Zonas de Mínimo Oxígeno y Zonas Muertas Costeras

Entendiendo las Zonas de Mínimo Oxígeno (ZMO)

Las ZMO son características permanentes y naturales del océano mundial, encontradas principalmente en el Pacífico tropical oriental, el Mar Arábigo y la Bahía de Bengala. Se forman a profundidad media (típicamente 200-1.000 m) donde convergen dos procesos: intensa demanda biológica de oxígeno por parte de microbios que descomponen la lluvia de partículas orgánicas que se hunden desde la productiva superficie del océano, y poca ventilación por aguas profundas e intermedias bien oxigenadas desde abajo. El resultado es una capa donde el oxígeno disuelto (OD) puede descender del valor de saturación superficial de ~8 mg L⁻¹ a menos de 0,5 mg L⁻¹ — o incluso a cero analítico en las ZMO más intensas, como el Pacífico tropical sur oriental frente a Perú y Chile, donde se desarrollan condiciones sulfídicas.

Serie temporal de 50 años de Stramma

Stramma et al. [1] compilaron observaciones hidrográficas repetidas del Atlántico, Pacífico e Índico tropicales que abarcan 50 años y construyeron series temporales de oxígeno disuelto en profundidad. Su análisis reveló una expansión estadísticamente robusta del volumen de agua con bajo oxígeno, con la ZMO del Atlántico tropical creciendo aproximadamente 4,5 millones de km² durante el período. La pérdida de oxígeno en el Atlántico tropical a una profundidad de 300-700 m promedió 0,36 μmol kg⁻¹ por década — modesta en términos absolutos pero que se acumula durante décadas para producir un ascenso medible de la oxiclina superior (el límite por encima del cual el oxígeno es adecuado para la mayoría de la vida animal). Los impulsores físicos incluyen la solubilidad reducida del oxígeno en un océano que se calienta (el agua más caliente simplemente contiene menos gas disuelto) y una estratificación de densidad aumentada que suprime la mezcla descendente de agua superficial oxigenada en la termoclina.

Zonas Muertas Costeras: una historia de eutrofización

Mientras que las ZMO son características de la circulación de profundidad media del océano abierto, las zonas muertas costeras son un fenómeno distintivamente antropogénico impulsado por la contaminación por nutrientes. Cuando los ríos cargados de nitrógeno y fósforo de fertilizantes agrícolas, efluentes de aguas residuales y deposición atmosférica de productos de combustión de combustibles fósiles descargan en mares costeros, impulsan proliferaciones explosivas de fitoplancton. Estas floraciones finalmente mueren y se hunden, y la descomposición microbiana de esta vasta cantidad de materia orgánica consume el oxígeno disuelto en el agua del fondo, creando condiciones hipóxicas o anóxicas — hipoxia del agua del fondo — que persisten durante semanas o meses durante la estratificación estival, cuando el agua superficial más cálida y menos densa cubre el sistema y evita la reoxigenación desde arriba.

La Zona Hipóxica del Golfo de México

El norte del Golfo de México alberga la zona muerta más grande del Hemisferio Occidental, alimentada por el sistema fluvial Mississippi-Atchafalaya que drena el 41% de los Estados Unidos continentales — 1,8 millones de km² de tierras de cultivo. Cada primavera, el deshielo y las lluvias primaverales arrastran escorrentías ricas en nitrógeno de los campos de maíz y soja hacia el Mississippi, que entrega una carga anual de nitrógeno de aproximadamente 1,5 millones de toneladas al Golfo. A mediados del verano, la zona hipóxica resultante típicamente cubre 13.000–15.000 km² del lecho de la plataforma continental de Luisiana-Texas; en 2017, alcanzó un récord de 22.720 km². Díaz y Rosenberg [2] señalaron que la zona muerta del Golfo de México es una de las mejor documentadas a nivel mundial, con monitoreos desde mediados de la década de 1980 que muestran una alta variabilidad interanual (impulsada por el flujo del río) pero ninguna mejora a largo plazo en la carga de nutrientes de la cuenca.

