Espectrofotometría de nutrientes limitantes en una muestra de agua

El concepto de nutriente limitante se basa en la premisa de que la cantidad de biomasa, el crecimiento de los productores primarios, será controlado por el nutriente que primero se consume o alcanza un mínimo antes.

El medio marino está sostenido por la producción primaria de todo tipo de fitoplancton que necesita sales nutrientes, especialmente nitratos, fosfatos y silicatos.

Se considera que los principales limitantes en el medio marino son el nitrógeno y el fosfato. Se considera que las zonas costeras son eutróficas por el elevado aporte de ambos nutrientes que permite un mayor crecimiento de la biomasa de productores primarios.

Pero el aporte antropogénico de nitrógeno y fósforo rompe el círculo dando lugar a hipereutrofización. Un fenómeno típico de los sistemas con baja renovación de aguas como lagunas, estuarios, embalses y mares interiores.

Según la FAO, el estudio mundial más completo fue el realizado por la OCDE en la década de 1970 en 18 países y fue publicado en 1980 por Vollenweider et al donde dividían los estados de oligotróficos a hipereutróficos.

Aunque tanto el nitrógeno como el fósforo contribuyen a la eutrofización, la clasificación de Vollenweider se centró en el aporte de fosfatos debido a que en la mayor parte de los casos es el nutriente que limita la producción primaria.Captura3

En 1981 Janus y Wollenweider llegaron a la conclusión de que esta serie no se podía establecer de forma estricta debido a las complejas interacciones en el sistema.

Los síntomas de la eutrofización son más que conocidos y la FAO los resume de la siguiente manera:

  • Aumento de la producción de biomasa de fitoplancton y macrófitas.
  • Alteración de las características del hábitat debida a la trasformación del conjunto de plantas acuáticas.
  • Sustitución de especies peces en reacción a este proceso. Suele implicar aparición de especies más resistentes a un entorno hostil, menos cotizadas gastronómicamente y menos saludables.
  • Producción de toxinas por las algas.
  • Aumento de los gastos de los sistemas públicos de abastecimiento de aguas, problemas de gusto y olor.
  • Pérdida de oxígeno en el agua.
  • Colmatación y obstrucción de los canales de riego.
  • Reducción de los posibles usos recreativos de las aguas.
  • Impedimentos a la navegación debido al crecimiento de densas masas de malas hierbas.
  • Pérdidas económicas debidas a la modificación de las especies de peces y su mortandad.

Otros problemas son:

  • Turbidez de las aguas.
  • Acumulación de materia orgánica en el fondo reduce la profundidad y acarrea anoxia.
  • Anoxia en aguas profundas por la saturación de algas en superficie.

Si alguien se pregunta ¿Cómo pueden dos nutrientes tan importantes actuar como contaminantes? Lo explicó muy bien Paracelso en el renacimiento: no hay veneno sino dosis. El problema no es el aporte de nitratos ni fosfatos, sino el exceso de ellos.

Fuentes de contaminantes

En lo que se refiere al nitrógeno, la principal fuente es la agricultura. Los fertilizantes agrícolas suponen un importante aporte de nitrógeno que llega a las aguas circundantes a través de la escorrentía. Otro vector de entrada son las aguas subterráneas que pueden contaminarse de sales de nitrato. El ciclo hídrico hace llegar el exceso de nitrógeno a las grandes masas de agua.

Sea como fuere, la principal fuente de nitratos sigue siendo la agricultura extensiva por el aporte de fertilizantes minerales y fertilizantes orgánicos tales como el estiércol o el compost.

Con todo, la cuantificación del aporte agrícola a la eutrofización de las aguas es difícil de calcular.

Por el contrario, el fósforo tiene un origen fundamentalmente urbano, asociado a las aguas grises procedentes de los efluentes domésticos. La principal fuente de fosfatos son los detergentes, llegando a suponer el 70%.

La composición de los detergentes tiende a variar, pero básicamente se reduce a:

  • Surfactante: molécula tensoactiva que reduce la tensión superficial del agua. Tiene un extremo hidrófobo que se disuelve en la suciedad.
  • Estructurador: secuestra iones que podrían interferir con el surfactante.
  • Blanqueador: normalmente perborato.

