Environmental Effects on Carbon Isotope Fractionation

in Marine Environments: A Review

Virginia Cornett

Agosto 2008

Jaime M. Camalich C.

IntroducciónIntroducción

• Aunque existe evidencia de la relación que guarda рCO2 y δ13C y del fraccionamiento de C en los distintos pasos de la fotosíntesis, pocos estudios se han llevado a cabo para conocer los que factores abióticos tienen mayor influencia en la composición isotópica

• El articulo aborda la importancia del fraccionamiento isotópico del C en la fotosíntesis acuática y la utilización de esta herramienta como trazadores del origen de la materia orgánica.

• Se señala la importancia del estudio de δ13C como un biomarcador histórico de la рCO2 y su utilización para predecir condiciones futuras del ciclo del carbono.

• Aunque existe evidencia de la relación que guarda рCO2 y δ13C y del fraccionamiento de C en los distintos pasos de la fotosíntesis, pocos estudios se han llevado a cabo para conocer los que factores abióticos tienen mayor influencia en la composición isotópica

• El articulo aborda la importancia del fraccionamiento isotópico del C en la fotosíntesis acuática y la utilización de esta herramienta como trazadores del origen de la materia orgánica.

• Se señala la importancia del estudio de δ13C como un biomarcador histórico de la рCO2 y su utilización para predecir condiciones futuras del ciclo del carbono.

• En los pastos marinos el C es utilizado para la construcción de estructuras tales como las hojas, los rizomas o compuestos de reserva ricos en carbohidratos como el almidón, la celulosa y la xilosa. Aproximadamente un 40% de estas platas acuáticas esta constituida por C

• En los pastos marinos el C es utilizado para la construcción de estructuras tales como las hojas, los rizomas o compuestos de reserva ricos en carbohidratos como el almidón, la celulosa y la xilosa. Aproximadamente un 40% de estas platas acuáticas esta constituida por C

IntroducciónIntroducción

• De forma natural existen 2 isótopos de C de los cuales el mas abundante es el C12 aprox 98.9% mas que el C13 .

• Durante el proceso de fotosíntesis tanto, terrestre como acuático, existe una discriminación de los productores primarios por el isótopo más pesado. Lo cual origina que ocurra un mayor fraccionamiento en los productores primarios y que el δ13C sea menor.

• De forma natural existen 2 isótopos de C de los cuales el mas abundante es el C12 aprox 98.9% mas que el C13 .

• Durante el proceso de fotosíntesis tanto, terrestre como acuático, existe una discriminación de los productores primarios por el isótopo más pesado. Lo cual origina que ocurra un mayor fraccionamiento en los productores primarios y que el δ13C sea menor.

IntroducciónIntroducción

•En el medio terrestre las plantas captan el CO2 desde la atmósfera en donde ocurre un primer fraccionamiento al pasar el gas disuelto al citoplasma. Después un segundo fraccionamiento ocurre en el proceso de carboxilación

Fraccionamiento de C durante la fotosíntesis en medio terrestre y marinoFraccionamiento de C durante la fotosíntesis en medio terrestre y marino

Adicionalmente un fracionamiento desigual del C se lleva a cabo dependiendo el tipo de planta ya sea C3 o C4

Las plantas terrestres se dividen en dos categorias de acuerdo a la forma en la que asimilan el CO2 . El 95% de las plantas terrestres son C3 estas forman 2 compuestos de 3 carbones en sus primeras etapas.

Medio terrestre

En el medio acuático el fraccionamiento se lleva a cabo no solo en los procesos fotosintéticos de asimilación.

•Un primer fraccionamiento ocurre cuando el CO2 se disuelve en el agua (aproximadamente de – 0.5 a -1.4 ‰)• Otrofraccionamiento se lleva a cabo durante la hidratación del CO2 en HCO3

•El CO2 en el agua se encuientra comunemente asociado con el agua en forma de H2CO3 . La solubilidad del CO2 en el agua es de 10-20 veces menor que en la atmosfera.•La mayoria de las pantas acuaticas tienen han desarrollado la capacidad de utilizar el bicarbonato difectamente por difusión pasiva al utilizar la enzma anhidraza carbonica.

