El agua como portadora de gases

El agua transporta el gas al fluir, no por difusión

El gas disuelto se desplaza de dos maneras: arrastrado por el agua cuando esta fluye (advección) y dispersándose por difusión en el agua quieta. Los gases se difunden unas 10.000 veces más lento en el agua que en el aire Mommer & Visser, 2005. Solo por difusión, el oxígeno tarda unas 7 horas en atravesar 1 cm de agua quieta (véase Difusión y transferencia de masa gas–líquido); el agua que fluye a 0,1 m/s lo lleva esa distancia en una décima de segundo. A lo largo de metros de tubería, canal o estanque, solo el flujo y la mezcla mueven el gas a una velocidad útil.

El agua es, además, un portador escaso. Un litro de aire a 20 °C contiene unos 279 mg de oxígeno; un litro de agua dulce saturada con aire contiene 9,09 mg, unas 30 veces menos (calculado a partir de Garcia & Gordon, 1992). El oxígeno entregado es la concentración por el caudal. Entregar más significa elevar la concentración, con agua más fría, oxígeno puro o sobresaturación, o hacer pasar más agua por el punto de uso.

El movimiento también importa junto a la superficie. Las plantas sumergidas en agua agitada mantuvieron estable su oxígeno interno, mientras que en agua sin agitar este cayó con rapidez Mommer & Visser, 2005.

La entrega ocurre en el último milímetro

En toda superficie donde se usa el gas, el paso final es la difusión a través de una capa delgada de agua más lenta. El flujo junto a la superficie determina qué tan delgada es esa capa y, por lo tanto, con qué rapidez llega el gas.

Raíces en el suelo. El oxígeno llega a las raíces principalmente por difusión desde la superficie del suelo a través de los poros llenos de aire, y la respiración de las raíces suele estar limitada por esa difusión y por la resistencia de la capa de mucílago que las rodea Ben-Noah & Friedman, 2018. Las raíces y los microbios del suelo consumen oxígeno a un ritmo aproximadamente similar, y los suelos respiran desde varios hasta decenas de gramos de oxígeno por metro cuadrado al día Ben-Noah & Friedman, 2018.

Compárese con lo que transporta el agua de riego. Diez milímetros de agua saturada con aire a 20 °C contienen unos 0,09 g de oxígeno por metro cuadrado; saturada con oxígeno puro, unos 0,43 g, un techo de equilibrio (calculado). Por lo tanto, el oxígeno disuelto en el agua de riego es un complemento del aire del suelo, no un sustituto. Su valor depende de cuán restringido esté el intercambio de aire propio del suelo: el oxígeno bajo en la zona radicular se asocia sobre todo con suelos húmedos, cálidos y de textura fina bajo riego intensivo Ben-Noah & Friedman, 2018. Los resultados de ensayos en suelos pesados están en Mecanismos de la zona radicular.

Raíces en sistemas sin suelo. En los canales de la técnica de película de nutrientes (NFT, por sus siglas en inglés), el suministro de oxígeno a las raíces depende de la hidráulica de la película: las películas poco profundas y rápidas exponen más superficie y la renuevan más rápido, mientras que las masas de raíces, la solución más cálida y la creciente demanda de oxígeno merman ese suministro a lo largo del ciclo de cultivo Scott & Villouta, 2026. Urrestarazu et al. (2005), según la revisión de Scott & Villouta, 2026, registraron que el oxígeno disuelto bajó de 6,2 a 2,9 mg/L a lo largo de un canal NFT convencional. Véase Hidroponía y cultivo sin suelo.

Branquias. Los peces bombean agua sobre sus branquias, y la transferencia de oxígeno, dióxido de carbono y amoníaco depende de ese flujo de agua, sobre todo la del oxígeno Randall et al., 1991. La misma agua se lleva el dióxido de carbono: al formar bicarbonato e iones hidrógeno, este acidifica el agua junto a las branquias Randall et al., 1991.

Biopelículas. Las biopelículas, las capas microbianas viscosas que recubren tuberías, filtros y raíces, no son bloques planos. Los huecos llenos de agua que las atraviesan transportaron alrededor de la mitad del oxígeno que consumieron las células, y la superficie real de intercambio fue el doble de la estimada para una superficie plana de Beer et al., 1994.

Superficies minerales. En la biolixiviación, los microbios oxidan minerales sulfurados para liberar metales. En un reactor agitado de 21 L a 42 °C con un 20 % de relaves ricos en pirita, la disolución mejoró a medida que el oxígeno disuelto subió de 4 a 13 ppm, lo que los autores vincularon con la tasa de transferencia de oxígeno más que con el nivel de oxígeno; a 17 ppm, la actividad microbiana disminuyó de forma significativa Guezennec et al., 2017. La tasa de entrega importa, y más no es automáticamente mejor. Véase Lixiviación y relaves.

Lo que el agua pierde en el camino

• Calentamiento. El agua saturada a 15 °C y calentada a 25 °C queda al 122 % de saturación y tiende a perder gas (véase Cómo se disuelven los gases en el agua). Al mismo tiempo sube la demanda: un aumento de 10 °C multiplicó por dos o tres el consumo de oxígeno del suelo Ben-Noah & Friedman, 2018.
• Liberación de presión. El agua que absorbió gas a presión queda sobresaturada cuando la presión baja. En pruebas de laboratorio, el gas sobresaturado salió del agua a tasas distintas de las de la reaireación común, y los autores sugirieron que más turbulencia o agua menos profunda acelerarían su pérdida Li et al., 2013. Aguas abajo de una represa, el gas disuelto total disminuyó con la distancia Beeman & Maule, 2006.
• Consumo. Las raíces, los microbios y los peces toman oxígeno del agua con la que están en contacto, como muestra la caída del oxígeno a lo largo de un canal NFT.

Las burbujas finas como reserva dentro del flujo

El gas no disuelto puede viajar con el agua y seguir disolviéndose aguas abajo. Las burbujas no siempre viajan de manera uniforme con el agua: en líneas de goteo con aire inyectado, las burbujas llegaron a los emisores de forma desigual, y en una línea de extremo abierto 1,2 ppm de un tensioactivo no iónico elevó el coeficiente de uniformidad del 20 % al 80 % Torabi et al., 2014.

Las burbujas más pequeñas suben despacio y siguen al agua. Una revisión describe que las micro y nanoburbujas liberan oxígeno de forma continua, e informa que, combinadas con el riego por goteo subterráneo, aumentaron la aireación del suelo en un 5 % Zheng et al., 2025. En un estudio, las nanoburbujas de oxígeno elevaron el oxígeno disuelto, y el tamaño y la concentración de las burbujas en agua destilada conservada a 4 °C se mantuvieron relativamente estables durante 70 días Ebina et al., 2013; las condiciones y los resultados en estanques están en Gestión del oxígeno y sedimentos. Cómo se producen las burbujas finas es el tema del curso siguiente: Qué es la cavitación hidrodinámica y Cavitación, disolución de gases y burbujas finas.