DINAMICA DE NUTRIENTES DEL LAGO DE ZIRAHUÉN, MICHOACÁN, MÉXICO

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1 DINAMICA DE NUTRIENTES DEL LAGO DE ZIRAHUÉN, MICHOACÁN, MÉXICO Yolanda VERGARA DE PAZ, Martha Beatriz RENDÓN LÓPEZ, Arturo CHACÓN TORRES, Fernando W. BERNAL BROOKS y Catalina ROSAS MONGE Instituto de Investigaciones sobre los Recursos Naturales-UMSNH. Av. San Juanito Itzícuaro Col. Nueva Esperanza. Morelia, Mich. Mex. C.P Tel ext 122. Palabras claves: Fósforo:Nitrógeno, oligo-mesotrofico, relación N:P. RESUMEN En el sistema lacustre los nutrientes son importantes para sostener las comunidades acuáticas, éstos son distribuidos en el agua y en la interfase aguasedimentos en forma disuelta y particulada los cuales son absorbidos y metabolizados por los organismos. La abundancia del fitoplancton y la cantidad de clorofila en un ecosistema acuático esta determinada por la dinámica de nutrientes, por lo tanto, la relación de nitrógeno inorgánico total (NIT) y fósforo total (PT) es considerada como indicador del estado trófico en los lagos. El lago de Zirahuén, está clasificado como oligo-mesotrófico, Sin embargo, no se ha identificado con precisión el nutriente limitante de la productividad primaria, ni su dinámica en éstos ecosistema. El presente trabajo contempla como objetivo evaluar la dinámica de nitrógeno y fósforo del lago. Se seleccionaron cuatro estaciones de acuerdo a diferencias ambientales y se muestreo agua durante un año, analizando 17 variables de calidad. Los resultados en el lago de Zirahuén reportan concentraciones de 0.108mg/L NIT y 8.59µg/L PT, así mismo indican una co-limitación de N/P, sin embargo la estación de Rincón de Agua Verde se encuentra limitada por nitrógeno. La concentración de nutrientes dentro del lago es afectada por la estratificación térmica. En cuanto a la productividad primaria ésta se encuentra limitada por la relación N:P; sin embargo en La Palma se encuentra limitada por la penetración de luz, debido a que la presencia de sólidos suspendidos y al aporte de nutrientes provenientes del tributario la Palma y muelle de Zirahuén ha favorecido una creciente turbidez. INTRODUCCIÓN Los nutrientes junto con la penetración de la luz son un factor determinante para el crecimiento de la productividad primaria. Un factor limitante se entiende como aquel que se encuentra presente en bajas concentraciones y que es requerido para el desarrollo del organismo. Dentro de estos nutrientes los más importantes son: carbono, nitrógeno y fósforo, ya que son los nutrientes que se requieren para el crecimiento celular, estos elementos se encuentran en el medio ambiente a través de sus respectivos ciclos distribuidos en la atmósfera, hidrosfera, biosfera y geósfera en diferentes compuestos, tanto orgánicos como inorgánicos (Agemian, 1997, Wetzel, 2001). 1

