Procesos biogeoquímicos y eliminación de nitrógeno y fósforo de aguas eutrofizadas en humedales del entorno del Mar Menorresultados experimentales en mesocosmos

  1. TERCERO GÓMEZ, MARÍA DEL CARMEN
Supervised by:
  1. Mª Nazaret González Alcaraz Director
  2. José Álvarez Rogel Co-director

Defence university: Universidad Politécnica de Cartagena

Fecha de defensa: 03 March 2017

Committee:
  1. Rosa María Gómez Cerezo Chair
  2. Héctor Miguel Conesa Alcaraz Secretary
  3. Francisco José Jiménez Cárceles Committee member
Department:
  1. Ingeniería Agronómica

Type: Thesis

Abstract

Resumen de la tesis: Los humedales naturales y artificiales son sistemas capaces de transformar y/o eliminar compuestos nocivos, depurando las aguas eutrofizadas y/o contaminadas que fluyen a través de los mismos. Su papel como filtros verdes está determinado, fundamentalmente, por los procesos biogeoquímicos asociados a los cambios en las condiciones de oxidación-reducción, tales como la desnitrificación, así como por la fijación de contaminantes a diversos componentes del suelo, su precipitación y co-precipitación con otros compuestos e inmovilización en la biomasa vegetal. La laguna del Mar Menor y sus humedales asociados (por ejemplo, la Marina del Carmolí), se encuentran afectados por vertidos de aguas eutrofizadas de origen agrícola y urbano, con altas concentraciones de N y P. El deterioro de la calidad de las aguas de la laguna se ha acentuado en los últimos años, debido principalmente al aumento del grado de eutrofización, conduciendo a una crisis medioambiental en 2016. El objetivo principal de la Tesis fue estudiar, en condiciones experimentales, los procesos biogeoquímicos, microbiológicos y fisiológicos en el sistema suelo-agua-planta de humedales del entorno del Mar Menor afectados por aguas eutrofizadas, bajo condiciones alternantes de inundación-secado, a fin de determinar en qué medida la presencia de plantas de Phragmites australis, la carga de nutrientes (C orgánico, N y P) y el periodo del año influyen en la capacidad de estos sistemas para depurar aguas eutrofizadas y su relación con la emisión de CO2 y N2O. Los objetivos específicos fueron: 1. Evaluar el papel de la carga de nutrientes del agua de inundación y la presencia de Phragmites australis en la variabilidad estacional de las propiedades físico-químicas y microbiológicas del suelo, así como de las emisiones de CO2, en humedales afectados por aguas eutrofizadas. 2. Evaluar la capacidad de eliminación de N-N2O del suelo, el humedales afectados por aguas eutrofizadas, y determinar si dichos procesos están condicionados por la carga de nutrientes, la presencia de Phragmites australis y el periodo del año. 3. Evaluar la capacidad de retención de P en humedales afectados por aguas eutrofizadas y determinar si dicha retención está condicionada por la carga de nutrientes, la presencia de Phragmites australis y el periodo del año, así como la contribución de las plantas y de diferentes componentes del suelo en la retención de P. Para alcanzar tales objetivos se realizó, bajo condiciones de invernadero, un experimento en mesocosmos (cajones de metacrilato de 1 m x 0,5 m x 0,5 m) con suelos y plantas recogidos en el saladar de la Marina del Carmolí. Los mesocosmos se rellenaron con una capa de ≈15 cm de arena (horizonte subsuperficial) y encima de ella ≈25 cm de suelo de textura fina (horizonte superficial). Se simuló el comportamiento del humedal en dos situaciones: con Phragmites australis y con suelo desnudo, es decir, sin plantas. El experimento consistió en someter a los mesocosmos a condiciones alternas de inundación–secado a lo largo de 12 meses (abril 2012–abril 2013) con agua eutrofizada de baja carga de nutrientes: 20 mg L-1 NO3-; 0,5 mg L-1 NH4+; 6 mg L-1 PO43- -1,95 mg L-1 P–PO43-- y 10 mg L-1 COD y de alta carga de nutrientes: 200 mg L-1 NO3-; 5 mg L-1 NH4+; 60 mg L-1 PO43- -19,5 mg L-1 P–PO43-- y 100 mg L-1 COD. Los tratamientos ensayados fueron: sin planta + baja carga de nutrientes, sin planta + alta carga de nutrientes, Phragmites + baja carga de nutrientes, y Phragmites + alta carga de nutrientes. Durante 44 semanas se monitorizaron regularmente el Eh, el pH y la temperatura del suelo, así como el CO2 emitido desde el suelo a la atmósfera; se extrajo y analizó el agua de poro del suelo (CE, COD, Phe, SUVA, IF, NDT, N–NO3-, N–NH4+ y P–PO43-); se determinaron las emisiones potenciales de N–N2O del suelo a la atmósfera; se tomaron muestras de suelo y se analizó el CBM y el P acumulado en el suelo (incluyendo un procedimiento de fraccionamiento); se midió el estado fisiológico de las plantas de Phragmites australis (Pho y qP), así como la biomasa vegetal y la concentración de P en planta (raíces, rizomas, tallos y hojas). En relación al primer objetivo específico, los resultados del experimento mostraron que la carga de nutrientes del agua de inundación