Artículo 19 Ene, 2021

El ultrasonido para el control de la floración de algas: antecedentes, estudios y efectos

En resumen

  • El florecimiento de las algas (tóxicas) es un problema global que aumenta cada año
  • Debido a la contaminación y al cambio climático.
  • Para restaurar los ecosistemas acuáticos
  • Se requieren medidas que aborden el exceso de crecimiento de las algas.

En los últimos años se han presentado y probado innovaciones en torno a la restauración de los lagos y la remediación del florecimiento de las algas. Uno de estos métodos es el uso de sistemas interactivos, que controlan las algas mediante el uso de ondas de sonido ultrasónicas.

Con toda nueva tecnología, es importante estudiar su efecto sobre las algas, así como sobre el resto del ecosistema en el que se introduce. En este informe se abordan las preocupaciones más comunes sobre el uso de las ondas sonoras ultrasónicas en los cuepos de agua, basadas en investigaciones realizadas por distintas universidades.

Desarrollado por universidades europeas

La tecnología interactiva de control de algas, también conocida como tecnología de monitorización-predicción-control (MPC), se desarrolló gracias a una importante subvención de investigación otorgada por la Comisión Europea[1]. La tecnología se ha desarrollado como una colaboración entre:

El resultado de estos estudios es el desarrollo del sistema MPC-Buoy, que es una boya alimentada por energía solar. Utiliza la vigilancia in situ y en tiempo real de la calidad del agua para identificar y predecir el crecimiento de las algas, y aplica de forma autónoma frecuencias ultrasónicas específicas para adaptarse al tipo de algas en el cuerpo de agua.

La base de la investigación ha sido el desarrollo de una base de datos que contiene tipos de algas, información sobre la calidad del agua y los parámetros ultrasónicos correspondientes. Esta base de datos opera un algoritmo que impulsa los cambios en el programa de ultrasonido en la unidad MPC-Buoy. Esta base de datos se actualiza automáticamente con cada nueva lectura realizada por cualquier unidad a nivel mundial.

Manipulando la luz para reducir las Cianobacterias

Cuando un cuerpo de agua sufre de florecimientos de algas, las soluciones se buscan más a menudo en forma de reducción de fosfato, que es el nutriente clave que las algas y las cianobacterias consumen para crecer. Sin embargo, aparte del fosfato, la luz es también un recurso crítico para todo el fitoplancton.

La manipulación de la luz como una forma de reducir las cianobacterias, es un método factible que ha sido explorado recientemente por la Universidad de Missouri (MO) y la Universidad de Kansas (KS) en los Estados Unidos. Encontraron que la reducción de la radiación fotosintética activa (RFA) en un cuerpo de agua con 60,4 – 86,4% resultó en una disminución del 77,9% en el biovolumen de cianofitos en los tanques dominados por las cianobacterias, que fueron predominantemente afectados por la disponibilidad limitada de luz.

Adicionalmente, estas universidades muestran el control del crecimiento de las algas mientras mantienen estables los niveles de fosfato durante todo el experimento.[2]

La tecnología del sistema MPC-Buoy funciona según un principio similar; en lugar de limitar los nutrientes, limita la disponibilidad de luz para reducir el crecimiento de cianobacterias y otras algas florecientes. Otros estudios, como el realizado por la Universidad de Aarhus en Dinamarca, también mostraron que la PAR disminuye exponencialmente a lo largo de la profundidad tanto en los cuerpos de agua poco profundos como en los de mayor profundidad[3].

Por consiguiente, en lugar de reducir la penetración de la luz en la capa superior de la superficie del agua, también es posible llevar las células de algas hacia la profundidad del agua donde los niveles de PAR se reducen considerablemente.

Afectando la flotabilidad de las algas

El sistema MPC-Buoy utiliza el ultrasonido como su mecanismo de efectividad. El ultrasonido puede representarse como una presión hidrostática añadida en la célula de la alga, afectando a la flotabilidad de la célula. Las algas requieren la flotabilidad de la célula para permanecer en la capa superior del cuerpo de agua y obtener suficiente luz para florecer.

