A multidisciplinary approach using hydrogeochemistry, δ15NNO3 isotopes, land use, and statistical tools in evaluating nitrate pollution sources and biochemical processes in Costa Rican volcanic aquifers

Abstract

Nitrate pollution threatens the Barva and Colima multi-aquifer system, the primary drinking water source in the Greater Metropolitan Area of Costa Rica. In addressing nitrate contamination dynamics, this study proposes an integrated approach by combining multivariate statistical analyses, hydrochemical parameters, sewage discharge, and regional land-use and land-cover patterns to assess the extent and degree of contamination, dominant biogeochemical processes, and refine the interpretation of nitrate sources previously derived solely from δ15NNO3 information. Over seven years (2015-2022), 714 groundwater samples from 43 sites were analyzed for nitrate and major ions, including two sampling campaigns for dissolved organic and inorganic carbon, nitrite, ammonium, FeTotal, MnTotal, and δ15NNO3 analyses. The findings presented elevated nitrate concentrations in urban and agricultural/urban areas, surpassing the Maximum Concentration Levels on several occasions, and oxidizing conditions favoring mineralization and nitrification processes in unconfined Barva and locally confined Upper Colima/Lower Colima aquifers. Similar nitrate contents and spatial patterns in agricultural and urban zones in the shallow Barva aquifer suggest comparable contributions from nitrogen fertilizers and urban wastewaters despite the gradual increase in urban land cover and the reduction of agricultural areas. Isotopic analyses and dissolved organic carbon (DOC) indicate a shift in nitrate sources from agricultural to urban areas in both Barva and Colima aquifers. Principal Component and Hierarchical Cluster Analyses link land use, nitrate sources, and water quality. Three distinct sample clusters aligned with forest/grassland, agricultural/urban, and urban land use, emphasizing the impact of anthropogenic activities on groundwater quality, even in the deeper Colima aquifers. The study challenges nitrate isotope mixing models, enhancing accuracy in identifying pollution sources and assessing the spatial extent of contamination by incorporating DOC and other hydrochemical parameters. Similar outcomes, with and without the use of nitrate isotopes, reinforce the usefulness of the integrated approach, providing a practical and cost-effective alternative.

La contaminación por nitratos amenaza el sistema multiacuífero de Barva y Colima, la principal fuente de agua potable de la Gran Área Metropolitana de Costa Rica. Al abordar la dinámica de la contaminación por nitratos, este estudio propone un enfoque integrado mediante la combinación de análisis estadísticos multivariados, parámetros hidroquímicos, descargas de aguas residuales y patrones regionales de uso y cobertura del suelo para evaluar la extensión y el grado de contaminación, los procesos biogeoquímicos dominantes y refinar la interpretación de las fuentes de nitratos derivadas previamente solo de la información δ15NNO3. A lo largo de siete años (2015-2022), se analizaron 714 muestras de aguas subterráneas de 43 emplazamientos en busca de nitrato e iones principales, incluidas dos campañas de muestreo para carbono orgánico e inorgánico disuelto, nitrito, amonio, FeTotal, MnTotal y análisis de δ15NNO3. Los resultados presentaron elevadas concentraciones de nitratos en zonas urbanas y agrícolas/urbanas, superando en varias ocasiones los Niveles Máximos de Concentración, y condiciones oxidantes que favorecen los procesos de mineralización y nitrificación en los acuíferos no confinados de Barva y localmente confinados del Alto Colima/Bajo Colima. Los contenidos similares de nitrato y los patrones espaciales en zonas agrícolas y urbanas en el acuífero poco profundo de Barva sugieren contribuciones comparables de fertilizantes nitrogenados y aguas residuales urbanas, a pesar del aumento gradual de la cobertura del suelo urbano y la reducción de las áreas agrícolas. Los análisis isotópicos y el carbono orgánico disuelto (COD) indican un desplazamiento de las fuentes de nitrato de las zonas agrícolas a las urbanas.