2 La producción acuática como se ha mencionado se encuentra regulada por el nutriente que se encuentra en menor disponibilidad, de acuerdo con los requerimientos de los productores primarios. Por lo tanto, un nutriente limitante se manifiesta cuando el crecimiento vegetal es disminuido por la presencia de un nutriente en baja concentración, el cual es requerido en mayores cantidades para la síntesis de biomasa (Dodds,2002). Tanto el exceso como la ausencia de cualquier nutriente puede limitar la productividad primaria. En un medio acuático los nutrientes son distribuidos en dos formas dentro del agua y en la interfase agua-sedimentos: disuelta y particulada, los nutrientes disponibles en estos sistemas son absorbidos y metabolizados por los organismos acuáticos. En los ecosistemas lacustres es importante que la dinámica de nutrientes de estos nutrientes ya sea disueltos en el agua, acumulados en los sedimentos y transferidos a la biota logre un balance natural, ya que de esto depende la productividad acuática y la salud en el ecosistema. La disponibilidad de estos elementos generan cambios temporales y espaciales de diferentes comunidades del fitoplancton, la baja concentración de uno de estos nutrientes, ya sea de nitrógeno o de fósforo dentro de un sistema acuático se debe a los requerimientos específicos de dicha comunidad, por lo que es importante determinar el nutriente limitante en los sistemas acuáticos. (Kopácek, 1995; Champion, 2000). El nutriente de mayor abundancia en los sistemas acuáticos es el nitrógeno por ser del ciclo biogequímico gaseoso y que por lo general se encuentra en forma combinada incluyendo el amonio (NH 4 ), nitrito (NO 2 ), nitrato (NO 3 ), urea (CO [NH 2 ] 2 ) y otros compuestos orgánicos disueltos (Goldman, 1983; Atlas y Bartha, 1993). Mientras que el fósforo por ser del ciclo biogeoquímico sedimentario es menos abundante que el nitrógeno y se presenta en ocho formas incluyendo el fósforo orgánico o particulado como parte de ácidos nucleicos, proteínas, enzimas, vitaminas, adenosín difosfato (ADP) y Adenosín 5-trifosfato (ATP), así como en formas minerales de rocas y suelos o bien adsorbido en microorganismos y agregaciones macro-orgánicas (Wetzel, 2001). La relación de nutrientes (N:P) aún no se determina para numerosos cuerpos de agua del país, como es el caso del lago de Zirahuén, que originalmente se le ha descrito como un lago oligo-mesotrófico de aguas muy claras y transparentes (Chacón et. al. 2001). Este lago requiere por su naturaleza endorreica de información asociada al patrón de nutrientes, la identificación del nutriente limitante así como su dinámica en el ecosistema. El lago de Zirahuén, cuenta con un afluente único conocido como el arroyo La Palma, mismo que recibe aguas negras de las poblaciones de Santa Clara del Cobre y Opopeo, además de incorporar los escurrimientos de zonas de cultivo cercanas a los márgenes del cauce. El arroyo La Palma contiene aguas negras 2

3 que aportan al lago de Zirahuén un promedio de 0.25 a 0.34g/m 2 /año de fósforo, (Bernal-Brooks, 2000). Considerando que el lago de Zirahuén es un sistema acuático endorreico, tropical de alta montaña y con la presencia de estratificación térmica es de fundamental importancia determinar la dinámica de nutrientes para definir acciones de aprovechamiento sustentable así como de conservación de sus atributos naturales. Por lo tanto, en el presente estudio se determinó la dinámica del nitrógeno y fósforo dentro del lago de Zirahuén para establecer la relación N:P que afecta la productividad primaria. MATERIAL Y MÉTODOS El estudio se ubica en el lago de Zirahuén, Michoacán, México (Fig.1). El sistema se localiza en la cuenca del mismo nombre a una altitud promedio de 2,075msnm, entre las coordenadas máximas UTM, y mínimas de UTM (INIRENA, 2000). El área del lago de Zirahuén es de10.48km 2 (Chacón y Rosas, 1998; Ruiz, 2000), una profundidad máxima 45m y un volumen de ,500m 3 además se reporta la presencia de estratificación térmica de marzo a noviembre. La cuenca es de tipo endorréico, rodeada de montañas de origen volcánico, presenta una depresión central, inclinada hacia el oeste para terminar en dirección al lago, el drenaje de agua sigue este patrón. Existe una corriente principal denomina arroyo La Palma, proveniente de Santa Clara del Cobre (Rosas, 1997). Figura 1 Ubicación de la cuenca y lago de Zirahuén, Michoacán 3

4 Para el estudio se seleccionaron cuatro estaciones de 57 estaciones establecidas para evaluación ambiental del lago de Zirahuén (Fig.2). La selección de sitios de muestreo deriva de un recorrido de campo para detectar zonas potenciales de ingreso de nutrientes. El mapa batimétrico del lago de Zirahuén elaborado por Chacón (Ruiz 2002) permitió identificar las zonas de mayor representatividad limnológica y a partir de las cotas de profundidad se seleccionaron las siguientes estaciones de muestreo: Estación 1. Rincón de Agua Verde. (UTM y ) Este sitio se caracteriza por ser una zona aislada del lago y se caracteriza por una baja hidrodinámica, acentuada sedimentación y un aporte de materia orgánica originada por el bosque mesófilo de montaña que se encuentra en su ribera. Estación 2. Zona profunda. (UTM y ) En esta área se presenta la zona de máxima profundidad (45 m). En este sitio se presenta una alta hidrodinámica y es la zona es donde se presenta la estratificación térmica Estación 3. Muelle de Zirahuén. (UTM y ) La estación se ubica en la orilla del poblado de Zirahuén en donde se asume un alto ingreso de nutrientes de la actividad turística y las descargas domésticas sin tratamiento. Estación 4. La Palma. (UTM: y ) En esta localidad se ubica la desembocadura del arroyo del mismo nombre que procede de la cuenca media, a partir de la población de Salvador Escalante o Santa Clara del Cobre. Figura 2. Localización de los sitios de muestreo en el lago de Zirahuén Se realizaron colectas de agua durante un año. Las muestras de agua se obtuvieron a tres diferentes profundidades incluyendo superficie, profundidad media y fondo. Los muestros se realizaron mediante el uso de una botella tipo 4

