En qu medida la clase de fitoplancton de las Diatomeas y Clorofceas pueden ser usadas como bioindicadores de la variacin de oxgeno disuelto en el agua para el control de la calidad de esta, en el lago Simcoe, en Canad?

De acuerdo con Diatoms of North America (2021), las Diatomeas, al realizar la fijación de carbono, eliminan el dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera. El CO2 luego se convierte en carbono orgánico en forma de azúcar y se libera oxígeno (O2). Este oxígeno liberado se presenta en el agua como oxígeno disuelto. De este modo, una alta cantidad de oxígeno disuelto en el agua se relaciona con una presencia abundante de esta clase.

2. Clorofíceas

        Como las algas Clorofíceas realizan la fotosíntesis, también llevan a cabo el proceso de fijación de carbono, al igual que las Diatomeas. A diferencia de la otra clase mencionada, estas suelen habitar “medios en donde la luz solar es abundante” (Kennedy, J., 2019, pár. 5).

3. Calidad del agua y parámetros

Es importante mantener un control sobre la calidad del agua (de lagos, ríos, mares, entre otros) para preservar el balance en los ecosistemas, con la finalidad de “mantener la salud y diversidad de las comunidades biológicas” (Céspedes, E., et al, 2016). De este modo, controlar la calidad del agua, es una parte esencial del monitoreo ambiental, pues esta no solamente afecta la vida acuática, sino también a los ecosistemas circundantes.

Según el Environmental Learning Center (2021), el monitoreo de la calidad del agua puede ayudar a los investigadores a predecir y aprender sobre los procesos naturales en el medio ambiente y determinar los impactos humanos en un ecosistema. Estos esfuerzos de medición también pueden ayudar en proyectos de restauración o garantizar que se cumplan los estándares ambientales.

Existen 3 parámetros que afectan la calidad del agua, los factores biológicos, físicos y químicos. Estos brindan condiciones óptimas cuando se presentan de manera balanceada. Un desequilibrio, supone un efecto negativo sobre la calidad del agua, y por ende un riesgo para todo el ecosistema. En esta investigación, específicamente se tratará con el parámetro químico del oxígeno disuelto.

3. Oxígeno (O2) disuelto

De acuerdo con el United States Environmental Protection Agency (2016), el oxígeno disuelto se refiere al nivel de oxígeno libre presente en el agua u otros líquidos. Es un factor esencial, pues un nivel de oxígeno disuelto muy alto o bajo puede dañar la vida acuática. Según el Sarasota Water Atlas (2001), el oxígeno se introduce en el agua como subproducto de la fotosíntesis de los organismos fotosintéticos. Asimismo, existen 3 factores secundarios que afectan su presencia en un cuerpo de agua: la temperatura, presión y salinidad. A menor temperatura y salinidad, y mayor presión, más oxígeno puede contener la masa de agua (ver Anexo 2 y 3). A menor temperatura, las moléculas de agua se encuentran más juntas, lo cual aumenta las atracciones entre los átomos de oxígeno y moléculas de agua. Asimismo, según el Limno Loan Program (2016), una elevada salinidad supone un menor nivel de oxígeno disuelto pues hay un menor espacio para las moléculas de oxígeno debido a los iones de sodio y cloruro que contiene. Finalmente, en cuanto a la presión, “cuando la altitud aumenta, la presión atmosférica total disminuye, por lo que la presión parcial de oxígeno también disminuye” (Naffrechoux, E. 2015).

4. Lago Simcoe

        El lago Simcoe es el cuarto lago más grande en Ontario, Canadá. Es un ambiente bastante diverso en cuanto a las relaciones biológicas presentes, siendo el hábitat de casi 75 especies de peces, además de otras especies invasivas (Lake Simcoe Conservation Authority, s.f). Además, es una fuente de agua potable para siete municipalidades canadienses. Hay 32 especies de este lago que se encuentran amenazadas debido a que su hábitat está bajo presión. Resulta ser de gran importancia mantener un monitoreo constante de la calidad del agua de este lago, y de todos en general, pues de acuerdo con el UK Centre for Ecology & Hydrology (s.f), los lagos proporcionan diversos servicios para los ecosistemas, incluido el suministro de agua, la regulación de las inundaciones y la pesca, y son componentes importantes de los ciclos biogeoquímicos globales. Debido a esto, existe una variedad de programas de monitoreo para el lago Simcoe, financiados por el gobierno canadiense. Se monitorean los parámetros biológicos, físicos y químicos anualmente.

