NICI Plans Progress Review

Vulnerabilidad de los acuíferos frente a la contaminación por nitratos y nitritos

La vulnerabilidad de un acuífero frente a la contaminación del agua subterránea es una propiedad del acuífero, cualitativa, relativa, no medible y adimensional. La exactitud de la evaluación de la vulnerabilidad depende, sobre todo, de la cantidad y calidad de los datos, de su fiabilidad y representatividad.

De forma genérica, el cálculo de la vulnerabilidad de un acuífero se puede realizar cualitativamente, estableciendo una categorización (por ejemplo, vulnerabilidad muy alta, alta, media, baja) y agrupando el subsuelo del área de estudio en categorías de acuerdo con una tabla que recoja consideraciones tales como permeabilidad, espesor, capacidad de atenuación y fracturación, matizando estas valoraciones con otros datos, como por ejemplo, la profundidad del nivel freático. De aquí se obtendrían unas categorías para cada punto analizado, con un alto grado de subjetividad, pudiendo variar de un punto a otro según el autor. No obstante, lo más adecuado sería buscar

un valor numérico que se base en consideraciones lo más cuantificables y objetivas posibles.

El grado de vulnerabilidad de los acuíferos frente a la contaminación por nitratos depende de: factores de carácter endógeno, características lito estratigráficas del acuífero, espesor, textura, naturaleza geoquímica, contenido de materia orgánica, permeabilidad, grado de figuración, factores de carácter exógeno, características de la carga contaminante, forma de incorporación del contaminante al terreno, régimen pluviométrico y su relación en zonas de cultivo con los sistemas de abonado y riego, temperatura del agua que se infiltra, condiciones de construcción de los pozos de explotación.

Los factores endógenos son los que más influyen en el control del tiempo de residencia del ión nitrato en el terreno y de las reacciones, físico-químicas que van a tener lugar en el mismo y que, en definitiva, van a condicionar el avance del frente de contaminación una vez pasada la zona radicular. Por ejemplo: la roca granítica (plutónica). En formaciones poco permeables, de naturaleza plutónica o metamórfica, en las que se localizan acuíferos libres, dispersos, de escasa potencia y poco productivos, el contenido en nitratos puede llegar a alcanzar valores elevados en zonas de importante actividad agrícola o ganadera de tipo extensiva. Sin embargo, y debido al alto poder de renovación del agua en el acuífero, la recuperación de la calidad del mismo se puede lograr en poco tiempo, una vez eliminada o reducida la fuente contaminante.

En las formaciones sedimentarias, cuyas aguas se explotan en grandes volúmenes, la percolación a través de la zona no saturada, favorecida bien por su elevada permeabilidad, bien por su reducido espesor o bien por la acción combinada de ambos factores, se traduce en una progresiva acumulación de contaminantes.

El enriquecimiento de las aguas subterráneas en nitratos no es consecuencia obligatoria de la migración vertical, sino que sobreviene cuando esta última excede de un valor límite en función de las condiciones locales. La constatación de esta concentración creciente señala un desequilibrio en la relación entre la planta, el suelo y el agua, cuya causa debe buscarse en el contexto de un balance de nitrógeno asociado al sistema de cultivo en cuestión.

En zonas semiáridas los niveles piezométricos descienden durante las épocas de bombeo y riego y se recuperan durante la estación húmeda. El ascenso piezométrico durante la recarga provoca la mezcla del agua de la zona saturada y no saturada. Este ciclo se repite cada año y se extrema en años de sequía o de precipitaciones anormalmente altas. La estratificación de los nitratos en la zona no saturada se desplaza en los ascensos piezométricos a la zona saturada, produciéndose una mezcla de niveles distintos de concentración. Así, se pueden advertir incrementos en las concentraciones en algunos casos con posterioridad al período de recarga. En aquellos casos en los que se está produciendo bombeo de agua mediante pozos, el agua describe un movimiento vertical que arrastra los nitratos disueltos. En el caso de retornos de aguas de riego se provoca un incremento de la concentración por efecto de reciclado. Por su parte, los bombeos intensivos, debido a las depresiones piezométricas puntuales, pueden dar lugar a que el agua cargada de nitratos descienda a niveles más profundos.

