, hasta las grandes algas marinas multicelulares. En todo caso, las algas son más grandes que las bacterias, de estructuras mucho más sofisticadas y altamente organizados. La mayoría de las algas son fotosintéticas; sin embargo, tienen la capacidad de utilizar energía química en ausencia de luz. Los pigmentos fotosintéticos se encuentran en corpúsculos diferenciados llamados plastidios, cloroplástos o cromatóforos. Como se indicó antes, las algas son fundamentales para la cadena alimenticia acuática; además, producen la mayor parte del oxígeno atmosférico libre, como un subproducto de la fotosíntesis necesaria para proveer su propia vida.

Las algas se clasifican según sus diferencias morfológicas, de tamaño y de composición química, diferencias que -de paso- son pronunciadas. La tabla 3 despliega las clasificaciones típicas de las algas.

Si bien las algas y los fotosintetizadores en general son los productores primarios de alimento en la cadena alimenticia acuática, pueden también producir problemas en los sistemas de agua potable ya que contribuyen al olor y el sabor; pueden bloquear el paso de agua en tuberías; bloquear medios filtrantes y demandar alta clorinación. El excesivo desarrollo lleva al florecimiento de algas, (debido a la ya citada eutroficación de cuerpos líquidos) que forma una capa (sábana) de material orgánico cuyo aspecto estético es inaceptable para aguas recreacionales.

 

Nombre usual	Taxonómico	Importancia
Algas Verdes	Chlorofita	Productor de oxígeno libre; antecesor de plantas.
Euglenoides	Euglenofita	Sin paredes; posible forma de transición evolutiva entre algas y protozoos.
Diátomas	Crisofita	Productores de oxígeno, vitamina A y D; tierra diatomacea útil para filtros y abrasivos.
Dinoflagelados	Pirrofita	Envenenan mariscos
Algas rojas	Rodofita	Productora de agar
Algas café	faeofita	Alga marina, fuente de yodo, sosa; alimento; fertilizante; alginatos.

1. Hongos

 
Mohos:

Levaduras:

 
Callampas:

 

Tipo	División	Comentarios
Mohos (filamentados)	Phycomycetes	Espora sexuada o asexuada: Mucor, Rhizopus
	Fungi Imperfecti	Sin etapa Sexuada: Penicillium, Aspergillus
Levaduras (no filamentados)	Ascomycetes	Espora sexual en sacos: Neurospora, Candida
Callampas (macroscópicas)	Basidiomycetes	Etapa sexual en la basidia: Hongo común

Protozoos

El género sarcodina, p.e., tiene una membrana celular continuamente cambiante debido a la generación de pseudópodos (extremidades falsas); este mecanismo, típico de la amoeba, le sirve para el desplazamiento y para englobar su alimento e ingresarlo al citoplasma. Estos mismos pueden ser patógenos a los humanos, p.e. la Entamoeba histolica es un patógeno muy difundido que causa la disentería amébica. Algunos protozoos son fotosintéticos, p.e. Euglena, y comparten algunas características con las algas. Otros, son parásitos, p.e., la Trypanosoma es un parásito de la sangre y produce somnolencia en humanos. Los protozoos parasitarios pueden ser motiles (suctoria) o no motiles (sporozoa). Entre los no motiles destacan cuatro especies de Plasmodium, causantes de la malaria y que viajan mediante un mosquito (el mosquito Anopheles hembra).

 
Los cuatro grupos de Protozoos y algunos ejemplos clínicos
 

Grupo	Características	Enfermedades típicas
Mastigofora	Se mueve por flagella. Reproducción asexual (fisión binaria).	Giardiasis; Tricomonasis; Tripanosomiasis; Leismaniasis.
Ciliofora	Se mueve y se alimenta por cilios. Intercambio genético por conjugación. Reproducción asexual, binaria, tranversa.	Balantidiasis.
Sarcodina	Se mueve y se alimenta por pseudópodos. Reproducción asexual, binaria.	Disentería amébica.
Sporozoa	No es motil. Parásito intracelular. Reproducción en ciclo sexual y asexual. Suele requerir series de huéspedes para su ciclo vital.	Malaria; Toxoplasmósis; Pneumocistis (forma de pneumonia).

1. Microbiología Aplicada

 

1. Suelos

El suelo actúa como sistema de reciclaje de materiales orgánicos ya que en él ocurren tanto la vida (animales, plantas, protistas) como la recepción de los restos de ella una vez terminado un ciclo vital y los desechos permanentes del metabolismo (esto es cierto, además, para los seres voladores). Es en el suelo donde la actividad microbiana transforma los desechos en los componentes del propio suelo. Los diversos ciclos químicos (del carbono, del nitrógeno, del azufre, etc.) se realizan mediante actividad microbiana y sin ellos la vida en la tierra desaparecería.

La composición del suelo varía de un lugar a otro pero, en general, siempre se podrán distinguir cinco fracciones principales:

Como la mantención de una forma de vida particular (p.e. una especie de bacteria) depende de la disponibilidad de todos (y cada uno de) sus requerimientos vitales (ver tabla 2 p.e.) y de la ausencia de los elementos que le resultan nocivos (inhibitorios), se encontrará que en un hábitat particular del suelo existirán aquellas especies mejor adaptadas a las condiciones. Las condiciones de mayor incidencia son: humedad disponible para la solubilización de los nutrientes y desechos; cantidad y calidad adecuada de nutrientes y condiciones físico químicas adecuadas (se suele hablar del pH y la temperatura, principalmente, pero las condiciones de Eh pueden ser también importantes).
 

