Análisis de isótopos
El análisis de isótopos es la identificación de la firma isotópica, la abundancia de ciertos isótopos estables de elementos químicos dentro de compuestos orgánicos e inorgánicos. El análisis isotópico se puede utilizar para comprender el flujo de energía a través de una red alimentaria, para reconstruir condiciones ambientales y climáticas pasadas, para investigar dietas humanas y animales, para la autenticación de alimentos y una variedad de otros procesos físicos, geológicos, paleontológicos y químicos. Las relaciones 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 a través de la 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. Aunque la tasa de renovación del oxígeno isotópico en la hidroxiapatita no se conoce por completo, se supone que es similar a la del colágeno; aproximadamente 10 años. En consecuencia, si un individuo permanece en una región durante 10 años o más, las proporciones de oxígeno isotópico en la hidroxiapatita ósea reflejarán las proporciones de oxígeno presentes en esa región.
Los dientes no están sujetos a una remodelación continua, por lo que sus proporciones isotópicas de oxígeno permanecen constantes desde el momento de la formación. Las proporciones de oxígeno isotópico, entonces, de los dientes representan las proporciones de la región en la que nació y se crió el individuo. Cuando hay dientes deciduos, también es posible determinar la edad a la que se destetó al niño. La producción de leche materna se basa en el agua corporal de la madre, que tiene niveles más altos de 18O debido a la pérdida preferencial de 16O a través del sudor, la orina y el vapor de agua espirado..
Si bien los dientes son más resistentes a los cambios químicos y físicos a lo largo del tiempo, ambos están sujetos a la diagénesis posdeposicional. Como tal, el análisis isotópico utiliza los grupos fosfato más resistentes, en lugar del grupo hidroxilo menos abundante o los grupos carbonato diagenéticos más probables presentes.
Aplicaciones
El análisis de isótopos tiene una amplia aplicabilidad en las ciencias naturales. Estos incluyen numerosas aplicaciones en las ciencias biológicas, terrestres y ambientales.
Arqueología
Reconstruyendo 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 las dietas de personas del pasado; estos sistemas isotópicos se pueden usar con otros, como el estroncio o el oxígeno, para responder preguntas sobre movimientos de población e interacciones culturales, como el comercio.
Los isótopos de carbono se analizan en arqueología para determinar la fuente de carbono en la base de la cadena alimentaria. Examinando la proporción de isótopos 12C/13C, es posible determinar si los animales y los humanos comieron predominantemente plantas C3 o C4. Las fuentes potenciales 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. Las proporciones de isótopos de carbono también se pueden usar para distinguir entre fuentes de alimentos marinas, de agua dulce y terrestres.
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 de hueso se puede analizar para arrojar luz sobre los diferentes componentes de la dieta. El carbono en el colágeno óseo proviene predominantemente de la proteína dietética, 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.
Los isótopos de nitrógeno se pueden usar para inferir las condiciones del suelo, y el δ15N enriquecido se usa para inferir la adición de estiércol. Una complicación es que el enriquecimiento también ocurre como resultado de factores ambientales, como la desnitrificación de los humedales, la salinidad, la aridez, los microbios y la eliminación.
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 isótopos dentro de los individuos, entre individuos y a lo largo del tiempo.
Obtención de materiales arqueológicos
El análisis de isótopos ha sido especialmente útil en arqueología como medio de caracterización. La caracterización de los artefactos implica determinar la composición isotópica de los posibles materiales de origen, como cuerpos de minerales metálicos, y comparar estos datos con la composición isotópica de los artefactos analizados. Se ha obtenido una amplia gama de materiales arqueológicos, como metales, vidrio y pigmentos a base de plomo, mediante la caracterización isotópica. 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 metales y un indicador importante de los patrones comerciales. Sin embargo, la interpretación de los datos de isótopos de plomo suele ser polémica y enfrenta numerosos desafíos instrumentales y metodológicos. Problemas como la mezcla y reutilización de metales de diferentes fuentes, datos confiables limitados y la contaminación de las muestras pueden ser problemas difíciles de interpretación.