Medio acuático

CT = [CO2*] + [HCO3−] + [CO3

2−] where,CT is the total inorganic carbon[CO2*] is the sum of carbon dioxide and carbonic acid concentrations ( [CO2*] = [CO2] + [H2CO3])[HCO3

−] is the bicarbonate concentration[CO3

2−] is the carbonate concentration

CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3− 2H+ + CO3

2−

Estas especies químicas varían de acuerdo a forzamientos ambientales y por lo tanto los valores de δ13C

Conforme el pH incrementa la concentración de HCO3 incrementa creando un ambiente limitante de CO2. las plantas son forzadas por lo tanto a usar el bicarbonato disponible para la fotosintesis o reducir su captación de carbono. Al pH del océano actual (8.2)el bicarbonato es la epecie mas abundante en el agua de mar 90% mas que el CO2 disuelto libre

Experimentos realizados en factores que influencian el fraccionamiento

Experimentos realizados en factores que influencian el fraccionamiento

Velocidad del agua• El flujo de carbono a través de las

celulas esta regida por la ley de Fick la cual describe el transporte molecular a través de una región de frontera. Varios experimentos han demostrado que un incremento en la región de frontera promueven un enriquecimeinto isotópico en las células. Se presume que la turbuencia creada por un aumento en la velocidad reduciran la región de frontera e influíra en la relación 12C/13C

Luz• Diversos experimentos han

demostrado la influencia de la luz en el fraccionamiento isótopico, sin embargo estos pueden tener cierto grado de artificio ya que la luz esta en función de la profundidad, de la estación e incluso la captación de luz es diferente de acuerdo al estado de madurez de las plantas. En terminos generales, una mayor intensidad de luz incrementan la demana de carbono y por lo tanto disminuye la discriminación.

Experimentos realizados en factores que influencian el fraccionamiento

Experimentos realizados en factores que influencian el fraccionamiento

Temperatura• La solubilidad de los gases en

el agua es una propiedad que esta relacionada inversamente con la temperatura. De esta forma en el caso de las plantas acuáticas el fraccionamiento de C aumenta conforme la temperatura disminuye. En ambientes someros la temperatura puede aumentar por el efecto directo de laluz.

• El balance entre HCO3 y CO2 (aq)también se encuentra afectado por este factor.

Experimentos realizados en factores que influencian el fraccionamiento

Experimentos realizados en factores que influencian el fraccionamiento

pH• Los niveles de pH en el agua estan

inversamente relacionados con la temperatura. En niveles de alcalinidad máxima la concentración de CO2 se reduce considerablemente lo que origina que las plantas sumergidas utilicen mayormente HCO3- para satisfacer sus demandas de carbono. Debido a la gran variabilidad de resultados obtenidos on fitoplancton se recomienda interpretar con precaución los resultados y su interpretación.el rango de valores va de 12 a 22.1 ‰

Experimentos realizados en factores que influencian el fraccionamiento

Experimentos realizados en factores que influencian el fraccionamiento

• Interacciones en la cadena trófica pueden ser exploradas usando informacion predecible de la transferencia trófica de razones elementales y puede proveer información paleoecológica de la contribución histórica de la dieta en poblaciones históricas

• La composición isotópica ha sido utilizada para trazar los fujos de carbono entre una fuente y un destino.

• El rol del carbono inorgánico disuelto en la fotosintesis de plantas acuática y su función metabolica es un tópico que comienza a explorarse

• La distribución en los mares del δ13C afectada por la quema de combustibles fósiles y los cambios en el uso de la tierra están siendo usados para determinar las políticas de manejo en la emisión de gases a escala global

• El uso del paleobarómetro ha sido sugerido para reconstruír las concentraciones históricas de CO2 en los oceanos

El fraccionamiento como una herramienta útilEl fraccionamiento como una herramienta útil