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Este artículo explica la física, proporciona una tabla de saturación completa y cubre lo que esto significa para la acuicultura, la hidroponía, el riego y los estanques. También explica por qué se puede introducir mucho más oxígeno en el agua de lo que permite el aire por sí solo.
La física: por qué la temperatura controla la solubilidad del oxígeno
El oxígeno es solo ligeramente soluble en el agua. Las moléculas de O₂ son no polares y se mantienen en solución mediante fuerzas intermoleculares débiles, no por enlaces químicos. Las moléculas de agua se organizan alrededor de cada molécula de O₂ disuelta, y la formación de esa disposición libera un poco de energía. En otras palabras, la disolución del oxígeno es exotérmica.
El principio de Le Chatelier establece que cuando se añade calor a un sistema en equilibrio, el equilibrio se desplaza en la dirección que absorbe calor. Para el oxígeno disuelto, esa dirección es el oxígeno saliendo del agua. También existe una imagen molecular simple. En el agua más cálida, las moléculas de oxígeno disuelto poseen más energía cinética, por lo que un mayor número de ellas tiene suficiente energía para liberarse y escapar en la superficie. Las fuerzas débiles que las mantienen en solución importan menos.
El resultado es que cada aumento de la temperatura del agua disminuye la cantidad máxima de oxígeno que el agua puede contener en equilibrio con el aire. Este máximo se denomina concentración de saturación.
Dónde encaja la ley de Henry
La ley de Henry establece que la cantidad de gas disuelto en un líquido es proporcional a la presión parcial de dicho gas sobre el líquido:
C = k_H × p
La temperatura no aparece en la ley en sí. Modifica la constante k_H, que disminuye a medida que el agua se calienta. Ese es el efecto descrito anteriormente.
La parte de la presión parcial de la ley importa de igual manera, y a menudo se pasa por alto. El aire contiene solo aproximadamente un 21% de oxígeno. Si el agua se expone a un gas con más oxígeno que el aire, el límite de saturación aumenta en proporción. Volveremos sobre esto más adelante.
¿Cuánto oxígeno retiene el agua a cada temperatura?
Agua dulce saturada con aire al nivel del mar (760 mmHg), en mg/L:
°C | mg/L | °C | mg/L | °C | mg/L |
|---|---|---|---|---|---|
0 | 14.6 | 12 | 10.8 | 24 | 8.4 |
1 | 14.2 | 13 | 10.5 | 25 | 8.3 |
2 | 13.8 | 14 | 10.3 | 26 | 8.1 |
3 | 13.5 | 15 | 10.1 | 27 | 8.0 |
4 | 13.1 | 16 | 9.9 | 28 | 7.8 |
5 | 12.8 | 17 | 9.7 | 29 | 7.7 |
6 | 12.4 | 18 | 9.5 | 30 | 7.6 |
7 | 12.1 | 19 | 9.3 | 31 | 7.4 |
8 | 11.8 | 20 | 9.1 | 32 | 7.3 |
9 | 11.6 | 21 | 8.9 | 33 | 7.2 |
10 | 11.3 | 22 | 8.7 | 34 | 7.1 |
11 | 11.0 | 23 | 8.6 | 35 | 7.0 |
Valores basados en las ecuaciones de Benson y Krause (1984) utilizadas en las tablas de DO de USGS.
El patrón es empinado a bajas temperaturas y más plano a temperaturas altas, pero la pérdida es significativa en todo el rango. El calentamiento de 10 °C a 30 °C reduce la capacidad de oxígeno en aproximadamente un tercio. El calentamiento de 20 °C a 30 °C la reduce en aproximadamente un 17%.
Otros dos factores modifican estas cifras:
Salinidad. Las sales disueltas reducen la solubilidad del oxígeno. El agua de mar de concentración completa retiene aproximadamente un 19% menos de oxígeno que el agua dulce a la misma temperatura, unos 7.4 mg/L a 20 °C. Los sistemas de acuicultura marina y salobre comienzan con menos margen de maniobra.
Altitud. Una menor presión atmosférica significa una menor presión parcial de oxígeno. La saturación disminuye aproximadamente un 1.2% por cada 100 m de elevación cerca del nivel del mar. A 500 m es aproximadamente el 94% del valor a nivel del mar, y a 1000 m aproximadamente el 89%.
