El exceso de nitrógeno es una gran amenaza para la calidad del agua en las aguas costeras de todo el mundo. Encontrado en aguas residuales tratadas, fertilizantes agrícolas y para césped y gases de combustión, alimenta las floraciones de algas que dan sombra a los pastos sumergidos y succionan el oxígeno del agua cuando mueren y se descomponen.

Un nuevo estudio realizado por investigadores del Instituto de Ciencias Marinas de Virginia de William &Mary proporciona evidencia adicional de que las aguas residuales de una planta de procesamiento de aves de corral tienen un impacto particularmente significativo en la calidad del agua y el ciclo de nutrientes. Eso es porque no solo contiene mucho nitrógeno, pero antibióticos y subproductos del proceso que utilizan las plantas para tratar sus aguas residuales. Se cree que estos subproductos inhiben el crecimiento y la actividad de microbios que de otro modo ayudarían a eliminar el nitrógeno de los arroyos de las mareas antes de que pueda ingresar a los sistemas costeros.

Los investigadores, Doctorado en VIMS el estudiante Miguel Semedo y el profesor Bongkeun Song, dicen que su estudio es el primero en evaluar los impactos de la industria avícola en la calidad del agua y el ciclo de nutrientes usando genética, técnicas microbianas y de teledetección. Los resultados de su trabajo aparecen en la edición de enero de Ciencia y tecnología ambiental . El estudio fue apoyado por el Programa Fulbright y la beca de posgrado de Semedo de Virginia Sea Grant.

Microbios y desnitrificación

Los microbios eliminan el nitrógeno de los ecosistemas acuáticos a través de un proceso llamado desnitrificación. "Los microbios realizan una serie de funciones del ecosistema, "dice Semedo, ahora investigador postdoctoral en el Centro Interdisciplinario de Investigaciones Marinas y Ambientales (CIIMAR) de la Universidad de Oporto en Matosinhos, Portugal. "La desnitrificación es una de las más importantes, ya que tiene el potencial de eliminar el exceso de nitrógeno del sistema ".

Los microbios desnitrificantes tienen genes únicos que controlan el proceso de desnitrificación, una serie de pasos que transforma el nitrato y el nitrito (formas inorgánicas de nitrógeno que se encuentran en las aguas residuales) en formas gaseosas como el óxido nítrico, óxido nitroso y dinitrógeno. Estos últimos compuestos son inutilizables por la mayoría de los organismos y, por lo tanto, contribuyen poco o nada a la fertilización excesiva de las aguas costeras.

Estudios de campo

Semedo y Song llevaron a cabo el estudio en dos arroyos de marea en la costa este de Virginia, uno con una planta de procesamiento de aves de corral en la cabecera y otro sin ella. Los arroyos desembocan en las lagunas costeras que se encuentran entre el continente de la península de Delmarva y sus islas de barrera frente a la costa.

El par midió los niveles de nitrógeno en las cabeceras, medio, y boca de cada arroyo en cuatro ocasiones entre noviembre de 2016 y septiembre de 2017. También recolectaron muestras de sedimentos para análisis de laboratorio en VIMS, ya que los microbios desnitrificantes generalmente viven en lodos en el fondo del arroyo. En el laboratorio, identificaron las especies de microbios presentes, señaló que contenía los genes conocidos por controlar la desnitrificación y sometió a los microbios del arroyo de "control" no contaminado al agua del arroyo impactado por el efluente de las plantas avícolas.

Sus resultados de campo mostraron una clara evidencia de que los niveles de nitrógeno eran más altos en el arroyo contaminado.

"Los niveles de nitrato en las aguas del fondo del arroyo impactado fueron significativamente más altos que los del arroyo de referencia en todas las estaciones en la mayoría de las estaciones, "dice Song.

"De media, "agrega Semedo, "los niveles de nitrato en el arroyo impactado fueron 34 veces más altos en la estación de cabecera, 47 veces más alto a mitad de camino, y 23 veces más alto cerca de la boca ".

Si bien las concentraciones de nitrato en el arroyo impactado disminuyeron al aumentar la distancia desde el sitio de descarga de la planta, la tasa a la que lo hicieron (33% de remoción por kilómetro) fue mucho menor que en el arroyo de referencia (70% por km).

