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1. Sistemas naturales 1.1 Ecosistemas
Un ecosistema es una comunidad de organismos que interactúan y el entorno físico
en el que viven. Los seres humanos y sus edificios y asentamientos forman parte
de esta comunidad, que puede incluir aves, plantas e insectos, así como materia
inorgánica (como rocas y metales) y fuerzas naturales (como el flujo de agua, el
fuego o la química de la tierra). fotosíntesis 1 ). Todos estos se enlazan e interactúan
como una compleja red de vida.
La cultura occidental tiene una tradición de pensar en las personas como algo
separado de los sistemas naturales y no como parte de su entorno, aunque el
mundo natural todavía puede ser muy valorado. Esta separación es muy fácil en el
día a día debido a la capacidad que tienen las personas para cambiar y, hasta cierto
punto, controlar su entorno físico. También se debe en parte a que nuestros
sistemas y tecnologías cotidianos tienden a hacer que sea fácil sentirse separado
de los procesos naturales. Puede abrir un grifo y obtener agua fresca sin tener que
pensar en el impacto de tomar el agua de un río cercano o del subsuelo. Puede tirar
de la cadena del inodoro sin tener que pensar a dónde va.
Esto está cambiando, ya que muchas personas descubren que tomar agua o los
impactos de las aguas residuales están alterando los procesos naturales que las
sustentan de otras formas. Cada vez es más obvio que los seres humanos
están integrados en el ecosistema circundante y que las partes construidas y
diseñadas de nuestras comunidades deben adaptarse a los procesos del
ecosistema natural más amplio si se quiere que todo el sistema sobreviva a largo
plazo.
Los ecosistemas se superponen y también existen en varios niveles, desde un
estuario completo hasta una pequeña comunidad en un solo estanque de
rocas. Pero incluso si es difícil ver dónde comienza y termina uno, puede ver con
bastante claridad las funciones de los diferentes sistemas. Lo que hace que cada
uno sea un sistema son los vínculos y las dependencias de una parte con otra. Estas
dependencias se vuelven obvias cuando una parte comienza a fallar y aparecen
tensiones en otras partes del sistema.
Vale la pena pensar en el tipo de ecosistema que existe en su área. Algunos tipos
amplios son costeros, estuarios, fluviales, lacustres, forestales, agrícolas y urbanos,
y varias combinaciones de estos.
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1.2 El ciclo del agua, captaciones de agua y las 'tres
aguas'
El agua juega un papel esencial en el ciclo natural de los nutrientes o 'sistema de
conversión de desechos'. Ayuda a mover los desechos hacia el suelo y ayuda con
la absorción de nutrientes por parte de las plantas. El ciclo natural del agua se
muestra en la Figura 1.1.
Figura 1.1 El ciclo del agua
Descripción textual
Captaciones
El ciclo del agua que se muestra arriba tiene lugar en todas partes. Dónde fluye el
agua, qué tan rápido, si pasa al subsuelo y qué tan rápido dependerá de la forma
física o 'topografía' de la tierra, la cobertura terrestre y los suelos en los que
cae. Este sistema de canalización se llama cuenca, un sistema de colinas y valles
circundantes que canaliza el agua hacia abajo a lo largo de arroyos y a través del
suelo y la roca, a veces hacia lagos pero finalmente hacia el mar en un punto
común. Diferentes cuencas hidrográficas pueden alimentarse a un lago. Es
importante comprender este proceso porque el lago o el mar que podrían recibir
algunas de las aguas residuales de su comunidad también pueden estar recibiendo
desechos de otros lugares.
Entonces, cuando piense en el efecto del sistema de tratamiento de aguas
residuales de su comunidad, deberá pensar en lo que fluye hacia abajo a través de
la cuenca de captación desde granjas, negocios, arbustos y otras ciudades. La
escorrentía puede estar fluyendo hacia un río, lago o estuario y el efecto total puede
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ser mayor de lo que el sistema natural en general puede manejar. Como mínimo,
podría tener un impacto en la salud pública que quizás no haya tenido en cuenta al
pensar en el efecto de los desechos de su propia comunidad.
