Las floraciones algas se han convertido en un problema cada vez más visible y urgente en sistemas de agua dulce en todo el mundo. Estos crecimientos explosivos de cianobacteria y otras algas pueden convertir los lagos y embalses vibrantes en aguas desérticas, verdes, amenazando los suministros de agua potable, recreación y vida acuática.

Comprensión de la sedimentación en sistemas de agua dulce

La sedimentación es el proceso por el cual las partículas suspendidas en la columna de agua se hunden y se acumulan en la parte inferior. En el contexto del control de la floración algal, estas partículas incluyen tanto material inorgánico (clay, silt, arena) como materia orgánica (detritus, algas muertas, bacterias).La velocidad de sedimentación de una partícula depende principalmente de su tamaño, forma, densidad y la visserción de partículas de gran densidad.

El papel del tamaño y la densidad de las partículas

La relación de la ley de Stokes rige la velocidad de asentamiento terminal: el cuadrado del diámetro de partículas multiplicado por la diferencia de densidad entre partículas y agua, dividida por viscosidad. Por consiguiente, los silmos finos y las arcillas se establecen lentamente, a menudo requieren la floculación (clumping) para llegar a ser lo suficientemente pesado para hundirse.

Nutrient Binding and Sedimentation

El fósforo, el nutriente más común en los ecosistemas de agua dulce, se une fuertemente a las partículas de arcilla y los óxidos de hierro o de aluminio. Cuando se establecen estas partículas, llevan fósforo en la capa de sedimento, secuestrarla efectivamente de la columna de agua y hacerlo indisponible para la absorción de algas.

La conexión Nutrient-Algae: Cómo Interruptiza la Sedimentación Bloom Fuel

Las floraciones algas son fundamentalmente un síntoma de sobresupply nutriente. Cuando las concentraciones de fósforo y nitrógeno en el agua superan los umbrales críticos, las algas pueden multiplicarse rápidamente, formando escorias densas. La sedimentación interrumpe este ciclo eliminando físicamente nutrientes de la zona fóstica donde crecen las algas.

Retención de fósforo en los sedimentos

Una vez que el fósforo alcance el sedimento inferior, puede permanecer enterrado bajo capas sucesivas de sedimento fresco, efectivamente encerrado para escalas de tiempo geológicas. Sin embargo, lagos y embalses poco profundos a menudo experimentan eventos de resuspensión – ondas de viento, bioturbación de peces de alimentación inferior, o dragado antropogénico – que pueden remobilizar el fósforo.

Eliminación de nitrógenos mediante desinitrificación

La sedimentación también influye en la dinámica del nitrógeno, aunque a través de una vía diferente. El nitrógeno orgánico se asienta en el sedimento, donde la bacteria lo descompone, liberando el amonio. En sedimentos anoxicos, el amonio puede convertirse en gas nitrógeno mediante denitrificación, eliminando permanentemente el nitrógeno del sistema.

Factores que influyen en la eficiencia de la sedimentación

La eficacia de la sedimentación como mecanismo de control de floración es altamente variable y modulada por una serie de factores físicos, químicos y biológicos.

Condiciones hidrodinámicas

La velocidad del flujo de agua es el factor hidrodinámico más importante. En sistemas de movimiento lento o quiescente, las lagos, los embalses y los humedales, las partículas tienen tiempo de establecerse. En ríos y arroyos, la turbulencia alta mantiene las partículas suspendidas, limitando la capacidad de eliminación de nutrientes de la sedimentación. Incluso dentro de un lago, las corrientes inducidas por el viento pueden reajustificar sedimentos de zonas poco profundas, negando los beneficios.

Temperatura y Estratificación

La temperatura del agua afecta la viscosidad y la actividad biológica. El agua caliente tiene una menor viscosidad, permitiendo un rápido ajuste de pequeñas partículas. Sin embargo, la estratificación térmica en verano crea un epilimnión cálido y menos denso y una hipolimnión fría y densa. Las partículas que se instalan a través de la termoclina pueden acelerar o desacelerar dependiendo de los cambios de densidad.