Comúnmente se cree que la flotabilidad de las algas es una cuestión de generación y colapso de las vesículas de gas, lo cual es sólo parcialmente cierto. El colapso de las vesículas de gas es irreversible, y para algunos tipos de algas no es posible debido al tamaño y la forma de la vesícula.

En cambio, la migración vertical de estas algas es una función más compleja en la que la elevación que proporcionan las vesículas de gas contrarresta los lastres celulares, como los carbohidratos y las proteínas. Pueden regularse con mayor precisión en función de la calidad actual del agua (turbidez, concentraciones de fosfato y nitrato) [4], así como las variaciones hidrodinámicas como la presión hidrostática, el flujo de agua y la mezcla de la columna de superficie.

Esta es la zona en la que los ultrasonidos desempeñan un papel fundamental, ya que las ondas ultrasónicas forman un ciclo continuo de presión alrededor de las células de las algas. Esta presión afecta a la regulación de la flotabilidad de las mismas, lo que no les permite obtener una flotabilidad suficiente para permanecer en la zona en la que la PAR es lo suficientemente alta para florecer.

Esta situación explica también la necesidad de variaciones frecuentes de los parámetros ultrasónicos, como la amplitud, la frecuencia y la forma de onda, ya que la regulación de la flotabilidad es un proceso continuo de las algas estrechamente relacionado con sus actividades fotosintéticas. Por lo tanto, también es importante que las presiones hidrostáticas en torno a las algas cambien continuamente.

La investigación de American Water

La teoría fue probada en 2014, por el Dr. Orren D. Schneider y Lauren A. Weinrich. Realizaron pruebas in situ con cuatro sistemas MPC-Buoy en un depósito de agua potable en Nueva Jersey durante un período de cinco meses.

Se tomaron muestras de agua durante todo el período de prueba y se determinaron las especies de algas. Encontraron que durante la parte inicial del estudio, las algas fueron bien controladas por las boyas MPC. Sin embargo, el 13 de agosto, se abrió una entrada de un depósito no tratado porque se necesitaba agua adicional en la planta. Esta agua cargada de algas entró en el embalse 1 y sembró el embalse con Aphanizomenon, una cianobacteria filamentosa.

Casi inmediatamente, se detectaronniveles elevados de algas, carbono orgánico y moléculas de sabor y olor en la entrada de la planta. Aphanizomenon comenzó a florecer en el reservorio hasta que el programa ultrasónico se cambió para que coincidiera con esta especie de algas. [5]

¿Por qué controlar las algas si los nutrientes son el problema?

A menudo, las floraciones de algas son causadas por la eutrofización, un proceso en el que el contenido de nitrógeno y fósforo en un cuerpo de agua aumenta hasta un punto en el que las algas y las plantas comienzan a crecer en exceso. Una vez que las algas empiezan a florecer, esto conduce a un aumento de la turbidez, la clorofila a, el pH y la ficocianina. Estos parámetros tienen un efecto negativo en la tasa de crecimiento de los macrófitos y otros organismos acuáticos.

Los macrófitos desempeñan un papel fundamental en la claridad del agua dentro de un ecosistema; en primer lugar porque consumen nutrientes que de otro modo estarían disponibles para el crecimiento de las algas, y también porque las plantas acuáticas sumergidas proporcionan refugio al zooplancton frente a los peces.

Cuando el zooplancton desaparece, el agua puede perder su claridad debido al crecimiento excesivo de fitoplancton. Otro efecto importante de la reducción del crecimiento de las plantas y de la calidad del agua, es el de los niveles de oxígeno disuelto (OD) dentro de un cuerpo de agua, que puede volverse inestable y los niveles de agua más profundos (hipolimnión) pueden volverse anóxicos (falta de oxígeno). Así, también la digestión microbiana aeróbica en las capas de agua más profundas de los nutrientes se ven comprometidas.

Cuando las algas florecen

El florecimiento de algas en un cuerpo de agua afecta a toda la cadena de producción en el agua. Las condiciones anóxicas en el hipolimnión conducirán a una reducción de la descomposición orgánica, lo que significa que la capa de sedimentos de un cuerpo de agua seguirá creciendo y, por falta de oxígeno, podrá liberar su contenido (como nutrientes y metales) en la columna de agua, lo que a menudo conduce a un mayor aumento de la proliferación de algas.