Las 'tres aguas': suministro de agua, aguas pluviales y aguas
residuales
Los seres humanos utilizan el agua para beber, lavar, procesos industriales,
irrigación y transporte de desechos; para recreación, natación, pesca y con fines
espirituales. Como resultado de algunas de estas actividades, se crean aguas
residuales. Además, los asentamientos humanos contribuyen a la escorrentía de
aguas pluviales.
El agua de lluvia es el agua de lluvia que ha golpeado las superficies y se escurre
en lugar de filtrarse al suelo. Por lo general, hay más escorrentía de superficies
impermeables como techos de casas, carreteras y senderos que de superficies más
permeables como tierras de cultivo, campos deportivos y césped. Si no se gestiona,
estas aguas pluviales provocarán inundaciones. Generalmente se canaliza a
carreteras o cursos de agua abiertos, luego se baja a un sistema de tuberías y se
descarga en los arroyos, ríos, lagos y el mar. A veces, pero con menos frecuencia,
las aguas pluviales se combinan con las aguas residuales en un sistema de drenaje.
Hay dos razones por las que es importante tener en cuenta las aguas pluviales al
pensar en la gestión de las aguas residuales:
• Las aguas pluviales no tratadas contienen contaminantes que afectarán la
misma cuenca y 'aguas receptoras' que reciben las aguas residuales
tratadas.
• las aguas pluviales pueden infiltrarse en su sistema de tratamiento de aguas
residuales: las grietas en las tuberías o el tanque séptico pueden permitir la
entrada de aguas pluviales, o algunas personas pueden tener bajantes del
techo que descargan en las tuberías de aguas residuales. Esto puede
suponer una carga adicional para su sistema de tratamiento y costar más
dinero.
Las aguas residuales incluyen los desechos líquidos naturales creados por los seres
humanos (como la orina y el agua del baño) y el agua que se ha combinado con
otros desechos (como las heces y el producto final de algunos procesos industriales)
para permitir su fácil transporte. Más sobre esto más adelante.
El punto importante aquí es que las 'tres aguas' - agua, aguas pluviales y aguas
residuales - deben tenerse en cuenta al pensar en la gestión de aguas residuales
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humanas. Se crean cuando los humanos desvían el agua del ciclo natural del agua
para satisfacer sus necesidades o debido a los asentamientos humanos. El ciclo
humano del agua y las tres aguas y sus interrelaciones se muestran en la Figura
1.2.
Figura 1.2 Las tres aguas
1.3 El ciclo de los nutrientes
Las diversas partes de un ecosistema están intrincadamente entretejidas por las
cadenas alimentarias y el "ciclo de los nutrientes".
Figura 1.3 Un ciclo de nutrientes simplificado
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Los diferentes nutrientes (p. Ej., Fósforo y nitrógeno) están sujetos a diferentes
mecanismos, pero todos siguen las mismas vías básicas de la Figura 1.3. Los
'materiales de desecho' de un organismo son utilizados directamente por otro o se
convierten (mediante procesos naturales) en algo que es utilizable por otra
persona. Por ejemplo, cuando un animal muere, su cuerpo se descompone (a través
de bacterias) y se convierte en parte del suelo. El suelo contiene minerales y
nutrientes de una variedad de fuentes, que son absorbidos por las plantas, las
plantas son devoradas por los animales o cosechadas y consumidas por los
humanos, y luego regresan al suelo como desechos, que luego son absorbidos
nuevamente en el suelo como desechos. nutrientes.
La descomposición de los desechos orgánicos es el paso más importante del ciclo
de los nutrientes. Involucra muchos tipos de plantas y animales microscópicos,
principalmente bacterias, hongos y protozoos. Un organismo puede descomponer
un compuesto orgánico haciendo que algunos subproductos residuales estén
disponibles como alimento para otros organismos. O puede proporcionar alimento
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a otro microorganismo. Estos, a su vez, pasarán por el mismo proceso, con el ciclo
de degradación continuo que eventualmente producirá nutrientes y minerales en el
suelo en una forma que está disponible para su uso por plantas y animales
superiores.
El ciclo de los nutrientes no solo tiene lugar en tierra. La lluvia y la escorrentía de
las aguas superficiales transportarán materia orgánica sin descomponer, nutrientes,
minerales y gases disueltos del aire a los arroyos, ríos, lagos y el mar. Aquí, tiene
lugar un proceso de descomposición similar. Este ciclo del agua a veces se
complica más porque los peces y otras formas de vida acuática tienen que competir
con los microorganismos por el oxígeno disuelto en el agua. Si el suministro de
alimentos de los microorganismos es demasiado alto, proliferan y consumen la
mayor parte del oxígeno disuelto, dejándolo insuficiente para el resto de la vida
acuática.