Ecología
Todos los elementos biológicamente activos existen en varias formas isotópicas diferentes, de las cuales dos o más son estables. Por ejemplo, la mayor parte del carbono está presente como 12C, con aproximadamente el 1 % en 13C. La proporción de los dos isótopos puede verse alterada por procesos biológicos y geofísicos, y los ecologistas pueden utilizar estas diferencias de varias maneras. Los principales elementos utilizados en la ecología de isótopos son el carbono, el nitrógeno, el oxígeno, el hidrógeno y el azufre, pero también incluyen el silicio, el hierro y el estroncio.
Análisis de isótopos estables en ecosistemas acuáticos
Los isótopos estables se han convertido en un método popular para comprender los ecosistemas acuáticos porque pueden ayudar a los científicos a comprender los vínculos de las fuentes y procesar la información en las redes alimentarias marinas. Estos análisis también se pueden utilizar hasta cierto punto en los sistemas terrestres. Ciertos isótopos pueden significar distintos productores primarios que forman las bases de las redes alimentarias y el posicionamiento del nivel trófico. Las composiciones de isótopos estables se expresan en términos de valores delta (δ) en permil (‰), es decir, diferencias en partes por mil con respecto a un estándar. Expresan la proporción de un isótopo que hay en una muestra. Los valores se expresan como:
- δX [Rmuestra / Restándar) – 1] × 103
donde X representa el isótopo de interés (por ejemplo, 13C) y R representa la proporción del isótopo de interés y su forma natural (por ejemplo, 13C/ 12C). Los valores delta más altos (o menos negativos) indican aumentos en el isótopo de interés de una muestra, en relación con el estándar, y los valores más bajos (o más negativos) indican disminuciones. Los materiales de referencia estándar para el carbono, el nitrógeno y el azufre son la piedra caliza Pee Dee Belamnite, el gas nitrógeno en la atmósfera y el meteorito Cañón Diablo, respectivamente. El análisis generalmente se realiza utilizando un espectrómetro de masas, detectando pequeñas diferencias entre los elementos gaseosos. El análisis de una muestra puede costar entre $30 y $100. Los isótopos estables ayudan a los científicos a analizar las dietas de los animales y las redes alimentarias mediante el examen de los tejidos animales que tienen un enriquecimiento o agotamiento de isótopos fijos en comparación con la dieta. Las fracciones de músculo o proteína 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 usar el análisis de isótopos estables en lugar de las observaciones del contenido del estómago es que, independientemente del estado del estómago del animal (vacío o no), los marcadores de isótopos en los tejidos nos darán una idea de su estado trófico. posición y fuente de alimentación. Los tres isótopos principales utilizados en el análisis de la red alimentaria de los ecosistemas acuáticos son 13C, 15N y 34S. Si bien los tres indican información sobre la dinámica trófica, es común realizar análisis en al menos dos de los 3 isótopos mencionados anteriormente para una mejor comprensión de las interacciones tróficas marinas y para obtener resultados más sólidos.
Hidrógeno-2
La proporción 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 están correlacionados 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 proporciones de isótopos de los tejidos de las plantas que crecen dentro de un área pequeña en Texas encontró que los tejidos de las plantas CAM estaban enriquecidos en deuterio en relación con las plantas C4. Las proporciones de isótopos de hidrógeno en el tejido animal reflejan la dieta, incluida el agua potable, y se han utilizado para estudiar la migración de aves y las redes alimentarias acuáticas.
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 13C a través de los niveles tróficos se mantiene relativamente igual, excepto por un pequeño aumento (un enriquecimiento < 1 ‰). Las grandes diferencias de δ13C entre animales indican que tienen diferentes fuentes de alimentos o que sus cadenas alimenticias se basan en diferentes productores primarios (es decir, diferentes especies de fitoplancton, pastos de pantano). Porque δ13 C indica la fuente original de los productores primarios, los isótopos también pueden ayudarnos a determinar los cambios en las dietas, tanto a corto como a largo plazo o permanentes. Estos cambios pueden incluso correlacionarse con cambios estacionales, lo que refleja la abundancia de fitoplancton. Los científicos han descubierto que puede haber amplios rangos de valores de δ13C en las poblaciones de fitoplancton en una región geográfica. Si bien no es muy seguro por qué esto puede ser, hay varias hipótesis para esta ocurrencia. Estos incluyen isótopos dentro de reservas de carbono inorgánico disuelto (DIC) que pueden variar con la temperatura y la ubicación y que las tasas de crecimiento del fitoplancton pueden afectar su absorción de los isótopos. El δ13C se ha utilizado para determinar la migración de animales jóvenes desde áreas costeras protegidas a lugares en alta mar mediante el examen de los cambios en sus dietas. Un estudio de Fry (1983) estudió las composiciones isotópicas en camarones juveniles de las llanuras de hierba 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 δ 34S. A medida que los camarones maduraron y migraron mar adentro, los valores isotópicos cambiaron a los que se asemejan a los organismos marinos (δ13C= -15‰ y δ15N = 11,5‰ y δ34S = 16‰).