        

2. CAPÍTULO II: DEFINICIÓN DE LA PROBLEMÁTICA

5. Objetivos y pregunta de investigación

        El objetivo de la presente investigación es averiguar la posible existencia de una correlación positiva entre el cambio de la biomasa de fitoplancton (Diatomeas y Clorofíceas) y el cambio de los parámetros del oxígeno disuelto en 5 estaciones de muestreo en el lago Simcoe. Con este conocimiento, se podrá considerar a estas clases de fitoplancton como modelos de bioindicadores para el monitoreo de la calidad del agua. Esto permitirá mantener un control sobre el ecosistema pues se podrá manejar un balance. De este modo, se formuló la siguiente pregunta de investigación: ¿En qué medida la clase de fitoplancton de las Diatomeas y Clorofíceas pueden ser usadas como bioindicadores de la variación de oxígeno disuelto en el agua para el control de la calidad de esta, en el lago Simcoe durante los años 2010 a 2015?

6. Hipótesis

        Sabiendo que, las Clorofíceas habitan lugares en donde alcanza la luz solar, y las Diatomeas pueden habitar medios independientemente de la presencia de esta y por tanto, pueden existir en partes más profundas, se espera que exista una correlación más fuerte entre la presencia de Diatomeas y el oxígeno disuelto en el agua.

7. Selección de variables

Las variables que corresponden a la pregunta de investigación se exponen de manera ordenada en la Tabla 1. Asimismo, se establecieron criterios para el óptimo control de estas. Se seleccionó un marco temporal de 5 años, del 2010 al 2015, también se seleccionó el espacio muestral, el lago Simcoe.

Tabla 1

Variables dependiente e independiente

Fuente: Elaboración propia

3. CAPÍTULO III: METODOLOGÍA

        La metodología de la presente investigación es de carácter indagatorio. Se trabajarán con dos bases de datos secundarios. En primer lugar, se tiene el conjunto de datos disponible en la página web del Gobierno de Canadá por el Ministerio de Medio Ambiente, Conservación y Parques. Ofrece información acerca del biovolumen de todas las clases de fitoplancton y la densidad de todas las clases de zooplancton presentes en el lago Simcoe. De esta base de datos, se extrajo la información para la biomasa de las clases de fitoplancton, Diatomeas y Clorofíceas en el marco temporal de 2010 a 2015. En cuanto a la metodología que este programa de monitoreo empleó para la recolección de los datos, se midió el biovolumen de fitoplancton en cada estación de muestreo una vez cada 15 días, y luego se obtuvo el valor promedio, este valor es el representativo del biovolumen de fitoplancton para cada año por estación, de modo que proporciona una imagen precisa de la realidad. Esta fuente es valiosa en cuanto a los datos que brinda, ofrece una variedad de ellos dentro de un marco temporal extenso. Por otro lado, una limitación es que, si bien se indica la metodología empleada para la recolección de los datos, no precisa los materiales de laboratorio que se usaron, por lo que no se podrá saber el error con el que se trabajará.

        La segunda fuente con la que se trabajará es proporcionada por Ontario Geohub, una fuente que recopila todos los datos geoespaciales de Ontario. De esta fuente, se extrajeron los datos sobre la cantidad de oxígeno disuelto en el agua durante los años 2010 a 2015 en las estaciones de muestreo seleccionadas (mencionadas anteriormente). Una limitación que se pudo identificar es que, a diferencia de la primera, esta fuente no menciona la metodología empleada. En cuanto a su valor, esta base de datos es actualizada con frecuencia, por lo que los datos que presenta se encuentran al día, lo cual indica que son válidos.

        Ambas fuentes extrajeron los datos de las mismas estaciones de muestreo, estas se muestran en la Imagen 1. Se trabajarán con las siguientes: C9, E51, K42, K45 y S15. En la Imagen 1, se evidencia la localización de estas estaciones y su respectiva profundidad relativa, la K42 y K45 se encuentran a mayor profundidad, la C9 y S15 a mediana profundidad y la E51 a una baja profundidad.