En cuanto a las aplicaciones industriales más típicas que utilizan las propiedades biológicas de los suelos (más allá de lo agrícola) se debe tener en cuenta la compostación y los rellenos sanitarios. El relleno sanitario (ver figura 8) puede generar problemas ambientales si no es manejado con cautela (olores y contaminación de aguas, de la napa por percolación o superficiales por flujo superficial) y, por ello, se han establecido cuidadosas normas de diseño y construcción que se pueden encontrar en manuales, normas o especificaciones de diversos países.
 

Tomando el relleno sanitario como un ejemplo de la diversidad de interacciones que ocurren en el suelo, es importante destacar que no existe un único microorganismo que pueda degradar una gran diversidad de sólidos orgánicos húmedos (como la basura domiciliaria) hasta metano y CO₂ (ver diagrama superior). La operación la realizan, en realidad, un gran consorcio de microorganismos que realizan sus distintas actividades metabólicas con el sólo fin de su propia vida; ocurre, eso sí, que los productos finales de la actividad de algunos microorganismos, descartados a la fase líquida exterior a la célula, pueden ser los alimentos de otros, enlazándose así en una compleja cadena que lleva hasta los productos gaseosos observados. En una muy breve síntesis:

• en primer lugar, los orgánicos insolubles (lípidos, polisacáridos, proteínas, ácidos nucleicos, etc.) son degradados a especies orgánicas solubles por la acción de enzimas extracelulares, produciendo especies de menor peso molecular que pueden cruzar la membrana celular y ser digeridos por los microorganismos (ácidos grasos, monosacáridos, amino ácidos, purinas, pirimidinas, aromáticos, etc.). A continuación,
• las bacterias productoras de ácido consumen estos productos solubles generando, entre otros productos y aparte de las mismas células, ácidos volátiles (principalmente, ácido acético [70%]; ácido propiónico; ácido butírico y otros en menor cuantía). Sólo una vez producidos los ácidos volátiles
• las bacterias productoras de metano pueden realizar su metabolismo que lleva estos ácidos volátiles hasta metano (CH₄) y bióxido de carbono (CO₂), además de las propias células. Es importante destacar, además, que las primeras etapas del proceso son aerobias, mientras que las últimas, particularmente la generación de metano, ocurre sólo en condiciones estrictamente anaerobias; es decir, no sólo concurren muy diversos microorganismos en el proceso sino que, además, las condiciones físico químicas varían a lo largo del proceso.

1. Líquidos

 

Las aguas de la napa subterránea son relativamente asépticas (tienen escasos microorganismos suspendidos), ya que el agua se filtra al percolar desde el suelo y, más aun, no está expuesta a la luz. Naturalmente, si la napa contacta áreas ricas en minerales de hierro, puede que se encuentren acidófilos oxidantes que la contaminen. Por otra parte, puede ocurrir que la napa reciba contribuciones de agua superficial no percolada, a través de grietas u otro tipo de canalizaciones y, en este caso, la napa se contaminará con microorganismos típicos de la superficie.

Las aguas superficiales, por otra parte, se van cargando de muy diversos microbios a lo largo de su viaje por tierras agrícolas. No sólo eso, además se pueden cargar de nutrientes, nitritos, fosfatos, etc. Por todo ello, en ausencia de descargas tóxicas, las aguas superficiales suelen tener una alta actividad microbiana. La actividad biológica en las aguas, p.e. de una laguna, establece cadenas biológicas similares a las descritas para el suelo, donde los productos de unos es el sustrato de otros, además de producirse relaciones predador-presa; con fines ilustrativos, en una laguna de estabilización de aguas servidas, la carga orgánica presente en las aguas servidas afluentes (que entran) es "tratada" por un consorcio biológico donde participan diversos microorganismos, en una visión simplificada: i) las bacterias (aerobias o anaerobias) degradan la carga orgánica produciendo una cantidad notable de nuevas bacterias (ya que la carga orgánica es alta y suficientemente biodegradable) y una alta concentración de CO₂, si las bacterias son aerobias, requerirán una gran cantidad de oxígeno (precisamente aquel determinado por la demanda bioquímica de oxígeno, usualmente abreviado a DBO y medido en cinco días DBO₅) para su respiración. ii) Las algas, por otra parte, pueden crecer en la superficie de la laguna, allí donde la intensidad de la radiación solar es alta. Al crecer en condiciones iluminadas, consumen CO₂ (el producto de descomposición de la carga por las bacterias) y generan oxígeno (requerido por las bacterias para su respiración aerobia). Así, las algas y las bacterias interactuan permanentemente y el producto neto será la obtención de más algas y bacterias. Luego, iii) los protozoos predan (se comen) a las bacterias y a las algas, predación que arroja como resultado neto un cierto equilibrio poblacional.

Los mecanismos de regulación de cuantas bacterias, algas y protozoos, de diversas especies, existan es de la mayor trascendencia; pero la observación empírica es que se mantiene un cierto equilibrio que arroja, finalmente, un efluente (salida) más limpio de carga orgánica y de microorganismos de origen fecal que el afluente original. Que el efluente cumpla los requisitos de diseño suele ser más un problema de manejo de la fluidodinámica y del tiempo de residencia que un problema de equilibrio de poblaciones microbianas.

Desde un punto de vista de diseño, la participación de distintos microorganismos en el proceso podría ser modelado mediante sistemas de comensalismo, competencia por sustrato, relaciones predador-presa, y una cantidad de otras formas de interelación. El sistema resultante sería complejo, sin duda.

