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Un nuevo modelo examina los efectos de los tóxicos en las poblaciones de los ríos contaminados

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Los científicos han desarrollado un nuevo modelo matemático que describe las interacciones entre una población y un tóxico en un entorno fluvial, lo que permite a los investigadores estudiar cómo la forma en que un contaminante se mueve a través de un río afecta el bienestar y la distribución de los habitantes del río, según publican en la revista 'SIAM Journal on Applied Mathematics'.

A la hora de diseñar políticas medioambientales para limitar los daños de la contaminación fluvial, es primordial evaluar los riesgos específicos que determinados contaminantes suponen para las distintas especies. Sin embargo, comprobar rigurosamente los efectos de los tóxicos -como insecticidas, residuos plásticos, patógenos y productos químicos- sobre grupos enteros de organismos sin dañar gravemente sus ecosistemas completos es sencillamente inviable.

La modelización matemática puede ofrecer una forma flexible de evaluar el impacto de los tóxicos en las poblaciones fluviales sin poner en peligro el medio ambiente.

Para ello, los investigadores Peng Zhou, de la Universidad Normal de Shanghai, y Qihua Huang, de la Universidad del Sudoeste, ambas en China, han desarrollan un modelo que describe las interacciones entre una población y un tóxico en un entorno advectivo, es decir, un entorno en el que un fluido tiende a transportar material en una dirección, como un río.

Gran parte de la investigación experimental anterior sobre los riesgos ecológicos de los tóxicos se ha realizado en organismos individuales en condiciones controladas de laboratorio y a bastante corto plazo.

Sin embargo, el diseño de estrategias de gestión medioambiental requiere conocer el impacto de los tóxicos en la salud de poblaciones naturales enteras expuestas a largo plazo. Afortunadamente, existe un intermediario. "Los modelos matemáticos desempeñan un papel crucial a la hora de trasladar las respuestas individuales a los impactos a nivel de población", afirma Huang.

Los modelos existentes que describen el modo en que los tóxicos afectan a la dinámica de las poblaciones suelen ignorar muchas de las propiedades de las masas de agua. Pero al hacerlo, se pierden una gran pieza del rompecabezas.

La modelización matemática puede ofrecer una forma flexible de evaluar el impacto de los tóxicos en las poblaciones fluviales sin poner en peligro el medio ambiente

"En realidad, numerosas características hidrológicas y físicas de las masas de agua pueden tener un impacto sustancial en la concentración y distribución de un tóxico --apunta Huang--. Por ejemplo, una vez que un tóxico se libera en un río, existen varios mecanismos de dispersión -como la difusión y el transporte- que pueden contribuir a la propagación del tóxico".

Del mismo modo, los modelos que los matemáticos suelen utilizar para representar el transporte de contaminantes a través de un río tampoco incluyen todos los componentes necesarios para este estudio. Se trata de modelos de ecuaciones de reacción-advección-difusión, cuyas soluciones pueden mostrar cómo se distribuyen y varían los contaminantes bajo diferentes influencias, como los cambios en la velocidad del flujo de agua.

Aunque estos modelos permiten a los investigadores predecir la evolución de las concentraciones de tóxicos y evaluar su impacto en el medio ambiente, no tienen en cuenta la influencia de los tóxicos en la dinámica de las poblaciones afectadas. Así, Zhou y Huang ampliaron este tipo de modelos, añadiendo nuevos elementos que les permitieron explorar la interacción entre un tóxico y una población en un río contaminado.

El modelo de los autores consta de dos ecuaciones de reacción-difusión-advección: una que rige la dispersión y el crecimiento de la población bajo la influencia del tóxico, y otra que describe los procesos que experimenta el tóxico.

"Por lo que sabemos, nuestro modelo representa el primer esfuerzo por modelar las interacciones entre la población y el tóxico en un entorno advectivo utilizando ecuaciones de reacción-difusión-advección --señala Zhou--. Este nuevo modelo podría abrir una línea de investigación novedosa".

El modelo permite a Zhou y Huang modificar diferentes factores e investigar los cambios resultantes en el ecosistema. Probaron a modificar la velocidad del caudal del río y la tasa de advección -es decir, la velocidad a la que el tóxico o los organismos son arrastrados río abajo- y a observar la influencia de estos parámetros en la persistencia y distribución de la población y del tóxico. Estos resultados teóricos pueden proporcionar información que podría ayudar a informar a las políticas ecológicas cuando se toman en conjunto con otra información.

Uno de los escenarios estudiados por los investigadores era el de un tóxico con una velocidad de advección mucho más lenta que la de la población y que, por tanto, no era arrastrado con tanta facilidad. El modelo demostró que, intuitivamente, la densidad de población disminuye al aumentar el caudal de agua porque más individuos son arrastrados río abajo y fuera de la zona fluvial en cuestión.

El modelo permite a Zhou y Huang modificar diferentes factores e investigar los cambios resultantes en el ecosistema

Sin embargo, la concentración del tóxico aumenta con el incremento de la velocidad del caudal porque puede resistir la corriente descendente y los organismos suelen ser arrastrados antes de que puedan absorberlo.

En el caso contrario, el tóxico tiene una tasa de advección más rápida y, por tanto, es mucho más sensible a la velocidad del flujo de agua que la población. El aumento del flujo de agua reduce entonces la concentración de tóxicos al barrer los contaminantes.

Para una velocidad de flujo media, la mayor densidad de población se produce aguas abajo porque el flujo de agua desempeña un papel de compensación; transporta más tóxicos lejos pero también lleva más individuos aguas abajo.

Esto demuestra que una mayor sensibilidad de un contaminante al flujo de agua es generalmente más ventajosa para la persistencia de la población.

"En ausencia de tóxicos, se sabe generalmente que cuanto mayor sea la velocidad del flujo, más individuos serán arrastrados fuera del río --subraya Zhou--. Sin embargo, nuestros hallazgos sugieren que, para un nivel de tóxicos determinado, la abundancia de la población puede aumentar a medida que se incrementa la velocidad del caudal".

Al dotar a este modelo de los parámetros correspondientes a determinadas especies y contaminantes, se podrían determinar los criterios relativos a la calidad del agua necesaria para mantener la vida acuática. Este resultado podría ayudar, en última instancia, a la elaboración de directrices políticas en torno a las especies y los tóxicos objetivo.

"Los resultados aquí expuestos ofrecen la base de herramientas eficaces para la toma de decisiones por parte de los gestores del agua y el medio ambiente", destaca Huang. Los gestores podrían relacionar los resultados del modelo con otros factores, como lo que puede ocurrir con el contaminante después de ser arrastrado río abajo.

Otras ampliaciones del nuevo modelo de Zhou y Huang podrían hacerlo aún más aplicable a los ecosistemas fluviales reales, por ejemplo, permitiendo que la velocidad del flujo y la liberación de tóxicos varíen con el tiempo, o teniendo en cuenta las diferentes formas en que las distintas especies pueden responder al mismo contaminante.

La capacidad de este modelo matemático para encontrar los efectos de los tóxicos a nivel de población podría desempeñar un papel fundamental en la evaluación precisa del riesgo de los contaminantes para los ríos y sus habitantes, concluyen.

Redacción iAgua

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