Efecto de la carga orgánica y de nutrientes y su biorremediación en sedimentos de ecosistemas acuáticos con distintas características ecológicas

Resumen

En la presente tesis se seleccionaron como sistemas modelo de estudio dos ecosistemas acuáticos con características ecológicas muy distintas aunque con una problemática ambiental en común: la acumulación de materia orgánica en sus sedimentos (en distinto grado) como consecuencia de la actividad humana. En ambos casos se abordó el estudio tanto del efecto de la adición externa de nutrientes como de la desorción de estos desde sus sedimentos. Posteriormente se evaluó la eficacia de diferentes técnicas de biorremediación para reducir la carga orgánica y de nutrientes en estos sedimentos. El primero de los sistemas acuáticos seleccionados, la Laguna de Talayuelas, se trata de una laguna endorreica para la cual existen reportes de vertidos ocasionales de materia orgánica debido a las actividades ganaderas de su entorno, los cuales han cesado en la actualidad. El segundo lugar de estudio es un tramo de la zona media alta del Río Magro, el cual posee una enorme superficie de interacción con la cuenca circundante. Existen estudios previos que indican que el Río Magro ha recibido históricamente vertidos urbanos e industriales sin depurar, lo que ha provocado una acumulación de materia orgánica y nutrientes en exceso en sus sedimentos. Esta acumulación se da en mayor medida en algunas zonas de azudes que facilitan la retención de sedimentos y en los que se observa un comportamiento casi léntico. En los últimos años, la puesta en marcha de EDAR´s en las poblaciones que vierten a su cauce ha hecho mejorar significativamente la calidad de sus aguas. En la Laguna de Talayuelas, situada en la provincia de Cuenca, se llevó a cabo una caracterización limnológica abarcando un ciclo hidrológico. En este estudio se realizaron análisis fisicoquímicos y de nutrientes en agua y sedimentos. Se realizó un estudio de la dinámica productiva de sus poblaciones de productores primarios, tanto macrófitos como fitoplancton. Los resultados indicaron niveles bajos de nutrientes inorgánicos, así mismo, el sedimento de la laguna tuvo un contenido de materia orgánica medio y una biodegradabilidad baja, lo cual parece indicar que los impactos antrópicos sufridos con anterioridad a su declaración como microreserva no han producido una excesiva afección sobre estos. Un factor fundamental en la Laguna de Talayuelas fue la presencia y el estado fisiológico de los macrófitos, los cuales determinaron de forma muy evidente la dinámica funcional lagunar. Así, durante la primavera, los macrófitos presentaron su fase de máximo desarrollo, durante la cual extrajeron nutrientes del sedimento. Posteriormente, durante la fase estival, estos entraron en estado de senescencia y liberaron importantes cantidades de nutrientes al agua, particularmente fósforo, lo cual provocó un aumento considerable de la biomasa del fitoplancton. Este desarrollo del fitoplancton cesó posteriormente una vez el fósforo alcanzó concentraciones limitantes. En este sentido, en el patrón productivo de la Laguna de Talayuelas aparecen dos fases bien diferenciadas, una primera durante la primavera, en la que los macrófitos dominan la producción primaria, y en la cual se produce un dominio del metabolismo autótrofo. En la segunda fase, durante la época estival, la liberación de nutrientes antes mencionada por parte de los macrófitos, pero también la liberación de importantes cantidades de materia orgánica debido a la descomposición de los mismos, potencian el metabolismo heterótrofo en la laguna. El análisis de la fluorescencia de la materia orgánica disuelta (CDOM) definió la fracción autóctona como la más importante, lo cual, se puede explicar por la ausencia de entradas de agua bien definidas en la laguna de Talayuelas y la presencia de una cuenca de captación pequeña. Estos aspectos facilitan que los aportes de materia orgánica sean principalmente de origen autóctono, explicando a su vez la baja biodegradabilidad de la acumulada en los sedimentos al tratarse de restos vegetales recalcitrantes. La caracterización hidroquímica de las aguas del Río