Con un propósito meramente ilustrativo, considérense la relación existente entre bacterias, protozoos y carga orgánica. Supongamos, p.e., un sólo tipo de bacteria (concentración X bacterias/L) que se supondrá creciendo en función de un único sustrato (es decir, se supondrá que los otros substratos están en exceso, concentración S g/L) que entra a tasa constante (p.e. el carbono total del afluente a flujo F L/s). Supóngase que las bacterias sean predadas por un sólo tipo de protozoo (concentración P protozoos/L) que las engulle en función de la concentración de las propias bacterias. Se pueden suponer formas matemáticas razonables para el muy simple sistema propuesto y se verá que el sistema matemático resultante presenta -para ciertos valores de los parámetros que definen el modelo- soluciones oscilatorias e incluso, inestables. La oscilación podría ocurrir, por ejemplo, si los protozoos aumentan en número debido a una acumulación de bacterias; el aumento en P producirá, a la larga, una escasez de bacterias; el decremento en X, a su vez, producirá una elevada concentración de sustrato, incentivando así el aumento de X; luego X crece nuevamente mientras los protozoos estén desapareciendo por falta de su comida X. Etcétera...

Las aguas, sean ellas superficiales o subterráneas, se caracterizan en su calidad para su posible utilización. La norma chilena NCh409, por ejemplo, especifica las características del agua potable mientras que la norma NCh1333 define las características que debe cumplir un caudal para ser utilizado en riego, recreación, estética, bebida de animales, etc. (es decir, todo otro uso, más allá de agua potable). En cuanto a la calidad microbiológica del agua, esta se suele caracterizar sólo contando los coliformes fecales y los virus colifago; ambos microbios son de origen humano (pertenecen a la flora intestinal) y permiten determinar si un caudal ha tenido contacto con aguas servidas. Sin embargo, existen las técnicas para medir multitud de otros microorganismos y de hecho los hay muy diversos en el agua. El objetivo de determinar la presencia (y cuantía) de los microorganismos indicadores de contaminación fecal busca, en realidad, determinar que un caudal particular no contenga microorganismos causantes de enfermedades entéricas infecciosas. El espíritu de las normas mencionadas es la protección de la salud de la población que utiliza las aguas.

Las enfermedades transmitidas por las aguas son diversas. El mecanismo de transmisión es por ingestión de patógenos que serían acarreados por el agua. Algunas de las enfermedades de mayor incidencia, cuya transmisión es desde las feces de un enfermo al sistema digestivo del nuevo infectado son: las gastroenteritis en general (bacterianas), la gastroenteritis viral, la giardiasis, la shigelosis, la hepatitis A, la campilobacteriosis, la salmonelosis, la tifoidea, el cólera, la amebiasis, y muchas más. Cada una de estas enfermedades es causada por un microorganismo específico que podría estar presente en el agua si algún enfermo hubiese depositado sus feces en el caudal. El punto de interés aquí es que si el enfermo descargó el microorganismo patógeno de su enfermedad en el cauce, entonces, también descargó los microorganismos de la flora normal del intestino. De allí que en lugar de intentar medir la presencia y cuantía de cada posible patógeno presente en un agua es más simple medir los indicadores de contaminación fecal. Los indicadores estarán presentes en el caudal con que el agua esté contaminada con feces, independientemente de si existen o no patógenos.

Un indicador debiera cumplir con ciertos requisitos "ideales". Un buen indicador sería aquel:

• 1.- cuya ausencia implique la ausencia de patógenos entéricos;
• 2.- cuya densidad se relaciones con la probabilidad de presencia de patógenos;
• 3.- cuya sobrevivencia fuese ligeramente superior a la de los patógenos.
 

En cuanto a la sobrevivencia de los patógenos en el agua, esta no es distinta a la sobrevivencia de otros microorganismos en el agua. Los mecanismos que "matan" bacterias que no formen esporas, pueden ser naturales o acelerados. Cualquiera sea el proceso de "desactivación celular", este se basará en fenómenos que: rompen células, denaturan proteínas, envenenan células o bloquean el ciclo vital. Por ejemplo, la remoción de patógenos en las etapas finales de producción de agua potable se suele realizar con operaciones que producen la ruptura de la membrana celular por una fuerte oxidación química, por clorinación o por ozonización. Similarmente, se puede recurrir a la radiación UV del caudal, que destruye las células por mutación exhaustiva de su material cromosomal. Las lagunas de estabilización, en cambio, remueven microorganismos patogénico por ausencia de sustrato (comida) y por exposición a microorganismos que los pueden engullir.

El diseño mismo de las lagunas de estabilización descansa sobre la cantidad de tiempo que debe ser retenida un agua contaminada para que se observe la reducción en la cuantía de indicadores en una magnitud determinada. Por ejemplo, una afluente típico tendría unos 10⁷ coliformes fecales (CF) en 100 mL del caudal. El requerimiento de diseño podría ser la obtención de un caudal reutilizable en riego, es decir que no tenga más de 10³ CF/100 mL, según especifica la norma NCh1333. Se requiere, por tanto, reducir los CF en cuatro ordenes de magnitud (¿cuanto se reducirá el cólera?, ¿la Salmonella typhi?, ¿la Shiigella?). Es decir, en términos muy sintéticos, se diseñará para llevar un número de microorganismos del afluente, N₀, a las especificaciones de la ley, N_E, en el efluente. La experiencia en sistemas estáticos (no continuos, batch) indica que el decaimiento de los CF sigue una ley de primer orden:
 

Luego, según el tipo de flujo que se produzca en la laguna en cuestión (nota: las lagunas son un sistema continuo donde entra y sale líquido en todo momento), se tendrá una de las tres tasas de decaimiento (se presentan los modelos correspondientes a flujo pistón y mezcla completa; existe también el modelo para flujo disperso):
 

donde N₀ es el número de coliformes fecales de entrada (afluente) y N_E es el número de coliformes fecales de salida (efluente); k_d es la constante de decaimiento de primer orden y t (letra griega tau) es el tiempo de residencia del líquido en el sistema (volumen dividido por flujo).