5 Van Dorn y las muestras se transportaron al laboratorio en frío para su posterior análisis. En campo se tomaron registros de variables como temperatura, potencial de hidrógeno y conductividad eléctrica mediante el uso de un potenciómetroconductivimetro marca Conductronic modelo PC18, la transparencia mediante el disco de Secchi, concentración de oxígeno disuelto con un medidor electrónico de oxígeno marca YSI modelo 56-B, así como la estimación de productividad primaria mediante la técnica indirecta de incubación de la botella clara y obscura utilizando la técnica de Winkler modificada con azida de sodio. En el laboratorio se realizaron análisis de 17 variables físico - químicas incluyendo la concentración de sólidos suspendidos, dureza total, alcalinidad, nitratos, nitritos, amonio, fosfato soluble y fósforo total siguiendo las técnicas de APHA (1995), además de la determinación de concentración de clorofila mediante la técnica de acetona alcalinizada. RESULTADOS De acuerdo con los resultados obtenidos tanto en el campo como en el laboratorio la temperatura superficial promedio fue de 21.7 ±0.3 C, mientras que los valores promedio de potencial de hidrógeno (ph) fueron de 8.11±0.28. La transparencia promedio fue de 3.6m±1.45 con una conductividad eléctrica de 120±0.55 (Tabla I) La alcalinidad promedio fue de ±1.76mg/L, lo que sugiere que en este sistema acuático la alcalinidad se encuentra representada básicamente por la presencia de bicarbonatos. Lo anterior se confirma con la ausencia de carbonatos. En cuanto a la concentración de dureza siguiendo los criterios propuestos por Sawyer y MacCarty (1967) el lago de Zirahuén se clasifica como un lago de aguas suaves o blandas, ya que se registraron valores de dureza en un intervalo de 25.3 a mg/l, con un promedio de 27.92±2.89 mg/l. Así mismo, se registró una baja concentración de calcio (9.21mg/L±0.26) y de magnesio (3.96g/L±042). La concentración promedio de oxígeno disuelto en el lago fue de 6.4±1.19 mg/l mientras que la concentración máxima de oxígeno disuelto registrada fue en las estaciones del muelle de Zirahuén (7.05 mg/l) y La Palma (7.03mg/L). En la estación profunda se registró a los 28m una concentración de 2.0 mg/l de oxígeno disuelto en el fondo. Como se ha mencionado anteriormente, esta estación se encuentra asociada al proceso de estratificación térmica. La influencia de la estratificación térmica se observó cuando la concentración promedio de oxígeno disuelto fue cercana a cero a 45 metros de profanidad durante el mes de julio (Tabla I). 5

6 Los resultados obtenidos de la concentración de fósforo total fueron en un promedio de 8.58±02.3μg/L, con una concentración máxima de 11.56μg/L en la estación La Palma y un valor mínimo de 6.15μg/L en la estación profunda. La concentración de fósforo reactivo soluble presentó un valor promedio de 0.88± 0.45μg/L, alcanzando su concentración máxima en la estación La Palma de 1.374μg/L y la mínima en Agua Verde de 0.48μg/L (Tabla I). Tabla I. Resultados físico-químicos de la columna de agua en el Lago de Zirahuén. PARÁMETRO ZIRAHUEN A. VERDE PALMA PROFUNDA Profundidad (m) 8.27± ±0 4.5 ± ±1.15 Temperatura ( C) 21.7±2 21.7±1 21.8±2 21.5±2 Transparencia de Secchi (m) 2.7± ± ±2 5.7±2 Conductividad (μs/cm) 120.0± ± ± ±2 Potencial de Hidrógeno 8.17± ± ± ±0.4 Oxigeno Disuelto (mg/l) 7.05± ± ± ±2.47 Alcalinidad total (mg/l) 52.53± ± ± ±1.2 Dureza total (mg/l) 28.67± ± ±1 25.3±2 Ortofosfatos (μg/l) 0.93± ± ± ±0.65 Fósforo total (μg/l) 9.02± ± ± ±1.02 Nitratos (mg/l) 0.075± ± ± ±0.03 Nitritos(mg/L) 0.061± ± ± ±0 Amonio (mg/l) 0.015± ± ± ±0 Nitrógeno inorgánico Total (mg/l) 0.152± ± ± ±2.5 Nitrogen I D (mg/l) ± ± ± ±0.26 Sólidos Suspendidos (mg/l) 2.54± ± ± ±0.2 Clorofila a (mg/m 3 ) 1.10± ± ± ±0.14 La concentración promedio de nitrato entre las estaciones de muestreo fue de 0.155±0.3mg/L, mientras que los nitritos registraron una concentración promedio de 0.073±0.01mg/L. El nitrógeno inorgánico disuelto registró una concentración máxima de 0.17mg/L en la estación La Palma, mientras que la concentración mínima fue de 0.069mg/L en la estación de Agua Verde. El promedio de las concentraciones para el nitrógeno inorgánico fue de 0.127mg/L con una variación entre los valores de 0.05mg/L En cuanto al nitrógeno inorgánico total se reporta una concentración máxima de 0.185mg/L en la estación La Palma, mientras que la concentración mínima fue de 0.076mg/L en la estación el agua Verde. El valor promedio entre las estaciones de muestreo fue de 0.146mg/L con una variación de 0.1mg/L (Tabla I) 6

