¿Cómo afectan las actividades humanas y los contaminantes emergentes a la calidad del agua en ecosistemas globales?

La calidad del agua en los ecosistemas acuáticos está influenciada de manera compleja por múltiples factores derivados de actividades humanas y fenómenos naturales. Estudios recientes han demostrado que el uso del suelo, la vegetación, la erosión del suelo y las prácticas agrícolas ejercen un impacto significativo en la contaminación y dinámica del agua superficial y subterránea, especialmente en regiones semiáridas y zonas con alta presión demográfica.

La relación entre el tipo de vegetación y el control de la erosión del suelo representa un equilibrio delicado en la gestión de la calidad del agua. Por ejemplo, ciertos tipos de cobertura vegetal pueden mitigar la erosión, pero al mismo tiempo influir en la disponibilidad y calidad del agua superficial. Este efecto se observa de manera global, en particular en regiones donde la agricultura intensiva modifica los patrones hidrológicos y contribuye a la contaminación por fertilizantes y pesticidas.

En China, la contaminación tanto del agua superficial como subterránea ha sido vinculada directamente con el tipo de cultivo y manejo agrícola. El uso indiscriminado de fertilizantes químicos, junto con la expansión de tierras de cultivo, ha alterado la composición química del agua, aumentando la carga de nutrientes y contaminantes orgánicos que afectan la biodiversidad acuática. La presencia de metales pesados, compuestos orgánicos persistentes y subproductos clorados derivados de plaguicidas, como los neonicotinoides, evidencia una exposición creciente que amenaza la salud pública y los ecosistemas.

Además, la contaminación por microplásticos y sus contaminantes asociados ha emergido como un desafío global, dada su capacidad de adsorber toxinas y patógenos, aumentando así la toxicidad para especies acuáticas y planteando riesgos para la salud humana a través de la cadena alimentaria. Su persistencia en ambientes costeros y fluviales requiere un análisis detallado de sus efectos ecotoxicológicos y de las vías de exposición.

Las zonas urbanas informales y asentamientos precarios, donde el manejo de aguas residuales y aguas grises es insuficiente, contribuyen significativamente a la contaminación de cuerpos de agua adyacentes. La falta de infraestructura adecuada para la gestión de estos efluentes genera cargas contaminantes orgánicas y químicas que afectan la calidad del agua superficial y subterránea, incrementando riesgos sanitarios y degradando los ecosistemas acuáticos.

El impacto de la contaminación industrial, particularmente en regiones altamente industrializadas, es evidente en la acumulación de metales pesados y compuestos tóxicos en aguas superficiales y sedimentos, lo que genera riesgos crónicos para la salud humana y la biodiversidad. Estudios en áreas afectadas por drenaje ácido de minas ilustran los efectos persistentes de la contaminación incluso después de intervenciones de remediación.

La presencia de virus entéricos y otros patógenos en fuentes de agua y organismos como moluscos evidencia la vulnerabilidad de los sistemas acuáticos a enfermedades de origen hídrico, especialmente en regiones con deficientes sistemas de saneamiento. La formación de biopelículas por patógenos en superficies abiológicas contribuye a la persistencia y diseminación de estos microorganismos, agravando el riesgo sanitario.

Es fundamental entender que la calidad del agua es un reflejo integral de la interacción entre factores naturales y antrópicos. La gestión sostenible requiere una visión multidisciplinaria que integre el monitoreo ambiental, el control del uso del suelo, la regulación de agroquímicos y residuos, y la incorporación de tecnologías de remediación innovadoras, incluyendo métodos microbiológicos para el tratamiento de contaminantes emergentes.

Comprender la interdependencia entre el agua, la tierra y la biota acuática es esencial para abordar los desafíos de la contaminación hídrica y preservar los recursos hídricos para futuras generaciones. La adopción de políticas integrales basadas en evidencia científica y la participación activa de las comunidades son pilares para garantizar el acceso a agua segura y la protección ambiental.

¿Cómo las Tecnologías Basadas en la Naturaleza Están Revolucionando el Tratamiento de Aguas Residuales Industriales?

Las tecnologías basadas en la naturaleza (TBN) han ganado notable relevancia como alternativas sostenibles para el tratamiento de aguas residuales industriales, especialmente en sectores tan contaminantes como la minería. Estas tecnologías aprovechan los procesos naturales y los ecosistemas para eliminar contaminantes y restaurar la calidad del agua, ofreciendo soluciones rentables y respetuosas con el medio ambiente. Entre las técnicas más efectivas se encuentran los humedales construidos, la biorremediación, los sistemas de filtración natural y la fito- y fitorremediación.

