En marzo de 2013, una floración de cianobacterias (Dolichospermum sp.) con alta producción de geosmina causó sabor y olor en el agua potable proveniente de Paso Severino, lo que afectó el suministro del servicio para la mayor parte de la población del país. Esto generó alarma pública y despertó una alta preocupación por parte del Estado uruguayo, que como consecuencia impulsó la creación de la Comisión de Cuenca del Río Santa Lucía y empezó a trabajar sobre el “Plan de acción para la protección de la calidad ambiental y la disponibilidad de las fuentes de agua potable” en la cuenca del río Santa Lucía.

El trabajo “Influencia del uso del suelo/cobertura del suelo en la calidad de las aguas superficiales del río Santa Lucía, Uruguay”, publicado en la revista Sustainability por los investigadores Ángela Gorgoglione, Javier Gregorio, Agustín Ríos, Jimena Alonso, Christian Chreties y Mónica Fossati, tomó este episodio como punto de partida para analizar el vínculo entre la calidad de agua y cómo usamos el suelo de la cuenca del río Santa Lucía.

Un sistema muy complejo

En 2013, mientras las cianobacterias florecían en Paso Severino y alarmaban a los uruguayos, la ingeniera ambiental Gorgoglione estaba lejos del epicentro del drama, ya que se encontraba haciendo su posdoctorado en Italia. Tras pasar por la Universidad de California en Davis, en Estados Unidos, y realizar su posdoctorado en “modelación de sedimentos y pesticidas en cuencas urbanas”, en 2018 arribó a Uruguay. Y entonces, junto con docentes del Instituto de Mecánica de los Fluidos e Ingeniería Ambiental (IMFIA) de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de la República, se embarcó en el estudio del que ahora se publican los resultados.

En el artículo los investigadores analizaron varios parámetros biofísicos y químicos de la calidad del agua de la cuenca: fósforo total, nitrógeno total, nitrato, nitrito, amonio, turbidez, temperatura, oxígeno disuelto, demanda bioquímica de oxígeno y caudal. Para los análisis tuvieron en cuenta los registros de la Dirección Nacional de Medio Ambiente y de la Dirección Nacional de Agua del entonces Ministerio de Vivienda, Ordenamiento Territorial y Medio Ambiente entre 2004 y 2018 en las seis estaciones de monitoreo ubicadas en la cuenca. También utilizaron el mapa de uso del suelo de 2018 generado por el Ministerio de Ganadería, Agricultura y Pesca.

Los trabajos sobre cantidad y calidad de agua implican el manejo de un “sistema muy complejo”, por la gran cantidad de variables que se deben tener en cuenta, que además tienen “alta variabilidad temporal y espacial”, manifestó Gorgoglione. Frente a esa situación, los investigadores intentaron “bajar el nivel de complejidad del sistema, para obtener resultados que sean fácilmente comprensibles”, adoptando una metodología que les permitiera reducir el número de variables sin perder información importante. De esta forma, los investigadores recurrieron a técnicas de análisis de clúster y análisis de componentes principales (PCA, por sus siglas en inglés). La herramienta PCA permite generar un conjunto reducido de metavariables a partir de todas las variables consideradas sin perder información importante y las técnicas de clúster permiten observar de “manera simple” si existen similitudes entre diferentes observaciones, explicó la ingeniera.

La cuenca y el suelo

Los usos y la cobertura del suelo son aspectos con características compartidas, y aunque la diferencia “es muy sutil”, dijo Gorgoglione, refieren a elementos distintos. La investigadora explicó que en general “cobertura de suelo, como dice la palabra misma, refiere a la descripción del material físico en la superficie terrestre”. La cobertura de suelo suele utilizarse para “categorías” naturales. En tanto, el uso del suelo se refiere a actividades antropogénicas que se desarrollan sobre las distintas coberturas de suelo y dependen del área en consideración.

