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12. LA HIDROSFERA. CICLO DEL AGUA. CONTAMINACIÓN DEL AGUA.

Los recursos hídricos, aunque abundantes, no están repartidos uniformemente, son limitados en cantidad, y debido a las acciones antrópicas causantes de contaminación, también en calidad, lo que va a implicar la necesidad de un sistema de vigilancia del medio y el desarrollo de unas técnicas de tratamiento o adecuación del recurso a las necesidades del ser humano y del medioambiente. Es importante que los alumnos conozcan los recursos naturales que los rodean y nuestros efectos sobre ellos. De ahí la elección de este tema.

Para su elaboración he recurrido a las siguientes fuentes: 1. Libro Libro de Ecología de Robert E. Ricklefs (Editorial Panamericana) 2. Decreto 43/2015, de 10 de junio, por el que se regula la ordenación y se establece el currículo de la Educación Secundaria Obligatoria en el Principado de Asturias y el Decreto 42/2015, de 10 de junio, por el que se regula la ordenación y se establece el currículo del Bachillerato en el Principado de Asturias. 3. Web del ministerio de educación “recursostic” 4. Web del Ministerio de Agricultura y Pesca, Alimentación y Medio Ambiente

A continuación, reseño el esquema de desarrollo seguido para esta lección: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Reservas hídricas. Distribución del agua El ciclo del agua Usos del agua Contaminación del agua Métodos de análisis del agua Métodos de tratamiento del agua Problemática ante la demanda de agua

A continuación, desarrollo los contenidos del tema que serán presentados al alumnado.

1. 1. 1.

RESERVAS HÍDRICAS. DISTRIBUCIÓN DEL AGUA El agua existe en la Tierra en estado sólido (hielo), líquido o gaseoso (vapor de agua). Su distribución es bastante variada, ya que muchas regiones tienen en abundancia mientras que en otras su disponibilidad es escasa. Los océanos contienen el 97,5 % del agua del planeta; las regiones continentales, el 2,4 %, mientras que la atmósfera contiene menos del 0,001 %, lo que puede parecer sorprendente debido a que el agua juega un rol importante en el acontecer de los fenómenos meteorológicos. Las precipitaciones anuales son más de 30 veces la cantidad total de agua presente en la atmósfera, lo que muestra la rapidez con que se recicla el agua entre la superficie terrestre y la atmósfera. Desde la superficie de la Tierra se transfiere el agua hacia la atmósfera mediante la evaporación, proceso por el cual el agua superficial cambia del estado líquido al gaseoso. Aproximadamente el 80 % del agua evaporada total proviene de los océanos, mientras que el 20

% restante lo hace del agua de las regiones continentales y de la transpiración de la vegetación. Los vientos transportan el agua evaporada. La condensación es el cambio del agua de su estado gaseoso (vapor de agua) a su estado líquido. Este fenómeno generalmente ocurre en la atmósfera cuando el aire caliente asciende, se enfría y disminuye su capacidad de almacenar vapor de agua. Como resultado, el vapor de agua en exceso condensa y forma las gotas de nube. Los movimientos de ascenso que generan nubes pueden ser producidos por convección en aire inestable, convergencia asociada con ciclones, actividad frontal y elevación del aire por la presencia de montañas. La mayor parte del agua evaporada permanece en estado gaseoso en la atmósfera, fuera de las nubes. La evaporación es más intensa con temperaturas más cálidas. La transpiración es la evaporación de agua desde las hojas y los tallos de las plantas hacia la atmósfera. A través de sus raíces, las plantas absorben agua subterránea. El agua es transportada desde las raíces hacia las partes aéreas de las plantas a través de tejidos especializados. Este transporte compensa la pérdida de agua por evaporación a través de los pequeños poros, llamados estomas, que se encuentran en la superficie de las hojas. La transpiración representa aproximadamente el 10 % de toda el agua evaporada que sube a la atmósfera. La humedad es la cantidad de agua en estado gaseoso presente en el aire. Para cada temperatura hay una cantidad máxima de agua que puede estar en forma de vapor y esta cantidad aumenta con la temperatura. Si intentáramos agregar más vapor, de agua al aire, el vapor se condensaría formando agua líquida. La humedad relativa es la comparación entre la humedad existente y la máxima que podría haber a esa temperatura. Cuando el aire está tan húmedo que no puede aceptar más vapor de agua se dice que está saturado y que la humedad relativa es del 100 %. 2. EL CICLO DEL AGUA En la Tierra, el agua está en continuo movimiento en sus diferentes estados. De hecho, los océanos, los ríos, las nubes y la lluvia, que contienen agua, están en frecuente proceso de cambio (el agua de superficie se evapora, el agua de las nubes precipita, la lluvia se infiltra en el suelo, etc.). Sin embargo, la cantidad total de agua no cambia. La Tierra es esencialmente