En estas condiciones, la reducción de la entrada de nutrientes en el cuerpo de agua no alterará ninguno de los parámetros de calidad del agua mencionados anteriormente. Por el contrario, el sedimento seguirá liberando los nutrientes mientras las algas estén floreciendo, y la calidad del agua se deteriorará aún más.

Por lo tanto, para resolver activamente el problema en torno a la floración de las algas, es importante que previamente se controle la proliferación de las algas para que la calidad del agua pueda estabilizarse y así permitir que el ecosistema acuático se ajuste.

Los efectos del ultrasonido en los organismos no objetivo

La cavitación es otro concepto importante de las ondas ultrasónicas. La cavitación es cuando los ultrasonidos u otra presión hidrostática en un líquido provoca la formación de microburbujas que implosionan, causando calor intenso, presión, micropulsaciones y la formación de radicales libres de hidrógeno.

La cavitación se utiliza en una amplia variedad de procesos industriales, como la limpieza de joyas, la esterilización de equipos quirúrgicos, la homogeneización de muestras (celulares) y el lisado de células para aplicaciones de laboratorio.

La cavitación se caracteriza a menudo por utilizar altas frecuencias en el rango de mHz. Sin embargo, aunque las formas y características de la cavitación pueden diferir, puede generarse tanto en frecuencias bajas (kHz) como altas (mHz), pero depende principalmente de la potencia de salida.

Lowe & L. Brand [6] reflexionan en su documento sobre el requerimiento de energía para generar cavitación en el agua, y Joyce et al. (2010) [7] citaron la cavitación como una causa primaria del control de algas dentro de su experimento (rango de potencia por volumen de 0.0015–0.17W/cm3).

Por lo tanto, se considera que cualquier estudio con un rango de potencia por volumen mayor que éste utiliza la cavitación; sin embargo, es bueno tener en cuenta que otros factores dentro de un experimento también contribuyen a la generación de cavitación. Los ultrasonidos utilizados por los productos fabricados por LG Sonic, generalmente utilizan volúmenes de potencia de 0.55*E-8 and 0.33*E-6 respectivamente, lo que está muy por debajo del umbral de generación de cavitación.

Sin embargo, muchos estudios científicos en los que se emplea el ultrasonido han basado sus métodos en tecnologías de generación de cavitación, que suelen utilizar volúmenes bajos de agua y equipos de gran amplitud dentro del rango de generación de cavitación.

En lo que concierne a LG Sonic, estas aplicaciones dañarían a los organismos no objetivo, así como a las algas, pero no se podrían ampliar a un entorno real, ya que requerirían demasiada energía y consumirían transductores de ultrasonido.

Efectos del ultrasonido en los peces

De Lange (2007) realizó un estudio sobre los sistemas ultrasónicos utilizados para el control de las algas en aguas superficiales y sus efectos en varias especies de peces: besugo, lubina, rutilo (Rutilus rutilus), besugo plateado, acerina (Gymnocephalus cernua), gardí (Scardinius erythrophthalmus), tenca (Tinca tinca) y lucio europeo (Esox lucius).

El estudio se realizó conectando a cuencas idénticas pobladas de peces a través de un túnel donde los peces podían migrar de una cuenca a otra. De Lange utilizó la migración de los peces, así como el tamaño de los mismos, como parámetros para indicar el estrés u otros efectos de los sistemas ultrasónicos.

Se tomaron muestras de la población de peces antes de que se activara el ultrasonido, después de un mes y después de cuatro meses. Los resultados mostraron que la población de peces estaba distribuida uniformemente en las dos cuencas incluso después de cuatro meses de funcionamiento del ultrasonido, lo que reveló que dicho sistema no tiene ningún efecto en la migración de los peces entre las dos cuencas. La longitud de los peces entre las cuencas tampoco mostró diferencias significativas.

