Materia orgánica disuelta coloreada

La materia orgánica disuelta coloreada (CDOM) es el componente ópticamente medible de la materia orgánica disuelta en el agua. También conocida como materia orgánica disuelta cromofórica , ^{[ 1 ]} sustancia amarilla y gelbstoff , la CDOM se presenta de forma natural en ambientes acuáticos y es una mezcla compleja de moléculas de materia orgánica individuales y únicas , que se lixivian principalmente de la descomposición de detritos y materia orgánica. ^{[ 2 ]} La CDOM absorbe con mayor intensidad la luz de longitud de onda corta, que va del azul al ultravioleta , mientras que el agua pura absorbe la luz roja de longitud de onda más larga. El agua con poca o ninguna CDOM, como el océano abierto, aparece azul. ^{[ 3 ]} Las aguas que contienen altas cantidades de CDOM pueden variar desde el marrón, como en muchos ríos, hasta el amarillo y el amarillo-marrón en aguas costeras. La CDOM es omnipresente en el océano y absorbe energía lumínica, influyendo así en la óptica del agua, la fotosíntesis del fitoplancton y la fotodegradación. ^{[ 4 ]} Los niveles de CDOM también pueden usarse como un indicador flexible de salinidad, productividad primaria y circulación oceánica. ^{[ 4 ] [ 5 ]} El CDOM influye en la calidad del agua tanto al secuestrar compuestos tóxicos como los hidrocarburos poliaromáticos (HAP) como al producir compuestos dañinos como subproductos de la desinfección con cloro como trihalometanos y ácidos haloacéticos. ^{[ 5 ]} Las fuentes de CDOM varían entre materia orgánica derivada de sistemas terrestres, de marismas y marinos. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} Los compuestos de CDOM también pueden originarse de algas marinas en menor medida. ^{[ 9 ]} Diferentes fuentes de materia orgánica tienen firmas de CDOM distintas que pueden necesitar ser consideradas al aplicar modelos generalizados a las mediciones de CDOM. ^{[ 10 ] [ 6 ] [ 8 ]} La medición de CDOM se realiza típicamente a través de espectroscopia y fluorometría, pero han surgido nuevas técnicas ópticas, incluida la detección remota por satélite. ^{[ 4 ] [ 11 ] [ 7 ] [ 12 ]}Por último, la CDOM desempeña un papel en el ciclo global del carbono y puede verse afectada por fuerzas antropogénicas como la tala y la agricultura, junto con factores del cambio climático como el aumento de las precipitaciones, el deshielo del permafrost, la radiación UV y la estratificación oceánica. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

La concentración de CDOM puede tener un efecto significativo en la actividad biológica en los sistemas acuáticos. El CDOM disminuye la intensidad de la luz al penetrar en el agua. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Concentraciones muy altas de CDOM pueden tener un efecto limitante en la fotosíntesis e inhibir el crecimiento del fitoplancton , ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} que forman la base de las cadenas alimentarias oceánicas y son una fuente primaria de oxígeno atmosférico . Sin embargo, la influencia del CDOM en la fotosíntesis de las algas puede ser compleja en otros sistemas acuáticos como los lagos donde el CDOM aumenta las tasas fotosintéticas en concentraciones bajas y moderadas, pero las disminuye en concentraciones altas. ^{[ 22 ] [ 20 ] [ 19 ] [ 23 ]} Las concentraciones de CDOM reflejan controles jerárquicos. ^{[ 24 ]} Las concentraciones varían entre lagos cercanos debido a diferencias en la morfometría del lago y la cuenca, y regionalmente debido a diferencias en el clima y la vegetación dominante. ^{[ 25 ] [ 24 ] [ 26 ]} El CDOM también absorbe la radiación UVA/B dañina, protegiendo a los organismos del daño al ADN. ^{[ 27 ]}

La absorción de radiación UV provoca la "decoloración" de la CDOM, reduciendo su densidad óptica y capacidad de absorción. ^{[ 16 ]} Esta decoloración ( fotodegradación ) de la CDOM produce compuestos orgánicos de bajo peso molecular que pueden ser utilizados por los microbios, liberan nutrientes que pueden ser utilizados por el fitoplancton como fuente de nutrientes para el crecimiento, ^{[ 28 ]} y generan especies reactivas de oxígeno, que pueden dañar los tejidos y alterar la biodisponibilidad de oligoelementos limitantes. ^{[ 5 ]}