El Mar Báltico

La cuenca semicerrada del Mar Báltico, con umbrales poco profundos que limitan el intercambio con el Mar del Norte, y una cuenca hidrográfica intensamente cultivada que abarca nueve naciones, lo convierten en el mar grande más eutrofizado del mundo. La hipoxia en las aguas abiertas del Báltico no es un fenómeno estacional, sino crónico: las cuencas profundas del Báltico han experimentado anoxia casi permanente desde al menos mediados del siglo XX, y el área hipóxica y euxínica (sulfídica) se ha expandido sustancialmente. Conley et al. [4] documentaron que la hipoxia costera — que ocurre en los archipiélagos y bahías previamente protegidos de la anoxia de aguas abiertas — se había vuelto generalizada y sin precedentes a lo largo de la costa báltica a principios del siglo XXI. Krapf et al. [3] encontraron que el área hipóxica en el Báltico abierto ha superado los 60.000 km² en los últimos años, con condiciones euxínicas (agotamiento completo de oxígeno con producción de sulfuro de hidrógeno) cubriendo hasta 20.000 km². Meier et al. [5] documentaron tasas aceleradas de consumo de oxígeno que amplifican la desoxigenación — lo que significa que incluso si se redujeran las cargas de nutrientes, la recuperación del oxígeno se retrasaría décadas.

Impulsores de la expansión de las ZMO

Calentamiento y estratificación oceánica

El impulsor más fundamental de la expansión de las ZMO es el calentamiento oceánico. La solubilidad de los gases disueltos disminuye con la temperatura: cuanto más caliente está el agua, menos oxígeno puede retener en saturación. A medida que la superficie del océano se calienta, el contenido de oxígeno del agua subducida en la termoclina disminuye. Simultáneamente, una estratificación térmica más fuerte reduce la mezcla descendente de agua superficial oxigenada y la ventilación ascendente del agua de la ZMO por convección profunda. Kwiatkowski et al. [7] proyectaron a partir de modelos CMIP6 que el oxígeno disuelto promedio global disminuirá aproximadamente un 3,5% para 2100 bajo SSP5-8.5, con las mayores pérdidas en las aguas tropicales de la termoclina donde las ZMO ya son más intensas. Esto corresponde a una expansión volumétrica de agua hipóxica en el rango de profundidad de 200-600 m que comprimiría aún más el hábitat disponible para los organismos mesopelágicos medios y superiores.

Contaminación por nutrientes y floraciones de algas

En los sistemas costeros, el principal impulsor de la expansión de la zona muerta es la eutrofización: el enriquecimiento excesivo de agua con nutrientes, principalmente nitrógeno reactivo (nitrato, amonio) y fósforo. La producción global de nitrógeno reactivo ha aumentado más de diez veces desde 1900, impulsada por el proceso Haber-Bosch para la fabricación de fertilizantes sintéticos y la quema de combustibles fósiles (que libera óxidos de nitrógeno). Las cuencas agrícolas exportan mucho más nitrógeno a los mares costeros que los sistemas preindustriales, lo que provoca eventos hipóxicos más frecuentes, más intensos y más extensos geográficamente. Diaz y Rosenberg [2] encontraron que el número de zonas costeras muertas había crecido exponencialmente entre 1960 y 2008, de menos de 10 documentadas a nivel mundial a más de 400, una trayectoria de crecimiento correlacionada directamente con la producción de fertilizantes sintéticos y la deposición de nitrógeno.

Umbrales de hipoxia: lo que la biología tolera

El umbral ecológico canónico de hipoxia es 2,0 mg O₂ L⁻¹ (62,5 μmol kg⁻¹). Por debajo de esta concentración, la mayoría de los peces demersales (especies que viven en el fondo, como el bacalao, los peces planos y el mero) evacuan el área o, si no pueden escapar, mueren. Los invertebrados móviles — camarones, cangrejos, langostas — intentan migrar pero a menudo quedan atrapados por la extensión de la zona hipóxica. Los invertebrados sésiles — esponjas, bivalvos, equinodermos — no pueden huir y mueren en su lugar, a veces en espectaculares eventos de mortalidad masiva. Por debajo de 0,5 mg L⁻¹, solo ciertos gusanos poliquetos especializados y bacterias anaerobias pueden persistir. Sweetman et al. [6] revisaron los impactos en las comunidades bentónicas de aguas profundas y notaron que incluso la hipoxia subletal — concentraciones de oxígeno entre 2,0 y 4,0 mg L⁻¹ — reduce las tasas de crecimiento, la producción reproductiva y la función inmunológica en invertebrados bentónicos, comprometiendo la resiliencia de la comunidad mucho antes de que ocurran eventos de mortalidad masiva.

