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Análisis de isótopos

Espectrómetro de masas de sector magnético utilizado en el análisis de la relación isotópica, mediante ionización térmica. El análisis isotópico consiste en la identificación de...

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Espectrómetro de masas de sector magnético utilizado en el análisis de la relación isotópica, mediante ionización térmica.

El análisis isotópico consiste en la identificación de la firma isotópica , es decir, la abundancia de ciertos isótopos estables de elementos químicos en compuestos orgánicos e inorgánicos . Este análisis puede utilizarse para comprender el flujo de energía a través de una red trófica , reconstruir condiciones ambientales y climáticas pasadas, investigar dietas humanas y animales, autenticar alimentos y estudiar diversos procesos físicos, geológicos, paleontológicos y químicos. Las proporciones de isótopos estables se miden mediante espectrometría de masas , que separa los diferentes isótopos de un elemento en función de su relación masa-carga .

Tejidos afectados

El oxígeno isotópico se incorpora al cuerpo principalmente por ingestión , momento en el que se utiliza en la formación de huesos y dientes , con fines arqueológicos . El oxígeno se incorpora a la apatita hidroxicarbónica del hueso y del esmalte dental .

El hueso se remodela continuamente a lo largo de la vida de un individuo. Si bien no se conoce con exactitud la tasa de recambio del oxígeno isotópico en la hidroxiapatita , se supone que es similar a la del colágeno : aproximadamente 10 años. Por consiguiente, si un individuo permanece en una región durante 10 años o más, las proporciones de oxígeno isotópico en la hidroxiapatita ósea reflejarían las proporciones de oxígeno isotópico presentes en esa región.

Los dientes no se remodelan continuamente, por lo que sus proporciones isotópicas de oxígeno permanecen constantes desde su formación. Por lo tanto, estas proporciones representan las de la región donde el individuo nació y se crió. En presencia de dientes de leche , también es posible determinar la edad de destete del niño . La producción de leche materna utiliza el agua corporal de la madre, que presenta niveles más altos de 18O debido a la pérdida preferencial de 16O a través del sudor, la orina y el vapor de agua exhalado.

Si bien los dientes son más resistentes a los cambios químicos y físicos con el tiempo, ambos procesos están sujetos a diagénesis postdeposicional . Por ello, el análisis isotópico utiliza los grupos fosfato , que son más resistentes , en lugar del grupo hidroxilo, menos abundante , o los grupos carbonato , que tienen mayor probabilidad de ser diagenéticos .

Aplicaciones

El análisis de isótopos tiene una amplia aplicabilidad en las ciencias naturales . Esto incluye numerosas aplicaciones en las ciencias biológicas , de la tierra y ambientales .

Arqueología

Reconstrucción de dietas antiguas

Los materiales arqueológicos , como huesos, residuos orgánicos, cabello o conchas marinas, pueden servir como sustratos para el análisis isotópico. Las proporciones de isótopos de carbono , nitrógeno y zinc se utilizan para investigar la dieta de las poblaciones del pasado; estos sistemas isotópicos pueden combinarse con otros, como el estroncio o el oxígeno, para responder preguntas sobre los movimientos de población y las interacciones culturales, como el comercio. [ 1 ]

Los isótopos de carbono se analizan en arqueología para determinar la fuente de carbono en la base de la cadena alimentaria. Al examinar la relación isotópica 12 C / 13 C , es posible determinar si los animales y los humanos consumían predominantemente plantas C3 o C4 . [ 2 ] Las posibles fuentes de alimentos C3 incluyen trigo , arroz , tubérculos , frutas , nueces y muchas verduras , mientras que las fuentes de alimentos C4 incluyen mijo y caña de azúcar. [ 3 ] Las relaciones isotópicas de carbono también se pueden utilizar para distinguir entre fuentes de alimentos marinas, de agua dulce y terrestres. [ 4 ] [ 5 ]

Las proporciones de isótopos de carbono se pueden medir en el colágeno óseo o en el mineral óseo ( hidroxiapatita ), y cada una de estas fracciones del hueso se puede analizar para dilucidar diferentes componentes de la dieta. El carbono en el colágeno óseo proviene principalmente de las proteínas de la dieta, mientras que el carbono que se encuentra en el mineral óseo proviene de todo el carbono dietético consumido, incluidos los carbohidratos, los lípidos y las proteínas. [ 6 ]