Imagen 1

Mapa del lago Simcoe

Fuente: North, R.L, et al. (2013). The state of Lake Simcoe (Ontario, Canada): the effects of multiple stressors on phosphorus and oxygen dynamics. Inland Waters, 3, 51-74. Recuperado de

        En lo que respecta la identificación de estas fuentes, se realizó una búsqueda extensiva en el motor de búsqueda de google scholar, se usaron los términos clave “biondicador”, “fitoplancton” y “calidad del agua”. Asimismo, se revisó la revista científica electrónica Nature, usando los mismos términos clave, con la finalidad de encontrar trabajos previos similares que respalden la metodología de esta investigación.

        En resumen, los criterios que se emplearon para la selección de los datos fueron los siguientes: que pertenecieran al marco temporal y estaciones de muestreo seleccionadas. Además, se verificó su validez a partir del análisis de la fiabilidad de cada fuente.

Para llevar a cabo el procesamiento de datos, se emplearon hojas de cálculo del programa Microsoft Excel 2021. Se crearon tablas que muestran los datos brutos recopilados, a partir de las cuales se hallaron los promedios de las variables, por año y por estación, para luego poder establecer una correlación entre ellos y así realizar el análisis de los resultados.

        Finalmente, se tienen las consideraciones éticas y de seguridad para tener en cuenta. Como esta investigación se realizó en base a datos secundarios, no hay consideraciones de bioseguridad. En lo que respecta las consideraciones éticas, se respetaron los términos de uso de los autores, en síntesis, son reconocer a la entidad proveedora de los datos y proporcionar un enlace a esta licencia.

4. CAPÍTULO IV: ANÁLISIS Y RESULTADOS

8. Procesamiento de datos

        A continuación, se mostrarán las tablas que contienen los datos brutos y procesados, además de los procedimientos matemáticos empleados para su elaboración.

        La Tabla 2 contiene información acerca del biovolumen de fitoplancton en cada zona de muestreo designada, por año, por clase de fitoplancton. Además, se obtuvieron los promedios de estos valores. Se eligió esta prueba estadística descriptiva con la finalidad de encontrar un valor representativo para cada muestra. Este cálculo se realizó utilizando el programa Microsoft Excel 2021.

Se aproximaron los promedios a tres cifras significativas después del punto decimal, con la finalidad de mantener una homogeneidad entre los datos.

        Otro punto que cabe enfatizar es la notación empleada en la Tabla 2, “D” hace referencia al taxón de las Diatomeas y “C” al de las Clorofíceas.

Tabla 2

Biovolumen de fitoplancton por estación de muestreo por año

Fuente: Elaboración propia con datos recuperados de Jarjanzi, H. (2021). Lake Simcoe Monitoring. Ontario Ministry of the Environment, Conservation and Parks: Government of Canada.

        En base a los datos presentados en la Tabla 2, se puede observar que en general la clase de las Diatomeas es más predominante, pues el promedio total de estas, de todas las estaciones de muestreo, durante los años seleccionados (0.163 mm3/l), supone un mayor valor en comparación con el promedio de las Clorofíceas (0.018 mm3/l). Por otro lado, es posible identificar que en la estación de muestreo E51, el biovolumen de Diatomeas promedio es relativamente menor en comparación con las otras estaciones, pero aún así es mayor que el biovolumen de las Clorofíceas. Otro punto que cabe resaltar es que los años 2010 y 2011 fueron los que mayor biovolumen de fitoplancton presentaron y el 2012 fue el año con el menor biovolumen de fitoplancton. El año en que hubo un mayor biovolumen de Clorofíceas fue el 2012 y en el que hubo un mayor biovolumen de Diatomeas fue el 2010. Asimismo, las estaciones de muestreo K45 y S15 presentaron un biovolumen promedio cuyos valores son bastantes cercanos entre sí para las dos clases, con una variación de aproximadamente ±0.2 mm3/l. Finalmente, la estación de muestreo que presenta un biovolumen de estas clases taxonómicas más alto es la C9, mientras que la que presenta un menor biovolumen de fitoplancton es la E51.