La general lentitud con la que evoluciona el proceso contaminante obedece a varios factores:

- Acciones de oxidación-reducción: éstas tienen lugar predominantemente durante la infiltración en medio no saturado, aunque también puede producirse en el medio saturado mientras no se consuma el oxígeno disuelto en el agua. Cuando el oxígeno

es escaso o inexistente se producen fenómenos anaerobios en los que se consume materia orgánica a expensas de reducir nitratos, produciéndose NH4+, N2, etc.

- Procesos de adsorción y absorción: la retención por el terreno en realidad es sólo una disminución de la velocidad de circulación y puede ser temporal o permanente. - Procesos bioquímicos: juegan un importante papel, en especial en la zona no

saturada. Están muy ligadas a los de oxidación-reducción.

- Procesos de dilución: son especialmente importantes en casos de contaminación extendida.

Con frecuencia la contaminación por nitratos procede principalmente de fuentes no puntuales o difusas que se caracterizan por una gran cantidad de puntos de entrada de la contaminación en el terreno y por la dificultad que supone hacer una localización precisa de las zonas donde se produce la entrada de los contaminantes. Las fuentes de contaminación por nitratos en suelos y aguas (superficiales y subterráneas) aunque pueden ser muy diversas, se asocian mayoritariamente a actividades agrícolas y ganaderas, aunque en determinadas áreas, también pueden aparecer asociadas a ciertas actividades, especialmente las relacionadas con el sector agrícola. No obstante, también existe una contaminación por nitratos de tipo puntual. En este caso la fuente de contaminación es más fácil de identificar ya que se suelen localizar en zonas de extensión restringida y frecuentemente se asocian con vertidos urbanos o industriales.

Fuentes de nitrato:

Aporte en el agua de lluvia de formas nitrogenadas (en general, el aporte de nitrato derivado del agua de lluvia en condiciones naturales frente a las demás fuentes de nitrato es inapreciable).

Fenómeno de nitrificación

Actividades agrícolas: Fertilizantes inorgánicos y orgánico (El uso indiscriminado de fertilizantes solubles vía fertirrigación durante varios años, tal y como suele tener lugar en las producciones intensivas, origina concentraciones muy altas de nitratos en el suelo y consecuentemente, eleva de forma notable el riesgo de lixiviación de nitratos.

Uso excesivo de purines

Herbicidas y pesticidas que contienen nitratos. Fertilización por fertirrigación.

Actividades ganaderas: Almacenamiento de estiércoles. Actividades industriales y urbanas: Vertidos efluentes Aguas residuales

Son numerosos los diferentes compuestos de nitrógeno que se pueden formar en las distintas fases que componen el ciclo del nitrógeno. Como hemos visto, aunque algunos de ellos tienen una procedencia natural, la formación de muchos de estos compuestos se ve fuertemente incentivada de forma artificial, debido a la acción del hombre, constituyendo importantes fuentes de contaminación, tal es el caso de los nitratos.

De forma más detallada, los diferentes compuestos del nitrógeno pueden proceder de la atmósfera, del suelo y de las aguas.

Antrópico / NO (óxido nítrico) /Quema de combustibles fósiles y otros tipos (p. ej., biocombustibles). NO2 (dióxido de nitrógeno -Nitrito); NO3 -(nitrato), NH4+ (amonio).

Industrias, Automóviles

Natural / NO2 (dióxido de nitrógeno) / Descargas eléctricas + N2, NH3+ (amoniaco)

Volatilización del NH4+ / Volcanes

Óxidos de nitrógeno (NO), Compuestos del nitrógeno que se forman sobre todo por la oxidación del nitrógeno atmosférico.

Puede tener un origen:

Natural: incendios forestales, basuras.