Los isótopos de nitrógeno pueden utilizarse para inferir las condiciones del suelo, y el enriquecimiento de δ15N se utiliza para inferir la adición de estiércol . Una complicación es que el enriquecimiento también se produce como resultado de factores ambientales, como la desnitrificación de humedales , la salinidad , la aridez , los microbios y la limpieza . [ 7 ] Las mediciones de δ13C y δ15N en suelos de mansiones medievales han demostrado que los isótopos estables pueden diferenciar entre el cultivo de cosechas y las actividades de pastoreo, revelando tipos de uso de la tierra como la producción de cereales y la presencia de prácticas de fertilización en sitios históricos. [ 8 ]

Para obtener una imagen precisa de las paleodietas, es importante comprender los procesos de diagénesis que pueden afectar la señal isotópica original. También es importante que el investigador conozca las variaciones de los isótopos dentro de los individuos, entre individuos y a lo largo del tiempo. [ 1 ]

Obtención de materiales arqueológicos

El análisis isotópico ha sido particularmente útil en arqueología como medio de caracterización. La caracterización de artefactos implica determinar la composición isotópica de posibles materiales de origen, como yacimientos de mena metálica, y comparar estos datos con la composición isotópica de los artefactos analizados. Se ha determinado el origen de una amplia gama de materiales arqueológicos, como metales, vidrio y pigmentos a base de plomo, mediante la caracterización isotópica. [ 9 ] Particularmente en el Mediterráneo de la Edad del Bronce, el análisis de isótopos de plomo ha sido una herramienta útil para determinar las fuentes de los metales y un indicador importante de los patrones comerciales. Sin embargo, la interpretación de los datos de isótopos de plomo suele ser controvertida y presenta numerosos desafíos instrumentales y metodológicos. [ 10 ] Problemas como la mezcla y reutilización de metales de diferentes fuentes, la limitación de datos fiables y la contaminación de las muestras pueden dificultar la interpretación.

Ecología

Todos los elementos biológicamente activos existen en diversas formas isotópicas, de las cuales dos o más son estables. Por ejemplo, la mayor parte del carbono se presenta como 12C , y aproximadamente el 1% como 13C . La proporción de estos dos isótopos puede verse alterada por procesos biológicos y geofísicos, y los ecólogos pueden aprovechar estas diferencias de diversas maneras. Los principales elementos utilizados en la ecología isotópica son el carbono, el nitrógeno, el oxígeno, el hidrógeno y el azufre, pero también incluyen el silicio, el hierro y el estroncio. [ 11 ]

Análisis de isótopos estables en ecosistemas acuáticos

Los isótopos estables se han convertido en un método popular para comprender los ecosistemas acuáticos, ya que ayudan a los científicos a entender las conexiones entre fuentes y a procesar información en las redes tróficas marinas. Estos análisis también pueden utilizarse, hasta cierto punto, en sistemas terrestres. Ciertos isótopos pueden indicar la presencia de productores primarios específicos que forman la base de las redes tróficas y determinan el nivel trófico . La composición de isótopos estables se expresa en valores delta (δ) en partes por mil (‰), es decir, partes por mil de diferencia con respecto a un estándar . Estos valores expresan la proporción de un isótopo presente en una muestra. Los valores se expresan como:

