Explorando los ciclos biogeoquímicos, la especiación y la productividad primaria en el océano mediante espectroscopía de fluorescencia

"Es un gran océano y cubre el 70% del planeta, así que debería ser 'planeta Oceano' en lugar de planeta Tierra."

Y Planet Ocean ha estado en el centro del trabajo del profesor Peter Croot (FRSC), contribuyendo a aclarar el origen de la materia orgánica en los océanos. El profesor Peter Croot FRSC, biogeoquímico marino en la Universidad de Galway con formación en química analítica y ambiental, ha dedicado su carrera al medio marino, trabajando principalmente en mar abierto. La investigación global del profesor Croot le ha llevado al Océano Austral y la Antártida, el Atlántico, el Océano Índico y el Pacífico, con un enfoque en los ciclos biogeoquímicos, incluyendo el ciclo de carbono y metales, y su especiación: la determinación de las formas químicas con las que están presentes estos elementos y la cinética de intercambio entre una forma y otra. Todo esto está estrictamente relacionado con lo que limita la productividad primaria en el océano y las tensiones que afectan el medio ambiente, como el cambio climático, el calentamiento global, la acidificación de los océanos y la desoxigenación oceánica.

"La productividad primaria es la absorción de _CO2 en materia orgánica por el fitoplancton. Como esto podría estar limitado por la luz, también realizamos mediciones bioópticas. Pero también podría estar limitada por nitrógeno (N), fósforo (P) y/o hierro (Fe), así que gran parte de mi investigación se centra en qué es exactamente lo que controla la productividad primaria. Esto implica superar los desafíos analíticos para medir los diferentes componentes y así establecer si son importantes para la productividad primaria o no. Esto también plantea muchas preguntas analíticas sobre el ciclo de metales traza y el ciclo del carbono y el nitrógeno. Esto puede que no conduzca directamente a cambios en la productividad primaria, pero sigue siendo importante para entender el ciclo de los elementos y los insumos de la tierra al océano. ¹"

La metrología constituye una parte importante de la investigación del profesor Croot, abordando mediciones tanto desde un ángulo experimental como teórico, explorando las técnicas analíticas existentes, mejorándolas cuando sea necesario y desarrollando nuevas. Todo esto contribuye a una contribución global al conocimiento y a la sociedad.

"En cuanto al cambio climático, el trabajo que estamos realizando proporciona buenos datos de referencia para comparar en el futuro, y hay numerosos temas relacionados con eso, como la acidificación de los océanos, el calentamiento global y la desoxigenación oceánica. Nuestro trabajo aporta nuevas evidencias sobre los impactos de las tensiones en el medio ambiente y esto puede ser reintroducido, por ejemplo, en los informes del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC) a nivel global o, a menor escala, en evaluaciones regionales, informando políticas de adaptación y medidas de ^{mitigación 1}.

Otra contribución trata sobre contaminantes, como el plástico, y cómo estos están cambiando e impactando en los ciclos biogeoquímicos. Esto no solo proporciona datos que pueden utilizarse en un entorno académico, sino que esta investigación también podría mostrar que podría haber beneficios económicos, sociales o culturales en mantener océanos azules y verdes. Además, en los últimos 20 años, se ha puesto más atención al ámbito ambiental, abordando los ciclos de vida de todo tipo de sustancias químicas y cómo encajan en los ciclos biogeoquímicos naturales y antropogénicos. Ahora estamos viendo pasos hacia un tratado internacional sobre plásticos y un equivalente químico al IPCC. Estos son cambios grandes y sin precedentes en el aspecto químico de las cosas. Por último, ha habido más reconocimiento respecto a la monitorización. A menudo esto se consideraba la parte menor de la investigación, ¿por qué te interesaría hacer muchas mediciones repetidas? Pero ahora sabemos que hay un valor increíble en una serie de mediciones a largo plazo. Es un cambio fundamental."

El trabajo del profesor Croot también contribuye a clarificar el origen de la materia orgánica en los océanos. Existen dos teorías principales: una que apoya la idea de que todos los componentes húmicos son resultado de la actividad in situ de fitoplancton o zooplancton, y la otra en la que todo el material húmico tiene origen terrestre y luego se diluye en el océano y se destruye mediante la fotoquímica en la superficie.

"Algo que analizamos, como marcador diagnóstico, son las proteínas tirosina y triptófano. Nos dan indicadores de la actividad del zooplancton y muestran que muchas proteínas provienen del pastoreo, dándonos una idea de dónde se están comiendo activamente los organismos. Estos residuos en el océano costero podrían indicar estos procesos, así como lo que suministran los ríos, como la escorrentía agrícola ²."

"Hacemos muchos EEMs conAnálisis de Factores Paralelos(PARAFAC) para analizar los componentes orgánicos del agua de mar. Poco a poco nos fuimos acercando a la orilla, subiendo por el estuario y, como parte de eso, finalmente empezamos a trabajar en turberas. El Aqualog tuvo que pasar de contar con un tiempo de integración muy largo, a medir prácticamente nada en el Pacífico Sur, a que tuviéramos que diluir muestras porque son del color del té negro. Aquí intentamos identificar diferentes tipos de materia orgánica, los húmicos o proteínas, para ver si podemos seguir esos desde turberas, a través del sistema fluvial y luego hacia el océano. Esto nos dará pistas sobre el ciclo del carbono que alimenta todo lo demás.

