Seminario de Título entregado a la Universidad de Chile en cumplimiento parcial de los requisitos para optar al título de Química Ambiental. / El presente trabajo tiene por objetivo construir un índice de calidad de aguas marino-costeras para evaluar el estado del recurso hídrico marino de las ecorregiones de Chile, permitiendo un análisis fisicoquímico del agua considerando las áreas con una composición de especies relativamente homogénea y características oceanográficas o topográficas. Para la realización del índice se considera la base de datos del 2017 entregada por el Programa de observación del ambiente litoral (POAL) de la Armada de Chile, el cual tiene estaciones de monitoreo en todo el país. Para construir el índice se inicia con una búsqueda bibliográfica, en la cual se revisan diez índices utilizados a nivel mundial, esto se realiza con el fin de poder analizar metodologías usadas en estos índices. Luego se seleccionan los parámetros fisicoquímicos, considerando la bibliografía revisada además de los parámetros que son medidos por el POAL, siendo seleccionados los siguientes parámetros: oxígeno disuelto, nitrato, fosfato, coliformes fecales, sólidos suspendidos totales. A continuación, se definen las curvas de calidad o subíndices de cada parámetro, lo anterior se realizó revisando la bibliografía y normativas nacionales e internacionales. Seguidamente, se asigna el peso o valor de importancia que tiene cada parámetro dentro del índice. El peso asignado para cada parámetro fue de 0,2, ya que la suma de estos debe sumar 1. Después de esto, se unifican los subíndices de cada parámetro a través de una fórmula matemática propuesta por Cooper. Luego, se define la escala de valoración del índice en 5 categorías: excelente (calidad entre 91-100), bueno (calidad entre 71-90), razonable (calidad entre 51-70), contaminada (calidad entre 26-50) y muy contaminada (calidad entre 10-25); esta fue basado en el índice de Cooper. La aplicación del índice de calidad de aguas costeras (ICAC) por ecorregiones muestra que en la del Norte fue de 67; en la ecorregión de Atacama se obtuvo 58; en Paposo Taltal se tiene una calidad de 45; en Los Molles se tiene 66; en Chile Central se obtuvo 60; en Chiloé Taitao, Kawesqar, Magallanes e Isla de Pascua se obtuvieron valores de 78, 94, 87, y 72, respectivamente. Esto indica que a nivel general Chile presenta una calidad catalogada como razonable por Cooper, indicando que la calidad puede ser mejorada a bajo costo. La razón de que las ecorregiones con peor calidad sean Norte Grande, Atacama, Los molles y Chile Central, es por la actividad minera de la zona, ya que se encuentra la producción nacional de las rocas fosfóricas, esto tiene como consecuencia que en estos lugares se presente una alta cantidad de fosfatos, produciendo eutrofización en el océano, lo que lleva a una afectación a la calidad de los otros parámetros como lo es: el oxígeno disuelto, ya que cuando se degradan las algas se consume oxígeno disuelto, y los sólidos suspendidos, ya que con la producción minera se trasladan por el viento a los océanos. / The aim of the present work is to develop a marine-coastal water quality index to evaluate the state of the marine water resource of the chilean ecoregions, allowing a physicochemical analysis of the water considering the diverse ecosystems of the country. For the realization of the index, the dataset of 2017 was provided by the Programa de Observación del Ambiente Litoral (POAL) of the Chilean Navy, which has monitoring stations throughout the country. To begin to develop the index is necessary a bibliographic reviewe of different indexes used worldwide, this is performed to see the methodologies used. Then the physicochemical parameters are selected considering the bibliography checked in addition to the parameters that were measured by the POAL. The parameters considered are: dissolved oxygen, nitrate, phosphate, fecal coliforms, and total suspended solids. Then, the quality curves or sub-indices of each parameter are defined, this was done by the bibliographic review, national and international normatives. In addition, the weight or importance value of each parameter has within the index is assigned. The weight assigned for each parameter was 0.2, being the sum of all parameters: 1. After this, we proceed to unify the sub-indices of each parameter in a mathematical formula proposed by Cooper. Then, the rating scale of the index is defined in 5 categories: excellent (quality between: 91-100), good (quality between: 71-90), reasonable (quality between: 51-70), contaminated (quality between: 26- 50) and highly contaminated (quality between: 10-25), this was based on the Cooper index. Finally, the marine-coastal waters quality index was tested by ecoregions. According to this proposal, the qualities obtained in the ecoregion were in the range between 45 to 87 in the ecorregión of Paposo Taltal and Magallanes. This indicates that in general Chile presents a quality listed as reasonable by Cooper, indicating that quality can be improved at low cost. The ecoregions with the worst quality are Norte Grande, Atacama, Los molles and Chile Central, is due to the mining activity in the area, this is where the national production of the phosphate rock is located, this causes that in these places a high amount of phosphates is occurs, producing eutrophication in the ocean, which leads to an affectation to the quality of the other parameters such as: dissolved oxygen, this is because when the algae are degraded dissolved oxygen is consumed, and solids suspended, since with the mining production they move by the wind to the oceans.