Antrópico: quema de combustibles fósiles (gasolina, gas atural, gasoil, carbón) tanto en industria como en los automóviles; quema de otros combustibles (por ejemplo biocombustibles).

Los óxidos de nitrógeno se emiten, mayoritariamente, como óxido nítrico (NO), que posteriormente se transforma en dióxido de nitrógeno (NO2)- Nitrito. Favorecen la

formación de ozono troposférico, en la parte más baja de la atmósfera, donde se encuentra en cantidades muy pequeñas de forma natural, especialmente cuando la mezcla de determinados contaminantes emitidos por la industria o el tráfico (esencialmente dióxidos de nitrógeno y compuestos volátiles orgánicos) reacciona con la luz solar. Aunque el óxido nítrico destruye el ozono troposférico, el NO2 en que se

transforma, contribuye a su formación. Además, el dióxido de nitrógeno (NO2)

combinado con la humedad del ambiente, es uno de los gases contaminantes responsables de la lluvia ácida y del mal de la piedra (NO3H2). Son un buen ejemplo

de cómo un contaminante presente en la atmósfera puede afectar a cursos de agua y almacenamientos de agua potable subterránea, impactando por diversas vías a la salud humana.

En el suelo, gracias a la acción bacteriana, la materia orgánica se transforma, descompone o degrada hasta mineralizarse dando lugar a un conjunto de compuestos estables, amorfos y coloidales conocidos como humus. El humus está constituido por huminas (fracción insoluble), ácidos húmicos (material orgánico de color oscuro insoluble en ácidos) y ácidos fúlvicos (material sobrante en la solución una vez que se han extraído los ácidos húmicos por acidificación, soluble en álcalis y ácidos). El humus influye en la capacidad del suelo para retener y poner a disposición de la planta tanto aniones como cationes. Los ácidos fúlvicos y húmicos condicionan la capacidad de intercambio catiónico y por tanto marcan la disponibilidad de nitrógeno en forma amoniacal en el medio, mientras que las huminas condicionan la capacidad de intercambio aniónico y por tanto la disponibilidad de nitrógeno en su forma nítrica. Los horizontes acuíferos freáticos (aguas sin presión), están relacionadas con la denominada zona de origen de las aguas subterráneas (zona de hidrogénesis). Por las condiciones litológicas de esta zona que coincide con la corteza de intemperismo o zona no saturada, en la misma se presentan altas permeabilidades en los sedimentos o rocas acuíferas y en ellas influyen directamente las características y fenómenos que se desarrollan en el medio ambiente superficial y en los suelos (capa vegetal), por ser este el primer acuífero a partir de la superficie del terreno.

De lo antes expuesto se desprende que los horizontes acuíferos freáticos están generalmente en estrecha relación con las aguas superficiales de origen fluvial y pluvial, incluyendo las de riego, y por ello, con los fenómenos químicos y biológicos que se desarrollan en la capa vegetal (suelos) y en la zona no saturada.

Los compuestos nitrogenados presentes en las aguas naturales están íntimamente relacionados con el ciclo del nitrógeno. La mayor parte del nitrógeno aparece en forma gaseosa en la atmósfera (78 % en volumen), en forma oxidada constituye una

relativamente importante fracción en los suelos y sustancias orgánicas (tejidos de animales o vegetales que lo extraen de la atmósfera para su metabolismo). En las rocas, sin embargo, solo se presenta como elemento minoritario.

El nitrógeno puede aparecer en forma de NH3 (ácido nítrico), NH4 (amonio) y por

oxidación, estas formas reducidas pueden transformarse en NO2 y finalmente en NO3

que es la forma más usual y estable. Los procesos de oxidación reducción de las especies nitrogenadas por fenómenos biológicos y en consecuencia, los productos finales del número y tipo de organismos que intervengan en ellos.