En la cuenca del río Santa Lucía, los autores definieron como “categorías primarias de uso del suelo” la agricultura, los terrenos dispuestos para pastizales, los bosques, los humedales, los cuerpos de agua, las minas y la urbanización. La cobertura de suelo de pastizales se llevó el primer puesto, con mayor presencia río arriba. La relación es inversa en la actividad agrícola (es menor río arriba y mayor río abajo), según establece la investigación. Esto se debe a que el noreste de la cuenta se caracteriza por “suelos superficiales, áreas rocosas, fertilidad natural y sin alto riesgo de sequía”, todas condiciones adecuadas para “la cría extensiva de ovejas y plantaciones forestales”, apunta el artículo. Los autores agregan que “en los últimos años” la forestación ha aumentado “en un porcentaje significativo”, por la producción de madera para la industria papelera. Sobre la zona central de la cuenca, los investigadores describen que son más frecuentes los suelos con “alta fertilidad natural, permeabilidad lenta y riesgo medio de sequía”, que permiten “la producción agrícola de cereales y oleaginosas, la ganadería y la actividad lechera intensiva asociada a la producción de forrajes”. En esa zona también se encuentra localizada la principal ciudad de toda la región, Florida. En tanto, en las zonas más cercanas a la reserva de Paso Severino aumenta el porcentaje de coberturas de suelo de “bosques nativos y cuerpos de agua”. Hacia el sur, los suelos se caracterizan por tener “alta fertilidad, gran profundidad y riesgo de sequía medio”, lo que favorece la producción hortícola y agrícola organizada en granjas familiares.

El índice de estado trófico

Con las mediciones de concentración de fósforo total, los investigadores calcularon el índice del estado trófico en las tres estaciones en el cauce principal del río y en las tres estaciones en el embalse Paso Severino. En general, el índice “muestra un incremento espacial del estado trófico desde las estaciones aguas arriba hasta aguas abajo”, indica el documento. En todas las estaciones localizadas en Paso Severino se encontraron condiciones “hipereutróficas” durante el período comprendido entre 2011 y 2018. “Estos resultados sugieren que se encuentran disponibles concentraciones significativas de fósforo para sustentar la producción de fitoplancton primario en la parte baja de la cuenca hidrográfica del Santa Lucía Chico, particularmente en el embalse de Paso Severino. Sin embargo, otros factores además del fósforo total, como el nitrógeno o la luz, podrían estar limitando el crecimiento del fitoplancton”, explican los autores.

Además, dado que las cianobacterias “tienen varias adaptaciones ecofisiológicas que pueden permitirles dominar los sistemas acuáticos con temperatura más altas”, los autores calcularon la variación de los valores del índice del estado trófico de acuerdo a las estaciones (otoño/invierno y primavera/verano) y determinaron que los valores del índice son más altos en las estaciones más cálidas.

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Fuertes correlaciones

Los resultados de la investigación determinaron fuertes correlaciones entre algunas variables de calidad de agua y categoría de uso del suelo. Entre las principales, Gorgoglione destacó la correlación entre la presencia de fósforo total en el agua y la agricultura. Según explicó la investigadora, esto podría deberse a que los fertilizantes utilizados en Uruguay, en su mayoría, son a base de fosfatos. “En consecuencia, la importación de fertilizantes en el país se utilizó como un indicador indirecto de la intensificación agrícola y se encontró que estaba altamente correlacionada con las mediciones de fosfato total en el caudal de Santa Lucía”, sostienen los autores en la investigación, y además agregan que entre las categorías relacionadas con la agricultura “existe un cultivo extensivo en granjas lecheras” y que “esta clase incluye a la ganadería intensiva, que se conoce como una de las principales fuentes de nutrientes para los cuerpos de agua superficiales”.

Una segunda relación que encontraron los investigadores fue entre el fósforo total y la categoría “pastizales”. Gorgoglione explicó que esto puede ocurrir por el hecho de que, sobre todo en verano, “el ganado va a tomar agua directamente al río”, lo que “implica la presencia de materias orgánicas descompuestas ricas de nutrientes directamente en el cuerpo de agua”. Esa alta carga de nutrientes, en particular de fósforo y el nitrógeno, causa el problema de la eutrofización. La ingeniera ambiental sostuvo que se está implementando el “Plan de acción para la protección de la calidad ambiental de la cuenca del río Santa Lucía” para mejorar la calidad de agua, lo que, entre otras estrategias, impide al ganado llegar hasta el río.

Una tercera correlación a la que llegaron los investigadores fue una relación inversa entre la cantidad de fósforo total y el uso de suelo para forestación. La investigadora italiana explicó que ese vínculo se debe a que “las plantas necesitan nutrientes para crecer. Entonces lo que hacen es absorber a través de sus raíces los nutrientes biodisponibles en la tierra. Claramente, esos nutrientes no van a estar más disponibles en el terreno para ser lixiviados de la escorrentía superficial y transportados hasta el río. En pocas palabras, eso significa que un área mayor de forestación implica una menor concentración de fósforo total en las aguas superficiales” que la de otros usos productivos, manifestó la investigadora.