Existen crecientes problemas de degradación ambiental que afectan a los ecosistemas acuáticos y que han llevado a la necesidad de un monitoreo en la calidad biológica del agua. Para evaluar la calidad del agua en un sistema acuático es necesario el estudio de la fracción biológica del ecosistema, además de un monitoreo instrumental (mediante análisis químicos del agua). La evaluación biológica usando macroinvertebrados tiene una gran ventaja sobre los métodos químicos y es que éstos funcionan como integradores reflejando el estado de un cuerpo de agua durante un período de tiempo de semanas o meses, en cambio los métodos químicos, si bien son más exactos, poseen la desventaja de poder medir solamente un evento puntual en un momento determinado. Los Índices Bióticos se basan en la abundancia y diversidad de grupos de macroinvertebrados acuáticos y se utilizan para evaluar el grado de calidad ambiental. Numerosos estudios demostraron que la descarga de efluentes en los sistemas lóticos, puede producir cambios de variada importancia en la composición de las comunidades acuáticas. Desaparecen los grupos incapaces de sobrevivir en tales condiciones, siendo reemplazados por otros nuevos, algunos pueden persistir en número muy reducido y los que se benefician con la situación aumentan considerablemente su densidad poblacional (Armitage et al., 1983; Hellawell, 1986; Metcalfe, 1989; Alba-Tercedor, 1996; Alba-Tercedor et al., 2002). Actualmente existen diversos tipos de índices bióticos, la mayor parte de estos índices fueron desarrollados en Europa y Norte América, entre los más utilizados se encuentran el BMWP (Biological Monitoring Working Party), el BBI (Belgium Biotic Index) y el EPT (Ephemeroptera, Plecoptera, Trichoptera). En Argentina, debido a las diferencias biogeográficas, Gualdoni & Corigliano (1991), Miserendino & Pizzolón (1999, 2000), Rodrigues Capítulo et al. (2001), entre otros, han desarrollado nuevos bioíndices ajustando los originales ya existentes en el hemisferio norte. En el trabajo de Miserendino & Pizzolón (1999), los autores proponen un índice para evaluar la calidad de agua de ríos y arroyos patagónicos, utilizando como base el BMWP desarrollado previamente en Inglaterra y lo denominaron BMPS (Biotic Monitoring Patagonian Streams). Se basaron en el estudio de 43 ríos, principalmente de la provincia de Chubut, en donde se colectaron más de 200 macroinvertebrados. El BMPS muestra una tabla con 95 familias con diferentes grados de sensibilidad a la contaminación: de 1 a 10. Dicho índice fue testeado con éxito en Esquel (Miserendino & Pizzolón, 2001a; Mierendino, 2009) y en San Martín de los Andes (Macchi & Dufilho, 2001). Históricamente, la Patagonia andina fue protegida de la contaminación antropogénica debido a su lejanía, baja densidad poblacional, acceso dificultoso y la existencia de numerosos Parques Nacionales y reservas. Sin embargo, en los últimos 30 años, la población se ha incrementado, principalmente debido a la inmigración de otras regiones de Argentina, involucrando cambios en las prácticas agrícolas y ganaderas, aprovechamiento forestal, construcción de presas hidroeléctricas, canalización de cursos de aguas y extracción de petróleo, lo que ha aumentado el riesgo de contaminación sobre los distintos recursos hídricos. Por lo tanto, monitorear los ambientes acuáticos permitirá evaluar la existencia de cambios en la calidad de agua de los mismos. El objetivo general de este trabajo fue la aplicación de distintos índices bióticos en tres sistemas de ríos y tributarios dentro del Parque Nacional Nahuel Huapi que presentaron diferentes disturbios antrópicos: el sistema Challhuaco-Ñireco, el Catedral-Gutiérrez y por último el Manso-Villegas. Para ello se realizaron dos muestreos uno durante la primavera tardía y otro en verano durante tres años consecutivos (2009-2011). Las estaciones en cada sistema se ubicaron en zonas pre-impacto, impactadas y post-impacto. Los muestreos consistieron en la toma de muestras de agua para análisis químicos de rutina. Se midieron, in situ, las variables físicas del agua como la temperatura, pH, oxígeno disuelto, porcentaje de saturación del oxígeno disuelto, salinidad, conductividad y TDS; y en laboratorio se midieron las concentraciones de nutrientes (amonio, nitritos, nitratos y fósforo reactivo soluble) y pigmentos fotosintéticos (clorofila-a y feofitina-a). Para los macroinvertebrados, en cada estación se realizaron muestreos con red de malla no superior a las 300 µm. Se realizaron muestreos cuantitativos con red Surber y cualitativos con metodología “Kick”. El material colectado se preservó en alcohol al 70%. En el laboratorio, se procesaron las muestras en bandejas blancas ya que permitieron separar fácilmente los macroinvertebrados para su posterior conteo y determinación de los distintos grupos (familia, género y en algunos casos especie) utilizando diferentes guías taxonómicas actualizadas (Croft, 1986; Domínguez et al., 1994, 2009; Lopretto & Tell, 1995; Merritt & Cummins, 1996). Los resultados obtenidos a partir de los análisis físico-químicos del agua, del análisis taxonómico de las comunidades de macroinvertebrados bentónicos, de la aplicación y la comparación de los diferentes índices bióticos y por último, del análisis estadístico multivariado (CANOCO), permitieron realizar una evaluación de la calidad de las aguas en dichos sistemas acuáticos y una comparación de los diversos índices considerados, pudiendo indicar cuál es el más apropiado para aplicar en la zona de estudio y para realizar futuros biomonitoreos en otros sistemas lóticos de Patagonia Norte. Este estudio aportará información sobre el estado de los cursos de agua y a su vez, permitirá detectar y cuantificar los efectos producidos por disturbios antrópicos y ambientales.

Tesis por compendio / [ES] El nitrógeno (N) es uno de los elementos más importantes para la vida, pero el desequilibrio provocado sobre el ciclo del N está causando daños importantes a muchos ecosistemas en todo el mundo. En aguas costeras, los procesos del N se ven alterados por fertilizantes, la urbanización o la producción de energía. El objetivo principal de esta tesis es contribuir a la evaluación de cómo la actividad antropogénica y el cambio climático modifican la dinámica del N en aguas costeras. Con este propósito se seleccionaron dos lugares de estudio: la demarcación hidrográfica del Júcar (JRBD) en el Noroeste del Mar Mediterráneo y la Región Hidrológica del Golfo Central (CGHR) al Sur del Golfo de México. La tesis se presenta como una colección de cuatro artículos. El primer artículo evalúa cómo la nitrificación en aguas costeras es alterada por las presiones antropogénicas y en asentamientos urbanos en el JRBD. Mediante la aplicación de un modelo biogeoquímico simple que simula la dinámica del nitrito en nueve áreas costeras, se evaluó el desacoplamiento de los dos pasos de la nitrificación. Las conclusiones indican que las presiones antropogénicas modifican los picos de nitrito en invierno debido a las bajas temperaturas y que el segundo paso de la nitrificación es más sensible a la temperatura, lo que implica que el cambio climático puede contribuir al desacoplamiento. El segundo artículo evalúa las tendencias del nitrógeno inorgánico disuelto (NID) por el cambio climático en el JRBD. El efecto de las variables meteorológicas en las concentraciones de NID se estudió mediante la aplicación de redes neuronales artificiales simples entrenadas con datos de campo. Se observaron tendencias decrecientes de nitrito y nitrato a lo largo del siglo XXI bajo los escenarios climático RCP 4.5 y RCP 8.5, debido al aumento de las temperaturas y a la disminución de las precipitaciones, con cambios más significativos en invierno. El amonio no mostró ninguna tendencia anual significativa, pero se observaron aumentos o disminuciones durante algunos meses. En el tercer artículo se desarrolla un nuevo método basado en teoría de sistemas grises y entropía de Shannon para obtener información útil sobre la contaminación por N en áreas donde los datos disponibles son limitados. El método se aplicó a ocho estuarios del CGHR asociados a manglares. Se desarrollaron dos índices: el índice gris de prioridad de gestión de nitrógeno (GNMP) y el índice gris de presión de uso del suelo (GLUP). Ambos fueron comparados para validar la metodología y los resultados indican que la urbanización sobre playas y manglares es la principal causa de la contaminación de N. El cuarto artículo es un análisis espaciotemporal de la contaminación de N a lo largo de dos ríos que desembocan en una zona turística del CGHR asociada a manglares. Mediante técnicas estadísticas como el análisis de cluster, la prueba de MannKendall y la prueba W de MannWhitney, se realizó una evaluación del origen de la contaminación de N y las variaciones temporales de los compuestos de N. Los resultados concluyen que las concentraciones de N orgánico están aumentando a lo largo de la costa, y la principal fuente identificada fue la descomposición de la especie invasora de jacintos de agua en aguas salinas, que ha cubierto completamente las playas y manglares