Análisis de isótopos

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El análisis isotópico 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 autentificación de alimentos y una variedad de otros procesos físicos, geológicos, paleontológicos y químicos. Las proporciones de isótopos estables se miden utilizando espectrometría de masas , que separa los diferentes isótopos de un elemento sobre la base de su relación masa-carga .

El oxígeno isotópico se incorpora al organismo 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 de los huesos y del esmalte dental .

El hueso se va remodelando continuamente a lo largo de la vida de un individuo. Aunque 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. 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 isotópico 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 su formación. Por lo tanto, las proporciones isotópicas de oxígeno de los dientes representan las proporciones de la región en la que nació y creció el individuo. Cuando hay dientes de leche , 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 ¹⁸ O debido a la pérdida preferencial de ¹⁶ O 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 diagénesis posdeposicional . Por ello, el análisis isotópico hace uso de los grupos fosfato más resistentes , en lugar del grupo hidroxilo menos abundante o los grupos carbonato diagenéticos más presentes.

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

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 las personas del pasado; estos sistemas isotópicos se pueden utilizar 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. Examinando la proporción de isótopos ¹² C / ¹³ C , es posible determinar si los animales y los humanos comieron 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 proporciones de isótopos 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 de hueso se puede analizar para arrojar luz sobre los diferentes componentes de la dieta. El carbono del colágeno óseo proviene predominantemente de las proteínas de la dieta, mientras que el carbono que se encuentra en el mineral óseo proviene de todo el carbono de la dieta consumido, incluidos los carbohidratos, los lípidos y las proteínas. ^[6]

Los isótopos de nitrógeno se pueden utilizar para inferir las condiciones del suelo, y el δ15N enriquecido se utiliza 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 limpieza . ^[7]

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]

El análisis isotópico ha sido particularmente útil en arqueología como un medio de caracterización. La caracterización de artefactos implica determinar la composición isotópica de posibles materiales de origen, como cuerpos de mineral de metal, 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 caracterización isotópica. ^[8] Particularmente en el Mediterráneo de la Edad de Bronce, el análisis isotópico del 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 isotópicos del plomo es a menudo polémica y enfrenta numerosos desafíos instrumentales y metodológicos. ^[9] Problemas como la mezcla y reutilización de metales de diferentes fuentes, datos confiables limitados y contaminación de muestras pueden ser problemas difíciles de interpretar.

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 está presente como ¹² C, y aproximadamente el 1 % es ¹³ C. La proporción de los dos isótopos puede verse alterada por procesos biológicos y geofísicos, y los ecólogos pueden utilizar 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. ^[10]

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 origen y procesar la información en las redes alimentarias marinas. Estos análisis también se pueden utilizar hasta cierto punto en sistemas terrestres. Ciertos isótopos pueden significar productores primarios distintos 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 se encuentra 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 entre el isótopo de interés y su forma natural (p. ej., ¹³ C/ ¹² C). ^[11] 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 Cañon Diablo respectivamente. El análisis generalmente se realiza utilizando un espectrómetro de masas, que detecta pequeñas diferencias entre los elementos gaseosos. El análisis de una muestra puede costar entre $30 y $100. ^[11] Los isótopos estables ayudan a los científicos a analizar las dietas y las redes alimentarias de los animales al examinar los tejidos animales que tienen un enriquecimiento o agotamiento 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 lugar de 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. ^[12] Los tres isótopos principales utilizados en el análisis de la red alimentaria del ecosistema acuático 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.

La proporción de ² H, también conocido como deuterio , a ¹ H se ha estudiado tanto en tejidos vegetales como animales. Los isótopos de hidrógeno en el tejido vegetal están correlacionados con los valores locales del 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 tejidos de plantas que crecen dentro de un área pequeña en Texas encontró que los tejidos de plantas CAM estaban enriquecidos en deuterio en relación con las plantas C4 . ^[13] 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 las aves ^[14] y las redes alimentarias acuáticas. ^{[15] [16]}