La constante de decaimiento, como se ha descrito, se puede medir en un sistema batch. Diversas investigaciones ha llevado a establecer una relación clara entre la tasa de decaimiento de los CF y la temperatura. Bastará medir la constante a 20 ºC y a otra temperatura (típicamente 15 ºC) para encontrar un parámetro de ajuste, q, y establecer k_d = k₂₀×q^(T-20), con T en grados centígrados. Con todo lo anterior, se puede, ciertamente, diseñar cualquier aplicación de remoción de bacterias si se conoce su constante de decaimiento.

Como dato de referencia, el sistema de lagunas Esmeralda (EMOS S.A.), que consta de dos lagunas en paralelo seguidas por una tercera en serie con las dos primeras, trata el afluente de 12.200 habitantes, a un caudal medio de 22,6 L/s. Ocupa un área de unos 60 mil m² de lagunas a una profundidad de 1,8 m. Los tiempos de residencia diseñados eran de 19,1 y 18 días para las dos lagunas primarias y de 11,4 días para la secundaria.

Desde el punto de vista del tratamiento de las aguas servidas, que son colectadas en el alcantarillado, las descargas industriales que se viertan al alcantarillado público no deberían contener especies que pudiesen resultar nocivas para el sistema microbiano que se establece en las plantas de tratamiento. Es decir, una descarga industrial a alcantarillado no debiera interferir con los procesos aguas abajo. Tampoco serían aceptables las descargas de especies que impidan la reutilización de las aguas por causa de elementos que, cruzando incólumes las plantas de tratamiento, impidan su uso, p.e., para riego. Por otra parte, tampoco sería aceptable descargar elementos que precipiten en los ductos de aguas servidas o que los corroan.

Desde un punto de vista biológico, es importante contestar el cómo saber si una descarga resultará nociva para los tratamientos aguas abajo; qué elementos pueden cruzar las plantas de tratamiento y ser luego nocivos para el suelo o para quienes consuman los vegetales regados con esas aguas; qué indicadores de contaminación industrial se pueden utilizar; qué límites se deben fijar para la descarga de cuales elementos. Son todas preguntas que la sociedad ha contestado con diversos argumentos, diversas orientaciones y, sobre todo, muy diversos métodos técnicos y plataformas políticas.

1. Descargas Orgánicas

 

Se ha reseñado que los materiales descartados de cualquier proceso pueden ocurrir en diversas fases. Sin embargo, la fenomenología natural es tal que - finalmente, luego de muy diversas interacciones - los descartes llegarán a la fase líquida (por medio de lluvias, arrastre, solubilización, etc.). Así como muchos materiales disueltos en agua pueden resultar útiles para el desarrollo de microorganismos, otros elementos pueden resultar definitivamente nocivos; sin duda que una cantidad importante de especies disueltas que resultan nocivas para algunos microorganismos pueden resultar benéficas para otros, en este caso se observa más bien un desequilibrio en las especies microbianas dominantes, llegando incluso a determinar los tipos de peces que pueden estar presentes.

Además, tanto los nutrientes en exceso como los inhibidores pueden resultar nocivos para las especies microbianas. La excesiva descarga de nutrientes (nitrógeno, fosfato, sales, etc) tanto como la descarga de compuestos orgánicos promueve un exceso de actividad celular, a un punto tal que todo el oxígeno atmosférico que se disuelve en el líquido es rápidamente consumido por los microorganismos que habitan el primer par de centímetros de la superficie del agua, produciendo condiciones anóxicas, con el consecuente desarrollo de microorganismos anaerobios; los anaerobios son molestos pues tienden a producir compuestos malolientes. La descarga de inhibidores de las poblaciones microbianas típicas de un cauce sano imposibilitan su desarrollo a la vez que podrían promover el desarrollo de especies no deseables. La figura 9 sintetiza, en términos muy globales, como el alto consumo de oxígeno genera condiciones anóxicas en un río que recibe descargas orgánicas y/o de nutrientes; el oxígeno atmosférico se disuelve en el líquido (oxígeno disuelto) a una tasa regulada por las propiedades de transporte del líquido; el oxígeno disuelto es utilizado por los microorganismos aerobios para metabolizar los orgánicos y los nutrientes y generar más células; el número de células llega a ser tan alto que el oxígeno no alcanza a penetrar más que unos pocos centímetros; así, el oxígeno se hace deficitario y se pueden desarrollar los anaerobios; producto de la digestión (aeróbica y anaeróbica) a lo largo del cauce, la carga excesiva es consumida y se logra restablecer el nivel de oxígeno disuelto original.

El modelo matemático de la tasa de transferencia de oxígeno (en un río por ejemplo, si bien la misma expresión es válida para un reactor) conformaría una expresión del tipo:

donde O₂ expresa la concentración de oxígeno, el subíndice "L" expresa la fase líquida, el superíndice "sat" expresa la concentración de saturación en el líquido, la constante de proporcionalidad de la tasa de transferencia global se expresó como "k_La" y el consumo de oxígeno se reflejó como una tasa de consumo celular de oxígeno, g_X, que refleja el consumo por unidad de células, cuya densidad se expresa por la letra "X". En general, utilizaremos los paréntesis cuadrados para expresar concentración, es decir, masa (o número, para el caso de células) por unidad de volumen.