Interacciones biológicas

Las plantas acuáticas juegan un papel dual. Las macrofitas sumergidas densas, atrapan partículas suspendidas y estabilizan sedimentos inferiores con sus raíces. Su presencia puede aumentar drásticamente las tasas de sedimentación y reducir la resuspensión. Por el contrario, las floraciones de cianobacteria pueden obstaculizar la sedimentación produciendo vesículas de los zoológicos que mantienen las células elevadas, permitiendo que se mantienen en el colonizadoras.

Composición de sedimentos y química de redox

El contenido mineral de sedimentos determina la capacidad de unión de fósforo. Las arcillas ricas en hierro, aluminio o calcio tienen una alta capacidad de sorpción. Bajo condiciones oxicas, el fósforo con borde de hierro es estable. Pero cuando los sedimentos se vuelven anoxicos, a menudo debido a la alta materia orgánica cargada de algas fijadas (iron(III) se reduce a hierro(II), liberando fosfato en columna

Concentración de partículas y Floculación

Las altas cargas de sedimentos suspendidos (turbididad) pueden realzar la sedimentación mediante un proceso llamado "en masse" asentarse o dificultar el asentamiento, pero sólo hasta un punto. Más importante, los floculantes naturales (extremas de color, sustancias humicas, polisacáridos microbianos) promueven la agregación de partículas finas en los flocos más grandes y más rápidos.

Implications de gestión: Sedimentación de daños para el control de Bloom

Dada la compleja interacción de factores, los administradores han desarrollado varios enfoques para aprovechar la sedimentación como una herramienta para reducir las floraciones de algas. Estas estrategias son más eficaces cuando se combinan con la reducción de carga externa.

Trampas de sedimento y dragado

La instalación de trampas de sedimentos en corrientes de flujos de entrada o cuencas de sedimentación construidas puede interceptar partículas ricas en nutrientes antes de llegar al cuerpo principal del agua. Se requiere mantenimiento regular (removiendo sedimentos acumulados) Para los lagos que ya sufren de carga interna de fósforo, dragado selectivo de sedimentos de superficie ricos en nutrientes puede eliminar el fósforo hereditario que alimenta las floraciones recidivas.

Restauración y creación de humedales

Los humedales estructurados son altamente eficientes para promover la sedimentación. A medida que el agua fluye lentamente a través de la vegetación densa, se establecen sólidos suspendidos y nutrientes adjuntos. Los humedales también pueden promover la denitrificación. Restaurar los humedales a lo largo de las costas del lago o aguas arriba de los embalses puede actuar como un búfer, reduciendo la carga de nutrientes que entra en el cuerpo principal de agua.

Floculación y Coagulación

En algunos depósitos y suministros de agua potable, el alumbre (sulfato de aluminio) u otros coagulantes se añaden al agua para establecer rápidamente fósforo y algas. Esta técnica, llamada tratamiento de alumbre, forma un floc que se hunde al fondo, creando una capa de unión de fósforo. Se ha utilizado con éxito en lagos como el Lago Okaro (Nueva Zelanda) y el lago de la gravedad tóxico para reducir la vida de la vida a largo plazo

Promoción de la vegetación acuática

Restaurar las plantas acuáticas sumergidas es un enfoque ecológico de bajo costo para mejorar la sedimentación. Los macrófitos no sólo atrapan las partículas sino también compiten con las algas para nutrientes y luz. Además, oxigenan los sedimentos, reduciendo la liberación interna de fósforo. Este método funciona mejor en lagos poco profundos y de aguas claras con niveles moderados de nutrientes.

Estudios de casos: Sedimentación en la práctica

Los ejemplos del mundo real ilustran tanto la promesa como las dificultades de la gestión basada en la sedimentación.

Lago Erie: Un cuento de carga interna

El lago Erie, en particular su cuenca occidental, ha sufrido unas floraciones cianobacterianas nocivas recurrentes desde los años noventa, impulsadas en gran parte por fósforo de la escorrentía agrícola. A pesar de las reducciones de la carga externa, la liberación interna de fósforo de sedimentos durante la anoxia de verano sostiene las floraciones.