De Lange tampoco encontró ningún aumento de la mortalidad de los peces en el experimento; por lo tanto, se concluyó que el sistema de ultrasonido no era perceptible o considerado inseguro para las especies de peces examinadas. [8]

Griessler Bulc et al. (2011) estudiaron un sistema de tratamiento de agua para la carpa común (Cyprinus carpio) que incluía el ultrasonido. Utilizaron para sus pruebas el equipo producido por LG Sonic, que se realizó en dos estanques: uno con la unidad de ultrasonido y el otro sin ella. Llegaron a la conclusión de que con el tratamiento (incluido el ultrasonido), las condiciones de cría de la carpa común eran mejores, con un mayor aumento del peso corporal y una mayor producción de peces que en el estanque sin tratamiento. [9]

Krivograd Klemenčič & Griessler Bulc realizaron más pruebas de acuicultura con sistemas de ultrasonidos en 2013 [10] y 2015 [11], tanto a escala de laboratorio como en un estanque de peces. Ambas pruebas no mostraron ningún efecto adverso en los peces, mientras que el estudio realizado en el interior del estanque piscícola sí mostró un mayor rendimiento de los peces en comparación con el estanque sin tratar.

Techer et al. estudiaron los efectos de la irradiación ultrasónica en los peces en 2017 utilizando un generador ultrasónico de baja potencia disponible en el mercado. Su estudio se centró en los efectos a largo plazo en la carpa común (Cyprinus carpio), utilizando carpas de dos años de edad que fueron expuestas a ultrasonidos de baja potencia durante 30 días. Estos resultados mostraron que las carpas no se veían afectadas por la exposición a los ultrasonidos cuando se exponían en jaulas flotantes en estanques piscícolas durante un período de 30 días. [12]

Efectos del ultrasonido en el zooplancton

La Universidad de Ljubljana realizó pruebas de campo y de laboratorio en Daphnia magna utilizando equipos fabricados por LG Sonic. En las pruebas a escala de laboratorio, un conjunto de Daphnia magna adulta y juvenil fue expuesto al ultrasonido y a la movilidad después de 0, 4 y 19 horas de exposición.

En ambas pruebas no se encontraron diferencias significativas en la movilidad de las especies después de 19 horas, lo que indica que no hubo un efecto agudo de la exposición al ultrasonido en los organismos probados.

En la prueba de campo, el sistema de ultrasonido se colocó en un estanque, y se tomaron muestras de zooplancton a las 0, 12, 24 y 48 horas utilizando una red cónica de plancton. Se utilizaron dos sitios de muestreo diferentes, que estaban directamente frente al sistema de ultrasonido y a 7 metros de éste. Las muestras fueron analizadas, determinando el número total de zooplancton y los taxones.

Se encontró un ligero aumento del zooplancton cerca del transmisor ultrasónico. Sin embargo, no se observan diferencias significativas antes de la sonicación (t0) y en diferentes momentos de la sonicación, incluso después de 48 h. Es probable que las diferencias se deban a la depredación de los peces o al movimiento del zooplancton. [13]

En 2017, la consultoría e investigación acuática Ecofide estudió los efectos de los sistemas MPC-Buoy, fabricados por LG Sonic. Este estudio fue encargado por el municipio de Zoetermeer y la Junta de Aguas Rijnland para investigar los efectos de la tecnología ultrasónica utilizada en el zooplancton.

Para este estudio, se introdujo el zooplancton en jaulas durante un período de 7 días. Después de 7 días, se contó el número de pulgas de agua sobrevivientes y el número de crías producidas. Este método de prueba es y ha sido aplicado a menudo en la investigación de campo con respecto a los efectos sobre el zooplancton.

Por ejemplo, la Junta de Aguas de Delfland ha utilizado este método durante años para estudiar los efectos de los plaguicidas (por ejemplo, véase el informe general de Ecofide de 2008), así como en la actual investigación de Waternet (Simoni, parte de la toxicidad del Factor Clave Ecológico); estos experimentos de campo constituyen una parte importante (van der Oost et al., 2017; Stowa, 2016).