Se debe recordar que la solubilidad del oxígeno, cuyo valor de equilibrio es [O₂]^SAT, es una función tanto de la presión parcial del oxígeno (o del gas a transferir) como de la temperatura. Para conocer el valor de equilibrio de un gas en un líquido se suele recurrir a la constante de Henry, que establece que la concentración de una especie en fase líquida es directamente proporcional a su presión parcial en fase gas; pero, la constante de proporcionalidad es función de la temperatura. La concentración de equilibrio del oxígeno disuelto, a una misma presión parcial del gas, aumenta al reducirse la temperatura.

Así las cosas, se puede observar que un aumento de la densidad celular, significará un mayor requerimiento de transferencia de oxígeno. Claro está que para un sistema dado (un río caudaloso, por ejemplo) la constante de transferencia es fija, pues no se puede manipular el área de contacto ni ninguna otra variable de operación. La descarga de orgánicos, en tanto, produciría un aumento de densidad celular pues habrá más substrato, y así, se producirá una baja en la concentración de oxígeno disuelto.

Nota: habitualmente es posible modelar el desarrollo celular en función de ecuaciones de tipo Monod, con respecto al substrato limitante. Si, por ejemplo, la concentración de orgánicos fuese limitante, y se representa por la variable "S", se podrá observar una velocidad máxima de crecimiento (que corresponde a un caso en que el substrato limitante está en concentración infinito) representada por m_MAX, y a valores intermedios una asíntota del tipo:

donde, además, se deben considerar las tasas a las que entran y salen células del sistema (un sistema tanque, o batch, no tendría el último término ya que el flujo Q es cero, sin importar el volumen V).

1. Regulación de la Descarga de Orgánicos
 

De hecho, la regulación ambiental suele limitar la Demanda Bioquímica de Oxígeno (es decir, precisamente, los requisitos de disolución de oxígeno para respiración aerobia celular impuesto por una descarga) más que una limitación de los orgánicos específicos o globales. De esta manera, enfrentamos un segundo parámetro (agregado a la limitación de descarga de coliformes fecales) grueso, muy general, que busca reflejar el eventual impacto más que conocer las características detalladas de la descarga.

La Demanda Bioquímica de Oxígeno, abreviado como DBO, se debe medir en un plazo tal que permita el desarrollo de la microbiología aerobia asociada a la muestra, ya que una medición muy breve sólo observaría la fase de retardo, en la cual puede haber muy poca respiración. Idealmente, se debiera buscar que la muestra llegue a la fase de crecimiento logarítmico (o exponencial). Si bien es ampliamente discutible cual debiera ser ese tiempo (y de hecho se ha discutido mucho) las normas chilenas han adoptado el estándar de medición en cinco días, de allí el término DBO₅.

En particular, la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) especifica la cantidad de oxígeno disuelto (en miligramos por litro) que sería necesario para degradar la carga orgánica de una muestra, mediante la acción de microorganismos. Es de interés comprender como se determina la DBO, en un test que toma cinco días (de allí el término DBO₅).

• -En una jarra de vidrio de 300 mL (la botella de DBO, puede ser visto también como un reactor estático o batch) se vierten 300 mL de muestra, saturada en oxígeno y con un cultivo de microorganismos variados, capaces de digerir aeróbicamente la carga orgánica (en muchos casos se agrega un cultivo estándar).
• -La jarra se incuba a 20ºC durante 5 días, al final de los cuales se mide el oxígeno remanente. Por diferencia se determina el oxígeno consumido por los microorganismos para degradar materia orgánica de la muestra. Naturalmente, no toda la carga orgánica habrá sido degradada
 
A partir de la DBO₅ se estima la DBO terminal, la que será, generalmente, un 30 a 40% mayor que la DBO₅. Este valor determina el requerimiento de oxígeno que presenta un caudal particular. Esta cantidad de oxígeno debiera ser entregada al sistema líquido en el plazo en que la carga debe ser digerida. Este es el punto en que una carga orgánica puede ser excesiva. Sea, por ejemplo, el caso de un río. El transporte de oxígeno desde la atmósfera será determinado por las propiedades de transporte desde la atmósfera (con una presión parcial dada de oxígeno) a la fase líquida; usando una de las teorías más simples de transporte, la tasa de transporte de oxígeno desde la atmósfera al líquido será proporcional a la fuerza motriz dada por la diferencia entre la concentración de máxima posible de oxígeno en el líquido (la concentración de saturación, C^*) y la concentración actual (C); la constante de proporcionalidad está determinada por el área de contacto entre gas y líquido (a) y una constante de transporte que denominaremos k_l:

La población microbiana, a su ves, consume oxígeno a una tasa que es proporcional al número de células presentes (suponiendo una sola cepa, se hablará de la tasa de respiración, r). La población es mixta para el caso de un río, pero como elemento conceptual, se puede considerar una variable X que representa las células aerobias y una tasa de respiración r, por unidad de X. Así, el consumo de oxígeno disuelto en la fase líquida estará dado por:
 

La población, X, a su vez estará regida por ecuaciones de crecimiento que dependen del sustrato (S) que consumen, mediante ecuaciones del tipo Monod, donde la tasa de crecimiento (aumento de microorganismos) está dada por una parábola que depende de una velocidad máxima de crecimiento (µ_max) y por una constante de afinidad con el sustrato (K_s):
 

Naturalmente, la ecuación de crecimiento de Monod recién descrita rige cuando S es el sustrato limitante. Si el oxígeno es deficitario, será necesario escribir la ecuación con S representando al oxígeno disuelto y no al carbono orgánico u otro nutriente. De hecho, si la DBO₅ supera las XXX ppm (mg/L), la limitación al crecimiento será por oxígeno ya que la k_la será demasiado pequeña para la tasa de respiración que se requeriría (de allí que se deben diseñar sistemas de aireación forzada, incluso con oxígeno puro en algunos casos).