δX = [( R muestra / R estándar ) – 1] × 10 3

donde X representa el isótopo de interés (p. ej., 13 C ) y R representa la relación del isótopo de interés y su forma natural (p. ej., 13 C/ 12 C). [ 12 ] Valores delta más altos (o menos negativos) indican aumentos en el isótopo de interés de una muestra, en relación con el estándar , y valores más bajos (o más negativos) indican disminuciones. Los materiales de referencia estándar para carbono, nitrógeno y azufre son la piedra caliza Pee Dee Belemnite , el gas nitrógeno en la atmósfera y el meteorito Cañon Diablo, respectivamente. El análisis generalmente se realiza utilizando un espectrómetro de masas, que detecta pequeñas diferencias entre elementos gaseosos. El análisis de una muestra puede costar entre $30 y $100. [ 12 ] Los isótopos estables ayudan a los científicos a analizar las dietas animales y las redes tróficas al examinar los tejidos animales que presentan un enriquecimiento o empobrecimiento isotópico fijo en comparación con la dieta. Las fracciones musculares o proteicas se han convertido en el tejido animal más común utilizado para examinar los isótopos porque representan los nutrientes asimilados en su dieta. La principal ventaja de utilizar el análisis de isótopos estables en comparación con las observaciones del contenido estomacal es que, independientemente del estado del estómago del animal (vacío o no), los trazadores isotópicos en los tejidos nos darán una comprensión de su posición trófica y fuente de alimento. [ 13 ] Los tres isótopos principales utilizados en el análisis de la red trófica de los ecosistemas acuáticos son 13 C, 15 N y 34 S. Si bien los tres indican información sobre la dinámica trófica , es común realizar análisis en al menos dos de los tres isótopos mencionados anteriormente para una mejor comprensión de las interacciones tróficas marinas y para obtener resultados más sólidos.

Hidrógeno-2

La relación de 2H , también conocido como deuterio , a 1H se ha estudiado tanto en tejido vegetal como animal. Los isótopos de hidrógeno en el tejido vegetal se correlacionan con los valores locales de agua, pero varían según el fraccionamiento durante la fotosíntesis , la transpiración y otros procesos en la formación de celulosa. Un estudio sobre las relaciones isotópicas de tejidos de plantas que crecen en una pequeña área de Texas encontró que los tejidos de plantas CAM estaban enriquecidos en deuterio en relación con las plantas C4 . [ 14 ] Las relaciones isotópicas de hidrógeno en el tejido animal reflejan la dieta, incluido el agua potable, y se han utilizado para estudiar la migración de aves [ 15 ] y las redes tróficas acuáticas. [ 16 ] [ 17 ]

Carbono-13

Los isótopos de carbono nos ayudan a determinar la fuente de producción primaria responsable del flujo de energía en un ecosistema. La transferencia de 13 C a través de los niveles tróficos permanece relativamente igual, excepto por un pequeño aumento (un enriquecimiento < 1 ‰). Grandes diferencias de δ 13 C entre animales indican que tienen diferentes fuentes de alimento o que sus redes tróficas se basan en diferentes productores primarios (es decir, diferentes especies de fitoplancton, pastos de marisma). Dado que δ 13 C indica la fuente original de los productores primarios, los isótopos también pueden ayudarnos a determinar cambios en las dietas, tanto a corto plazo, a largo plazo o permanentes. Estos cambios pueden incluso correlacionarse con cambios estacionales, reflejando la abundancia de fitoplancton. [ 13 ] Los científicos han encontrado que puede haber amplios rangos de valores de δ 13 C en poblaciones de fitoplancton en una región geográfica. Si bien no está del todo seguro de por qué puede ser esto, hay varias hipótesis para este fenómeno. Estos incluyen isótopos dentro de los reservorios de carbono inorgánico disuelto (CID) que pueden variar con la temperatura y la ubicación, y que las tasas de crecimiento del fitoplancton pueden afectar su absorción de isótopos. El δ¹³C se ha utilizado para determinar la migración de animales juveniles desde áreas costeras protegidas hacia ubicaciones mar adentro examinando los cambios en sus dietas. Un estudio de Fry (1983) estudió las composiciones isotópicas en camarones juveniles de llanuras de pastos del sur de Texas. Fry encontró que al comienzo del estudio los camarones tenían valores isotópicos de δ¹³C = -11 a -14‰ y 6-8‰ para δ¹⁵N y δ³⁴S . A medida que los camarones maduraron y migraron mar adentro, los valores isotópicos cambiaron a aquellos que se asemejan a los organismos mar adentro (δ¹³C = -15‰ y δ¹⁵N = 11,5‰ y δ³⁴S = 16‰). [ 18 ]

Azufre-34

Aunque no existe un enriquecimiento de 34S entre los niveles tróficos, este isótopo estable puede ser útil para distinguir entre productores bentónicos y pelágicos , y entre productores de marismas y fitoplancton . [ 13 ] De forma similar al 13C , también puede ayudar a distinguir entre diferentes fitoplancton, que son los principales productores primarios en las redes tróficas. Las diferencias entre los sulfatos y sulfuros del agua de mar (aprox. 21‰ frente a -10‰) ayudan a los científicos en estas distinciones. El azufre tiende a ser más abundante en áreas menos aeróbicas, como los sistemas bentónicos y las plantas de marisma, que en los sistemas pelágicos y más aeróbicos. Por lo tanto, en los sistemas bentónicos, los valores de δ34S son menores . [ 13 ]