Experimentos de incubación y análisis genéticos

Los resultados de laboratorio de la pareja respaldaron los estudios de campo, y ayudó a aclarar las causas de la desnitrificación reducida.

"Cuando incubamos sedimentos del riachuelo de control con agua del riachuelo contaminado durante 24 horas, las tasas de desnitrificación disminuyeron en un 93%, ", dice Semedo. Por lo tanto, parece que alguna combinación de niveles elevados de nitrógeno y subproductos de las aguas residuales está inhibiendo la eliminación de nitrógeno en el agua y los sedimentos del arroyo contaminado".

Los estudios genéticos de Semedo y Song revelaron que la menor abundancia de genes desnitrificantes ocurrió en muestras del arroyo impactado. más cercano a la descarga de la planta de procesamiento. Este patrón se produjo durante todo el año. La abundancia bacteriana total siguió la misma tendencia.

"En general, "dice Song, "la abundancia de genes de desnitrificación en el arroyo afectado siguió una tendencia clara, con las abundancias más bajas más cercanas a la planta de procesamiento, y mayores abundancias en la estación aguas abajo, más lejos de la planta de procesamiento. No vimos esa tendencia en el arroyo de control ".

"La estación de cabecera en el arroyo impactado claramente está separada de la estación de cabecera en el arroyo de control y todas las demás muestras, "dice Semedo, ', lo que indica que hay una comunidad bacteriana muy distinta cerca de la descarga de aguas residuales de la planta de procesamiento. Y se sabe que todas las clases dominantes de bacterias que estaban ausentes del sitio de la cabecera del arroyo impactado portan uno o dos genes de desnitrificación ".

Mayor apoyo de las imágenes de satélite

El apoyo adicional a sus hallazgos proviene de las diferencias en la abundancia de clorofila-a en las aguas de las lagunas costeras cercanas según lo estimado por imágenes de satélite. Este pigmento fotosintético es un indicador del crecimiento de algas.

"Las concentraciones de clorofila-a debajo de la desembocadura del arroyo impactado siempre fueron más altas que aquellas debajo de la desembocadura del arroyo de control, "dice Semedo. Las concentraciones medias de clorofila-a oscilaron entre 5,8 y 16,1 microgramos por litro en la laguna debajo del arroyo impactado, en comparación con 1.8-5.2 μg / L para el arroyo de control.

Aunque se realiza en un solo par de arroyos que alimentan las lagunas costeras, El análisis de Semedo y Song tiene implicaciones más amplias para la calidad del agua y la gestión de efluentes en la Bahía de Chesapeake. Estados Unidos y el mundo. Un nuevo estudiante de posgrado en el laboratorio de Song planea realizar un estudio de seguimiento para examinar cómo la expansión de los criaderos de aves de corral podría afectar la calidad del agua en los arroyos de marea de Eastern Shore. En el condado de Accomack, donde se ubican los arroyos estudiados, 254 galpones de pollos de engorde estaban en funcionamiento en 2014, con 245 viviendas nuevas autorizadas desde entonces. De estos, Se han construido 218 a febrero de 2019, y 11 de ellos fueron permitidos en 2018.

Un estudio preliminar realizado en 2018 por investigadores del Laboratorio Eastern Shore de VIMS en Wachapreague no encontró impactos de la escorrentía de aguas pluviales en cuencas hidrográficas con operaciones de cría de aves de corral construidas recientemente. Ese estudio está en curso. Con nuevas regulaciones que requieren controles de aguas pluviales y manejo de basura, Se prevé que las instalaciones más nuevas tengan un impacto menor que en el pasado.

La península de Delmarva, con 56 arroyos de marea que desembocan en lagunas costeras y la Bahía de Chesapeake, tiene la mayor concentración de pollos de engorde por área de tierras de cultivo en los EE. UU. La Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. Estima que de los 1, 186 procesadores de aves de corral en todo el país, 108 (9,1%) descargan aguas residuales tratadas directamente en las aguas superficiales de los lagos, ríos y océanos.