Este entorno deficiente en oxígeno permite que florezca un nuevo grupo de
microorganismos, llamados 'anaerobios'. También descomponen la materia
orgánica, pero en lugar de producir dióxido de carbono como subproducto, generan
metano, sulfuro de hidrógeno y otros gases sulfurosos malolientes que a menudo
se asocian con los sistemas sépticos.
El ciclo de los nutrientes puede verse como el sistema de gestión de residuos
naturales, aunque en realidad no existen los "residuos", ya que los residuos de un
organismo son el recurso de otro. Los nutrientes y sustancias como los metales se
mueven a lo largo del ciclo y, a veces, se acumulan en diferentes lugares de la
cadena alimentaria. Esta 'bioacumulación' puede ser un problema para la salud
humana.
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El ciclo del carbono
El ciclo del carbono se estudia con más facilidad como dos ciclos más pequeños
interconectados:
• Uno que comprende el intercambio rápido de carbono entre los organismos
vivos
• Y otro que se encarga del ciclo del carbono a través de los procesos
geológicos a largo plazo
Aunque los veremos de manera separada, es importante tomar en cuenta que estos
ciclos están enlazados entre sí. Por ejemplo, las reservas de CO2 atmosférico y
oceánico que son utilizadas por los organismos vivos son las mismas que los
procesos geológicos reciclan.
Como una breve descripción, el carbono existe en el aire mayoritariamente como
dióxido de carbono CO2 gaseoso, el cual se disuelve en el agua y reacciona con las
moléculas de esta para producir bicarbonato: HCO3 - La fotosíntesis que llevan a
cabo las plantas terrestres, las bacterias y las algas, convierte el dióxido de carbono
o el bicarbonato en moléculas orgánicas. Las moléculas orgánicas producidas por
los organismos fotosintetizadores pasan a través de las cadenas alimenticias, y
la respiración celular convierte nuevamente el carbono orgánico en dióxido de
carbono gaseoso.
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Crédito de imagen: Ciclos biogeoquímicos: Figura 3 de OpenStax College,
Biology, CC BY 4.0; modificación de la obra de John M. Evans y Howard Perlman,
USGS
El almacenamiento de carbono orgánico a largo plazo ocurre cuando la materia que
proviene de los organismos vivos es enterrada profundamente bajo la tierra o
cuando se hunde hasta el fondo del océano y forma rocas sedimentarias. La
actividad volcánica y, en tiempos más recientes, la quema de combustibles fósiles,
devuelven este carbono orgánico al ciclo. Aunque la formación de combustibles
fósiles sucede en una escala de tiempo geológico lento, la liberación que hacen los
humanos del carbono que contienen, en forma de CO2 sucede en una escala de
tiempo extremadamente rápida.
El ciclo biológico del carbono
El carbono entra en todas las redes tróficas, tanto terrestres como acuáticas, a
través de los autótrofos, organismos que producen su propio alimento. Casi todos
estos autótrofos son fotosintetizadores, como las plantas o las algas.
Los autótrofos capturan el dióxido de carbono del aire o los iones de bicarbonato
del agua y lo usan para producir compuestos orgánicos como la glucosa.
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Los heterótrofos, como los humanos, que se alimentan de otros seres, consumen
las moléculas orgánicas y así el carbono orgánico pasa a través de las cadenas y
redes tróficas.
¿Cómo regresa el carbono a la atmósfera o al océano? Para liberar la energía
almacenada en las moléculas que contienen carbono, como los azúcares, los
autótrofos y heterótrofos las degradan mediante un proceso llamado respiración
celular. En este proceso, el carbono de la molécula se libera en forma de dióxido de
carbono. Los descomponedores también liberan compuestos orgánicos y dióxido de
carbono cuando degradan organismos muertos y productos de desecho.
El carbono circula rápidamente a través de esta ruta biológica, especialmente en los
ecosistemas acuáticos. En general, se estima que se mueven entre 1000 y 100 000
millones de toneladas métricas de carbono a través de la ruta biológica cada año.