El uso de sistemas de filtración natural, como los filtros de arena o grava, también tiene gran potencial para eliminar sólidos suspendidos y otros contaminantes. Estos sistemas se basan en procesos físicos y biológicos que ocurren dentro de medios porosos, como el sustrato granular. Las técnicas de fito- y fitorremediación, por su parte, hacen uso de plantas y algas que, mediante procesos bioquímicos, absorben o convierten los contaminantes presentes en el agua.

Las principales ventajas de las TBN son su coste relativamente bajo, su eficiencia energética y los múltiples beneficios adicionales que aportan, como la creación de hábitats y la mejora de la biodiversidad. No obstante, la implementación de estas tecnologías en el tratamiento de aguas residuales industriales no está exenta de desafíos. Entre estos se encuentran la complejidad en la toma de decisiones, así como la incertidumbre en cuanto a su rendimiento y efectividad a largo plazo. Superar estos retos requiere una comprensión integral de las dimensiones ecológicas, sociales y económicas involucradas en el tratamiento de aguas residuales, lo que implica un enfoque multidisciplinario.

Además de la selección adecuada de técnicas, es crucial comprender los factores que influyen en el éxito de las TBN. El tipo de vegetación, las comunidades microbianas presentes, el clima local y las características específicas del agua a tratar son aspectos clave que determinarán la eficiencia de estos sistemas. Por ejemplo, los humedales de flujo superficial (FWSF) y los humedales de flujo subterráneo (SSF) pueden tener un rendimiento variable dependiendo de su configuración y los procesos anaeróbicos involucrados. Los sistemas híbridos, que combinan diferentes tipos de humedales, pueden aprovechar las fortalezas de cada tipo para optimizar el tratamiento de aguas residuales.

¿Cómo afectan los contaminantes emergentes a los ecosistemas acuáticos y a la salud humana?

En diversos países, la calidad del agua potable y la gestión de contaminantes emergentes (CEs) se ha convertido en un tema crucial, especialmente cuando se trata de sus efectos tanto en la salud humana como en los ecosistemas acuáticos. Aunque algunos países han establecido directrices provisionales para la presencia de CEs, como las guías australianas para agua potable (2011), la Agencia de Protección Ambiental de EE.UU. (USEPA) y la Organización Mundial de la Salud (OMS), el tratamiento efectivo de estos contaminantes sigue siendo un desafío.

Uno de los sectores más problemáticos es la agricultura, que consume aproximadamente el 70% del agua dulce destinada a la irrigación. Las prácticas agrícolas no solo contribuyen directamente a la liberación de contaminantes, sino que también favorecen su reintroducción a través de las aguas residuales. Los pesticidas, por ejemplo, son utilizados en grandes cantidades para optimizar la producción de alimentos y fibras. Estos productos químicos, entre los que se encuentran herbicidas, insecticidas, fungicidas y bactericidas, no solo afectan a los cultivos, sino que también se filtran en los cuerpos de agua a través de la escorrentía, acumulándose en la vegetación, los sedimentos y los organismos acuáticos. Algunos de los pesticidas más problemáticos incluyen sustancias como el Atrazina (ATZ), el Clorpirifós, el Clomazone y el Carbendazim, los cuales pueden causar efectos devastadores a largo plazo en los ecosistemas acuáticos y en la salud humana.

El vertido de lixiviados de vertederos de residuos sólidos municipales es otro importante contribuyente a la contaminación del agua. Estos lixiviados, resultantes de la descomposición de los residuos, contienen una variedad de contaminantes tóxicos, incluidos pesticidas, hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs), productos farmacéuticos y plásticos. Estos contaminantes se infiltran en el suelo y llegan a los cuerpos de agua, lo que genera un riesgo significativo tanto para la fauna acuática como para la salud humana. En particular, la presencia de residuos farmacéuticos en el agua potable ha despertado una creciente preocupación debido a sus efectos sobre la fauna y la salud humana, incluyendo potenciales alteraciones hormonales.

Finalmente, los desechos hospitalarios representan una fuente significativa de contaminación. Los medicamentos antibióticos consumidos por los pacientes hospitalizados también son liberados al entorno a través de las aguas residuales del hospital. Aunque estos compuestos se utilizan para tratar infecciones bacterianas, su persistencia en el medio ambiente puede generar efectos negativos, como la resistencia bacteriana y la alteración de los ecosistemas acuáticos.