Nitrógeno-15

Los isótopos de nitrógeno indican la posición del nivel trófico de los organismos (que refleja el momento en que se tomaron las muestras de tejido). Hay un componente de enriquecimiento mayor con δ 15 N porque su retención es mayor que la de 14 N. Esto se puede observar analizando los desechos de los organismos. [ 13 ] La orina de ganado ha demostrado que hay un agotamiento de 15 N en relación con la dieta. [ 19 ] A medida que los organismos se comen entre sí, los isótopos de 15 N se transfieren a los depredadores. Por lo tanto, los organismos más altos en la pirámide trófica han acumulado niveles más altos de 15 N (y valores de δ 15 N más altos) en relación con sus presas y otros que los precedieron en la red alimentaria. Numerosos estudios sobre ecosistemas marinos han demostrado que, en promedio, hay un enriquecimiento de 3,2‰ de 15 N en comparación con la dieta entre especies de diferentes niveles tróficos en los ecosistemas. [ 13 ] En el mar Báltico, Hansson et al. (1997) encontraron que al analizar una variedad de criaturas (como materia orgánica particulada (fitoplancton), zooplancton , misidáceos , espadín, eperlano y arenque), había un fraccionamiento aparente de 2,4‰ entre los consumidores y sus presas aparentes. [ 20 ]

Además del posicionamiento trófico de los organismos, los valores de δ 15 N se han vuelto comúnmente utilizados para distinguir entre fuentes de nutrientes derivadas de la tierra y fuentes naturales. A medida que el agua viaja desde tanques sépticos a acuíferos, el agua rica en nitrógeno llega a las áreas costeras. El nitrato de aguas residuales tiene concentraciones más altas de 15 N que el nitrato que se encuentra en suelos naturales en zonas cercanas a la costa. [ 21 ] Para las bacterias, es más conveniente absorber 14 N en lugar de 15 N porque es un elemento más ligero y más fácil de metabolizar. Por lo tanto, debido a la preferencia de las bacterias al realizar procesos biogeoquímicos como la desnitrificación y la volatilización del amoníaco, el 14 N se elimina del agua a una velocidad más rápida que el 15 N, lo que resulta en que más 15 N ingrese al acuífero. 15 N es aproximadamente 10-20‰ en comparación con los valores naturales de 15 N de 2-8‰. [ 21 ] El nitrógeno inorgánico que se emite desde las fosas sépticas y otras aguas residuales de origen humano suele estar en forma deNUEVA HAMPSHIRE4+{\displaystyle {\ce {NH4+}}}Una vez que el nitrógeno ingresa a los estuarios a través del agua subterránea, se cree que debido a que ingresa más 15 N, también habrá más 15 N en el reservorio de nitrógeno inorgánico suministrado y que es absorbido en mayor cantidad por los productores que absorben N. Aunque el 14 N es más fácil de absorber, debido a que hay mucho más 15 N, aún habrá cantidades asimiladas más altas de lo normal. Estos niveles de δ 15 N pueden examinarse en criaturas que viven en el área y no son migratorias (como macrófitas , almejas e incluso algunos peces). [ 20 ] [ 22 ] [ 23 ] Este método para identificar altos niveles de entrada de nitrógeno se está convirtiendo en un método cada vez más popular para tratar de monitorear la entrada de nutrientes en estuarios y ecosistemas costeros. Los administradores ambientales están cada vez más preocupados por medir las entradas antropogénicas de nutrientes en los estuarios porque el exceso de nutrientes puede conducir a la eutrofización y eventos hipóxicos , eliminando organismos de un área por completo. [ 24 ]