Para que te des una idea, ¡una tonelada métrica es casi el mismo peso que el de un
elefante o un coche pequeño!.
Ciclo del nitrógeno
¡El nitrógeno está en todas partes! De hecho, el N2 gaseoso compone alrededor del
78% del volumen de la atmósfera de la Tierra, lo que sobrepasa con mucho O2 que
consideramos "aire".
Pero tener nitrógeno a nuestro alrededor y ser capaz de aprovecharlo son dos cosas
muy distintas. Tu cuerpo, y el de las plantas y animales, no tienen la capacidad de
convertir el N2 a una forma utilizable. Nosotros los animales, y nuestras amigas las
plantas, no tenemos las enzimas para capturar o fijar el nitrógeno atmosférico.
Aun así, tu ADN y tus proteínas tienen una buena cantidad de nitrógeno. ¿De dónde
viene ese nitrógeno? En el mundo natural ¡proviene de las bacterias!
El nitrógeno ingresa al mundo de lo vivo por medio de las bacterias y otros
procariontes unicelulares que convierten el nitrógeno atmosférico N2 en formas
biológicamente utilizables mediante un proceso llamado fijación del nitrógeno.
Algunas especies de bacterias fijadoras de nitrógeno viven libremente en el suelo o
el agua, mientras que otras son simbiontes benéficos que viven dentro de las
plantas.
[¿Cuáles son algunos ejemplos de procariontes fijadores de nitrógeno?]
Los microorganismos fijadores de nitrógeno capturan el nitrógeno atmosférico al
convertirlo en amoníaco, NH3 el cual puede ser absorbido y utilizado por las plantas
para producir moléculas orgánicas. Las moléculas nitrogenadas pasan a los
animales cuando estos consumen plantas, y una vez dentro del cuerpo, pueden ser
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incorporadas al mismo o pueden ser degradadas y excretadas como desecho, como
la urea de la orina.
Crédito de imagen: modificado de Nitrogen cycle (Ciclo del nitrógeno) de Johann
Dréo (CC BY-SA 3.0); la imagen modificada está registrada bajo una licencia CC
BY-SA 3.0
Los procariontes cumplen varias funciones en el ciclo del nitrógeno. Las bacterias
fijadoras de nitrógeno que se encuentran en el suelo y dentro de los nódulos
radicales de algunas plantas convierten el nitrógeno gaseoso de la atmósfera en
amoníaco. Las bacterias nitrificantes convierten el amoníaco en nitratos o nitritos.
El amoníaco, los nitratos y los nitritos son formas de nitrógeno fijo que las plantas
pueden absorber. Las bacterias desnitrificantes convierten los nitratos en
nitrógeno gaseoso.
El nitrógeno no permanece por siempre en los cuerpos de los seres vivos, por el
contrario, las bacterias lo convierten de nitrógeno orgánico a N2 gaseoso. Este
proceso a menudo implica varios pasos en los ecosistemas terrestres. Las bacterias
convierten los compuestos nitrogenados de los organismos muertos o sus
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desechos, en amoníaco NH3, el cual es convertido después en nitratos y nitritos.
Finalmente, los procariontes desnitrificantes convierten los nitratos en N2 gaseoso.
El ciclo del nitrógeno en los ecosistemas
marinos
Hasta ahora, nos hemos enfocado en cómo ocurre el ciclo natural del nitrógeno en
los ecosistemas terrestres. Sin embargo, los pasos son similares en el ciclo del
nitrógeno marino; ahí, los procesos de amonificación, nitrificación y desnitrificación
son realizados por bacterias y arqueas marinas.
La ilustración muestra el ciclo del nitrógeno. Las bacterias fijadoras de nitrógeno fijan
el nitrógeno gaseoso de la atmósfera en nitrógeno orgánico, el cual entra a las redes
tróficas terrestres y sale de ellas en forma de desechos nitrogenados que van al
suelo. Las bacterias y los hongos del suelo llevan a cabo la amonificación de estos
desechos, y convierten el nitrógeno orgánico en iones de amonio, NH4+. Las
bacterias nitrificantes transforman el amonio en nitrito, NO2-, y luego en nitrato,
NO3-. Las bacterias desnitrificantes convierten el nitrato de nuevo a nitrógeno
gaseoso, que regresa a la atmósfera. El nitrógeno de los escurrimientos y
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fertilizantes llega al océano, donde entra en las redes tróficas marinas. Parte del
nitrógeno orgánico cae al fondo oceánico en forma de sedimento. Otra parte de este
es convertida en iones nitrito y nitrato, los cuales se transforman nuevamente en
nitrógeno gaseoso en un proceso análogo al que ocurre en la tierra.
