New insights on the use of magnetic particles for lake restorationtoxicity assessment and evaluation of the viability of recovered phosphorus as a fertilizer

Resumen

El ciclo biogeoquímico del fósforo (P) se está viendo dramáticamente afectado por las actividades humanas. Hoy en día, nos enfrentamos a dos problemas íntimamente acoplados: el agotamiento global de las reservas de P y el enriquecimiento en P de los ecosistemas acuáticos continentales. En realidad, ambos aspectos están fuertemente conectados, ya que el P se exporta desde los ecosistemas terrestres, provocando un agotamiento de las reservas de P, a los ecosistemas acuáticos promoviendo la eutrofización. Actualmente, el P no tiene sustituto para la producción de alimentos por lo que es esencial buscar alternativas que permitan retirar el P de los ecosistemas acuáticos y utilizarlo posteriormente como fertilizante. Estudios previos han confirmado la conveniencia de usar nuevos adsorbentes como son las partículas magnéticas (MPs) para retirar el P de los ecosistemas acuáticos eutrofizados. Brevemente, las MPs adsorben, en primer lugar, el P disuelto con una alteración mínima en la calidad del agua (véase por ejemplo, de Vicente et al., 2010; Funes et al. al., 2016, 2018) y, posteriormente, mediante la aplicación de un campo magnético, se pueden recuperar las MPs junto con el P adsorbido. No obstante, antes de utilizar las MPs en un proyecto de restauración, es esencial evaluar los posibles efectos tóxicos sobre la biota acuática. En consecuencia, el primer objetivo de esta Tesis Doctoral ha sido evaluar la toxicidad de nuevos adsorbentes de P utilizados para la restauración de lagos sobre la biota acuática mediante una aproximación metodológica interdisciplinar, usando tanto test estandarizados de laboratorio como experimentos de microcosmos. A continuación, y teniendo en cuenta que una de las fuentes de P más importantes a los ecosistemas acuáticos eutrofizados es la descarga de aguas residuales, en esta Tesis se ha evaluado la capacidad de las MPs para retirar P en aguas residuales tratadas. Finalmente, y en el contexto actual del agotamiento de las reservas de P, se ha evaluado la viabilidad de utilizar el P recuperado de ecosistemas acuáticos eutrofizados como fertilizante líquido. En primer lugar, los resultados de los tests de toxicidad aguda y crónica con una única especie de fitoplancton [Chlorella sp. y Raphidocelis subcapitata ((Korshikov) Nygaard, Komárek, J.Kristiansen et Skulberg, 1959)], zooplancton [Daphnia magna(Straus, 1820) y Brachionus calyciflorus (Pallas, 1766)] y bentos (Chironomus sp.) han demostrado que la utilización de MPs para la reducción de la concentración de P presenta una toxicidad reducida sobre los organismos acuáticos. Esta afirmación se basa en que los valores de la concentración de MPs que causa un efecto (EC50) o la muerte (LC50) en el 50% de los organismos son superiores a la concentración de MPs estimada. En este punto, es importante tener presente que la concentración de MPs a adicionar se puede estimar considerando la relación 53 mg MP: mg P (de Vicente et al., 2010) así como la concentración de P móvil presente en el sedimento superficial. Para obtener una comparación de la toxicidad de las MPs en relación con otros adsorbentes de P (magnetita, Phoslock® y CFH-12®), se realizaron pruebas de toxicidad adicionales. En particular, se evaluó el efecto agudo de la adición de MPs tanto sobre R. subcapitata (prueba de inhibición de la tasa de crecimiento) como sobre D. magna (inmovilización). Para discriminar entre los efectos químicos y físicos de los adsorbentes en D. magna, la prueba de inmovilización se realizó en contacto directo e indirecto (utilizando un doble vaso de precipitados) con los diferentes adsorbentes de P. Los resultados han mostrado claramente el predominio de un efecto físico de los adsorbentes sobre los organismos. Finalmente, se llevó a cabo una prueba de asimilación-depuración para evaluar la respuesta de D. magna después de estar en contacto directo con los adsorbentes durante 24 h. La concentración de hierro y de lantano en los organismos reflejó la ausencia de acumulación así como de efectos a largo plazo de los adsorbentes de P. Por tanto, podemos concluir que el riesgo de toxicidad puede, según el caso, ser aceptable. Para obtener un efecto más realista de la adición de MPs en toda la comunidad de zooplancton, se llevaron a cabo experimentos de microcosmos que contenían agua y sedimento superficial de un lago hipereutrófico (laguna Honda, Adra, Almería). Los resultados confirmaron que la adición de MPs no causa efectos significativos ni en la abundancia total, ni en la riqueza de especies ni en la diversidad de especies del zooplancton. La ausencia de efectos de la adición de MPs sobre la comunidad zooplanctónica puede explicarse por la no alteración ni de las condiciones físicoquímicas (temperatura, pH, O2) ni biológicas (cantidad y calidad de alimento). En relación al segundo objetivo de esta Tesis, las MPs han mostrado una elevada eficiencia para retirar P en aguas residuales tratadas. Esta afirmación se basa tanto en la elevada capacidad de adsorción de P en equilibrio (q) así como en su elevada eficiencia de retirada de P. Teniendo en cuenta tanto las ventajas (eficiencia de retirada de P) como las desventajas (coste económico) de usar MPs, hemos identificado que la dosis óptima a utilizar es ≥ 0.16 g MPs mg-1 P. En el último capítulo, y tras la comparación de la concentración de P medida en los extractos al utilizar tres diferentes soluciones básicas, podemos concluir que la mejor opción para desorber P es la utilización de 0.1 M NH4OH (neutralizado con H3PO4). De hecho, la concentración de P en las condiciones seleccionadas fue tan alta que fue necesario diluir los sobrenadantes, lo que optimiza el uso del P recuperado como fertilizante. Finalmente, en los experimentos de fertirrigación con Ocimum bassilicum (Linneo, 1753), Cucumis sativus (Linneo, 1753) y Cucumis melo (Linneo, 1753), se observó que la altura y la tasa de crecimiento para las tres especies de plantas fue significativamente menor en el control (sin adición de nutrientes) que en los tratamientos. Más aún, es importante destacar, en general, la ausencia de diferencias significativas entre los tratamientos con fertilizante comercial y con P recuperado. De manera similar, la biomasa de las partes aéreas y de las raíces, así como la concentración de P en las partes aéreas fue significativamente más baja en los controles que en los tratamientos, mientras que no se encontraron diferencias significativas entre los tratamientos (fertilizante comercial vs P recuperado). Estos resultados sugieren que el P desorbido desde las MPs puede usarse como fertilizante líquido. Por tanto, se podría proponer el uso de MPs como una técnica prometedora para contrarrestar la alteración antrópica del ciclo biogeoquímico del P.