un

"sistema

cerrado". Esto significa que el planeta, como un todo, ni gana ni pierde materia, tampoco agua. El agua no se encuentra encerrada en compartimentos estanco, sino que fluye de unas zonas y estados a otros a través de los que se llama ciclo del agua. En una primera fase el agua se encuentra en la atmosfera en forma de vapor, se condensa en nubes y cae sobre la tierra y océanos en forma de precipitaciones. Posteriormente, mediante la evaporación de los

ecosistemas acuáticos y la evotranspiración de los terrestres el agua vuelve a la atmósfera, quedando una cantidad inmovilizada en los casquetes polares y hielos de las montañas. En este proceso se crea un balance negativo en los mares (se evapora más agua de la que cae) y un balance positivo en tierra, lo que implica que una proporción del agua utilizada en los ecosistemas terrestres proviene de la evaporación de los mares. Del agua que cae sobre los continentes una parte es interceptada por la vegetación y se evapora sin llegar al suelo, es una fracción alta que depende de la intensidad de lluvia; el resto de agua precipitada llega al suelo, una parte se infiltra y otra discurre por la superficie. La infiltrada alimenta el manto freático que en su recorrido hacia el mar determina la migración de iones minerales del suelo. El agua superficial o de escorrentía, tras formar parte del sistema hídrico superficial, también va hacia el mar, compensándose el balance negativo entre el agua evaporada y la aportada por las precipitaciones. En ciertas profundidades del suelo, los poros y las grietas en las rocas pueden llenarse totalmente de agua (dulce o salada), conformando un acuífero. Los acuíferos son formaciones geológicas capaces de almacenar suficiente cantidad de agua dulce como para constituir un recurso disponible para las actividades humanas. El agua subterránea puede volver a la superficie a través de estos acuíferos, aflorando en lagos, ríos y océanos. En algunas circunstancias, el agua subterránea puede aflorar a través de manantiales o pozos artesianos. De toda el agua del planeta, sólo el 3 % es agua dulce, y el 2,997 % es de muy difícil acceso, ya que es subterránea o se encuentra en los casquetes polares y en los glaciares, lo que no facilita su utilización. Es decir que sólo el 0,003 % del volumen total de agua del planeta es accesible para el consumo de los seres humanos. En este punto se les podría facilitar a los alumnos un esquema del ciclo de agua para qué explicasen los distintos elementos que lo componen, así como las características más importantes de cada una de las fases.

3. USOS DEL AGUA Además de las necesidades consideradas biológicas o primarias, en el hombre surgen otras demandas derivadas del modo de vida, aspectos culturales, hábitos, etc. Se distinguen usos consuntivos, en los que el agua se consume o se altera su calidad por contaminación o cambio de estado, y los usos no consuntivos, en los que el agua no pierde calidad ni cantidad tras su uso. Usos no consuntivos son, - obtención de energía hidroeléctrica - usos recreativos (paisajísticos, natación, etc.) - transporte - ecológico. Es el uso del agua para mantener los sistemas ecológicos mediante trasvases desde zonas más ricas a menos ricas de agua, o también a la limitación de uso del agua en épocas de sequía. Usos consuntivos son, - doméstico (aseo, limpieza, eliminación de residuos, etc.). En España, representa el 6,5% del total de agua consumida.