Magro se realizó en base a parámetros tales como la conductividad eléctrica, pH, dureza total, carbono orgánico total, y nutrientes inorgánicos en la forma de amonio, nitrito, nitrato y fosfato, medidos por la CHJ en el tramo del azud de San Antonio de Requena durante el periodo 2005 a 2011, punto representativo de la zona media-alta del Río Magro y próximo al tramo donde posteriormente se llevaron a cabo algunos de los estudios experimentales incluidos en esta tesis. Los parámetros y variables hidroquímicas antes mencionados fueron obtenidos de la base de datos pública de la Red de Control de Calidad de Aguas (ICA) de la Confederación Hidrográfica del Júcar. En general estos evidencian una elevada contaminación sufrida durante las últimas décadas, la cual podría verse todavía reflejada en la carga interna del río debido a su acumulación en los sedimentos del lecho fluvial. También se llevó a cabo una caracterización fisicoquímica del sedimento del Río Magro en distintos tramos de la zona media-alta para valorar la remanencia del impacto histórico antes mencionado en su lecho. Este estudio se realizó en distintos puntos de muestreo a lo largo de su cauce, en zonas ubicadas entre 10 y 40 km de distancia de la cabecera del Río Magro. Los resultados indicaron un porcentaje de materia orgánica más elevado que en los sedimentos de la Laguna de Talayuelas, lo cual confirma que la actividad humana y los aportes alóctonos han tenido un efecto más notable en el caso del río. Estos sedimentos presentaron en general una elevada biodegradabilidad, lo que mostraría su mayor susceptibilidad a generar una alta demanda de oxígeno y la consecuente anoxia en la interfase sedimento-agua, favoreciendo así la liberación de nutrientes. Los porcentajes de materia orgánica más elevados se observaron en las zonas de azudes, lo cual ratifica que, a pesar de la construcción del EDAR´S, la recuperación del sistema no se ha logrado en su totalidad. Esta circunstancia provoca que los sedimentos del Río Magro sean idóneos para realizar ensayos de biorremediación dirigidos a disminuir la carga orgánica de sedimentos con esta problemática ambiental. Una de los principales objetivos de la tesis fue la evaluación del efecto de la adición controlada de nutrientes en el estado trófico de la Laguna de Talayuelas y del Río Magro. Para el primer caso se realizó un experimento en microcosmos con sedimento de la laguna considerando la presencia o ausencia de macrófitos. Se diseñaron tres tratamientos, uno sin adición de nutrientes, uno con adición media, y otro con un suplemento alto de nutrientes. Estas fertilizaciones se realizaron de manera quincenal durante 144 días. Al igual que lo observado en el estudio limnológico antes mencionado, el experimento puso de manifiesto el papel clave de los macrófitos en la extracción de nutrientes del sedimento, los cuales posteriormente fueron liberados al agua cuando los macrófitos entraron en estado de descomposición. En este experimento se observó una clara asociación entre la senescencia de la población de macrófitos y las variables ligadas al proceso de eutrofización, favoreciendo a la producción fitoplanctónica, la cual fue incluso mayor en ausencia de fertilización externa, dónde el desarrollo previo de los macrófitos fue también mayor. Por el contrario, la eliminación experimental de los macrófitos favoreció desde un principio un incremento en la disponibilidad de amonio y materia orgánica en el agua, así como una mayor actividad del bacterioplancton. Estas observaciones sugieren que en ausencia de macrófitos se favorecería el metabolismo heterótrofo asociado a una mayor difusión desde el sedimento de algunos nutrientes y a la materia orgánica acumulada. La evaluación del efecto de la adición controlada de nutrientes y de la carga interna en el estado trófico del sedimento del Río Magro se realizó siguiendo un diseño experimental en microcosmos en el laboratorio análogo al de la laguna de Talayuelas, sólo que en este caso sin la presencia de macrófitos, debido a que estos últimos no se desarrollan en el río. Los resultados indicaron una incidencia negativa del sedimento sobre la calidad del agua, observándose además