Azufre-34
Si bien no hay un enriquecimiento de 34S entre los niveles tróficos, el isótopo estable puede ser útil para distinguir los productores bentónicos de los pelágicos y los productores de pantanos y fitoplancton. Similar al 13C, también puede ayudar a distinguir entre diferentes fitoplancton como productores primarios clave en las redes alimentarias. Las diferencias entre los sulfatos y los sulfuros del agua de mar (c. 21 ‰ frente a -10 ‰) ayudan a los científicos en las discriminaciones. El azufre tiende a ser más abundante en áreas menos aeróbicas, como los sistemas bentónicos y las plantas de los pantanos, que en los sistemas pelágicos y más aeróbicos. Así, en los sistemas bentónicos existen valores más pequeños de δ34S.
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 mayor componente de enriquecimiento con δ15N porque su retención es mayor que la de 14N. Esto se puede ver analizando los desechos de organismos. La orina de ganado ha demostrado que hay un agotamiento de 15N en relación con la dieta. A medida que los organismos se comen entre sí, los isótopos 15N se transfieren a los depredadores. Por lo tanto, los organismos más altos en la pirámide trófica han acumulado niveles más altos de 15N (y valores más altos de δ15N) en relación con sus presas y otros antes que ellos en la red alimentaria. Numerosos estudios sobre ecosistemas marinos han demostrado que, de media, existe un enriquecimiento de 3,2‰ de 15N frente a la dieta entre especies de diferentes niveles tróficos en los ecosistemas. En el mar Báltico, Hansson et al. (1997) encontraron que al analizar una variedad de criaturas (como materia orgánica particulada (fitoplancton), zooplancton, mysids, espadín, eperlano y arenque) había un fraccionamiento aparente de 2.4 ‰ entre los consumidores y sus presas aparentes.
Además de posicionamiento trófico de organismos, δ15Los valores N se han utilizado comúnmente para distinguir entre las fuentes de nutrientes derivadas de la tierra y las fuentes naturales. A medida que el agua viaja desde tanques sépticos hasta acuíferos, el agua rica de nitrógeno se entrega en zonas costeras. El nitrato de agua residual tiene mayores concentraciones de 15N que el nitrato que se encuentra en suelos naturales en zonas cercanas a la costa. Para las bacterias, es más conveniente para ellos subir 14N en contra de 15N porque es un elemento más ligero y más fácil de metabolizar. Así, debido a la preferencia de las bacterias al realizar procesos biogeoquímicos como denitrificación y volatilización de amoníaco, 14N se retira del agua a un ritmo más rápido que el 15N, resultando en más 15N entrando en el acuífero. 15N es aproximadamente 10-20 μ en lugar de lo natural 15Valores N del 2-8. El nitrógeno inorgánico que se emite a partir de tanques sépticos y otras aguas residuales humanas generalmente está en forma de NH4+{displaystyle {ce {fnH4+}}. Una vez que el nitrógeno entra en los estuarios a través de las aguas subterráneas, se piensa que porque hay más 15N entrando, que también habrá más 15N en la piscina inorgánica de nitrógeno entregado y que es recogido más por los productores que ocupan N. Aunque 14N es más fácil de asumir, porque hay mucho más 15N, todavía habrá cantidades superiores asimiladas de lo normal. Estos niveles de δ15N se puede examinar en criaturas que viven en la zona y no son migratorias (como macrófitas, almejas e incluso algunos peces). Este método de identificación de altos niveles de entrada de nitrógeno se está convirtiendo en un método cada vez más popular en el intento de monitorear la entrada de nutrientes en estuarios y ecosistemas costeros. Los administradores ambientales se han preocupado cada vez más por la medición de los insumos de nutrientes antropógenos en los estuarios porque el exceso de nutrientes puede llevar a la eutrofización y a eventos hipotéticos, eliminando los organismos de un área enteramente.