• Por encima de 4.0 mg L⁻¹: Función normal para la mayoría de la fauna marina. Oxígeno disuelto mínimo para la mayoría de las especies de peces de arrecife de coral.
• 2.0–4.0 mg L⁻¹ (hipoxia subletal): Crecimiento, reproducción y función inmunológica reducidos. Muchos peces evitan estas profundidades.
• Por debajo de 2.0 mg L⁻¹ (hipoxia): Mortalidad masiva de peces e invertebrados; zona ecológicamente muerta. Umbral estándar para declarar una zona muerta.
• Por debajo de 0.5 mg L⁻¹ (hipoxia severa/anoxia): Ausencia virtual de macrofauna; comunidades de tapetes de bacterias sulfurosas. Posible producción de sulfuro de hidrógeno con anoxia completa.

Consecuencias ecológicas

Compresión del hábitat y efecto de aplastamiento

A medida que las ZMO se expanden hacia arriba (se elevan) hacia la superficie, las especies comercialmente importantes y ecológicamente significativas — incluidos el atún aleta amarilla, el marlín azul, el mahi-mahi y una variedad de calamares grandes — se comprimen en capas superficiales más delgadas y bien oxigenadas. Este 'aplastamiento del hábitat' se ha documentado empíricamente utilizando datos de marcaje electrónico de atunes en el Pacífico tropical oriental, donde la ZMO ahora restringe el comportamiento de buceo a los 100 m superiores. Para los buceadores, este efecto de compresión puede crear espectaculares agregaciones de megafauna pelágica cerca de la superficie, pero estas agregaciones señalan estrés ecológico, no abundancia. También aumentan la vulnerabilidad de los peces a las pesquerías de palangre de superficie, lo que podría acelerar la sobreexplotación de poblaciones ya estresadas.

Colapso y recuperación de la comunidad bentónica

Los eventos en zonas muertas destruyen completamente las comunidades bentónicas. Díaz y Rosenberg [2] estimaron que las zonas muertas matan a miles de millones de invertebrados bentónicos anualmente solo en la plataforma del Golfo de México, con pérdidas económicas directas para las pesquerías comerciales de mariscos y camarones que se miden en cientos de millones de dólares al año. La recuperación bentónica después de eventos hipóxicos depende de la intensidad, duración del evento y la disponibilidad de reclutas larvales de áreas oxigenadas circundantes. Después de un solo evento moderado, la recuperación puede comenzar en semanas a medida que regresa el oxígeno y los organismos móviles recolonizan desde los bordes. Después de anoxia repetida o prolongada — como en las cuencas profundas del Báltico — la recuperación puede requerir décadas o siglos, particularmente si el sedimento se ha vuelto sulfídico.

Las zonas muertas son ahora un grave problema ambiental global, comparable en importancia a la pérdida de biodiversidad y el cambio climático, con la capacidad de alterar fundamentalmente los ecosistemas costeros y oceánicos.

— Díaz y Rosenberg, Science, 2008 [2]