1. Relaciones entre especies

Se ha establecido precedentemente que no existe biología (que sepamos) que no requiera la fase acuosa. De allí que puede sorprender que la emisiones y los RISES puedan impactar el desarrollo de la biología del planeta; sin embargo, la química de la biosfera muestra la capacidad de la hidrosfera de solubilizar especies tanto de la atmósfera (al igual que se solubiliza el oxígeno) y de la litosfera (caso en el que preferimos utilizar el término lixiviación en lugar de solubilización). Como caso especial, conviene tener presente que los mamíferos multicelulares (como los seres humanos) poseen mecanismos de retención del agua necesaria para la vida de cada una de sus células componentes y, además, de sistemas específicos de transferencia de gases (como el oxígeno y el bióxido de carbono).

Si bien una descripción exhaustiva de las relaciones entre especies está fuera de alcance, será útil aquí desarrollar un ejemplo que permita describir cómo el impacto de una descarga sobre una sola especie puede alterar el equilibrio que ésta tiene con otras. En particular

1. Introducción a la Ecología
1. ¿Cómo vemos la tierra los seres humanos?

Es útil revisar las diversas formas en que la humanidad se ha posicionado en relación con la Tierra y la naturaleza. Una obra de gran interés para quienes deseen profundizar estos aspectos, es el libro GAIA, la Tierra Inteligente.

En el Egipto antiguo se veneraba, entre otros, a Isis, diosa de la Tierra, quien -de acuerdo a las inscripciones recientemente descifradas- proclamaba:

"Soy la Naturaleza, la Madre universal, señora de todos los elementos, hija primordial del tiempo, soberana de todas las cosas espirituales, reina de los muertos, reina también de los inmortales, la única manifestación de todos los dioses y diosas que son..."

La teoría de la creación incluía un embrión de la Tierra, llamado bnnt, que flotaba en las aguas prístinas, que generó un túmulo (cerro) de donde nacieron los primeros seres vivos. En ese túmulo se construyó un templo, poseedor de vida propia.

Cultivaron también la alquimia, a la que denominaban Tierra negra.

Para el Judaísmo, en el Zohar (Libro del Esplendor), se declara:

"Porque no hay ningún miembro en el cuerpo humano que no tenga su equivalente en el mundo en conjunto. Porque del mismo modo que el cuerpo del hombre consiste en miembros y partes de varias categorías... que reaccionan unos a otros para formar un solo organismo, también el mundo en general consiste en una jerarquía de cosas creadas, que cuando actúan y reaccionan de manera apropiada unas a otras forman literalmente un sólo cuerpo orgánico."

Además, la Tierra creció desde su centro: el Monte Sión, en Jerusalén:

"El Ser Santo creó el mundo como embrión. Del mismo modo que el embrión avanza a partir del ombligo, así empezó Dios a crear el mundo desde su ombligo hacia afuera, y desde allí se extendió en diferentes direcciones"

Durante el desarrollo filosófico en Creta (1400 a.de C.), creían en una poderosa deidad femenina, Gea o Gaia.

Homero (850 a. de C.), en el himno XXX plantea:

"La Tierra es la Madre de todo, el más anciano de todos los seres".

Aun más, en la obra Teogonía de Hesíodo encontramos: "Ante todo nació el caos y luego Gaia, la del amplio seno, firme seno de todas las cosas para siempre."

La Tierra era a la vez útero y tumba de la Humanidad. Con ello se capturaba la observación empírica de que todo lo vivo, al morir, llega a la Tierra y ésta la recircula hacia nuevas formas de vida.

Los filósofos griegos (siglo VI a. de C.) tuvieron un profundo impacto sobre la filosofía moderna. Sin embargo, su concepción de la relación hombre-tierra no sobrevivió exactamente y sólo recientemente la ciencia oficial rescata algunas de sus concepciones. Por ejemplo, para Tales (pre-socrático) "el mundo y la vida se penetran mutuamente, muchas de las partes del mundo que parecen inanimadas son, en realidad, animadas"

Según Hipócrates (460 a.de C.): "hay una corriente común, una respiración común, todas las cosas se encuentran en simpatía. El conjunto del organismo y cada una de sus partes funcionan en conjunción con el mismo propósito".

Pitágoras (500 a.de C.) postula una "tierra como un ser íntegro, inteligente y vivo" (reciclaje vital, transmigración de las almas: reitera idea de la tierra como el vehículo de perpetuación de la vida).

Platón, un siglo más tarde, en el Timéo, proclama que la Tierra misma anima toda la vida del planeta, por medio de una inteligencia cósmica. El mundo es "ese ser vivo del cual todos los demás seres vivos son individual y genéricamente porciones".

El mismo Platón, en su conocida obra La República plantea que: "La Tierra siendo tu madre te parió. Ahora, como si tu tierra fuera tu madre y tu nodriza deberías pensar en ella".

Teofrasto (300 a.de C.), plantea que hay un entorno óptimo para cada organismo vivo, un oikos topos, que proporciona la combinación de nutrimiento, seguridad y bienestar más beneficiosa para la supervivencia. Oikos es la raíz del término ecología (logos: estudio), el estudio de las interacciones armónicas entre organismo y entorno.

Los romanos heredaron de los griegos un profundo respeto por la Tierra. Cicerón proclamó: "El mundo es un ser inteligente y, de hecho, también un ser sabio."

El onfalos (ombligo del mundo) estaba situado en el templo de Vesta, en el Foro romano.

En la era moderna, se concibe que vivimos en una interface formada por la era industrial y la era informática. Las actividades industriales se iniciaron dentro de este contexto de muy diversas creencias que apuntaban a una tierra viva. Los indígenas eran forzados a trabajar, por ejemplo, en actividades mineras, asunto que les planteaba graves contradicciones ideológicas y religiosas.