- industrial, derivada del desarrollo tecnológico. En España representa el 15%. - agrícola, para riego. Constituye el mayor porcentaje que en España es del 80%. El agua es nuestro principal recurso natural, fuente de bienestar y salud y elemento indispensable para procesos industriales, alimenticios, médico-sanitarios y en general para el desarrollo. Sin embargo, en la actualidad nos enfrentamos a un enorme reto, la contaminación de nuestras fuentes de agua (río, océanos, etc.) 4. CONTAMINACIÓN DEL AGUA La OMS define el agua contaminada como aquella cuya “composición haya sido modificada de modo que no reúna las condiciones para el uso al que se hubiera destinado en su estado natural”. La Ley de Aguas española de 1986 define la contaminación del agua como “la acción y efecto de introducir materias o formas de energía o inducir condiciones en el agua que, de modo directo o indirecto, impliquen una alteración perjudicial de su calidad en relación con los usos posteriores o con su función ecológica”. Los problemas causados por la contaminación son relativamente recientes, aparecen con la industrialización masiva de muchos países en la mitad del s. XIX, acompañada de un flujo migratorio desde las zonas rurales a los núcleos urbanos. Esta contaminación en la actualidad es un problema importante, incluso en países en los que existe legislación sobre la calidad del agua. Los agentes responsables de la contaminación del agua pueden proceder de distintas fuentes, urbanas, agrícolas o industriales y son muy variadas. Se entiende que el agua está contaminada cuando hay presencia de componentes químicos o de otra naturaleza en densidad superior a la situación natural. Los efectos de la contaminación se aprecian, sobre todo, en la biota afectada, con cambios es las especies dominantes y disminución progresiva de la biodiversidad. Según Mason, se pueden establecer distintas categorías de contaminación del agua:  Contaminación orgánica. La principal fuente de contaminación son las aguas urbanas. Presentan proteínas, carbohidratos y ácidos nucleicos en distintas proporciones. Como consecuencia de esta contaminación disminuye el oxígeno disuelto, aumentan el número de microorganismos (hongos, bacterias, protozoos y algas), además de aparecer malos olores y sabores.  Contaminación tóxica. Causada por agentes minerales y orgánicos. Pueden ser oligoelementos esenciales para el hombre, pero tóxicos cuando sus niveles sobrepasan el nivel fisiológico como el níquel, zinc o cromo trivalente. Otros elementos tóxicos son el arsénico, cadmio, mercurio o cromo hexavalente. Entre los compuestos orgánicos hay pesticidas, cianuros, derivados del petróleo, así como tensioactivos y detergentes entre otros. Las principales amenazas contaminantes para el medio ambiente son los pesticidas y metales pesados.  Contaminación térmica. Por agua utilizada con fines de refrigeración en centrales eléctricas y otras instalaciones industriales. Con el vertido de estas aguas puede desaparecer especies que no toleren altas temperaturas, además de reducirse la cantidad de oxígeno disuelto en el agua. La elevación de la temperatura del agua hace que los organismos sean más sensibles a los efectos de los contaminantes tóxicos.  Eutrofización. Se define como el enriquecimiento excesivo con nutrientes por procesos naturales o antrópicos. Los nutrientes con más importancia en la eutrofización son los