circundantes potenciado por la contaminación de N. El conjunto de la investigación concluye que tanto la contaminación como el cambio climático alteran el ciclo del N en aguas costeras al modificar elementos importantes del N como la nitrificación, las variaciones interanuales de las concentraciones de N o los ecosistemas costeros. Las diferencias en las características ecológicas y socioeconómicas de las dos zonas de estudio desempeñaron un papel decisivo en las presiones e impactos de las actividades antropogénicas. Además, los métodos desarrollados pueden aplicar / [CAT] El nitrogen (N) és un dels elements més importants per a la vida, però el desequilibri provocat sobre el cicle del N està causant danys importants a molts ecosistemes. En aigües costaneres els processos del N es veuen alterats per fertilitzants, el desenvolupament urbà o la producció d'energia. L'objectiu principal d'aquesta investigació és contribuir a l'avaluació de com l'activitat antropogénica i el canvi climàtic modifiquen la dinàmica del N en aigües costaneres. Amb aquest propòsit es van seleccionar dos llocs d'estudi: la demarcació hidrogràfica del Xúquer (JRBD) al Nord-oest de la Mar Mediterrània i la Regió Hidrològica del Golf Central (CGHR) al Sud del Golf de Mèxic. La tesi es presenta com una col·lecció de quatre articles. El primer article avalua com la nitrificació en aigües costaneres es veu alterada per les pressions antropogèniques i prop dels assentaments urbans en el JRBD. Mitjançant l'aplicació d'un model biogeoquímic que simula la dinàmica del nitrit a nou àrees costaneres, es va avaluar el desacoblament dels dos passos de la nitrificació. Les conclusions indiquen que les pressions antropogèniques modifiquen els pics de nitrit observats a l'hivern a causa de les baixes temperaturas i que el segon pas de la nitrificació és més sensible a la temperatura, la qual cosa implica que el canvi climàtic pot contribuir al desacoblament d'aquests dos passos. El segon article avalua les tendències futures de nitrogen inorgànic dissolt (NID) pel canvi climàtic en el JRBD. L'efecte de les variables meteorològiques en les concentracions de NID es va estudiar mitjançant l'aplicació de xarxes neuronals artificials simples entrenades amb dades de camp. Es van observar tendències decreixents de nitrits i nitrats al llarg del segle XXI sota els escenaris climàtics RCP 4.5 i RCP 8.5, a causa de l'augment de les temperatures i a la disminució de les precipitacions, amb canvis més significatius a l'hivern. L'amoni no va mostrar cap tendència anual significativa, però es van observar augments o disminucions durant alguns mesos. En el tercer article es desenvolupa un nou mètode basat en la teoria dels sistemes grisos i l'entropia de Shannon per a obtindre informació útil sobre la contaminació per N en àrees on les dades disponibles són limitats. El mètode es va aplicar a huit estuaris del CGHR associats a manglars. Es van desenvolupar dos índexs: l'índex gris de prioritat de gestió de nitrogen (GNMP) i l'índex gris de pressió d'ús de la terra (GLUP). Els dos van ser comparats per a validar la metodologia. Els resultats indiquen que el desenvolupament urbà sobre platges i manglars és la principal causa de la contaminació de N en l'àrea d'estudi. El quart article és una anàlisi espacio-temporal de la contaminació de N al llarg de dues rius que desemboquen en una zona turística costanera del CGHR associada a manglars. Mitjançant tècniques estadístiques com l'anàlisi de clúster, les proves MannKendall i W de MannWhitney, es va realitzar una avaluació de l'origen de la contaminació de N i les variacions temporals dels compostos de N. Els resultats conclouen que les concentracions de N orgànic estan augmentant al llarg de la costa, i la principal font identificada va ser la descomposició de l'espècie invasora de jacints d'aigua en aigües salines, que ha cobert completament les platges i manglars circumdants potenciat per la contaminació de N. El conjunt de la investigació conclou que tant la contaminació com el canvi climàtic alteren el cicle del N en aigües costaneres en modificar els processos del N com la nitrificació, les variacions interanuals de les concentracions de N i la destrucció dels ecosistemes costaners. Les diferències en les característiques ecològiques i socioeconòmiques de les dues zones d'estudi van exercir un paper decisiu en les pressions i impactes de les activitats antropogèniques. A més, els mètodes desenvolupats poden / [EN] Nitrogen (N) is one of the most important elements for life on Earth, but the unbalance caused to the N