El estructurador más utilizado es el Na5P3O10 que produce fosfatos.

El fósforo puede proceder también de la erosión de rocas ricas en fosfatos pero, a diferencia del nitrato, no existe un reservorio atmosférico importante.

Por consiguiente, el aporte de fósforo es más localizado y supone el nutriente más limitante.

Espectrofotometría

La espectrofotometría de absorción atómica es un método de análisis basado en los picos de absorción de radiación electromagnética asociado a un átomo o molécula concreta.

Es un sistema bastante sofisticado y eficiente para determinar la presencia de moléculas determinadas disueltas o suspendidas en agua. Aunque necesita calibración de los aparatos, análisis y cálculos, es un proceso eficiente.

Debemos utilizar diferentes tipos de matraces

Debemos utilizar diferentes tipos de matraces

En el caso del fósforo, el proceso se basa en la formación del ácido vanadomolibdofosfórico PO4(NH3)VONH4 11MoO3 que es soluble en agua y de color amarillo que muestra una absorbancia media entre 460 y 480 nm según su concentración.

Por el contrario, el ion nitrato presenta un máximo de absorbancia a los 220 nm. Pero el nitrógeno es abundante en la materia orgánica (por ejemplo en los animoácidos) y ello implica una interferencia que puede medirse a los 275 nm. Si multiplicamos este último resultado multiplicado por dos al obtenido a 220 nm podemos eliminar la interferencia.

Protocolo para nitratos:

Recogemos 0,7218 g de KNO3 en 100 cm3 para dar lugar a una disolución de patrón A, que luego diluiremos en 1/10 como patrón B.

A su vez estableceremos una disolución de 0, 1, 10, 20, 25 cm3 de patrón B que diluimos en agua desionizada hasta 50 cm3.

A continuación tomamos una alícuota de 50 ml de muestra y añadimos 1 ml de HCl 1N.

Recogemos en todas estas soluciones en probetas de cuarzo y medimos su absorbancia primero a 220 nm y luego a 275 nm. Utilizamos la dilución 0 de patrón B como blanco.

En la muestra hacemos la corrección de materia orgánica.

Con todos estos datos, realizamos una curva de regresión a través de la cual estimamos la concentración de nitratos en la muestra.

Más complicado es el caso del fosfato.

Para la disolución patrón debemos añadir 50 ml de agua, 2 ml de ácido nítrico concentrado, 10 de disolución de vanadato de amonio, 10 de disolución de molibdato de amonio y se enrasa a 100 ml con agua desionizada.

A continuación se repite el proceso para dos alícuotas de muestra añadiendo en una 20 ml y en otra 50 ml.

A continuación medimos la absorbancia atómica en un intervalo entre 460 y 470 nm.

Con todos los datos realizamos una recta de correlación entre la absorbancia y las concentraciones del patrón. A partir de ella inferimos la concentración de la muestra.

Los espectrofotómetros son equipos sofisticados pero no especialmente complicados de manejar

Los espectrofotómetros son equipos sofisticados pero no especialmente complicados de manejar

En ambos casos estimaremos los resultados comparándolos con los valores oficiales establecidos por organizaciones como la OMS o la FAO.

El aparato que empleamos es un espectrofotómetro, en cuyas celdas introducimos probetas de cuarzo o plástico que vamos midiendo de forma sucesiva. Debemos utilizar un blanco para calibrarlo y cerrar la tapa para realizar todas las mediciones.

Hay un amplio espectro de programas que podemos utilizar para nuestros cálculos, siendo los más usuales Microsoft Excel, Octave o Matlab. Pero el cálculo más utilizado es siempre el mismo:

Ecuación de la recta: y = a + bx

A = pendiente

B = intersección con el eje

X = concentración

Y = absorbancia

Despejamos la concentración.

Debemos tener mucho cuidado en la elaboración de patrones y evitar en la medida de lo posible la corrupción de la muestra. Así mismo, debemos tener mucho cuidado con los factores de dilución.

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