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 alimentarias se basan en diferentes productores primarios (es decir, diferentes especies de fitoplancton, hierbas de pantano). Debido a 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, lo que refleja la abundancia de fitoplancton. ^[12] Los científicos han descubierto que puede haber amplios rangos de valores de δ ¹³ C en las poblaciones de fitoplancton en una región geográfica. Si bien no es muy seguro por qué puede suceder esto, existen varias hipótesis para esta ocurrencia. Estos incluyen isótopos dentro de los depósitos 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. δ ¹³ C se ha utilizado para determinar la migración de animales juveniles desde áreas costeras protegidas a ubicaciones 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 planicies de pasto del sur de Texas. Fry encontró que al comienzo del estudio, los camarones tenían valores isotópicos de δ ¹³ C = -11 a -14‰ y 6-8‰ para δ ¹⁵ N y δ ³⁴ S. A medida que los camarones maduraban y migraban en alta mar, los valores isotópicos cambiaban a los que se asemejaban a los organismos de alta mar (δ ¹³ C = -15‰ y δ ¹⁵ N = 11,5‰ y δ ³⁴ S = 16‰). ^[17]

Si bien no hay enriquecimiento de ³⁴ S entre niveles tróficos, el isótopo estable puede ser útil para distinguir entre productores bentónicos y pelágicos y productores de pantanos y fitoplancton . ^[12] De manera similar al ¹³ C, también puede ayudar a distinguir entre diferentes fitoplancton como productores primarios clave en las redes alimentarias. Las diferencias entre sulfatos y sulfuros de agua de mar (c. 21‰ vs -10‰) ayudan a los científicos en las discriminaciones. El azufre tiende a ser más abundante en áreas menos aeróbicas, como sistemas bentónicos y plantas de pantanos, que en los sistemas pelágicos y más aeróbicos. Por lo tanto, en los sistemas bentónicos, hay valores de δ ³⁴ S más pequeños . ^[12]

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 ver analizando los desechos de los organismos. ^[12] La orina del ganado ha demostrado que hay un agotamiento de ¹⁵ N en relación con la dieta. ^[18] 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 más altos de δ ¹⁵ N) en relación con sus presas y otros antes que ellos en la red alimentaria. Numerosos estudios sobre ecosistemas marinos han demostrado que, en promedio, hay un enriquecimiento de 3,2‰ de ¹⁵ N vs. dieta entre especies de diferentes niveles tróficos en los ecosistemas. ^[12] En el mar Báltico, Hansson et al. (1997) encontraron que al analizar una variedad de criaturas (como materia orgánica particulada (fitoplancton), zooplancton , mísidos , espadín, eperlano y arenque), había un fraccionamiento aparente de 2,4‰ entre los consumidores y sus presas aparentes. ^[19]

Además de la posición trófica de los organismos, los valores de δ ¹⁵ N se han vuelto de uso común para distinguir entre fuentes de nutrientes derivadas de la tierra y naturales. A medida que el agua viaja desde fosas sépticas a acuíferos, el agua rica en nitrógeno se entrega a las áreas costeras. El nitrato de las aguas residuales tiene concentraciones más altas de ¹⁵ N que el nitrato que se encuentra en los suelos naturales en las zonas cercanas a la costa. ^[20] Para las bacterias, es más conveniente para ellas 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 un ritmo más rápido que ^{el 15} N, lo que resulta en que ingrese más ¹⁵ N al acuífero. ¹⁵ N es aproximadamente 10-20‰ en comparación con los valores naturales de ¹⁵ N de 2-8‰. ^[20] El nitrógeno inorgánico que se emite desde fosas sépticas y otras aguas residuales derivadas del hombre generalmente está en forma de . 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 depósito de nitrógeno inorgánico entregado y que los productores lo absorben más. Aunque ^{el 14} N es más fácil de absorber, debido a que hay mucho más ¹⁵ N, todavía se asimilarán cantidades más altas de lo normal. Estos niveles de δ ¹⁵ N se pueden examinar en criaturas que viven en el área y no son migratorias (como macrófitos , almejas e incluso algunos peces). ^{[19] [21] [22]} Este método para identificar altos niveles de entrada de nitrógeno se está volviendo un método cada vez más popular para intentar monitorear la entrada de nutrientes en los estuarios y los ecosistemas costeros. Los administradores ambientales se han preocupado cada vez más por medir los aportes de nutrientes antropogénicos a los estuarios porque el exceso de nutrientes puede conducir a la eutrofización y a eventos hipóxicos , eliminando organismos de un área por completo. ^[23]${\displaystyle {\ce {NH4+}}}$

Se utilizó el análisis de la relación entre ¹⁸ O y ¹⁶ O 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 represas río arriba. ^[24]

Un avance reciente en la ciencia forense es el análisis isotópico de las hebras de cabello. El cabello tiene una tasa de crecimiento reconocible de 9-11 mm ^[25] por mes o 15 cm por año. ^[26] El crecimiento del cabello humano es principalmente una función de la dieta, especialmente la ingesta de agua potable. ^{[ cita requerida ]} 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. Las variaciones de los isótopos ⁸⁷ Sr, ⁸⁸ Sr y 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 las hebras de cabello. Por ejemplo, podría ser posible identificar si un sospechoso de terrorismo había estado recientemente en un lugar en particular a partir del análisis del cabello. Este análisis del 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. ^{[ cita requerida ]}

