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Articulo de referencia

Interfaz sedimento-agua

El flujo de agua oxigenada hacia dentro y hacia fuera de los sedimentos está mediado por la bioturbación o la mezcla de los sedimentos, por ejemplo, mediante la construcción de ...

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El flujo de agua oxigenada hacia dentro y hacia fuera de los sedimentos está mediado por la bioturbación o la mezcla de los sedimentos, por ejemplo, mediante la construcción de tubos de gusanos.

En oceanografía y limnología , la interfase sedimento-agua es el límite entre el sedimento del lecho y la columna de agua suprayacente. El término generalmente se refiere a una capa delgada (aproximadamente 1  cm de profundidad, aunque variable) de agua en la superficie misma de los sedimentos en el fondo marino. En el océano, estuarios y lagos, esta capa interactúa con el agua suprayacente a través del flujo físico y las reacciones químicas mediadas por los microorganismos, animales y plantas que viven en el fondo del cuerpo de agua. [ 1 ] La topografía de esta interfase suele ser dinámica, ya que se ve afectada por procesos físicos (por ejemplo, corrientes que causan ondulaciones o resuspensión) y procesos biológicos (por ejemplo, bioturbación que genera montículos o trincheras). Los procesos físicos, biológicos y químicos ocurren en la interfase sedimento-agua como resultado de una serie de gradientes, tales como gradientes de potencial químico, gradientes de agua intersticial y gradientes de oxígeno. [ 2 ]

Definición

La ubicación de la parte superior de la interfaz sedimento-agua en la columna de agua se define como el punto de inflexión en el gradiente vertical de algún componente disuelto, como el oxígeno, donde la concentración pasa de una concentración mayor en el agua bien mezclada suprayacente a una concentración menor en la superficie del sedimento. Esto puede abarcar desde menos de 1  mm hasta varios milímetros de la columna de agua. [ 3 ] [ 4 ]

Procesos físicos

Las olas y las corrientes de marea pueden alterar la topografía de la interfaz sedimento-agua mediante la formación de ondulaciones en la arena, como las que se muestran aquí y que quedan expuestas durante la marea baja.
La bioturbación mezcla los sedimentos y modifica la topografía de la interfaz sedimento-agua, como lo demuestran las fotografías a intervalos de tiempo de los gusanos marinos moviéndose a través del sedimento.
El ciclo del azufre es un gran ejemplo del ciclo de nutrientes de los lagos, que se produce a través de procesos mediados biológicamente, así como de reacciones redox químicas.

El movimiento físico del agua y los sedimentos altera el espesor y la topografía de la interfaz sedimento-agua. La resuspensión de sedimentos por olas, mareas u otras fuerzas perturbadoras (por ejemplo, los pies humanos en una playa) permite que el agua intersticial de los sedimentos y otros componentes disueltos se difundan fuera de los sedimentos y se mezclen con el agua suprayacente. [ 5 ] Para que ocurra la resuspensión, el movimiento del agua debe ser lo suficientemente potente como para tener una tensión de corte crítica fuerte que sea mayor que la tensión de corte del lecho. Por ejemplo, un lecho muy consolidado solo se resuspendería bajo una tensión de corte crítica alta, mientras que una "capa esponjosa" de partículas muy sueltas podría resuspenderse bajo una tensión de corte crítica baja. [ 6 ] Dependiendo del tipo de lago, puede haber varios eventos de mezcla cada año que pueden influir en la interfaz sedimento. Los lagos amícticos están permanentemente estratificados, de manera similar, los lagos meromícticos no se mezclan. [ 7 ] Los lagos polimícticos experimentan mezcla frecuente y los lagos dimícticos se mezclan dos veces al año. Este tipo de mezcla lacustre es un proceso físico que puede ser impulsado por vientos superpuestos, diferencias de temperatura o esfuerzos cortantes dentro del lago. [ 7 ]

Los procesos físicos que afectan la interfaz sedimento-agua incluyen, entre otros:

Procesos biológicos

Las interacciones entre los sedimentos y los organismos que viven en ellos también pueden alterar los flujos de oxígeno y otros componentes disueltos dentro y fuera de la interfaz sedimento-agua. Animales como gusanos, moluscos y equinodermos pueden mejorar la resuspensión y la mezcla mediante el movimiento y la construcción de madrigueras. [ 8 ] Los microorganismos como las algas bentónicas pueden estabilizar los sedimentos y mantener la interfaz sedimento-agua en una condición más estable mediante la formación de tapetes . El efecto estabilizador de estos tapetes de microalgas se debe en parte a la pegajosidad de las sustancias exopoliméricas (EPS) o "pegamento" bioquímico que secretan. [ 9 ]