Lago Taihu, China: Clay Flocculation Trials

El lago Taihu, uno de los lagos de agua dulce más grandes de China, experimenta graves cianobacteria florece. Un estudio publicado en Water Research probó la aplicación de arcillas locales modificadas para aflojar y establecer células algas. El método logrado ⁇ 90% eliminación de clorofila-a dentro de horas, pero resuspensión rápidamente de los sedimentos requeridos

Lake Christina, Minnesota: Restauración de Macrophyte

Un proyecto de restauración bien documentado en el lago Christina (Minnesota, EE.UU.) utilizó la biomanipulación y la plantación de macrofitos para desplazar el lago de un estado turbido, dominado por algas a un estado de agua clara, dominado por plantas. Las camas densas de sago ponderadas y coontail aumentan la sedimentación de sólidos suspendidos, reducen la carga interna de fósforo, y ayudan a mantener una fase controlada.

Desafíos y limitaciones

A pesar de su potencial, confiar en la sedimentación como estrategia primaria de control de floración viene con varias cavernas importantes.

Resuspensión y carga interna

Como se ha señalado, los sedimentos pueden convertirse en fuente en lugar de un sumidero de nutrientes. Los eventos de viento, la actividad de los peces y la mezcla estacional pueden reabrir partículas finas, devolver fósforo y materia orgánica a la columna de agua. En lagos poco profundos, este proceso puede ocurrir repetidamente, haciendo la sedimentación ineficaz sin la estabilización continua de sedimentos.

Acumulación de la Alteración y el Sedimento de Hábitat

La sedimentación excesiva puede llenar los cuerpos de agua, reduciendo la profundidad y alterando los hábitats. En los embalses, la acumulación de sedimentos acorta la vida útil y puede ahogar organismos bentónicos. La eliminación de sedimentos acumulados es intensiva en energía y puede causar liberación de nutrientes. Los administradores deben equilibrar los beneficios de la eliminación de nutrientes contra los costos ecológicos de la acumulación de sedimentos.

Incertidumbre en Ciclismo Nutriente

El destino de los nutrientes establecidos no siempre es predecible. La actividad microbiana, las transformaciones químicas y la mezcla física pueden alterar el potencial de secuestro a largo plazo. Por ejemplo, la materia orgánica asentada puede ser mineralizada rápidamente, volviendo los nutrientes a la columna de agua más rápido de lo previsto. De igual manera, los cambios en las condiciones de redox (por ejemplo, de eventos hipoxicos) pueden liberar fósforo.

Costo y escalabilidad

La eliminación de sedimentos a gran escala o la aplicación de floculantes puede ser prohibitiva de costos para muchas comunidades. La restauración de humedales, aunque más asequible, requiere disponibilidad de tierras y puede tardar años en ser plenamente efectiva. El enfoque más eficaz en función de los costos es a menudo para prevenir la sedimentación excesiva en primer lugar mediante el control de la erosión y el desguace del suelo.

Future Directions and Integrated Strategies

Los enfoques más robustos para controlar las floraciones de algas combinan el mejoramiento de la sedimentación con otras medidas como la reducción de fuentes de nutrientes, la biomanipulación y la gestión hidrológica. La investigación emergente está explorando el uso de zeolitas modificadas, agentes de capping y arcillas mezcladas que se unen selectivamente al fósforo al minimizar el daño ecológico.

La reducción de las cargas externas de nutrientes, mediante prácticas agrícolas mejoradas, mejoras en el tratamiento de aguas residuales y control de aguas de tormenta, reduce la carga en los procesos de eliminación como la sedimentación. En muchos sistemas, la sedimentación puede actuar como un amortiguador complementario, la fusión de nutrientes residuales y el suministro de un margen de seguridad contra los desencadenantes de la floración.

A medida que el cambio climático intensifica, las temperaturas de agua más cálidas y los patrones de precipitación alterados pueden aumentar la frecuencia de escorrentía de nutrientes y la floración de las algas. Entendiendo cómo las dinámicas de sedimentación responden a estos cambios es fundamental. Por ejemplo, tormentas más intensas pueden aumentar las cargas de sedimentos pero también reabrir. Los inviernos cálidos pueden reducir la cubierta de hielo, prolongando el período de resuspensión de sedimentos por viento.

Conclusión

El sistema de sedimentación de la energía de los sedimentos es un proceso natural fundamental que elimina continuamente los nutrientes y las partículas de la columna de agua, lo que hace que sea un valioso aliado para controlar las floraciones de las algas. De la física de la fijación de partículas a la compleja biogeoquímica esencial del ciclo de nutrientes, este proceso influye en la intensidad de la floración, la duración y la recurrencia de los humedales.