Las jaulas se colocaron a diferentes distancias de los transmisores ultrasónicos. Las jaulas más cercanas se colocaron debajo de la boya justo delante de los transmisores, mientras que los transmisores más lejanos se colocaron en la orilla del lago. Se ha comprobado tanto la supervivencia de las pulgas de agua maduras como la reproducción (número de crías) después de 7 días.

No se han encontrado efectos negativos causados por el sonido ultrasónico en cuanto a la supervivencia de las pulgas de agua y el promedio de supervivencia en todas las muestras ha sido del 95-100%. [14]

Sobre el autor

Lisa Maria Brand es una microbióloga de gran experiencia en el campo de la calidad del agua. Durante los últimos 12 años, ha estudiado las floraciones de algas en lagos y embalses de todo el mundo y se ha centrado en encontrar una solución para remediar sus efectos tóxicos en el medio ambiente. Lisa es una experimentada gestora de proyectos, habiendo coordinado y colaborado en diversos proyectos de investigación a nivel nacional y europeo que implican análisis de la calidad del agua dulce y medidas de mejora.

Referencias

[1] The research leading to these results has received funding from the European Union Seventh framework Programme ([FP7/2007-2013] [FP7/2007-2011]) under grant agreement n° [FP7-SME-2011-286875-CLEARWATERPMPC].

[2] Gaskill JA, Harris TD and North RL (2020) Phytoplankton Community Response to Changes in Light: Can Glacial Rock Flour Be Used to Control Cyanobacterial Blooms? Front. Environ. Sci. 8:540607. doi: 10.3389/fenvs.2020.540607

[3] Gonçalves-Araujo R and Markager S (2020) Light in the Dark: Retrieving Underwater Irradiance in Shallow Eutrophic Waters From AC-S Measurements. Front. Mar. Sci. 7:343. doi: 10.3389/fmars.2020.00343

[4] Zhaosheng Chu, Xiangcan Jin, Bo Yang, Qingru Zeng, Buoyancy regulation of Microcystis flos-aquae during phosphorus-limited and nitrogen-limited growth, Journal of Plankton Research, Volume 29, Issue 9, September 2007, Pages 739–745.

[5] Schneider, O.D., Weinrich, L.A. and Brezinski, S. (2015), Ultrasonic Treatment of Algae in a New Jersey Reservoir. Journal ‐ American Water Works Association, 107: E533-E542.

[6] Lowe M. 2011. Ultrasonic control of algae in stormwater systems. Water New Zealand, 7th South Pacific Stormwater Conference.

[7] Joyce, E. M., Wu, X., & Mason, T. J. (2010) ‘Effects of ultrasonic frequency and power on algae suspensions’ Journal of Environmental Science and Health, Part A, 4, 7, 863 – 866.

[8] De Lange M.C. 2007. Control of blue algae with ultrasound – the effects on fish. Report: VA2007_28. VisAdvies BV, Utrecht, 10 pp.

[9] Griessler Bulc T., Istenič D., Krivograd Klemenčič A. 2011. The efficiency of a closed-loop chemical-free water treatment system for cyprinid fish farms. Ecological engineering 37, 873-882.

[10] Krivograd Klemenčič A., Griessler Bulc T. 2013. The efficiency of constructed wetland and ultrasound for water reuse in a closed-loop small-scale cyprinid fish farm. Fresenius environmental bulletin, 22(10), 2828-2835.

[11] Krivograd Klemenčič A., Griessler Bulc T. 2015. The use of vertical constructed wetland and ultrasound in aquaponic systems. Environmental science and pollution research international, 22(2), 1420-1430

[12] Techer D., Milla S., Banas D. 2017. Sublethal effect assessment of a low-power and dual-frequency anti-cyanobacterial ultrasound device on the common carp (Cyprinus carpio): a field study. Environmental Science and Pollution Research 24(6), 5669–5678.

[13] Krivograd Klemenčič, Griessler Bulc, Pflieger. 2018. The effects of the LG Sonic technology on toxin degradation and on the environment (without algae). UNIVERSITY OF LJUBLJANA.

[14] Rineke Keijzers & Jaap Postma, Ecofide. Field research regarding possible effects of ultrasonic sound on zooplankton (2017)