Los procesos biológicos que afectan la interfaz sedimento-agua incluyen, entre otros:

procesos químicos

Existen diversos procesos químicos que ocurren tanto abióticamente (reacciones químicas) como bióticamente (reacciones mediadas por microorganismos o enzimas). [ 10 ] Por ejemplo, las reacciones de oxidación-reducción ( redox ) pueden ocurrir simplemente mediante la reacción de elementos o por bacterias oxidantes/reductoras. Las transformaciones y el intercambio de elementos entre sedimentos y agua se producen a través de procesos químicos abióticos y procesos químicos microbiológicos. [ 2 ]

Abiótico

Las reacciones químicas pueden ocurrir en la interfaz sedimento-agua, abióticamente. Ejemplos de esto serían la oxigenación de los sedimentos lacustres en función del contenido de hierro libre en el sedimento (es decir, la formación de pirita en los sedimentos), así como la disponibilidad de azufre a través del ciclo del azufre. [ 11 ] La sedimentación es a menudo el proceso de eliminación final que saca los oligoelementos y elementos de la columna de agua. [ 2 ] Los sedimentos en esta interfaz son más porosos y pueden contener un mayor volumen de agua intersticial en los sitios intersticiales debido al alto contenido de materia orgánica y la falta de sedimentación. Por lo tanto, los compuestos químicos en el agua pueden experimentar dos procesos principales aquí: 1) difusión y 2) mezcla biológica. [ 2 ] La difusión química hacia dentro y hacia fuera de los sitios intersticiales ocurre principalmente a través del movimiento molecular aleatorio. [ 12 ] Si bien la difusión es el modo principal a través del cual los químicos interactúan con los sedimentos, hay una serie de procesos de mezcla física que facilitan este proceso (ver la sección Procesos físicos). Los flujos químicos dependen de varios gradientes como el pH y el potencial químico. [ 13 ] Según los parámetros de partición de un compuesto químico específico, este puede permanecer suspendido en la columna de agua, distribuirse en la biota, distribuirse en los sólidos en suspensión o distribuirse en el sedimento. [ 14 ] Además, la primera ley de difusión de Fick establece que la velocidad de difusión es una función de la distancia; a medida que pasa el tiempo, el perfil de concentración se vuelve lineal. [ 14 ] La disponibilidad de diversos contaminantes lacustres está determinada por las reacciones que tienen lugar dentro del sistema de agua dulce.

Las reacciones químicas que tienen lugar en la interfaz sedimento-agua se enumeran a continuación:

  • Consumo de oxígeno: O₂ -- > H₂O
  • Desnitrificación - NO 3 --> N 2
  • Reducción del manganeso: Mn IV --> Mn II
  • Reducción del hierro: Fe III --> Fe II
  • Reducción de sulfato - SO 4 --> HS
  • Formación de metano: CH₂O -- > CO₂ , CH₄

Mediado biológicamente

Lagos

Al pasar de las aguas superficiales a la interfaz sedimento-agua, se produce un aumento de 3 a 5 órdenes de magnitud en el número de bacterias. [ 15 ] Si bien las bacterias están presentes en la interfaz en toda la cuenca del lago, su distribución y función varían con el sustrato, la vegetación y la luz solar. Por ejemplo, la población bacteriana en la interfaz sedimento-agua en una zona litoral vegetada tiende a ser mayor que la población de la zona profunda más profunda , [ 16 ] debido al mayor contenido de materia orgánica en la primera. Y, un artefacto funcional de la vegetación densa en la interfaz podría ser un mayor número de Azotobacter , un género de bacterias que puede fijar N 2 al amonio iónico (NH 4 + ).