nitratos y los fosfatos que pueden proceder de fuentes urbanas, industriales y rurales. Es un problema que está adquiriendo cada vez más magnitud con una serie de efectos en el ecosistema receptor como disminución de la biodiversidad y cambios en la biota dominante, aumento de biomasa vegetal y animal, aumento de la sedimentación con posibles problemas de anoxia, etc.  Contaminación biológica. El agua puede intervenir en la propagación de enfermedades difundiendo agentes infecciosos de todo tipo (virus, bacterias, protozoos,etc.) bien por contacto directo con la piel (tracoma, pie de atleta, conjuntivitis), por el agua de bebida o por el consumo de hortalizas y verduras regadas con aguas sin depurar (cólera, shigelosis, salmonelosis, etc.) o favoreciendo el desarrollo de artrópodos o moluscos a modos de eslabones en las cadenas epidemiológicas (dranunculiasis, esquitosomiasis, malaria, etc.) y que tienen muchas trascendencia en los países subdesarrollados. Dado que la contaminación biológica de agua se debe en gran medida a las aguas residuales cargadas con excrementos humanos, puede hablarse de un ciclo de contaminación fecohídrica. Para garantizar que el agua es apta, tanto para su consumo para como retornar al medio natural está es analizada. 5. MÉTODOS DE ANÁLISIS DEL AGUA Consisten en sistemas de evaluación y control de su calidad. Puede hablarse de: - Análisis fisicoquímico - Análisis biológico - Test de genotoxicidad o mutagenicidad Análisis físicoquímico Es el sistema más habitual de control de calidad del agua. Los parámetros que se determinan son pH, turbidez, conductividad, materia orgánica, metales pesados, pesticidas, etc. Se determinan unos u otros en función del tipo de agua y del uso que se vaya a hacer de ella. Para las aguas de consumo la reglamentación vigente en nuestro país es el RD 1423/82, que contempla 3 tipos de análisis: mínimo, normal y completo, en cada uno de los que se evalúan unos parámetros concretos, con una periodicidad que depende de la entidad de la población abastecida; en los análisis mínimos se evalúan conductividad, caracteres organolépticos, cloro residual, amoniaco y nitratos. En los análisis normales se evalúan pH, temperatura, turbidez, nitratos y materia orgánica y en los completos se evalúa sodio, alcalinidad, fósforo o cloruros, además de aquellos elementos que en un momento determinado puedan suponer un riesgo sanitario. La metodología que emplear es variada y depende de la precisión que se quiera con los resultados, la disponibilidad de materiales, etc. Para determinar metales pesados se emplea la espectrometría de absorción atómica. Para determinar otros parámetros las técnicas más utilizadas son las volumétrica y colorimétricas. Los parámetros que tienen mayor significado son la Demanda Química de Oxígeno (DQO) y la Demanda Biológica de Oxígeno (DBO): Demanda Química de Oxígeno (DQO), permite cuantificar la materia oxidable, con lo que se utiliza un oxidante fuerte (permanganato potásico). Es una determinación más inespecífica que la DBO.

Demanda Biológica de Oxígeno (DBO), es la cantidad de oxígeno que consumen los microbios para descomponer la materia orgánica del agua. La prueba más frecuente es la DBO 5, que evalúa el oxígeno consumido en 5 días a 22ºC en oscuridad. Cuando mayor se la materia orgánica presente más proliferará los microorganismos aerobios. Análisis biológico Puede plantearse desde 2 perspectivas:  Detectar la presencia de algún agente contaminante usando unos organismos llamados bioindicadores. Los más utilizados son algas y bacterias, y de fauna son muy usados los plecópteros, tricópteros. Sean cuales sean los bioindicadores han de tener características que los hagan útiles. o

Sensibilidad. Han de ser eficaces para indicar la presencia de tóxicos a concentraciones inferiores a las que causen efectos nocivos sobre el ser humano y el ecosistema.

o

Inespecificidad. Tiene que acusar la presencia del mayor número de contaminantes posible.

o

Sencillez, rapidez y economía en su aplicación-

 Determinar la presencia de cualesquiera de los organismos patógenos (virus, bacterias, protozoos, etc.). Destacan los análisis bacteriológicos cuyos análisis para aguas de consumo público están reglamentados por la Orden de 27 de julio de 1983. Se determinan: o