una clara evolución temporal y paulatina del proceso de eutrofización. En este caso la concentración de clorofila planctónica fue un orden de magnitud superior a la observada en la Laguna de Talayuelas, incluso en los tratamientos no sometidos a fertilización externa, en los cuales los aportes provenían únicamente de la carga interna. Igualmente, la densidad de bacterioplancton fue también más elevada, aspecto probablemente favorecido por la mayor degradabilidad de la materia orgánica presente en estos microcosmos. Otro efecto de la carga interna del Río Magro fue la presencia de materia orgánica de naturaleza proteica, siendo su presencia más importante que en el caso de la Laguna de Talayuelas. Este tipo de materia orgánica generalmente se encuentra asociada a la actividad metabólica del fitoplancton y/o el bacterioplancton, sin embargo, considerando la naturaleza y origen de los sedimentos acumulados en el lecho del río Magro, y que su presencia fue evidente desde las fases iniciales del experimento, cabe pensar más bien, que estos compuestos proteicos depositados en el sedimento provengan en parte de la contaminación urbana acumulada en el lecho, muy probablemente originarios de aportes de aguas residuales. El análisis multivariante indicó en este caso una tendencia hacia un predominio del metabolismo heterótrofo cuando no hubo adición externa de nutrientes, evidenciado por el mayor porcentaje de bacterias con alto contenido de ADN, lo cual cabe asociarse a tasas de replicación más elevadas. Inversamente, cuando los aportes externos de nutrientes estuvieron presentes, aunado a la carga orgánica del sistema, el metabolismo autótrofo adquirió una mayor relevancia. En relación a la capacidad de carga de los sistemas estudiados, se llevaron a cabo experimentos en los que se valoró el intercambio de fósforo agua-sedimento y las concentraciones de este una vez alcanzado el equilibrio (EPC0). Estos experimentos muestran en ambos casos un cierto potencial de absorción de fósforo por parte del sedimento. Coincidiendo con esto, en los ensayos de microcosmos antes mencionados se observa en las fases iniciales, como buena parte del fósforo añadido experimentalmente no es inmediatamente asimilado por el plancton, sino que queda mayoritariamente retenido en el sedimento. No obstante, esta capacidad de absorción de fósforo es menor en el caso del Río Magro, debido probablemente a su saturación por la acumulación de la contaminación histórica. Otra parte fundamental de la tesis, y en base a las problemáticas antes expuestas, fue la evaluación experimental de distintas técnicas de biorremediación en sedimentos de la Laguna de Talayuelas y del Río Magro conducentes a reducir la carga orgánica y de nutrientes de sus lechos. Para ello se llevó a cabo un experimento con un diseño parcialmente factorial en microcosmos con sedimento de ambos lugares. En el experimento se consideraron como factores la adición de un liófilo compuesto de cepas microbianas y enzimas hidrolíticas, de nitrógeno, de fósforo, de aceptores de electrones (nitrato y oxígeno) o la presencia de macrófitos en el caso de la laguna. La finalidad fue valorar en qué medida estos elementos podrían favorecer la degradación de la materia orgánica y/o la mejora del estado trófico del sistema. Los sedimentos fueron incubados durante seis meses, a la finalización de los cuales se caracterizó tanto el estado trófico del agua que cubría los sedimentos, como la variación en los niveles de materia orgánica y nutrientes en estos últimos. Los resultados fueron moderadamente satisfactorios. En el experimento con sedimento de la Laguna de Talayuelas, el análisis de componentes principales indicó que los tratamientos en los que los macrófitos estuvieron presentes se observó un menor contenido, aunque no significativo, de la carga orgánica. Por su parte, la adición del liófilo no se asoció con una disminución en el sedimento de los porcentajes de materia orgánica (MO%) y/o nitrógeno total (NT), lo cual sugiere que el uso de este liófilo en la Laguna de Talayuelas no es lo más adecuado si se pretenden potenciar procesos que conduzcan a un descenso neto de la carga orgánica o nutrientes en