Los autores también encontraron una correlación directa entre “el nitrógeno en sus formas disueltas y el uso de suelo urbano”, sostuvo la investigadora. “En las ciudades existen muchas fuentes de nitrógeno: el atmosférico, el de los efluentes de aguas residuales, el de los fertilizantes de los jardines, entre otros”. De esa forma, “cuanto más grande es el uso del suelo urbano (o sea, cuanto más grande es la ciudad), más alta es la concentración de nitrógeno que se puede observar en el agua” del entorno urbano. “Esas fueron las correlaciones más importantes entre variable de calidad de agua y uso del suelo que encontramos y que verificamos de diferentes maneras”, resumió la ingeniera.

Impactos ambientales

Estas correlaciones repercuten en importantes impactos en el ecosistema fluvial, por favorecer “la alta concentración de nutrientes en cuerpos de agua”, en particular de nitrógeno y fósforo, que incrementa los fenómenos de eutrofización. “Esto afecta a todo el ecosistema acuático, porque impide la penetración de luz en los cuerpos de agua y los procesos de fotosíntesis que se desencadenan a raíz de la luz que llega a las profundidades mayores del agua” y dan vida a los organismos que habitan en el ecosistema. Sin estos procesos, la cadena de alimentación se ve alterada, “desde el fitoplancton hasta el pez más grande”, manifestó la investigadora. “La consecuencia más evidente es la muerte de peces y otras especies acuáticas”.

Si bien no es su área de investigación, respecto de los impactos en la salud humana Gorgoglione sostuvo que hay algunas recomendaciones conocidas, por ejemplo, no bañarse en los cuerpos de agua afectados por cianobacterias, porque pueden ocasionar diarrea, vómitos, alergias e infecciones en la piel, entre otras sintomatologías.

¿Es posible revertir los procesos de eutrofización? “La belleza de los cuerpos de agua es que se autolimpian”, contesta Gorgoglione. Pero el problema es la acción del ser humano, que no da tiempo a los cuerpos de agua para completar el proceso de “autodepuración”. La investigadora señaló que el desafío principal es “desarrollar en la cuenca actividades productivas relevantes para el desarrollo económico del país preservando la calidad de los cuerpos de agua y evitando la afectación de otras actividades, como la potabilización de aguas o la preservación de ecosistemas relevantes, como los humedales del Santa Lucía”.

Trabajos futuros

Gorgoglione comenzó hace seis meses un nuevo proyecto que continúa la misma línea de investigación en “hidroinformática”, que se enfoca en la resolución de problemas ambientales, en particular de calidad de agua, con técnicas de aprendizaje automático. En el proyecto trabaja un grupo de investigadores del IMFIA y del Instituto de Computación, ambos de la Facultad de Ingeniería. En estos seis meses de trabajo, el equipo se enfocó en generar, con técnicas de aprendizaje automático, “una base de datos mejorada, más sólida”, a partir de los datos disponibles de cantidad y calidad de agua, precipitación y clima. “Con esa base mejorada, profundizaremos el efecto de cambio de uso del suelo a lo largo de los años sobre la calidad de agua en la cuenca del Santa Lucía”, sostuvo la investigadora, que adelanta que la base de datos que se generará será pública.

Asimismo, Gorgoglione sostuvo que a través del empleo de las técnicas de aprendizaje automático se está trabajando para “mejorar los instrumentos de modelación de cantidad y calidad de agua”, y así “realizar una comparación en detalle entre los modelos físicamente basados y los basados en datos (aprendizaje automático), determinando sus ventajas, desventajas y posibilidades de aplicación en distintos escenarios”. También se comenzaron a formar recursos en el área de la hidroinformática. “Este paper es sólo el puntapié inicial de toda una línea de investigación que estamos comenzando a desarrollar en la Facultad de Ingeniería”, concluyó la investigadora.

Artículo: “Influence of Land Use/Land Cover on Surface-Water Quality of Santa Lucía River, Uruguay”
Publicación: Sustainability (junio de 2020)
Autores: Ángela Gorgoglione, Javier Gregorio, Agustín Ríos, Jimena Alonso, Christian Chreties, Mónica Fossati.