Al diseñar políticas ambientales para limitar el daño de la contaminación de los ríos, es fundamental evaluar los riesgos específicos que representan los contaminantes particulares para las diferentes especies. Sin embargo, probar rigurosamente los efectos de los tóxicos, como insecticidas, desechos plásticos, patógenos y productos químicos-- en grupos enteros de organismos sin dañar gravemente todos sus ecosistemas simplemente no es factible. El modelado matemático puede proporcionar una forma flexible de evaluar el impacto de los tóxicos en las poblaciones de los ríos sin poner en peligro el medio ambiente.
En un artículo que se publicó hoy en el Revista SIAM de Matemática Aplicada, Peng Zhou Universidad Normal de Shanghái y Qihua Huang Universidad del Suroeste, Chongqing desarrollan un modelo que describe las interacciones entre una población y un tóxico en un entorno advectivo, un entorno en el que un fluido tiende a transportar material en undirección, como un río. Tal modelo puede ayudar a los científicos a 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.
Gran parte de la investigación experimental anterior sobre los riesgos ecológicos de las sustancias tóxicas se ha realizado en organismos individuales en condiciones de laboratorio controladas durante un período de tiempo relativamente corto. Sin embargo, el diseño de estrategias de gestión ambiental requiere una comprensión del impacto de las sustancias tóxicas en el medio ambiente.salud de entero poblaciones naturales expuestas a largo plazo. Afortunadamente, hay un intermediario. "Los modelos matemáticos juegan un papel crucial en la traducción de las respuestas individuales a los impactos a nivel de población", dijo Huang.
Los modelos existentes que describen la forma en que los tóxicos afectan la dinámica de la población generalmente ignoran muchas de las propiedades de los cuerpos de agua. Pero al hacerlo, pierden una gran pieza del rompecabezas. "En realidad, numerosas características hidrológicas y físicas deLos cuerpos de agua pueden tener un impacto sustancial en la concentración y distribución de un tóxico", dijo Huang. "[Por ejemplo], una vez que se libera un tóxico en un río, varios mecanismos de dispersión, como la difusión y el transporte, están presentes quepuede ayudar en la propagación del tóxico".
Del mismo modo, los modelos que los matemáticos suelen utilizar para describir el transporte de contaminantes a través de un río tampoco incluyen todos los componentes necesarios para este estudio. Estos son modelos de ecuaciones de reacción-advección-difusión, cuyas soluciones pueden mostrar cómo los contaminantes se distribuyen yvarían bajo diferentes influencias, como cambios en la velocidad del flujo de agua. Si bien estos modelos permiten a los investigadores predecir la evolución de las concentraciones de sustancias tóxicas y evaluar su impacto en el medio ambiente, no consideran la influencia de las sustancias tóxicas en la dinámica de las poblaciones afectadas. Zhou y Huang asíampliaron este tipo de modelo, agregando 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 dosecuaciones de reacción-difusión-advección, una que gobierna la dispersión y el crecimiento de la población bajo la influencia del tóxico, y otra que describe los procesos que experimenta el tóxico. "Hasta donde sabemos, nuestro modelo representa el primer esfuerzo para modelar lainteracciones población-tóxico en un entorno advectivo mediante el uso de ecuaciones de reacción-difusión-advección", dijo Zhou. "Este nuevo modelo podría potencialmente abrir una [novedosa] línea de investigación".
El modelo permite a Zhou y Huang modificar diferentes factores e investigar los cambios resultantes en el ecosistema. Intentaron alterar la velocidad del flujo del río y la tasa de advección, es decir, la tasa a la que el tóxico o los organismos se transportan río abajo, yobservando la influencia de estos parámetros en la persistencia de la población y la distribución tanto de la población como del tóxico. Estos resultados teóricos pueden proporcionar conocimientos que podrían ayudar a informar las políticas ecológicas cuando se toman en conjunto con otra información.
Un escenario que los investigadores estudiaron involucró un tóxico que tenía una tasa de advección mucho más lenta que la población y, por lo tanto, no se eliminó tan fácilmente. El modelo mostró que, intuitivamente, la densidad de población disminuye con el aumento del flujo de agua porque se transportan más individuosrío abajo y fuera del área del río en cuestión. Sin embargo, la concentración del tóxico aumenta con el aumento de la velocidad del flujo porque puede resistir la corriente río abajo y los organismos a menudo son arrastrados antes de que puedan absorberlo.
En el caso contrario, el tóxico tiene una tasa de advección más rápida y, por lo tanto, es mucho más sensible a la velocidad del flujo de agua que la población. Entonces, aumenta el flujo de aguareducela concentración de sustancias tóxicas al barrer los contaminantes. Para una velocidad de flujo media, la densidad de población más alta ocurre río abajo porque el flujo de agua juega un papel de compensación; transporta más sustancias tóxicas pero también transporta más individuos río 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 sustancias tóxicas, generalmente se sabe que cuanto mayor sea la velocidad del flujo, más individuos serán eliminados del río", dijo Zhou. "Sin embargo, nuestros hallazgos sugieren que, para un nivel de tóxico dado, la abundancia de la población puede aumentoa medida que aumenta el caudal.
Al proporcionar a este modelo los parámetros para ciertas especies y contaminantes, es posible que se puedan determinar los criterios con respecto a la calidad del agua necesaria para mantener la vida acuática. Este resultado, en última instancia, podría ayudar en el desarrollo de lineamientos de políticas en torno a las especies objetivo y"Los hallazgos aquí ofrecen la base para herramientas efectivas de toma de decisiones para los administradores del agua y el medio ambiente”, dijo Huang. Los administradores podrían conectar los resultados del modelo con otros factores, como lo que puede sucederle al contaminante después de que se lava río abajo.
Extensiones adicionales del nuevo modelo de Zhou y Huang podrían hacerlo aún más aplicable a los ecosistemas fluviales reales, por ejemplo, al permitir que la velocidad del flujo y la liberación de sustancias tóxicas varíen con el tiempo, o al tener en cuenta las diferentes formas en que las especies separadas puedenresponder al mismo contaminante. La capacidad de este modelo matemático para encontrar los efectos de las sustancias tóxicas a nivel de la población podría desempeñar un papel fundamental en la evaluación precisa del riesgo de los contaminantes para los ríos y sus habitantes.