Oxígeno-18

El análisis de la proporción de 18O a 16O en las conchas de la almeja del delta del Colorado se utilizó para evaluar la extensión histórica del estuario en el delta del río Colorado antes de la construcción de represas aguas arriba. [ 25 ]

ciencia forense

Un avance reciente en la ciencia forense es el análisis isotópico de hebras de cabello. El cabello tiene una tasa de crecimiento reconocible de 9-11 mm [ 26 ] por mes o 15  cm por año. [ 27 ] El crecimiento del cabello humano depende principalmente de la dieta, especialmente de la ingesta de agua potable. Las proporciones isotópicas estables del agua potable dependen de la ubicación y de la geología a través de la cual se filtra el agua. Las variaciones de los isótopos 87Sr , 88Sr y oxígeno son diferentes en todo el mundo. Estas diferencias en la proporción isotópica se fijan biológicamente en nuestro cabello a medida que crece, lo que ha hecho posible identificar historiales geográficos recientes mediante el análisis de hebras de cabello. Por ejemplo, podría ser posible determinar si un sospechoso de terrorismo ha estado recientemente en un lugar determinado a partir del análisis de cabello. Este análisis de cabello es un método no invasivo que se está volviendo muy popular en casos en los que el ADN u otros medios tradicionales no proporcionan respuestas.

Los investigadores forenses pueden utilizar el análisis de isótopos para determinar si dos o más muestras de explosivos tienen un origen común. La mayoría de los explosivos de alta potencia contienen átomos de carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno, por lo que comparar la abundancia relativa de sus isótopos puede revelar la existencia de un origen común. Los investigadores también han demostrado que el análisis de las proporciones de 12C / 13C permite localizar el país de origen de un explosivo determinado.

El análisis de isótopos estables también se ha utilizado para identificar rutas de narcotráfico. Las abundancias isotópicas difieren entre la morfina cultivada a partir de amapolas del sudeste asiático y la cultivada en el suroeste asiático. Lo mismo ocurre con la cocaína procedente de Bolivia y la procedente de Colombia. [ 28 ]

Medicina forense de la fauna silvestre

El análisis de isótopos estables de carbono-14 en colmillos de elefante ha sido identificado por investigadores de la Universidad de Utah, entre ellos Thure E. Cerling , como un método para ayudar a identificar la actividad de caza furtiva de elefantes, basándose en la fecha de muerte del animal. [ 29 ] [ 30 ]

Trazabilidad

El análisis de isótopos estables también se ha utilizado para rastrear el origen geográfico de los alimentos, [ 31 ] la madera, [ 32 ] y para rastrear las fuentes y el destino de los nitratos en el medio ambiente. [ 33 ] [ 34 ]

Geología

Hidrología

En hidrología isotópica , los isótopos estables del agua ( 2H y 18O ) se utilizan para estimar la fuente, la edad y las rutas de flujo del agua que circula por los ecosistemas. Los principales efectos que modifican la composición isotópica estable del agua son la evaporación y la condensación . [ 35 ] La variabilidad de los isótopos del agua se utiliza para estudiar las fuentes de agua de arroyos y ríos, las tasas de evaporación, la recarga de aguas subterráneas y otros procesos hidrológicos. [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]

Paleoclimatología

La proporción de 18O a 16O en el hielo y los núcleos de aguas profundas depende de la temperatura y puede usarse como una medida indirecta para reconstruir el cambio climático . Durante los períodos más fríos de la historia de la Tierra (glaciales), como durante las edades de hielo , el 16O se evapora preferentemente de los océanos más fríos, dejando atrás el 18O, ligeramente más pesado y de menor velocidad . Organismos como los foraminíferos , que combinan el oxígeno disuelto en el agua circundante con carbono y calcio para construir sus conchas, incorporan por lo tanto la proporción de 18O a 16O dependiente de la temperatura . Cuando estos organismos mueren, se depositan en el lecho marino, preservando un registro extenso e invaluable del cambio climático global durante gran parte del Cuaternario . [ 39 ] De manera similar, los núcleos de hielo en tierra se enriquecen en el 18O más pesado en relación con el 16O durante las fases climáticas más cálidas ( interglaciales ), ya que hay más energía disponible para la evaporación del isótopo 18O más pesado . Por lo tanto, el registro de isótopos de oxígeno conservado en los núcleos de hielo es un "espejo" del registro contenido en los sedimentos oceánicos. [ 40 ]

Los isótopos de oxígeno conservan un registro de los efectos de los ciclos de Milankovitch sobre el cambio climático durante el Cuaternario, revelando un ciclo de aproximadamente 100.000 años en el clima de la Tierra . [ 41 ]

Referencias

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