Algunos compuestos nitrogenados caen al suelo oceánico en forma de sedimento.
A lo largo de periodos de tiempo prolongados, los sedimentos son comprimidos
hasta formar rocas sedimentarias. Finalmente, el levantamiento geológico puede
mover las rocas sedimentarias de nuevo a la tierra. En el pasado, los científicos no
creían que estas rocas sedimentarias ricas en nitrógeno eran una fuente importante
de nitrógeno para los ecosistemas terrestres. Sin embargo, un nuevo estudio
sugiere que pueden ser bastante importantes, ya que el nitrógeno se libera
gradualmente a medida que las rocas se desgastan, o meteorizan, quedando
disponible para las plantas.
El nitrógeno es un nutriente limitante
En los ecosistemas naturales, muchos procesos, como la producción primaria y la
descomposición, están limitados por la cantidad disponible de nitrógeno. En otras
palabras, el nitrógeno a menudo es el nutriente limitante, el nutriente que se
encuentra en menor cantidad y que por lo tanto restringe el crecimiento de los
organismos o las poblaciones.
¿Cómo sabemos si un nutriente es limitante? A menudo, esto se comprueba de la
siguiente manera;
• Cuando un nutriente es limitante, añadir más aumentará el crecimiento, esto
es, hará que las plantas crezcan más altas que si no se hubiera añadido
nada.
• Si se añade un nutriente no limitante, no habrá ningún efecto, es decir, las
plantas crecerán a la misma altura tanto si el nutriente está presente como si
no.
Por ejemplo, si se añade nitrógeno a la mitad de las plantas de frijol en una huerta
y se observa que crecieron más altas que las plantas sin tratamiento, eso sugeriría
que el nitrógeno es limitante. Si en cambio, no vemos una diferencia en el
crecimiento durante nuestro experimento, eso sugeriría que otro nutirente distinto
del nitrógeno es el limitante.
El nitrógeno y el fósforo son los dos nutrientes limitantes más comunes tanto en los
ecosistemas naturales como en la agricultura. Esta es la razón por la que verás que
la etiqueta de la bolsa del fertilizante dice que contiene un montón de nitrógeno y
fósforo.
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El ciclo natural del fósforo
¿Es importante el fósforo? Eso depende, ¿te gusta tener ADN, membranas
celulares o huesos en tu cuerpo? Pista: ¡la respuesta probablemente es sí!
El fósforo es un nutriente esencial para los seres vivos. Es una parte fundamental
de los ácidos nucleicos, como el ADN, y de los fosfolípidos que conforman nuestras
membranas celulares. En la forma de fosfato de calcio, también es el componente
de soporte de nuestros huesos.
En la naturaleza, el fósforo a menudo es el nutriente limitante —en otras palabras,
es el nutriente que se encuentra en menor cantidad y por lo tanto limita el
crecimiento— especialmente en los ecosistemas acuáticos de agua dulce.
El ciclo del fósforo es lento en comparación con otros ciclos biogeoquímicos como
el del agua, el carbono y el nitrógeno.
En la naturaleza, el fósforo se encuentra sobre todo en forma de iones fosfato, PO43
Los compuestos fosfatados se encuentran en las rocas sedimentarias y, a medida
que estas se meteorizan —se desgastan a lo largo del tiempo— el fósforo que
contienen se filtra lentamente hacia el suelo y las aguas superficiales. La ceniza
volcánica, los aerosoles y el polvo mineral también pueden ser fuentes significativas
de fosfatos, aunque el fósforo no tiene realmente una fase gaseosa como el
carbono, el nitrógeno y el azufre.
Las plantas pueden absorber los compuestos fosfatados del suelo y transferirlos a
los animales que se las comen. Cuando las plantas y los animales excretan
desechos o mueren, los fosfatos pueden ser absorbidos por los organismos
detritívoros o regresar al suelo. Los compuestos fosfatados también pueden ser
transportados en los escurrimientos hacia los ríos, lagos y océanos, donde son
absorbidos por los organismos acuáticos.