Generalmente, el NH4 o el amoniaco libre, aparecen solo como trazas en aguas

subterráneas, aumentando su concentración cuando el medio es fuertemente reductor. Este compuesto es el producto final de la reducción de sustancias orgánicas o inorgánicas nitrogenadas que naturalmente se incorporan al agua subterránea. Dado que la presencia de amonio favorece la multiplicación microbiana su detección en cantidad significativa en el agua se considera como indicio de probable contaminación reciente.

El ión nitrito puede estar presente en las aguas, bien como consecuencia de la oxidación del NH3 o como resultado de la reducción o no reducción microbiana de los

nitratos. Su presencia en el agua debe considerarse como un indicio fundado de una posible contaminación reciente (dada su inestabilidad) y tal vez de la impotabilidad del agua debido a la toxicidad de este ión.

No obstante la sola presencia de nitrito y amonio en el agua subterránea no debe ser considerada como resultado de una contaminación, sin analizar las posibles causas de su presencia, dado que en un acuífero las condiciones de oxidación no son siempre favorables y estos iones, incorporados de manera natural al acuífero, pueden mantenerse durante cierto tiempo en el equilibrio con su forma oxidada, el nitrato. Los nitratos pueden estar presentes en las aguas subterráneas, bien como resultado de la disolución de rocas que los contengan, lo que ocurre raramente, bien por la oxidación bacteriana de materia orgánica. Su concentración en aguas subterráneas no contaminadas raramente excede de 10 mg/l. El origen de los nitratos en las aguas subterráneas no siempre puede esclarecerse. Estos son relativamente estables pero pueden ser fijados por el terreno o ser reducidos a nitrógeno o amonio en ambientes reductores. A menudo son indicadores de contaminación alcanzando entonces, elevadas concentraciones y presentando por regla general una estratificación clara con predominio de las mayores concentraciones en la parte superior de los acuíferos libres o freáticos.

Los horizontes acuíferos freáticos en territorios del trópico y subtrópico, donde existen altas temperaturas y abundantes precipitaciones atmosféricas, están expuestos a una fácil contaminación de origen orgánico, tanto por la descomposición de la materia orgánica que se encuentra en los suelos como por residuos fecales de origen animal o humana que de forma directa o indirecta se depositan en la corteza terrestre.

Durante la estancia de la materia orgánica en la zona no saturada (incluyendo el suelo) y posteriormente en la zona de saturación, esta sufre toda una serie de transformaciones en forma escalonada, influenciada por la acción de bacterias y microbios que habitan esta zona, las albúminas compuestas se transforman en aminoácidos, posteriormente en amonio (NH4), luego en nitritos (NO2) y al final en

nitratos (NO3).

-

NH4+ + 2 O2---NO2 + H2O

2 NO2- +O2 ----2 NO3­

Este proceso de transformación de la materia orgánica es muy complejo, en el mismo participan bacterias oxidantes llamadas nitro bacterias. La velocidad de ejecución de

esta transformación depende del grado de desarrollo de las condiciones que propician la misma. Como resultado de la transformación de la materia orgánica, tenemos que el nitrógeno pasa de compuesto orgánico a compuesto simple, soluble en el agua. La aparición de los nitritos y nitratos en el agua subterránea también puede ser de origen químico, provocado por el vertimiento de residuales industriales y por la utilización de fertilizantes orgánicos y sobre todo nitrogenados en áreas agrícolas. Puesto que las plantas solo pueden aprovechar el nitrógeno en forma de nitratos, el tipo de fertilizante aplicado condiciona la proporción de nitrógeno utilizable por las mismas y en consecuencia, la cantidad no aprovechada por las plantas se infiltra hacia el acuífero. La concentración de nitrato en el agua de infiltración depende pues del tipo de fertilizante y además de la frecuencia, cantidad y modo de aplicación, así como del nitrógeno orgánico o inorgánico ya existente en el suelo, también del grado de permeabilidad, grado de humedad y otras características del suelo.