        De igual manera, se muestra la Tabla 3, esta contiene información acerca del oxígeno disuelto (mg/L) en cada zona de muestreo por año. Al igual que en la Tabla 2, también se incluyeron los promedios por año y por zona de muestreo, para hallarlos, se realizó el mismo procedimiento (ver Anexo 4). La presentación de los valores difiere en la cantidad de cifras significativas empleadas, a diferencia de la anterior tabla, solamente se colocaron dos cifras significativas después del punto decimal, pues los valores de oxígeno disuelto tendieron a terminar en cero, por lo que agregar más cifras resultaría ser innecesario.

Tabla 3

O2 disuelto por estación de muestreo por años

Fuente: Elaboración propia con datos recuperados de  Jarjanzi, H. (2020). Lake Simcoe  Monitoring Water Quality Data. Ontario Geohub: Ontario.

        El año en que mayor oxígeno disuelto hubo fue el 2010, con un promedio de 14.24 mg/L, mientras que el que presentó una menor cantidad de este componente fue el 2012. Asimismo, los valores promedios de las estaciones de muestreo oscilan en el mismo rango, la que mayor oxígeno disuelto presentó fue la estación C9, sin embargo, este valor no supone una diferencia notable en comparación con las otras estaciones.

        Seguidamente, se tiene el Gráfico 1, esta muestra de manera visual cómo interactúan los datos de ambas tablas.

Gráfico 1

Comparación de datos de la Tabla 1 y Tabla 2

Fuente: Elaboración propia

9. Análisis de resultados

        El Gráfico 1 indica el volumen de fitoplancton por clases, por estación de muestreo, y por año, así como el promedio de oxígeno disuelto para cada año. De manera general, los años 2010 y 2011 fueron los que presentaron un mayor biovolumen de fitoplancton total. De igual modo, durante estos mismos años hubo una mayor cantidad de oxígeno disuelto por litro de agua. Para el año 2012, tanto el nivel promedio de oxígeno disuelto como el biovolumen de fitoplancton fue reducido, en comparación con los otros años. A partir del año 2013 en adelante, el biovolumen de ambos taxones fue constante, así como los valores de oxígeno disuelto. Estos fenómenos sugieren que sí puede haber una correlación entre el oxígeno disuelto y el fitoplancton presente. En lo que respecta el promedio de los datos de oxígeno disuelto, se incluyeron barras de error con la finalidad de evidenciar la varianza de estos de un año a otro. A partir de estas, se evidencia que para todos los años, la diferencia de los promedios no es estadísticamente significativa.

        Como los resultados del Gráfico 1 muestran que la presencia de fitoplancton y oxígeno disuelto sí pueden estar relacionadas, se pasó a hallar el coeficiente de correlación de Pearson, con la finalidad de medir qué tan fuertemente se relacionan las variables entre sí. Este se halló usando como herramienta el programa Microsoft Excel 2021. Se estableció la correlación para cada clase a partir de los datos de la Tabla 4, la cual muestra los promedios anuales de cada variable.

        

Tabla 4

Promedio anual de oxígeno disuelto, Diatomeas y Clorofíceas

Fuente: Elaboración propia

        

        Como producto, se obtuvieron los resultados que se muestran en la Tabla 5.

Tabla 5

Coeficiente de correlación de Pearson

Fuente: Elaboración propia

        A partir de esta prueba estadística inferencial, se puede llegar a la conclusión de que existe una correlación lineal positiva fuerte respecto al biovolumen total de fitoplancton y el oxígeno disuelto (r = 0.905). Asimismo, existe una correlación positiva moderada con la clase Diatomea (r = 0.714). Por el contrario, la correlación con la clase Clorofícea, si bien existe, es una correlación débil (r = 0.191), lo cual indica una baja asociación entre las variables. Estos resultados son significativos pues muestran qué clase de fitoplancton es la idónea para indicar la variación de oxígeno disuelto en el agua.

Con la finalidad de indicar qué tan fuerte, y por tanto, qué tan predecible es la relación entre las variables, se calculó el coeficiente de determinación (R2). Para calcularlo, se realizó un gráfico de dispersión (Gráfico 2) con los datos de la Tabla 4 mediante el programa Microsoft Excel 2021. Una vez se obtuvo el gráfico, se insertaron las líneas de ajuste para cada variable dependiente, con la finalidad de representar la tendencia de los datos. Cuando se obtuvieron estas líneas, el mismo programa arrojó los valores de los coeficientes de determinación. Los resultados se muestran en el gráfico a seguir.