Bacterias aerobias. Se analizan en el análisis normal. No tienen por qué ser patógenas, pero su presencia puede indicar deficiente tratamiento del agua. Algunas de las que aparecen suelen ser Zooglea, Pseudomonas o Flavobacterium.

o

Coliformes totales y fecales, estreptococos y clostridios sulfito reductores. Estos organismos pertenecen a la flora normal del intestino humano con lo que su presencia en el agua indica contaminación fecal. Entre los coliformes hay especies como E.coli, Klebsiella, Citrobacter y Enterobacter, todos ellos fermentan la lactosa produciendo ácido y gas. Se determinan en los análisis mínimos. Los estreptococos fecales se determinan en los análisis normales e incluyen especies con S. faecalis, S. faecium, S. durans , etc. Su determinación se efectúa por el método del número más probable (NMP). Los clostridios sulfito reductores son bacterias anaerobias y esporuladas, siendo el más conocido el Clostridium perfringens. Se analizan en los análisis completos y se determinan por recuento de colonias en un medio de cultivo adecuado.

Test de genotoxicidad o mutagenicidad Es una aplicación más concreta del análisis biológico para detectar en poco tiempo la presencia de productos químicos que puedan ejercer efecto nocivo sobre el material genético. El agua contaminada puede ser tratada para que alcance unas características sanitarias que permitan prevenir la degradación ambiental y a la vez proteger la salud pública, especialmente si existe la intención de reutilizar, tanto si este aprovechamiento comporta un contacto directo o indirecto con las personas. 6. MÉTODOS DE TRATAMIENTO DEL AGUA

El tratamiento del agua es una exigencia de primera magnitud. Puede diferenciarse el tratamiento que va a sufrir el agua destinada a consumo humano que tiene por objeto adecuar sus características a las normas de calidad establecidas por las autoridades sanitarias; y el tratamiento de las aguas residuales antes de ser devueltas al medio natural del que fueron captadas. 

Tratamiento de aguas de consumo. Según el RD 140/2003 corresponde a los ayuntamientos el control de la calidad del agua de consumo. A este proceso se denomina potabilización y se realiza en las plantas potabilizadoras o estaciones de tratamiento de aguas potables (ETAP). Los métodos que se aplican se pueden clasificar en 3 categorías: o

Mecánicos: tamización

o

Físicos: sedimentación, flotación y filtración

o

Químicos: oxidación, coagulación-floculación, ablandamiento, desmineralización, desinfección, etc.

Los dos primeros métodos buscan eliminar del agua los cuerpos, objetos y partículas más grandes que pueden entorpecer o interferir con los siguientes métodos. De los métodos químicos uno de los más importantes es la coagulación-floculación. Este método buscar acelerar la sedimentación de partículas coloidales. Existen distintas sustancias coagulantes, siendo la más utilizada el sulfato de aluminio o alúmina, que actúan desestabilizando las fuerzas que mantienen unidas a las partículas coloidales en suspensión, formándose flóculos que sedimentan espontáneamente y se eliminan por decantación o filtración. Otro método muy utilizado es el ablandamiento, que busca eliminar total o parcialmente sales de calcio o magnesio. Se realiza de manera simultánea con la coagulación-floculación. Sustancias como la sosa y la cal reaccionan con la dureza del agua formando sales insolubles que precipitan. El último de todos los procesos de tratamiento para el agua destinada al consumo es la desinfección, que supone la barrera final a la transmisión de agentes potencialmente infecciosos. Hay 3 procesos de desinfección del agua: mecánicos, físicos y químicos. Cada uno de ellos tiene peculiaridades y sus posibilidades de aplicación dependen de factores como coste, población afectada, destino final del agua, etc. La legislación de nuestro país sólo permite el uso del cloro y sus derivados, el ozono, el permanganato y las sales de plata para llevar a cabo la desinfección. La clora...