Aunque la morfometría de la cuenca influye en la distribución de las bacterias dentro del lago, las poblaciones y funciones bacterianas dependen principalmente de la disponibilidad de oxidantes/aceptores de electrones específicos ( p. ej. , O₂ , NO₃⁻ , SO₄⁻ , CO₂ ) . Estos componentes, difundidos desde el agua superficial o el sedimento subyacente , pueden ser utilizados o formados durante el metabolismo bacteriano por diferentes organismos, o bien ser liberados de nuevo a la columna de agua. Los pronunciados gradientes redox presentes en la interfaz sedimento-agua permiten la supervivencia de diversos organismos aerobios y anaerobios, así como la ocurrencia de diversas transformaciones redox. A continuación, se presentan algunas de las reacciones redox mediadas por microorganismos que pueden tener lugar en la interfaz sedimento-agua.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Santschi, Peter ; Höhener, Patrick; Benoit, Gaboury; Brink, Marilyn Buchholtz-ten (1990). "Procesos químicos en la interfaz sedimento-agua". Química Marina . 30 : 269–315 . Bibcode : 1990MarCh..30..269S . doi : 10.1016/0304-4203(90)90076-o .
  2. 1 2 3 4 Santschi, Peter; Höhener, Patrick; Benoit, Gaboury; Buchholtz-ten Brink, Marilyn (1990-01-01). "Procesos químicos en la interfaz sedimento-agua" . Química Marina . 30 : 269–315 . Bibcode : 1990MarCh..30..269S . doi : 10.1016/0304-4203(90)90076-O . ISSN 0304-4203 . 
  3. ↑ Sarmiento, Jorge Louis (2006). Dinámica biogeoquímica oceánica . Gruber, Nicolas, 1968-. Princeton: Princeton University Press. ISBN 9780691017075OCLC 60651167​​ 
  4. ↑ Gundersen, Jens K.; Jorgensen, Bo Barker (junio de 1990). "Microestructura de las capas límite difusivas y la captación de oxígeno del fondo marino". Nature . 345 (6276): 604– 607. Bibcode : 1990Natur.345..604G . doi : 10.1038/345604a0 . ISSN 1476-4687 . S2CID 4324203 .  
  5. ↑ Phillips, Matthew C.; Solo-Gabriele, Helena M.; Reniers, Adrianus JHM; Wang, John D.; Kiger, Russell T.; Abdel-Mottaleb, Noha (2011). "Transporte de enterococos en el agua intersticial fuera de los sedimentos de playa" . Marine Pollution Bulletin . 62 (11): 2293– 2298. Bibcode : 2011MarPB..62.2293P . doi : 10.1016/j.marpolbul.2011.08.049 . ISSN 0025-326X . PMC 3202074. PMID 21945015 .   
  6. ↑ Mehta, Ashish J.; Partheniades, Emmanuel (1982). "Resuspensión de lechos de sedimentos cohesivos depositados". Ingeniería Costera 1982. págs. 1569–1588 . doi : 10.1061/9780872623736.095 . ISBN  9780872623736.
  7. 1 2 Schlesinger, WH; Bernhardt, Emily S. (14 de enero de 2013). Biogeoquímica: Un análisis del cambio global . Academic Press. ISBN 978-0-12-385874-0.
  8. ↑ Gingras, Murray K.; Pemberton, S. George; Smith, Michael (2015). "Bioturbación: Remodelación de sedimentos para bien o para mal" (PDF) . Schlumberger . Oilfield Review. págs. 46–58 . Archivado del original (PDF) el 17 de mayo de 2017. Consultado el 10 de abril de 2018 . 
  9. ↑ Tolhurst, TJ; Gust, G.; Paterson, DM (2002). "La influencia de una sustancia polimérica extracelular (EPS) en la estabilidad cohesiva de los sedimentos". Dinámica de sedimentos finos en el medio marino . Actas de Ciencias Marinas. Vol. 5. págs. 409–425 . doi : 10.1016/s1568-2692(02)80030-4 . ISBN   9780444511362.
  10. ↑ Bada, JL (2001). "NASA/ADS" . Resúmenes de la Reunión de Otoño de la AGU . 2001. Bibcode : 2001AGUFM.U51A..11B . Recuperado el 15 de mayo de 2020 .
  11. ↑ Gardner, Wayne, Lee, G. Fred (1965). "Oxigenación de sedimentos lacustres" (PDF) . Revista internacional de contaminación del aire y del agua . 9 : 553–564 .{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  12. ↑ "Biblioteca de modelos NetLogo: Difusión sólida" . ccl.northwestern.edu . Consultado el 15 de mayo de 2020 .
  13. ↑ Thibodeaux, Louis J.; Germano, Joseph (2012), "Interfaces sedimento-agua, flujo químico en" , en Meyers, Robert A. (ed.), Enciclopedia de la ciencia y la tecnología de la sostenibilidad , Springer, pp. 9128–9145 , doi : 10.1007/978-1-4419-0851-3_645 , ISBN  978-1-4419-0851-3, consultado el 15 de mayo de 2020
  14. ^ Schwarzenbach , René P.; Gschwend, Philip M.; Imboden, Dieter M. (12 de octubre de 2016). Química Orgánica Ambiental . John Wiley e hijos. ISBN 978-1-118-76704-7.
  15. ↑ Limnología . 2001. doi : 10.1016/c2009-0-02112-6 . ISBN 9780127447605.
  16. ↑ Hoostal, Matthew J.; Bouzat, Juan L. (2008-02-01). "El papel modulador de la materia orgánica disuelta en los patrones espaciales del metabolismo microbiano en los sedimentos del lago Erie" . Ecología microbiana . 55 (2): 358– 368. Bibcode : 2008MicEc..55..358H . doi : 10.1007/s00248-007-9281-7 . ISSN 1432-184X . PMID 17607503. S2CID 25154731 .