Por ejemplo, un indio americano explicó en los siguientes términos por qué le repugnaba la minería:

"¿Me piden que excave en busca de piedras? ¿Debo excavar debajo de la piel de mi madre en busca de sus huesos? Entonces, cuando muera no podré entrar en su cuerpo para nacer otra vez."

Hasta el siglo XV la apertura de una nueva mina iba acompañada de ceremonias religiosas en las cuales los mineros ayunaban, rezaban y cumplían ritos, solicitando simbólicamente a la Tierra permiso para extraer sus tesoros, al igual que se realizaban ritos para solicitar a los dioses una buena cacería.

La filosofía de una tierra que forma parte de la vida, tampoco es ajena a nuestra nación. Los Mapuches (gente de la tierra) se subdividen en Picunches (del Norte), Araucanos y Pehuenches (hombres del pehuén o araucaria). Como su nombre lo indica, se consideran a si mismos parte de la Tierra. La Tierra es para ellos una poderosa deidad.

Una de las ceremonias centrales es el Guillatún; ceremonia anual donde solicitan a la Tierra que les brinde buenas cosechas. El hombre se sitúa debajo de la Tierra, reconociendo la superioridad de esta.

Para los Pehuenches, el árbol que les da el nombre, el pehuén o araucaria, es sagrado y debe ser venerado. Es interesante destacar que la araucaria es un árbol complejo, de reproducción sexuada (cada árbol tiene un género determinado).

En contradicción con todo lo revisado anteriormente, nuestros tiempos, la Era o Civilización cristiana occidental, tiene una visión que resultó muy útil a la era industrial.

En el Génesis se especifica que Jehová instruyó a Adán y Eva en términos de:

"(versículo 28.) Sean fecundos y multiplíquense. Llenen la tierra y sométanla, manden a los peces del mar, a las aves del cielo y a cuanto animal viva sobre la tierra.

(versículo 29.) Yo les entrego para que ustedes se alimenten toda clase de hierbas, de semilla y toda clase de árboles frutales. A los animales salvajes, a las aves de los cielos y a cuanto ser viviente se mueve en la tierra, les doy para que coman pasto verde."

i.e., la actitud hacia la tierra, en términos históricos, ha ido cambiando según lo registra el recuento de las deidades y creencias a lo largo del camino.

Sin embargo, nuestra interpretación actual de la fenomenología, basada en los más cautos enfoques científicos, vuelve a acercarse a la noción de una tierra que, si bien puede no estar viva de acuerdo a la definición de vida que se adopte, se interrelaciona profunda e indisolublemente con todo los vivo, no sólo la especie humana.

La rama científica que mejor captura este nuevo enfoque es la ecología.

1. Producción Primaria de la Tierra

Alguna conclusiones importantes:

• Se observa que las productividades primarias, en promedio, por ecosistema está en la secuencia: Selva Tropical = Pantanos > Lecho marino >Bosques temperados
• Se puede intuir que la temperatura es clave, puesto que incide sobre las productividades (en general, el clima resulta importante). Los pantanos, por otra parte, tiene tanto nutriente que se desarrollan procesos anaerobios.
• Efecto del agua es evidente
• Océano NO es una gran fuente de recursos alimenticios porque su productividad total, de 55*10⁹ ton/año, se encuentra distribuida en una gran superficie y el esfuerzo de captura aumenta porque los productos están en profundidad (no así la producción primaria, que debe recibir radiación solar y, por ende, sólo se encuentra en la superficie).
• El total de la producción de continentes (155*10⁹ ton/año) triplica la producción oceánica y está en menor superficie (su densidad productiva es mayor); además la captura es en superficie.

1. Flujos energéticos en ecosistemas NO primarios

Pero, el consumo metabólico fue de 970 KJ/m²/año, para el propio sostén de los productores primarios (respiración, reproducción, etc).

Se midió, a continuación, que el consumo por herbívoros fue de 630 KJ/m²/año y que el consumo metabólico de los herbívoros fue de 125 KJ/m²/año (los herbívoros caminan mucho para consumir vegetales).

Por otra parte, al final de la secuencia de flujo energético, se observó que el consumo de carnívoros (que consumen herbívoros) conforma un total de 125 KJ/m²/año.

Se establecen, de esta manera, las cadenas alimenticias, con niveles tróficos que se conectan en serie pues en este análisis no se considera la participación de microorganismos que reciclan energía y materiales. La cadena aquí caracterizada sería constituida por productores primarios hasta carnívoros, pasando por lo herbívoros:

los que forman CADENAS ALIMENTICIAS en las que se observa que

• Cada "ser" depende del anterior en la cadena para sus propio sustento (energía). La posición de cada cual en la cadena se llama el nivel Trófico.
• El flujo de Energía es unidireccional.
• A lo largo del avance de nivel trófico, la energía ya no está disponible en ese mismo nivel. Debido a las disipaciones de energía y al consumo metabólico, se constituyen las pirámides alimenticias, que para un sistema simple se podría observar:

De este caso se puede decir que

• un carnívoro consume muchos herbívoros
• cada herbívoro consume varias veces su propio peso en masa de autótrofos.

1. Bioacumulación o Biomagnificación

 

 

Agente	DDT (ppm)	Factor de Concentración
Agua	0,00005	1
Plankton	0,04	800
Mino (pez)	0,094	18.800
Pejerrey	1,33	26.600
Carpa (pez)	3,91	78.200
Gaviota	6,00	120.000
Pato	22,80	460.000

El DDT llega a los lagos por drenaje desde tierras agrícolas, por acarreo aéreo de sprays o por intentos directos de aniquilar mosquitos en el lago.