Sigue siendo relativamente único que el Aqualog capture absorbancia y fluorescencia al mismo tiempo. Esto nos ha llevado de vuelta a la razón original por la que usábamos la fluorescencia, para observar la especiación de los elementos. Uno de los problemas es que en el agua de los ríos y las turberas hay mucho aluminio, que es tóxico para algunos organismos. El aluminio se elimina en gran parte al mezclarse con el océano. Hemos estado realizando trabajos cinéticos con el Aqualog para entender la rapidez con la que se transfiere el aluminio de una especie química a otra en el agua del río o en los estuarios."

La capacidad de medición 3 en 1 del Aqualog, la fluorescencia y la absorbancia, con EEMs, ha permitido al Prof. Croot detectar tanto los complejos fluorescentes como no fluorescentes resultantes del método lumogallion para la detección de diferentes especies de aluminio.

"Podemos usar esta información para observar la abundancia de ambas especies y corregir la fluorescencia natural de la materia orgánica. Esta es una de las grandes ventajas de usar el Aqualog; Te permite hacer lo que no puedes hacer con un fluorómetro tradicional. Te permite seguir toda la historia, dijo.

Pero con el Aqualog, el profesor Croot puede investigar mucho más y realizar todo tipo de ensayos de fluorescencia: se ha utilizado para estudiar especies reactivas de oxígeno y cómo esto puede alterar la fluorescencia de la materia orgánica.

"No hemos encontrado nada más que nos permita hacer todas estas cosas. Históricamente, habríamos tenido dos sistemas configurados para medir en paralelo."

Al trabajar en entornos de investigación tan diversos, desde las aguas cristalinas del Pacífico Sur hasta las turberas irlandesas, la sensibilidad y rango dinámico de Aqualog y la capacidad de aplicar la corrección del efecto filtro interno (IFE) se vuelven cruciales, reduciendo la necesidad de manipular demasiado la muestra.

A la luz de la evolución de las aplicaciones y metodologías, actualizar las técnicas de investigación puede ampliar el potencial para mejorar los resultados, el conocimiento y la comprensión. Cada vez más grupos realizan EEMs, que es una medición fácil de realizar y que proporciona información sobre el DOM en el agua que puede relacionarse con diferentes masas de agua.

"Aunque no proporcione componentes individuales, es una gran mejora respecto a cómo podemos categorizar el DOM. Es un intercambio: podrías obtener muchos datos usando un Aqualog o usando técnicas muy caras y que consumen mucho tiempo para obtener los componentes individuales, lo que significaría que recopilas menos datos.  Muchas veces es preferible obtener la mayor cobertura espacial y temporal posible con el Aqualog que centrarse en identificar todos los componentes individuales que contribuyen a la señal. Hay algunos laboratorios que lo están haciendo y los están comparando con lo que devuelve el Aqualog para que podamos empezar a extraer más información de los datos de fluorescencia 3D.

Creo que cuanto más común se vuelva tanto en la investigación marina como en la de agua dulce, más podrá utilizarse como herramienta diagnóstica para personas que gestionan la calidad del agua marina y el agua dulce."

Según el profesor Croot, esto se aplicaría a casos como fugas de fosas sépticas o desbordamientos de aguas pluviales o aguas residuales, analizando los impactos de cómo los fenómenos meteorológicos extremos pueden influir en otros aspectos del ciclo del carbono, pero también a técnicas de eliminación de compuestos orgánicos en sistemas locales de agua1. Pero esta técnica novedosa también nos permite actualizar algunos de los datos históricos y las investigaciones pasadas, mejorando nuestra comprensión de lo que realmente está ocurriendo.

"Cuando miras algunos de los artículos de investigación antiguos, sabes que obviamente se midió en una máquina y luego en otra; No fue simultáneo. Hay muchas interpretaciones ingeniosas, pero no hay muchos datos."

El profesor Croot y su equipo han recopilado datos valiosos y han contribuido significativamente a la comprensión de los ciclos biogeoquímicos, la especiación y la productividad primaria en el océano. La gran pregunta ahora es, ¿qué viene después? Además de continuar el trabajo sobre la Materia Orgánica Disuelta de Color (CDOM) y extenderlo a ríos lacustres y aguas costeras, el profesor Croot ha comenzado recientemente a trabajar en pigmentos fotosintéticos.

"Recientemente hemos estado utilizando el Aqualog para estudiar pigmentos fotosintéticos, extrayendo y midiendo clorofila y otros pigmentos accesorios mediante espectroscopía de absorción o fluorescencia. Lo bueno del Aqualog es que puedes hacer ambas cosas y comparar si las dos mediciones analíticas te dan resultados consistentes."

Medir la contribución de los pigmentos ayuda a obtener el llamado "cierre óptico". De hecho, la absorción de cada muestra es resultado de la contribución del CDOM del agua, los pigmentos del fitoplancton y los componentes inorgánicos.

"Asignar cuánta luz se absorbe y su retrodispersión a lo largo de la columna de agua es una medida realmente útil al observar la productividad primaria."

¹ O'Driscoll, Connie, et al. "Rastreando fuentes de materia orgánica natural, trihalometanos y metales en aguas subterráneas de una región kárstica." Environmental Science and Pollution Research 27 (2020): 12587-12600.

² Shi, Lin, et al. "Recuperación de nutrientes de digestión de estiércol de cerdo usando reversión por electrodiálisis: incrustación de membrana y viabilidad de operación a largo plazo." Journal of Membrane Science 573 (2019): 560-569.https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.12.037.

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