y la presencia de Phragmites australis tuvieron un papel diferente en la evolución temporal de las propiedades físico–químicas y microbiológicas del suelo relacionadas con los procesos biogeoquímicos, y que este rol estuvo fuertemente influenciado por la profundidad del suelo, la naturaleza de los materiales edáficos y la temperatura. En los horizontes superficiales del suelo, el Eh estuvo marcado por las condiciones alternas de inundación–secado (disminuyó durante las fases de inundación y aumentó en los secados), independientemente de la carga de nutrientes del agua de inundación y de la presencia de plantas. En los horizontes subsuperficiales del suelo, las plantas de Phragmites australis contribuyeron a mantener condiciones óxicas, lo que se atribuyó principalmente a la capacidad de dicha especie de canalizar el oxígeno de los tallos a las raíces a través del aerénquima. Esto estuvo modulado por el rendimiento fisiológico de las plantas (medido como actividad fotosintética), que disminuyó durante el mes de agosto debido a las temperaturas extremadamente altas (temperatura del aire ≈40 °C y temperatura del suelo ≈20–30 °C), reduciendo su capacidad de airear los suelos, lo que resultó en una disminución de los valores del Eh en profundidad. La dinámica del pH se atribuyó principalmente al sistema CO2–H2CO3. El pH disminuyó durante las fases de inundación, lo que se atribuyó a la formación de H2CO3, debido al aumento de la pCO2 al saturarse en agua los poros del suelo, y aumentó durante los secados, al entrar de nuevo oxígeno al suelo. La producción de CO2 debido a la actividad microbiana del suelo favoreció esta dinámica, que fue más intensa en los horizontes superficiales, mientras que en profundidad ocurrió únicamente en los tratamientos con Phragmites australis. Esto se atribuyó principalmente a la capacidad de los rizomas de las plantas de frenar el aumento de la pCO2 al introducir oxígeno en los horizontes subsuperficiales. Las oscilaciones de pH descritas se observaron durante los meses con temperaturas del suelo entre ≈20 y ≈25 °C. Cuando la temperatura del suelo disminuyó por debajo de ≈15 °C, las oscilaciones de pH en los horizontes superficiales se atenuaron y las diferencias entre los tratamientos con y sin plantas en profundidad desaparecieron, lo que se atribuyó a una menor actividad microbiana en el suelo y fisiológica de la plantas, debido al descenso de la temperatura. La actividad de los microorganismos del suelo se estimuló en los meses más cálidos del experimento, tal y como mostró la mayor producción de CO2 y la mayor SUVA y Phe en el agua de poro del suelo. Esto ocurrió independientemente de la carga de nutrientes del agua de inundación y de la presencia de Phragmites australis, aunque la combinación de ambos factores contribuyó a una mayor población microbiana edáfica (mostrada por concentraciones más altas del CBM del suelo). Debido a esto, la dinámica temporal del COD (en cuanto a cantidad y calidad) se atribuyó principalmente a las variaciones del C orgánico procedente del ataque microbiano de la materia orgánica del suelo, con un papel menos relevante de Phragmites australis, si es que tuvo alguno. En relación al segundo objetivo específico, los resultados del experimento mostraron que los mesocosmos experimentales fueron altamente eficaces en la retirada del N del agua eutrofizada. En los horizontes superficiales del suelo se eliminó más del 80 % del N–NO3-, independientemente de la carga de nutrientes del agua de inundación, la presencia de Phragmites australis y el periodo del año. Dicha eliminación estuvo acompañada por emisiones de N gaseoso (medidas como concentraciones potenciales de N–N2O) del suelo a la atmósfera, de forma más acentuada durante las fases de inundación, poniendo de manifiesto que el proceso de desnitrificación fue el principal mecanismo responsable de la eliminación del N–NO3- del agua. En los horizontes subsuperficiales del suelo el N–NO3- disminuyó un promedio del ≈83 % en presencia de Phragmites australis y un ≈32 % sin plantas durante el período más cálido del experimento (temperatura del suelo ≈20–30 °C), pero la efectividad se redujo a menos de un 10 % durante el período más frío (temperatura del suelo ≈10–15 °C). Las concentraciones de N–NH4+ en el agua de poro del suelo aumentaron durante las fases de inundación, lo que se atribuyó tanto al proceso de amonificación como a la reducción desasimilatoria de NO3- a NH4+ (DNRA), nitrificándose este NH4+ durante las subsiguientes fases de secado. En los tratamientos con Phragmites australis, durante las fases de secado, hubo una tendencia a disminuir las emisiones potenciales de N–N2O del suelo, lo que se atribuyó a que las plantas absorbieron el N–NO3- recién formado. En relación al tercer objetivo específico, los resultados del experimento mostraron que los mesocosmos experimentales fueron altamente eficaces en