Gráfico 2

Diagrama de dispersión con datos de la Tabla 4

Fuente: Elaboración propia

        A partir de este, se evidencia que el determinante de correlación más significativo fue el de la clase de las Diatomeas (R2 = 0.5094), este significa que el porcentaje de variación entre los datos es de 50.94%. Por otro lado, la clase de las Clorofíceas, cuyo determinante de correlación es R2 = 0.0366, presenta un valor no significativo, pues el porcentaje de variación entre los datos es mínimo, de 3.66%. En este sentido, el coeficiente de determinación que resulta ser relevante para comprobar la hipótesis alternativa es el de las Diatomeas, pues sugiere que el uso de la clase de fitoplancton de las Diatomeas como bioindicador del oxígeno disuelto supone un modelo confiable.

5. CAPÍTULO V: CONCLUSIONES Y DISCUSIÓN

        En base al análisis realizado se puede llegar a la conclusión que la clase de fitoplancton de las Diatomeas es la más indicada para realizar un control sonre el oxígeno disuelto en agua, pues la relación establecida entre estas variables es más fuerte y significativa que la establecida con las Clorofíceas.

10. Conclusiones

        En base al análisis se puede llegar a la conclusión que la clase de fitoplancton de las Diatomeas es la más indicada para r

ealizar el control del oxígeno disuelto en el agua, pues se estableció una correlación más fuerte entre su presencia y los niveles de oxígeno, en comparación con Clorofíceas. Confirmando así, la hipótesis planteada. Esta mayor afinidad entre dichas variables se puede haber dado debido a que el biovolumen de Diatomeas era mayor en comparación con el de las Clorofíceas, al ser mayor, más fijación de carbono, y por ende, más oxígeno disuelto producirán.

11. Discusión

        La biomasa de Diatomeas es mayor, y por eso se pudo haber dado una mayor correlación entre estos factores. Pues, ambas clases producen fijación de carbono, entonces el resultado de oxígeno disuelto pudo haber sido producto de los dos. Además, otros factores externos pudieron haber afectado tales como la temperatura o la salinidad. Se sabe que a mayor presión, más oxígeno habrá, entonces a mayor profundidad de cada estación de muestreo, más oxígeno pudo haber tenido. En cuanto al factor de la salinidad, se sabe que las diatomeas suelen habitar medios salinos, entonces cuando los niveles de iones de cloruro y sodio aumentaron, la población de Diatomeas no se pudiera haber visto afectada, por lo que seguirán siendo indicadores de los niveles de oxígeno, mientras que las Clorofíceas no. En cuanto a las limitaciones, no se supo la instrumentación con la que se trabajó y tampoco la profundidad de cada muestra.

12. Extensiones a la investigación

Para una investigación más a futuro se podrían replicar las estaciones de muestreo en el lago Titicaca en Perú y establecer un monitoreo constante de su calidad de agua. Este lago es una de las principales atracciones turísticas del Perú, además cuenta con un extenso ecosistema. Monitorearlo aseguraría su preservación.

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ANEXOS

Anexo 1

Estudios que presentan el uso de fitoplancton como indicador satisfactorio de la calidad del agua

Fuente: Elaboración propia con información de los artículos citados

Anexo 2

Captura de pantalla de un gráfico que muestra la relación entre la concentración de oxígeno disuelto y la temperatura

Fuente:

Anexo 3

Captura de pantalla de un gráfico que muestra la relación entre la concentración de oxígeno disuelto y la altitud

Fuente:

Anexo 4

Ejemplo de cálculo de promedio

Se empleó la siguiente fórmula:

El cálculo se daría de la siguiente manera:

Anexo 5

Captura de pantalla de gráficos de biovolumen de fitoplancton

Fuente: 

Estos gráficos muestran el biovolumen de fitoplancton por clases por estación para el rango de tiempo de 1980 a 2012. Muestran todas las clases de fitoplancton. Es relevante pues muestra el volumen relativo de las Clorofíceas y Diatomeas en las estaciones de muestreo con las que esta investigación trabajó, si bien no se sitúa exactamente dentro del marco temporal de la investigación, abarca algunos de los años y muestra un patrón para la presencia de estos, que concuerdan con los datos con los que se trabajó, por ejemplo, que el volumen de las Diatomeas es mayor en general.