Los nitritos de forma natural pueden encontrarse en suelos que contengan un pH superior a 7,7. Los fertilizantes nitrogenados pueden originar directamente nitritos en lugar de nitratos cuando estos son aplicados en suelos algo alcalinos a partir de un pH de 7 a 7,3; en este caso la concentración de nitritos en el suelo puede alcanzar magnitudes semejantes a los nitratos con concentración máxima hasta de 100 mg/l. El proceso de descomposición de la materia orgánica y la transformación de esta y de compuestos químicos, principalmente los nitrogenados, pueden llegar a influir notablemente en la calidad química del agua subterránea, como agua potable, con la adición o incremento de iones NO3 y NO2, de estos elementos el más nocivo es el

nitrito (NO2), su origen como ya se ha analizado puede ser por distintas causas y por

procesos geo y bioquímicos que se producen en la zona no saturada y acuíferos freáticos.

De los nitratos por reacciones reversibles puede producirse también el nitrito, debido a procesos de desnitrificación, al combinarse el nitrato con el carbono C que se libera de los procesos de descomposición de la materia orgánica, durante este proceso se libera el nitrógeno N2 y por combinación de este con el oxígeno disuelto en las rocas y

aguas, puede producirse de nuevo iones de nitrito (NO2) y nitrato (NO3).

2 NO3-+2 C2- ----N2+2CO32­

Al igual que el nitrógeno que se libera por procesos de desnitrificación, este elemento puede agregarse al agua por el lavado de los suelos. En la atmósfera existen gases como el O2, CO2 y el N2, solubles en el agua, bajo la influencia de descargas eléctricas

que se producen en la atmósfera, principalmente durante las turbonadas, el nitrógeno (N2) se une con el hidrogeno (H) y con el oxígeno (O2) formando ácido

nítrico (NH3) y nitrito (NO2), de tal forma, tanto el ácido nítrico como el nitrito diluidos

con las aguas de las precipitaciones atmosféricas llegan al suelo y por infiltración de las aguas penetran hasta el acuífero.

Por experimentos ejecutados en territorios europeos de Rusia se demostró que anualmente, por deposición a través de precipitaciones atmosféricas en el suelo, se depositan de 3 a 4,5 Kg por hectárea de ácido nítrico y nitrito. En estos procesos influyen también las llamadas lluvias ácidas en países altamente industrializados. También se ha comprobado que mientras mayor es el contenido de elementos nitrogenados, mayor será la carga eléctrica de sus partículas, de modo que se facilita la dispersión y arrastre por las aguas que se infiltran hasta la zona acuífera.

Este proceso, por las condiciones climáticas tropicales y subtropicales, puede ser un factor de gran importancia en la formación y origen de nitratos y nitritos en las aguas subterráneas freáticas; sobre este proceso tenemos muy poco conocimiento, por lo

que debe ser estudiado por la importancia que el mismo puede representar en tales condiciones climáticas y acuíferos freáticos.

Otras causas que pueden dar origen a los nitratos y nitritos lo representan algunas raíces con nódulos (tubérculos) en las cuales habitan bacterias que absorben el nitrógeno de la atmósfera y producen nitratos en cantidades superiores a las requeridas por las plantas, este exceso de nitrato puede pasar a ser componente de las aguas freáticas.

En los distintos abastos a partir de las aguas subterráneas, generalmente se utilizan las aguas de origen freático, debido a que son las aguas subterráneas que pueden ser explotadas sin grandes inversiones económicas, representan ser los acuíferos de mayor acuosidad y también debido a que por las condiciones geológicas y geográficas en muchos países son las aguas de menor salinización, aunque las mismas son las más propensas a la contaminación por materias y productos de los que se derivan elementos de alta nocividad.

Como puede observarse en la Tabla 3.5 la contaminación de las aguas subterráneas por nitrito y nitrato puede considerarse con proporciones internacionales, agudizándose la misma en los países tropicales. De los datos analizados y expuestos en la tabla anterior vemos cómo la presencia de nitratos y nitritos tiene mayor