7 El análisis de cluster agrupó las estaciones en tres grupos principales: el primero agrupa las estaciones de Zirahuén y La Palma a una distancia de relación de 3.1; en el segundo grupo la estación de Agua Verde con una distancia de relación con el primer grupo de 6 y el tercer grupo se encuentra representado por la estación Profunda con una distancia de relación con el segundo grupo de 7.2 (Fig. 3). D endograma de 4 casos Método Ward Distancia de relación Figura 3. Diagrama de cluster de las estaciones de muestreo en el lago de Zirahuén. En cuanto a los resultados de nutrientes las concentraciones del fósforo total en el lago de Zirahuén durante el periodo estratificación térmica (marzo-noviembre) es de 8.54μg/L en la columna de agua y tienden a disminuir, mientras que durante el periodo de mezclado (diciembre-febrero) las concentraciones de fósforo son de 11.32μg/L las cuales tienden a ascender. De manera similar, las concentraciones del nitrógeno inorgánico total durante el periodo estratificación (0.108 mg/l) tienden a disminuir, mientras que durante la etapa de recirculación o mezclado las concentraciones ascienden a un promedio de 1.39 mg/l. Un análisis de varianza (ANOVA) sugiere una diferencia significativa, entre la concentración de los nutrientes (Tabla II) durante las etapas de recirculación y estratificación térmica del lago. Tabla II ANOVA de los nutrientes en las etapas de estratificación térmica y mezclado. Origen de las variaciones Promedio de los cuadrados F Probabilidad Suma de cuadrados Grados de libertad Valor crítico para F Entre etapas Dentro de las etapas Total

8 La productividad primaria en el lago de Zirahuén registró un valor de 1.56 mgc/m 3 /d que comparado con el lago Superior EUA ( ) considerado como un lago oligotrófico es menor. Por lo tanto es posible que en cuanto a la actividad fotosintética el lago de Zirahuén sea un lago poco productivo. En el lago de Zirahuén la relación de N:P tiende a variar de manera espacial, de la misma manera se detectaron variaciones a lo largo de la columna de agua (Fig. 4). Los resultados del presente estudio sugieren en principio que el nutriente limitante en el sistema acuático es posiblemente el fósforo. Lo anterior, aparentemente contradice los efectos de la erosión y el azolve que necesariamente incorporan cargas de fósforo al sistema. Sin embargo, la baja tasa de productividad primaria y las bajas concentraciones de fósforo que se detectaron en el agua posiblemente sean el resultado de que las mayores concentraciones de fósforo se encuentran retenidas en los sedimentos y estas concentraciones pueden ser liberadas durante los periodos de anoxia que sufre el lago durante la estratificación térmica. Productivada primaria (mgc/l/d) Relación N/P Figura 4 La productividad primaria controlada por la relación N/P Flujo de nutrientes en el lago de Zirahuén El ingreso de nutrientes se presentó en el arroyo La Palma (14.5 µgp/l) junto con la contribución de origen antropogénico (8.69 µgp/l) representan el 100% de fósforo de entrada al lago. A partir de este supuesto se estima que únicamente el 26.5% de fósforo se encuentra presente en la columna de agua (6.15 µgp/l). En llo que se refiere a la concentración de nitrógeno existe un ingreso a través del arroyo La Palma (120 µgp/l) así como un ingreso de origen antropogénico (140 µgp/l). Asumiendo que esta cantidad total representa el 100%, se estima que el 61.53% se encuentra en la columna de agua (160 µgp/l) (Fig. 5). 8