la retirada del P del agua eutrofizada. El P añadido al sistema se redujo en más de un 90 % tanto en el agua de poro del suelo como en el agua de drenaje, independientemente de la carga de nutrientes del agua de inundación, la presencia de Phragmites australis y el periodo del año. El suelo fue el principal sumidero del P añadido al sistema, mientras que las plantas de Phragmites australis tuvieron un papel minoritario. La biomasa de Phragmites australis acumuló un promedio del ≈27 % del P añadido en los tratamientos con el agua de baja carga de nutrientes, mientras que fue de un ≈12 % del P añadido en los tratamientos con el agua de alta carga de nutrientes. Los rizomas fueron los órganos que más contribuyeron a la acumulación de P por las plantas de Phragmites australis (≈67–72 % del P total retenido por las plantas). Los compuestos de Ca/Mg fueron los principales contribuyentes en la retención de P por el suelo, especialmente en los horizontes superficiales (≈34–53 % del P total en el suelo estaba presente en esta fracción). La presencia de Phragmites australis favoreció la retención de P en los óxidos metálicos del suelo (aumento ≈12 % del P retenido en la fracción de óxidos metálicos en el tratamiento con agua de alta carga de nutrientes). En base a los resultados obtenidos y en relación a los objetivos planteados, las conclusiones generales de la Tesis Doctoral son: 1. En los horizontes superficiales del suelo, de textura fina, la alternancia de condiciones de inundación–secado fue el principal factor que determinó los cambios de Eh, independientemente del nivel de eutrofización del agua, la presencia de Phragmites australis y las variaciones estacionales de temperatura del suelo. Por lo tanto, el potencial microbiológico del suelo fue suficiente para inducir los procesos biogeoquímicos que proporcionan a los humedales la capacidad de actuar como filtros verdes. 2. En concordancia con lo anterior, la eliminación del N–NO3- en dichos horizontes superficiales fue igual de eficiente en todos los tratamientos ensayados, siendo la desnitrificación el principal proceso implicado, independientemente del nivel de eutrofización del agua, la presencia de Phragmites australis y el periodo del año. Las tasas de emisión potencial de N–N2O del suelo medidas apoyaron que la desnitrificación fuera el principal mecanismo de retirada del N–NO3- del agua eutrofizada. Además, los valores extremadamente bajos de Eh alcanzados tras tres–cuatro semanas de saturación del suelo en agua apuntan a que la DNRA pudo contribuir a la eliminación del N–NO3- al final de las fases de inundación. 3. Independientemente de lo expresado en los puntos 1 y 2 en relación a la eficiencia en el proceso de desnitrificación, la actividad microbiana del suelo se vio estimulada con la subida de la temperatura, tal y como mostraron las mayores emisiones de CO2 del suelo y la mayor SUVA y Phe de la materia orgánica disuelta en el agua de poro a temperaturas del suelo entre ≈20 y ≈30 °C. Aunque el nivel de eutrofización del agua y la presencia de Phragmites australis no jugaron un papel crucial en dicha actividad, sí la favorecieron. 4. Aunque la adición de COD en el agua de inundación estimuló la actividad microbiana del suelo, la dinámica de dicho C en el agua de poro sugiere que la principal fuente de C y energía utilizada por dichos microorganismos fue la materia orgánica nativa del suelo, independientemente de la presencia de Phragmites australis. 5. A diferencia de los horizontes superficiales del suelo, en los horizontes subsuperficiales, de textura arenosa, la presencia de Phragmites australis sí tuvo un papel relevante frenando la disminución del Eh, lo que pudo atribuirse a la capacidad de dicha especie para introducir oxígeno en el suelo a través del aerénquima. Dado que la capacidad de aireación está relacionada con la actividad fisiológica de las plantas, ésta se vio perjudicada cuando dicha actividad disminuyó debido a las altas temperaturas del verano (≈40 °C). 6. Phragmites australis, además de tener un papel relevante en la biogeoquímica de los horizontes subsuperficiales arenosos, también lo tuvo en la eliminación del N–NO3- en profundidad. Las plantas contribuyeron a una depuración más rápida del agua de poro de los horizontes subsuperficiales durante las fases de secado al absorber el N–NO3- formado por nitrificación a partir del N–NH4+ acumulado durante las fases de inundación. 7. Los horizontes superficiales del suelo fueron los principales sumideros de P en los humedales ensayados, quedando éste retenido, principalmente, en compuestos de Ca/Mg, independientemente del nivel de eutrofización del agua, la presencia de Phragmites australis y el periodo del año. Las plantas tuvieron un papel secundario, favoreciendo la retención de P en los óxidos metálicos y acumulándolo en partes aéreas y subterráneas. http://repositorio.bib.upct.es/dspace/