sus sedimentos. Por el contrario, en el caso del Río Magro, los tratamientos expuestos a dosis únicas del liófilo (80 g/m3) o menores pero fraccionadas temporalmente (40 g/m3), se asociaron a aumentos de la biodegradabilidad, expresada esta como el cociente entre las demandas química (DQO) y biológica (DBO5) de oxígeno, así como reducciones moderadas del contenido de materia orgánica. También en este caso, se observaron los porcentajes de bacterias con alto contenido en DNA (%HDNA) más elevados, probablemente por la presencia de materia orgánica más biodegradable. A la vista de estos resultados moderadamente mejores obtenidos en el Río Magro, se llevó a cabo una caracterización de la microbiota presente en los sedimentos una vez finalizadas las incubaciones. Esta se llevó a cabo mediante una amplificación por PCR con cebadores específicos de arqueas. Los amplicones obtenidos se analizaron mediante DGGE. Los perfiles de DGGE obtenidos parecen indicar que una mayor o menor degradación de la materia orgánica podría estar relacionada con un cambio en la estructura de la comunidad de arqueas, las cuales previsiblemente incluirían especies metanógenas, apuntando con ello a que podría ser la biometanización uno de los procesos partícipes de esta reducción de la materia orgánica. Los tratamientos suplementados con oxígeno o nitrato como aceptor de electrones mostraron menor asociación con las bandas vinculadas a una mayor degradación de la materia orgánica, incluso en tratamientos adicionados con el liófilo microbiano. Aunque en el sedimento del Río Magro los resultados apuntaron a un mejor funcionamiento de las técnicas de biorremediación, en cualquier caso también esta fue limitada en los ensayos de laboratorio. Los experimentos de laboratorio anteriormente citados y los análisis moleculares sugieren por tanto que en lugares como el Río Magro podría ser la potenciación de la metanogénesis lo que permitiría una reducción neta de la materia orgánica, en contraposición a la digestión aerobia de la materia orgánica o incluso a otros metabolismos anaerobios. En cualquier caso, el alcance limitado de los tratamientos en el laboratorio podría deberse tanto a problemas de escalabilidad y/o la presencia de otros factores limitantes no tenidos en cuenta, como la necesidad de tener que incluir en los tratamientos determinados precursores nutricionales. Los resultados obtenidos en esta tesis contribuyen a incrementar el conocimiento de las características biológicas, fisicoquímicas y el funcionamiento de la Laguna de Talayuelas y del Río Magro, ambos ecosistemas típicos de la península ibérica. Los resultados indican que para realizar una restauración ecológica adecuada en los ecosistemas acuáticos es fundamental conocer a priori aspectos como la carga interna del sistema acumulada en sus sedimentos, así como su efecto en la absorción/desorción de nutrientes, ya que pueden regular el nivel trófico del sistema independientemente de la existencia de aportes externos. Componentes biológicos como los macrófitos son también un elemento clave en el funcionamiento las zonas húmedas endorreicas como la Laguna de Talayuelas. En este sentido, los resultados de la tesis ponen de manifiesto su importancia en la regulación de la dinámica de nutrientes y el ciclo productivo de la laguna, pero más particularmente su importante papel en la regulación de la disponibilidad de nutrientes proveniente de la carga interna anteriormente mencionada. En base a los resultados de los ensayos de las técnicas de biorremediación microbiana, los resultados fueron más óptimos en el Río Magro, donde los resultados fueron más propicios, se puede considerar el uso de liófilos microbianos y/o enzimáticos y la adición de determinados compuestos como una herramienta adecuada para potenciar la degradación de la materia orgánica en aquellos casos en los que la capacidad auto-regenerativa del sistema esté impedida. Por razones de confidencialidad respecto al contenido de la tesis, la cual está sometida a un proceso de protección de conocimiento y para cumplir la normativa de la Universidad de Valencia, el capítulo 7 y sus respectivas conclusiones no se exponen en este documento.