La CDOM se puede detectar y medir desde el espacio mediante teledetección satelital y a menudo interfiere con el uso de espectrómetros satelitales para estimar remotamente las poblaciones de fitoplancton. ^{[ 11 ]} Como pigmento necesario para la fotosíntesis, la clorofila es un indicador clave de la abundancia de fitoplancton. Sin embargo, tanto la CDOM como la clorofila absorben luz en el mismo rango espectral, por lo que a menudo es difícil diferenciarlas.

Aunque existe interferencia entre las mediciones de CDOM y clorofila, los niveles de CDOM monitoreados por satélites remotos pueden servir como un indicador de la calidad del agua, la salinidad, la productividad primaria y la circulación oceánica. ^{[ 2 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 11 ]} El CDOM puede contaminar el agua al reaccionar con especies de cloro para formar desinfectantes, o al disminuir las cantidades de oxígeno disuelto que extrae metales dañinos de los sedimentos. ^{[ 5 ]} Sin embargo, el CDOM también puede ayudar a purificar el agua al secuestrar metales traza e hidrocarburos poliaromáticos. ^{[ 5 ]} El CDOM es el único biomarcador óptico en el agua que tiene una relación significativa con la salinidad. ^{[ 5 ]} Esto se debe a que el CDOM es más alto en sistemas de agua dulce y, por lo tanto, está correlacionado negativamente con la salinidad en regiones costeras. ^{[ 5 ]} Las mediciones satelitales del color del océano son útiles para analizar la concentración de clorofila y la actividad del fitoplancton, pero los modelos a menudo difieren en la forma en que consideran el efecto del CDOM, lo que lleva a una posible discrepancia del 30% en los valores de productividad primaria global. ^{[ 11 ]} La cantidad de carga de CDOM también puede afectar la profundidad de Secchi, que es una medida de la transparencia del agua. ^{[ 29 ]} La circulación oceánica influye en los niveles subsuperficiales de CDOM a través de la interacción dinámica de la ventilación vertical y la generación in situ . ^{[ 4 ]} Por lo tanto, el monitoreo de los niveles de CDOM puede usarse como un trazador de la circulación oceánica global. ^{[ 2 ] [ 4 ] [ 5 ]}

Los métodos tradicionales para medir CDOM incluyen la espectroscopia UV-visible (absorbancia) y la fluorometría (fluorescencia). Se han desarrollado proxies ópticos para caracterizar las fuentes y propiedades de CDOM, incluyendo la absorbancia ultravioleta específica a 254  nm (SUVA ₂₅₄ ) y pendientes espectrales para la absorbancia, y el índice de fluorescencia (FI), el índice biológico (BIX) y el índice de humificación (HIX) para la fluorescencia. Las matrices de excitación-emisión (EEM) ^{[ 30 ]} pueden resolverse en componentes en una técnica llamada análisis de factores paralelos (PARAFAC), ^{[ 31 ]} donde cada componente a menudo se etiqueta como "similar a sustancias húmicas", "similar a proteínas", etc. Como se mencionó anteriormente, la teledetección es la técnica más reciente para detectar CDOM desde el espacio.

La materia orgánica es la principal fuente de CDOM en los ecosistemas de agua dulce y salada, y puede provenir de diversas fuentes como suelos, materia vegetal, estuarios, marismas y el propio océano. En última instancia, la principal fuente de CDOM proviene de plantas superiores. Típicamente, el CDOM presenta variación estacional en su identidad espectral. Las fuentes de carbono terrestres provenientes de material vegetal fresco predominan en primavera y verano, cuando la precipitación y el deshielo son elevados, mientras que las fuentes de carbono más antiguas y degradadas predominan en invierno. ^{[ 32 ] [ 29 ]} La fuente de materia orgánica para el CDOM afecta los valores de medición de fluorescencia del CDOM (fDOM) utilizados como indicador. Por ejemplo, existen diferencias significativas entre las proporciones CDOM:fDOM al comparar fuentes terrestres con fuentes de marisma, lo que indica que estas fuentes de carbono poseen propiedades ópticas únicas que no pueden generalizarse a una proporción universal. ^{[ 7 ]} Además, se ha demostrado que el CDOM de las marismas es ópticamente distinto en relación con el CDOM de los estuarios cercanos en términos de absorción, por lo que existe una gran variación en la fuente y las propiedades ópticas del CDOM. ^{[ 6 ]}