Oxígeno-18
Se utilizó el análisis de la proporción de 18O a 16O en las conchas de la almeja del delta del Colorado para evaluar la extensión histórica del estuario en el delta del río Colorado antes de la construcción de presas aguas arriba.
Ciencia forense
Un avance reciente en la ciencia forense es el análisis isotópico de mechones de cabello. El cabello tiene una tasa de crecimiento reconocible de 9-11 mm por mes o 15 cm por año. El crecimiento del cabello humano es principalmente una función de la dieta, especialmente de la ingesta de agua potable. Las proporciones isotópicas estables del agua potable son una función de la ubicación y la geología a través de la cual se filtra el agua. 87Sr, 88Sr y las variaciones de isótopos de oxígeno son diferentes en todo el mundo. Estas diferencias en la proporción isotópica se 'establecen' biológicamente. en nuestro cabello a medida que crece y, por lo tanto, se ha vuelto posible identificar historias geográficas recientes mediante el análisis de hebras de cabello. Por ejemplo, podría ser posible identificar si un sospechoso de terrorismo ha estado recientemente en un lugar en particular a partir del análisis del cabello. Este análisis de cabello es un método no invasivo que se está volviendo muy popular en los casos en que el ADN u otros medios tradicionales no brindan 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 gran potencia contienen átomos de carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno, por lo que la comparación de sus abundancias relativas de isótopos puede revelar la existencia de un origen común. Los investigadores también han demostrado que el análisis de las proporciones de 12C/13C puede ubicar el país de origen de un explosivo determinado.
El análisis de isótopos estables también se ha utilizado en la identificación de rutas de tráfico de drogas. Las abundancias isotópicas son diferentes en la morfina cultivada a partir de amapolas en el sudeste de Asia frente a las amapolas cultivadas en el suroeste de Asia. Lo mismo se aplica a la cocaína que se deriva de Bolivia ya la de Colombia.
Trazabilidad
El análisis de isótopos estables también se ha utilizado para rastrear el origen geográfico de los alimentos, la madera y para rastrear las fuentes y el destino de los nitratos en el medio ambiente.
Geología
Hidrología
En hidrología isotópica, los isótopos estables de agua (2H y 18O) se utilizan para estimar la fuente, la edad y las rutas de flujo del agua que fluye a través de los ecosistemas. Los principales efectos que cambian la composición de isótopos estables del agua son la evaporación y la condensación. La variabilidad en los isótopos del agua se utiliza para estudiar las fuentes de agua de los arroyos y ríos, las tasas de evaporación, la recarga de aguas subterráneas y otros procesos hidrológicos.
Paleoclimatología
La proporción de 18O a 16O en el hielo y en los núcleos de aguas profundas depende de la temperatura y se puede utilizar como medida indirecta para reconstruir el cambio climático. Durante los períodos más fríos de la historia de la Tierra (glaciales), como durante las glaciaciones, el 16O se evapora preferentemente de los océanos más fríos, dejando el 18O atrás. Los organismos como los foraminíferos que combinan el oxígeno disuelto en el agua circundante con el carbono y el calcio para construir sus caparazones incorporan la relación 18O a 16O dependiente de la temperatura. Cuando estos organismos mueren, se asientan en el fondo del mar, conservando un largo e invaluable registro del cambio climático global durante gran parte del Cuaternario. Del mismo modo, los núcleos de hielo en tierra se enriquecen con 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 más pesado. sup>18Isótopo O. El registro de isótopos de oxígeno conservado en los núcleos de hielo es, por lo tanto, un "espejo" del registro contenido en los sedimentos oceánicos.
Los isótopos de oxígeno conservan un registro de los efectos de los ciclos de Milankovitch sobre el cambio climático durante el Cuaternario, lo que revela una ciclicidad de aproximadamente 100 000 años en el clima de la Tierra.