9 Figura 5. Modelo propuesto de la dinámica de nutrientes en el lago de Zirahuén. DISCUSIÓN El lago de Zirahuén tiene una transparencia promedio de 5.6m, durante 11 años la transparencia ha sido registrada en principio por Ordóñez et al (1982), posteriormente por Bernal Brooks (1988), Chacón et al (1993) quienes en sus estudios reportaron una transparencia de Secchi de 6.0 a 6.5m. Posteriormente Campos et al (1977) y Bernal et al (2000) reportaron valores menores a los 5.0 m, esta disminución en la transparencia se debe principalmente al aumento en el ingreso de sólidos suspendidos durante los últimos diez años y que coinciden con la construcción de la carretera Morelia-Uruapan durante el año de Asociado a este evento se encuentra el avanzado deterioro de la cuenca debido a la intensa deforestación, erosión y azolve que en conjunto han contribuido a que el lago de Zirahuén pierda hasta 1.1m de su transparencia original. La conductividad actual en el lago han aumentado ligeramente en un periodo de 12 años de 110 a 120μS/cm 2 (Bernal 1988, Chacón 1993, Campos et al 1977, Bernal et al 2000), esto indica que las concentraciones de iones disueltos se incrementaron de un valor anterior promedio de 1.77 mgca/l (Chacón et al ) a 9.4 mgca/l. Sin embargo, a pesar de esto el lago mantiene sus aguas blandas (0-75 mgcaco 3 /L). En cuanto a los nutrientes en la columna de agua presentan una dinámica activa, ya que la relación N:P se encuentra zonificada. De acuerdo a este trabajo el fosforo es el nutriente que limitar la productividad primaria en el lago de Zirahuén. 9

10 Por lo que se cree que el fósforo aparentemente se encuentra retenido en los sedimentos por bajas concentraciones, sin una liberación total a la columna de agua, a pesar de la anóxia probablemente por la falta de iones movilizantes, lo que ha ayudado al lago amortiguar el impacto de deterioro que sufre en la cuenca. Sin embrago, en el presente estudio no se presenta indicios de que este nutriente sea potencialmente liberado a pesar de su estratificación. Se que a pesar de que al utilizar la productividad primaria como indicador de estado trófico y que esta sugiere que el lago de Zirahuén es un lago oligotrófico, aunado con la relación N/P donde el nutriente limitante es el fósforo, muestra claramente que el lago se encuentra en transición entres un lago oligotrófico a un lago mesotrófico por lo cual se clasificado como oligo-mesotrófico. Finalmente el lago de Zirahuén es uno de los lagos que se mantiene con el paso de los años transparente y profundo, se ve afectado por las actividades de agricultura, industrial-artesanal, y descargas de agua domesticas que a través de sus escurrimientos y el arroyo la Palma llegan hasta éste ecosistema lacustre. REFERENCIAS Bernal B.F.W Limnology of Lake Zirahuén relative to cultural impacts. Tesis de Maestría en Ciencias. University of Guelph. Canada. pag.132. Brezonik P Chemical Kinetics and Process Dynamics in Aquatic Systems. 1 a ed. Lewis publishers. AUS. Pag Champion M. y Currie D. J Phosphorus-chlorophyll relationships in lake, rivers and estuaries. En: Verh. International limnology. Vol. 27. pag Chacón T. A., Rosas M. C., Rendón L. M. B La cuenca del lago de Zirahuén: Una propuesta de área natural protegida. Ciencia Nicolaita No.28 UMSNH México. pag Chacón T. A., Rosas M. C., Rendón L. M. B La cuenca del lago de Zirahuén: Una propuesta de área natural protegida. Ciencia Nicolaita No.28 UMSNH México. pag Lind T.O y Dávalos-Lind The algal growth potential and algae growth-limiting nutrients for 30 of Mexico s lakes and reservoirs. En: Verh. International limnology. Vol. 27. pag Martino P metodologías simplificadas para la evaluación de eutroficación de lagos cálidos tropicales. Organización Panamericana de salud. Rosas-Monge C La Cuenca del Lago de Zirahuén: los avances del deterioro. Tesis de Maestría en Ciencias. Facultad de Biología. UMSNH. México. pag.187. Ruiz Sevilla, G Variaciones morfometricas del lago de Zirahuén, Tesis de Maestría en Ciencias. Facultad de Biología. UMSNH. pag.100. Wetzel, G Limnology. Lake and River Ecosystems. 3 a ed. Elsevier Science. AUS. Pag

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