Aunque las variaciones en CDOM son principalmente el resultado de procesos naturales que incluyen cambios en la cantidad y frecuencia de precipitación, las actividades humanas como la tala, la agricultura, la descarga de efluentes y el drenaje de humedales pueden afectar los niveles de CDOM en sistemas de agua dulce y estuarinos, formando firmas de CDOM únicas derivadas del ser humano. ^{[ 33 ]} En general, los reservorios de CDOM que han sido influenciados por los humanos tienden a tener más constituyentes alifáticos de tipo microbiano, mientras que los reservorios influenciados por procesos naturales como la precipitación suelen tener mayores cantidades residuales de formas alóctonas de CDOM ricas en humus. ^{[ 33 ]} La contaminación por nutrientes causada por fertilizantes y combustibles fósiles aumenta la carga de nutrientes en el agua dulce, lo que lleva a una mayor eutrofización y cambios subsiguientes en el ciclo de CDOM a través del metabolismo microbiano. ^{[ 33 ]} El aumento de la eutrofización también puede afectar la composición de CDOM, con CDOM de base algal que tiene más componentes alifáticos, proteínicos y húmicos. ^{[ 33 ]} Si bien los efectos antropogénicos locales sobre el CDOM tienden a depender en gran medida del contexto, en general, se prevé que tanto las fuerzas antropogénicas como el cambio climático aumenten sinérgicamente los niveles totales de CDOM. Este aumento proyectado en los niveles de cargas de CDOM se conoce como "pardeamiento" y se debe en parte a una recuperación de la acidificación y la forestación. ^{[ 33 ] [ 13 ]}

El aumento de las precipitaciones debido al cambio climático puede elevar las cargas de CDOM a través del aumento del caudal base de los ríos que vierten materia orgánica al océano. ^{[ 32 ]} En las regiones árticas, el aumento del deshielo y la descongelación del permafrost debido al calentamiento climático pueden aumentar el CDOM por la liberación de reservas de carbono almacenadas en suelos árticos que tienen un mayor contenido alifático y un menor peso molecular. ^{[ 33 ] [ 32 ]} El aumento de la carga de CDOM debido al cambio climático puede disminuir la cantidad de luz que penetra en el océano, disminuyendo la profundidad de Secchi y limitando la productividad primaria. ^{[ 13 ]} Además, los efectos combinados del aumento de la radiación UV debido al cambio climático, junto con el aumento de la estratificación y el adelgazamiento de las capas superficiales oceánicas más cálidas dan como resultado un aumento de la fotodegradación del CDOM. ^{[ 16 ]} El aumento de la fotodegradación del CDOM tiene ramificaciones de producir más combustible de carbono utilizable para los heterótrofos microbianos, lo que permite a estas bacterias competir con el fitoplancton y limitar aún más la productividad primaria. ^{[ 32 ]}

Las reservas de CDOM de origen humano y natural pueden competir entre sí al tener efectos opuestos sobre la desgasificación del carbono, el ciclo de nutrientes y el metabolismo microbiano. En los sistemas acuáticos, el aumento de los niveles de CDOM de origen humano puede incrementar las emisiones de gases de efecto invernadero como el CO₂ _y el CH₄ _. ^{[ 33 ]} Los niveles más altos de CDOM de origen humano también pueden aumentar la fotorreactividad y disminuir el enterramiento de carbono. ^{[ 33 ]}

• río Blackwater
• Color del agua
• Carbono orgánico disuelto (COD)
• Turbidez oceánica
• Disco Secchi

• El color del océano de science@ NASA