Cuando los compuestos fosfatados de los cuerpos o desechos de los organismos
marinos se hunden hasta el suelo oceánico, forman nuevas capas sedimentarias.
Con el transcurso de largos periodos de tiempo, la roca sedimentaria fosfatada
puede moverse del océano a la tierra mediante un proceso geológico llamado
levantamiento. Sin embargo, este proceso es muy lento y el ion fosfato promedio
tiene un tiempo de residencia oceánica —tiempo que pasa en el océano— de
20,000 a 100,000 años.
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Crédito de imagen: Ciclos biogeoquímicos: Figura 5 por OpenStax College,
Concepts of Biology, CC BY 4.0; modificación de la obra de John M. Evans y Howard
Perlman, USGS
Esta ilustración muestra el ciclo del fósforo. El fósforo entra en la atmósfera con los
aerosoles volcánicos. Cuando este aerosol se precipita a la tierra, entra en las redes
tróficas terrestres. Parte del fósforo de las redes tróficas terrestres se disuelve en
los arroyos y lagos y el restante entra al suelo. Otra fuente de fósforo son los
fertilizantes. El fósforo llega a los océanos por filtración y escurrimientos, y una vez
ahí se disuelve en el agua del mar o entra en las redes tróficas marinas. Parte del
fósforo se hunde hasta el suelo oceánico y se convierte en sedimento, el cual puede
volver a la tierra por levantamiento geológico.
La eutrofización y las zonas muertas
La mayoría de los fertilizantes que se usan en la agricultura, y en los huertos y
jardines, contiene tanto nitrógeno como fósforo, los cuales pueden llegar hasta los
ecosistemas acuáticos mediante escurrimientos superficiales. El fertilizante en los
escurrimientos puede provocar el crecimiento excesivo de algas y otros microbios
que estaban previamente limitados por la cantidad de nitrógeno o fósforo. Este
fenómeno se conoce como eutrofización. En algunos casos, parece que el agente
principal de la eutrofización es el fósforo y no el nitrógeno^22squared.
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¿Por qué es perjudicial la eutrofización? Algunas algas hacen que el agua huela o
sepa mal o producen compuestos tóxicos. Además, cuando todas esas algas
mueren y son descompuestas por microbios, se usan grandes cantidades de
oxígeno en el proceso. Este aumento en el uso de oxígeno puede disminuir
fuertemente los niveles de oxígeno disuelto en el agua y conducir a la muerte por
hipoxia —falta de oxígeno— de otros organismos acuáticos como los peces y
moluscos.
Las regiones de los lagos y océanos que quedan sin oxígeno debido a la afluencia
de nutrientes se llaman zonas muertas. El número de zonas muertas se ha ido
incrementando durante varios años y para el 2008 existían más de 400. Una de las
peores zonas muertas se encuentra frente a la costa de los Estados Unidos en el
Golfo de México. El escurrimiento de fertilizantes de la cuenca del río Misisipi creó
una zona muerta de 21 919 kilómetros cuadrados. Como puedes ver en la figura
siguiente, las zonas muertas se encuentran en áreas muy industrializadas y con alta
densidad poblacional alrededor del mundo.
Crédito de la imagen: Ciclos biogeoquímicos: figura 6 de OpenStax College,
Concepts of Biology, CC BY 4.0; obra original: Aquatic dead zones (Zonas acuáticas
muertas) de Robert Simmon y Jesse Allen, NASA Earth Observatory
El mapa del mundo muestra las áreas donde se encuentran las zonas muertas.
Estas están presentes a lo largo de las costas este y oeste de Estados Unidos, en
el mar del Norte, en el Mediterráneo y frente a la costa este de Asia.
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¿Cómo puede reducirse o evitarse la eutrofización? Los fertilizantes, los
detergentes que contienen fósforo y las aguas residuales eliminadas de forma
inadecuada son fuentes de nitrógeno y fósforo que causan eutrofización. Reducir el
uso de fertilizantes, eliminar los detergentes que contienen fósforo y asegurar que
el drenaje no entre en los ríos —por fugas en el sistema séptico, por ejemplo— son
formas en las que los individuos, las empresas y los gobiernos pueden ayudar a
reducir la eutrofización.