El agua caliente también consume oxígeno más rápido
El límite de saturación es solo la mitad de la historia. Los peces, invertebrados, bacterias, algas y raíces de plantas son en su mayoría de sangre fría o dependientes de la temperatura. Para muchos de ellos, la tasa metabólica se duplica aproximadamente con cada aumento de 10 °C.
En agua caliente, los peces respiran con mayor dificultad y consumen más oxígeno por kilogramo. Las bacterias descomponen la materia orgánica como el alimento, el estiércol y las algas muertas con mayor rapidez, y consumen oxígeno al hacerlo. Las raíces respiran más rápido y necesitan más oxígeno para seguir absorbiendo nutrientes. Los patógenos y las biopelículas crecen más rápido, lo que añade una demanda adicional.
Así, el agua caliente contiene menos oxígeno mientras que se consume una mayor cantidad de este. Por esta razón, las caídas de DO se concentran en verano. Son más graves en sistemas cerrados, con alta densidad de población o ricos en nutrientes, donde la demanda de oxígeno puede superar lo que la superficie puede reabastecer desde el aire.
Qué significa en la práctica
Acuicultura y estanques
El estrés por oxígeno en los peces se manifiesta mucho antes de una mortandad visible. La reducción de la alimentación, una peor conversión alimenticia, un crecimiento más lento y una mayor susceptibilidad a enfermedades suelen aparecer a medida que el DO desciende hacia los 5 mg/L. Las especies de agua fría como la trucha se mantienen normalmente por encima de aproximadamente 6–7 mg/L. Muchas especies de agua cálida sobreviven a niveles más bajos, pero aun así crecen peor.
En estanques al aire libre, el momento más peligroso suele ser justo antes del amanecer. Durante el día, las algas realizan la fotosíntesis y añaden oxígeno. Por la noche, todo lo consume. Una noche calurosa y sin viento después de un día nublado, con poca fotosíntesis para generar una reserva, es el escenario clásico para una mortandad de peces en verano.
→ Visite nuestras páginas de acuicultura y lagos y estanques.
Hidroponía y riego
Las raíces de las plantas necesitan oxígeno para la respiración. La respiración impulsa la absorción activa de nutrientes. Cuando el DO disminuye, las raíces se quedan sin energía, la absorción de nutrientes se ralentiza y el tejido radicular se vuelve más vulnerable.
El agua cálida y con poco oxígeno también favorece al Pythium y a otros patógenos causantes de la podredumbre radicular. Por esta razón, muchos productores intentan mantener las soluciones de nutrientes por debajo de aproximadamente 22–24 °C. Por encima de ese rango, la combinación de un menor nivel de oxígeno, una mayor demanda radicular y un crecimiento más rápido de los patógenos eleva drásticamente el riesgo.
¿Se puede introducir más oxígeno en el agua caliente de lo que permite el aire?
Sí, y aquí es donde la ley de Henry trabaja a su favor.
El agua en contacto con el aire solo puede alcanzar los valores de saturación de la tabla. Ese límite proviene del contenido de oxígeno de aproximadamente el 21% del aire, no del agua en sí. Si se disuelve oxígeno puro en lugar de aire, la presión parcial aumenta casi cinco veces, al igual que el límite de saturación. A 20 °C, el agua en equilibrio con oxígeno puro puede retener aproximadamente 43 mg/L en lugar de 9.1 mg/L.
En la práctica, no es necesario alcanzar ese límite máximo. El suministro eficiente de gas enriquecido con oxígeno permite mantener el DO en niveles saludables en agua que está demasiado caliente para gestionarlo por sí sola. Incluso se puede mantener el agua moderadamente supersaturada. Dos factores determinan la eficacia de esto:
Fuente de oxígeno. Los generadores de oxígeno in situ que utilizan la adsorción por oscilación de presión (PSA) producen oxígeno concentrado a partir del aire ambiente. Vea cómo funciona un generador de oxígeno con lechos de tamiz.
Tamaño de la burbuja. Las burbujas grandes ascienden rápidamente y estallan en la superficie, por lo que gran parte del gas se escapa sin disolverse. Las burbujas más pequeñas ofrecen mucha más superficie por unidad de gas y ascienden más lentamente, por lo que transfieren más oxígeno antes de alcanzar la superficie. Las burbujas ultrafinas, a menudo llamadas nanoburbujas, llevan esto al extremo. Obtenga más información sobre las burbujas ultrafinas.