cylce is causing dramatic damage to many ecosystems around the world. In coastal waters, the N processes are altered by anthropogenic activities such as the excessive use of fertilizers, urban development or energy production. The main objective of this research is to contribute to the evaluation of how anthropogenic activities and climate change modify the N dynamics in coastal waters. For this purpose, two study sites were selected: the Jucar River Basin District (JRBD) in the Northwestern Mediterranean Sea (Spain) and the Central Gulf Hydrological Region (CGHR) in the Southern Gulf of Mexico (Mexico). The thesis is presented as a collection of four research articles. The first article evaluates how nitrification in coastal waters is altered by anthropogenic pressures and close to urban settlements in the JRBD. Through the application of a simple biogeochemical model that simulates nitrite dynamics to nine coastal areas, an evaluation of the decoupling of the two steps of nitrification was carried out. The main conclusions indicate that anthropogenic pressures modify the nitrite peaks observed in winter driven by low temperatures. The research also concludes that the second step of nitrification is more sensitive to temperature, which entails that climate change may contribute to the decoupling. The second article evaluates the future trends of dissolved inorganic nitrogen (DIN) concentrations under climate change in the JRBD. The effect of meteorological variables on DIN concentrations was studied through the application of simple artificial neural networks trained with field data. Decreasing trends of nitrite and nitrate concentrations were observed throughout the 21st century under both climatic scenarios RCP 4.5 and RCP 8.5, mainly due to rising temperatures and decreasing rainfall, with major changes expected in winter. On the other hand, ammonium did not show any significant annual trend but it either increased or decreased during some months. The third article develops a new method based on grey systems theory and Shannon entropy to derive useful information regarding N pollution in areas where only limited data is available. The method was applied to eight estuaries of the CGHR associated to mangroves. Two indexes were developed: the Grey Nitrogen Management Priority (GNMP) index and the Grey Land Use Pressure (GLUP) index. The two indexes were then confronted to validate the methodology. The results indicate that the urban development over beaches and mangroves is the leading cause of N pollution in the study area. The fourth article is a spatiotemporal analysis of N pollution along two rivers discharging into a touristic coastal area of the CGHR associated to mangroves. Through statistical techniques such as clustering analysis, the Mann-Kendall test and the Mann-Whitney W-test, an evaluation of the origine of N pollution and the temporal variations of the N compounds was performed. The results conclude than organic N concentrations are increasing along the coast, and the main potential source identified was the decomposition of the invasive species of water hyacinths in saline waters, which has completely covered the surrounding beaches and mangroves, enhanced by N pollution. Overall, the main conclusions are that both pollution and climate change alter the N cycle in coastal waters by modifying N processes such as nitrification, the interannual variations of N concentrations and by destroying the coastal ecosystems. The differences in ecological and socio-economic characteristics of the two study sites played a significant role in the pressures and impacts of anthropogenic activities. Moreover, the methods developed can be applied to other coastal regions to evaluate the anthropogenic alteration of the N cycle worldwide. / This thesis was carried out with an international cotutelle between the Polytechnic University of Valencia in Spain and the Veracruzan University in Mexico. This thesis has been financed by the following scholarships: - Erasmus Mundus - MAYANET Grant Agreement Number 2014-0872/001 - 001, funded with support from the European Commission. - Cotutelle PhD scholarship granted by the Universitat Politècnica de València. - Excellence Scholarship awarded by the Mexican Government through the Mexican Agency for International Development Cooperation (AMEXCID) / Temiño Boes, R. (2020). Anthropogenic alteration of the nitrogen cycle in coastal waters: Case studies from the Mediterranean Sea and the Gulf of Mexico [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/158560 / Compendio