Es importante comprender que el control de los contaminantes emergentes no solo requiere la mejora de las tecnologías de tratamiento de aguas residuales, sino también una concienciación global sobre las prácticas de manejo adecuado de productos químicos, tanto a nivel industrial como doméstico. Los avances en la investigación sobre las propiedades químicas de los CEs son cruciales para desarrollar métodos de eliminación más efectivos, y la educación sobre el uso responsable de productos de cuidado personal y farmacéuticos puede contribuir significativamente a la reducción de estos contaminantes en el agua.

¿Cómo influye el tratamiento de aguas residuales en la eficiencia de las plantas de energía?

El tratamiento de aguas residuales en plantas de energía es un proceso crucial para garantizar tanto la eficiencia operativa como la sostenibilidad ambiental. En particular, los sistemas de desalación por congelación y otras tecnologías avanzadas desempeñan un papel esencial en el manejo de las aguas residuales generadas en plantas de energía térmica. Estos métodos no solo permiten recuperar agua en condiciones controladas, sino que también contribuyen a la reducción de sal y otros contaminantes presentes en las aguas residuales.

Uno de los sistemas más destacados en este contexto es el sistema de filtros gravitacionales e hidráulicos. Estos filtros están diseñados para formar una columna de hielo de manera continua alrededor del elemento filtrante, a partir de las perforaciones del filtro. Según lo indicado por Maree et al. [2], el grado de eliminación de sal, la fracción de hielo y el rendimiento porcentual pueden calcularse utilizando fórmulas específicas que relacionan la concentración de las aguas residuales y la concentración del hielo derretido.

Por ejemplo, la fórmula de eliminación de sal se expresa como el porcentaje de reducción de la concentración de sal (Cf) con respecto al valor inicial de la concentración de las aguas residuales salinas. A su vez, la fracción de hielo, que indica la masa de hielo respecto al total de la mezcla, se calcula comparando la masa de hielo con la masa total de la mezcla. Además, el rendimiento del hielo, que refleja la cantidad de hielo producido por minuto, depende de la tasa de flujo de la mezcla de aguas residuales.

Otro elemento fundamental en el tratamiento de estas aguas es la bomba de calor. Esta unidad de refrigeración utiliza el principio de transferencia de calor, extrayendo calor del agua salina mediante evaporación y liberándolo de nuevo en el flujo de aguas residuales a través de condensación del refrigerante. La cantidad de hielo formado durante el proceso depende de varios factores, entre ellos, la concentración de solutos, el coeficiente de transferencia de calor y la diferencia de temperatura entre el refrigerante y el agua salina.

La capacidad de la bomba de calor se determina por la cantidad de calor extraído y la eficiencia del proceso de compresión del refrigerante. La eficiencia de este sistema, conocida como el Coeficiente de Rendimiento (COP), está relacionada directamente con la diferencia de temperatura entre la fuente de calor (el agua salina) y el sumidero de calor (el refrigerante). Cuanto mayor sea esta diferencia, más trabajo debe realizar el compresor para transportar la energía térmica, lo que afecta directamente a la eficiencia operativa del sistema.

En las plantas de energía, como la planta de Kusile, las pérdidas de agua son un factor crítico que influye en la sostenibilidad de la operación. Con una capacidad de generación de 4,800 MW, la planta experimenta pérdidas significativas de agua, principalmente debido a la evaporación del agua utilizada en los sistemas de desulfurización de los gases de combustión (FGD). Estas pérdidas alcanzan los 681.6 m³/h, y son compensadas con el abastecimiento de agua desde el embalse Osuthu en el río Vaal. De este total, una gran parte de las aguas residuales generadas por los procesos de FGD se gestionan mediante su disposición en un sitio de residuos, lo que genera costos adicionales. El manejo adecuado de las aguas residuales y las pérdidas de agua se ha convertido en un reto ambiental y económico para la operación de las plantas de energía, que deben encontrar soluciones más sostenibles para minimizar estos impactos.

Además, las implicaciones ambientales de las tecnologías de tratamiento de aguas residuales deben ser consideradas cuidadosamente. La disposición de aguas residuales, especialmente aquellas con concentraciones altas de sal o metales pesados, puede tener efectos negativos sobre el ecosistema local. Por lo tanto, es necesario implementar estrategias de gestión adecuadas que minimicen estos impactos, incluyendo el tratamiento y la reutilización de los subproductos generados.