Una advertencia: el agua que está supersaturada con respecto al aire liberará lentamente su exceso de oxígeno en una superficie abierta. Por lo tanto, la oxigenación en sistemas abiertos es un proceso continuo, no un tratamiento único.
¿Qué hay de enfriar el agua?
El enfriamiento eleva el límite de saturación, y en pequeños depósitos o sistemas de recirculación puede valer la pena. Sin embargo, el efecto es moderado. Bajar de 25 °C a 20 °C aumenta la capacidad en aproximadamente un 10%. El enfriamiento tampoco añade oxígeno por sí solo; solo eleva el límite máximo que la aireación o la oxigenación pueden llenar posteriormente. Enfriar grandes volúmenes de agua requiere mucha energía y, a menudo, resulta poco práctico para estanques, líneas de riego o tanques al aire libre. Para la mayoría de las operaciones, la estrategia más realista es enfriar donde sea barato y oxigenar donde no lo sea.
Medición: mg/L frente a % de saturación
Dado que la saturación depende de la temperatura, una lectura de DO significa poco a menos que también se conozca la temperatura. La mayoría de los sensores de DO informan de ambos valores:
mg/L es la cantidad absoluta de oxígeno disponible para peces y raíces. Este es el número al que se refieren los umbrales biológicos.
% de saturación es qué tan llena está el agua en relación con su límite a la temperatura, salinidad y presión actuales. El 100% a 30 °C sigue siendo solo de unos 7.6 mg/L.
Un estanque puede registrar una saludable saturación del 95% en una tarde calurosa y, aun así, estar cerca de niveles de estrés en mg/L. Registrar el DO y la temperatura de forma continua, en lugar de realizar una sola lectura puntual, es la única forma fiable de detectar mínimos antes del amanecer y caídas provocadas por el calor antes de que causen pérdidas.
→ Los sensores de agua de Waboost registran el DO y la temperatura de forma continua y transmiten los datos a Waboost Cloud con alertas.
Preguntas frecuentes
¿El agua caliente no tiene nada de oxígeno?
No. El agua a 35 °C en contacto con el aire todavía contiene aproximadamente 7 mg/L. La ebullición expulsa la mayor parte del gas disuelto, pero el agua tibia común siempre contiene algo de oxígeno. Simplemente contiene menos que el agua fría.
¿Por qué el agua fría retiene más oxígeno?
La disolución del oxígeno libera calor, por lo que las temperaturas más bajas favorecen que el oxígeno permanezca disuelto. Las moléculas de oxígeno disuelto en agua fría también tienen menos energía para escapar.
¿Cuál es un nivel seguro de oxígeno disuelto para los peces?
Depende de la especie. Como guía general, la mayoría de los peces de piscifactoría se desarrollan mejor por encima de aproximadamente 5 mg/L, y las especies de agua fría como la trucha, por encima de aproximadamente 6–7 mg/L.
¿Puede el agua contener más del 100% de oxígeno disuelto?
Sí. La fotosíntesis en días soleados o la oxigenación con oxígeno concentrado pueden supersaturar el agua con respecto al aire. Sin un aporte continuo, el exceso se escapa gradualmente en la superficie.
Conclusión
El agua caliente retiene menos oxígeno disuelto por dos razones. La disolución del oxígeno es exotérmica, por lo que las temperaturas más altas desplazan el equilibrio hacia la fase gaseosa, y las moléculas más cálidas escapan de la superficie más fácilmente. Las condiciones cálidas también aceleran el consumo de oxígeno por parte de todos los organismos en el agua. El resultado es una oferta cada vez menor que se enfrenta a una demanda creciente, lo que explica las mortandades de peces en verano, la podredumbre de las raíces en depósitos cálidos y los cultivos estresados por el calor.
El aire establece el límite máximo para el oxígeno disuelto, pero no tiene por qué ser así. Al medir el DO de forma continua y suministrar oxígeno concentrado en burbujas lo suficientemente pequeñas como para disolverse de manera eficiente, puede mantener los niveles de oxígeno saludables incluso cuando el agua está caliente.
Fuentes: Benson, B.B. & Krause, D. (1984), Limnology and Oceanography 29(3), 620–632; USGS Office of Water Quality, DOTABLES; APHA Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 4500-O.