Lo que los buceadores encuentran en las ZMO y las regiones de zonas muertas

Los buceadores deportivos rara vez encuentran directamente las aguas centrales de las ZMO, ya que estas suelen estar por debajo de las profundidades de buceo deportivo (por debajo de 200 m). Sin embargo, los efectos ecológicos son visibles en la columna de agua superior: inusuales agregaciones de peces y calamares cerca de la superficie por encima de los márgenes de las ZMO de surgencia; aparente escasez de ciertas especies demersales en las pendientes de la plataforma continental; ausencia de las diversas comunidades de esponjas y crinoideos que prosperan donde el agua oxigenada ventila las paredes de los montes submarinos. En las zonas muertas costeras poco profundas, los buceadores que se aventuran en los fiordos bálticos estacionalmente estratificados, las aguas adyacentes a la Bahía de Chesapeake o la plataforma norte del Golfo de México pueden detectar el olor característico a sulfuro de hidrógeno en profundidad, resultado de las bacterias reductoras de sulfato que metabolizan en sedimentos del fondo completamente anóxicos. La visibilidad a menudo colapsa en aguas de zonas muertas a medida que los tapetes bacterianos y la materia orgánica particulada aumentan la turbidez.

Política, recuperación y el largo camino de vuelta

El Plan de Acción del Mar Báltico HELCOM, adoptado en 2007, estableció objetivos nacionales vinculantes de reducción de nutrientes y ha producido modestas disminuciones en la carga de nitrógeno de algunas naciones. El monitoreo muestra ligeras mejoras de oxígeno en algunas estaciones costeras, pero la hipoxia en aguas abiertas en el Báltico central sigue siendo severa, porque el sistema tiene un retraso de varias décadas entre la reducción de nutrientes y la respuesta del oxígeno, lo que refleja el largo tiempo de residencia de los nutrientes ya incrustados en el sedimento. La zona muerta del Golfo de México no se reducirá significativamente sin grandes reducciones en las cargas de nitrógeno agrícola de la cuenca del Mississippi, un desafío que ha frustrado múltiples marcos políticos desde la década de 1990. Las regulaciones de la OMI sobre agua de lastre, las disposiciones del Anexo V de MARPOL sobre basura marina y los esquemas emergentes de comercio de nutrientes abordan algunas presiones, pero dejan el impulsor dominante — la escorrentía agrícola — en gran medida sin regular en la fuente.

• Reduce las cargas de nitrógeno y fósforo de la agricultura: La intervención más efectiva para las zonas muertas costeras. Requiere una mejor gestión de nutrientes, cultivos de cobertura y amortiguadores ribereños en las cuencas.
• Mejora el tratamiento de aguas residuales: El tratamiento secundario y terciario reduce drásticamente las cargas de nitrógeno y fósforo de las zonas urbanas.
• Restaura los humedales costeros: Manglares, marismas y lechos de pastos marinos interceptan la escorrentía de nutrientes terrestres antes de que llegue al mar abierto.
• Gestiona las pesquerías para mantener la función de la red alimentaria: Las comunidades de depredadores intactas pueden suprimir el crecimiento excesivo de algas y mantener el equilibrio de oxígeno en los arrecifes poco profundos.
• Reduce las emisiones de gases de efecto invernadero: La única intervención que aborda el componente de calentamiento oceánico de la expansión de las ZMO es la descarbonización profunda.

El océano del futuro bajo altas emisiones

Sweetman et al. [6] proyectaron que para 2100, hasta el 70% de la zona batial (200-3000 m de profundidad) — el dominio de los corales de agua fría, las agregaciones de peces en los montes submarinos y los sitios de buceo en arrecifes profundos — podría experimentar una desoxigenación significativa bajo escenarios de altas emisiones, reestructurando fundamentalmente las comunidades de aguas profundas que son en gran parte desconocidas para la ciencia y completamente inexploradas por los buceadores recreativos. Para sistemas menos profundos, Kwiatkowski et al. [7] proyectan una disminución del oxígeno en las aguas termoclínicas tropicales bajo todos los escenarios SSP, con SSP5-8.5 impulsando pérdidas lo suficientemente grandes como para causar una expansión permanente de los límites superiores de las ZMO hacia la zona mesopelágica donde se alimentan las especies de peces comerciales. Para los destinos de buceo construidos alrededor de la extraordinaria productividad de los sistemas de afloramiento (Galápagos, Socorro, Isla del Coco, Canal de Mozambique), el ascenso de las ZMO representa un factor estresante adicional superpuesto al blanqueamiento térmico, la acidificación y la sobrepesca, comprimiendo el margen ecológico dentro del cual funcionan actualmente estos ecosistemas de buceo de clase mundial.