Se observó una caída rapidísima de muchas especies de aves (los hidrocarbonos clorinados interfieren el metabolismo del calcio... los huevos fueron demasiado frágiles)... y

Desde un punto de vista regulatorio ambiental, la especie humana, como seres vivos, ocupamos un nivel trófico determinado y el problema que enfrentamos es que

 

Los Humanos Estamos en los más altos niveles tróficos de la pirámide alimenticia

1. Limnología (algunas definiciones)

Organismo Béntico: planta o animal que vive cerca de (o en) el fondo de lagos, ríos, esteros u océanos.

El Epilimnio es la parte superior de las aguas de un lago (aguas quietas)

La Zona Eufótica es la que recibe suficiente luz como para que se pueda realizar la fotosíntesis

El Hipolimnio es la sección profunda, donde la temperatura del agua no cambia a lo largo del año

Plankton: Organismo flotante (nadador libre). El Fitoplankton comprende especies de plantas y algas, el Zooplankton comprende animales (pequeños) como crustáceos, filtradores y protozoos.

El Metalimnio es la región a media profundidad donde se producen los gradientes de temperatura y de oxígeno disuelto.

Un ecosistema definido por "un lago" es conceptualmente pobre puesto que ingresan muchos materiales por aguas de infiltración y por lluvias. Los ecosistemas, para ofrecer balances energéticos significativos, deben ser lo suficiéntemente grandes como para que el orden de magnitud de los flujos energéticos internos excedan las entradas y salidas de energía y materiales. Una mejor definición consiste en definirse el lago y sus drenajes (conceptualmente, un estanque), además de una banda importante de tierra a su alrededor.

El plankton se desarrolla sólo en aguas tranquilas, como un lago o una represa. Las aguas de alta turbulencia (río) no permiten su desarrollo. El fitoplankton y el zooplankton se diferencian claramente. El fitoplankton está dominado, mayoritariamente, por las algas verdes, unicelulares.

En condiciones particulares, pueden producirse los Florecimientos de Algas, consistentes en un predominio de algas azul-verdes, también llamadas cianobacterias. El florecimiento algal presenta problemas de olor, sabor y color. Además, impide la operación adecuada de las plantas de tratamiento de agua potable. Se puede llegar al orden de las 8*10⁶ algas/mL.

LUZ

La penetración de la luz depende, naturalmente, de la turbiedad del agua. En aguas prístinas se observa un 1% de la radiación incidente en la superficie, a una profundidad de 45 m. En aguas contaminadas, aun sin florecimiento algal, se obtiene el 1% a tan sólo 4 m. La penetración de luz se suele medir en una escala logarítmica.

Temperatura

La temperatura favorece a unas u otras formas de vida pero, para una misma especie, regula el número de seres de esa especie que pueden sobrevivir y la velocidad de replicación de los seres.

La productividad primaria de un lago depende directamente de la estratificación térmica a que esté sujeto y del grado de agitación convectiva que se establezca.

EUTROFICACION

Eutroficado= Rico en Nutrientes (eu= buen, buena trophos= alimento, alimentación).

La eutroficación es un proceso natural de permanente incremento en la concentración de nutrientes de un lago (o cauce). El proceso natural llega a niveles notablemente excesivos en muchos años; luego los nutrientes disminuyen bajo la acción de especies que consumen el exceso y, al quedar sin nutrientes, mueren y el lago vuelve a su estado típico.

La eutroficación cultural, en cambio, puede acelerar enormemente el proceso natural, desde cientos de años a unos pocos meses. Puede deberse a aguas servidas o descargas industriales ricas en fosfatos o especies de nitrógeno orgánico, sean ellas arrastradas por la lluvia, lixiviadas o descargadas especialmente.

Los efectos más inmediatos de la eutroficación son el crecimiento excesivo de vegetación en las orillas y en la región baja, la sobre producción de algas (verdes), el florecimiento algal (azul-verdes o cianobacterias), olores, colores, sabores, ausencia de peces del agua dulce fría y todo el resto de los fenómenos ligados a estos como consecuencia del cambio de características de los productores primarios. El violento crecimiento de algas implica una alta turbiedad, que impide el paso de luz a las capas más profundas. La agitación (viento) de las aguas lleva algas a las tierras de playa; estas mueren y se pudren, aumentando los olores y los fangos resbalosos.

Se habla de lago eutrófico o eutroficado

Un lago pobre en nutrientes se dice oligotrófico

Un lago con un nivel razonable de nutrientes se dice mesotrófico

Los problemas de la eutroficación cultural:

• Efecto económico sobre la industria de deportes, de turismo, de pesca y de agua potable. Bajo nivel de oxígeno disuelto en el agua, aun a escasa profundidad.
• Crecimiento excesivo de plantas en la rivera impide el uso recreacional. Deposición de algas en la rivera produce putrefacción y olores nauseabundos.
• Florecimiento algal ya descrito.

La reducción de descargas eutroficantes permite una regresión bastante rápida de los efectos (lago Eire)

CONTROL DE LA EUTROFICACION

El control se ejerce sobre los fosfatos y las sales de nitrógeno (orgánicas o no).

Las opciones de manejo dependen de si las fuentes son puntuales o no.

Fuentes puntuales:

• Tratar las aguas (p.e. servidas)
• Canalizar rodeando el lago
• Descarga a tierra (absorción)
• Remoción de nutrientes

• Prevención de erosión agrícola
• No sobre-fertilizar
• Otras medidas:
• Sulfato de cobre como algicida
• Cosecha de algas
• Oxigenación forzada