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 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 ^12C / ^13C puede localizar el país de origen de un explosivo determinado. ^{[ cita requerida ]}

El análisis de isótopos estables también se ha utilizado para identificar las rutas del tráfico de drogas. Las abundancias isotópicas son diferentes en la morfina cultivada a partir de amapolas en el sudeste asiático y en las cultivadas en el suroeste asiático. Lo mismo se aplica a la cocaína derivada de Bolivia y de Colombia. ^[27]

El análisis de isótopos estables también se ha utilizado para rastrear el origen geográfico de los alimentos, ^[28] la madera, ^[29] y para rastrear las fuentes y destinos de los nitratos en el medio ambiente. ^{[30] [31]}

En la hidrología isotópica , los isótopos estables del agua ( ² H y ¹⁸ O) 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 isotópica estable del agua son la evaporación y la condensación . ^[32] 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. ^{[33] [34] [35]}

La proporción de ¹⁸ O a ¹⁶ O en los núcleos de hielo y de aguas profundas depende de la temperatura y puede utilizarse como medida indirecta para reconstruir el cambio climático . Durante los períodos más fríos de la historia de la Tierra (glaciaciones), como durante las eras de hielo , ^{el 16 O se evapora preferentemente de los océanos más fríos, dejando atrás el 18} O ligeramente más pesado y lento . Los organismos como los foraminíferos que combinan el oxígeno disuelto en el agua circundante con carbono y calcio para construir sus caparazones incorporan, por tanto, la proporción de ¹⁸ O a ¹⁶ O dependiente de la temperatura . Cuando estos organismos mueren, se asientan en el lecho marino, preservando un largo e invaluable registro del cambio climático global a lo largo de gran parte del Cuaternario . ^[36] De manera similar, los núcleos de hielo en tierra se enriquecen con el ^{isótopo 18} O más pesado en relación con el ¹⁶ O durante las fases climáticas más cálidas ( interglaciares ) ya que hay más energía disponible para la evaporación del isótopo ¹⁸ O más pesado. El registro de isótopos de oxígeno preservado en los núcleos de hielo es, por lo tanto, un "espejo" del registro contenido en los sedimentos oceánicos. ^[37]

Los isótopos de oxígeno preservan un registro de los efectos de los ciclos de Milankovitch en el cambio climático durante el Cuaternario, revelando una ciclicidad de aproximadamente 100.000 años en el clima de la Tierra . ^[38]

• MixSIAR. MixSIAR es un paquete R que le ayuda a crear y ejecutar modelos de mezcla bayesianos para analizar datos de biotrazadores (es decir, isótopos estables, ácidos grasos), siguiendo el marco del modelo MixSIAR. Están disponibles tanto la interfaz gráfica de usuario (GUI) como las versiones de script. Stock, BC, Jackson, AL, Ward, EJ, Parnell, AC, Phillips, DL, Semmens, BX Artículo de investigación revisado por pares asociado.
• IsoSource. Modelo de mezcla de isótopos estables para un número excesivo de fuentes (Visual Basic), (Phillips y Gregg, 2003).
• Moore, Jonathan W; Semmens, Brice X (2008). "Incorporación de incertidumbre e información previa en modelos de mezcla de isótopos estables". Ecology Letters . 11 (5): 470–80. doi :10.1111/j.1461-0248.2008.01163.x. PMID  18294213.
• SIAR - Análisis de isótopos estables en R. Paquete de modelos de mezcla bayesiana para el entorno R. Parnell, A., Inger, R., Bearhop, S., Jackson, A.
• SISUS: Stable Isotope Sourcing using Sampling (SISUS): obtención de isótopos estables mediante muestreo. Stable Isotope Sourcing using Sampling (SISUS) (Erhardt, Wolf y Bedrick, en preparación) ofrece un algoritmo más eficiente para brindar soluciones al mismo problema que el modelo y el software IsoSource de Phillips y Gregg (2003) para la partición de fuentes mediante isótopos estables.
• Hopkins, John B; Ferguson, Jake M (2012). "Estimación de las dietas de los animales utilizando isótopos estables y un modelo de mezcla bayesiano integral". PLOS ONE . ​​7 (1): e28478. Bibcode :2012PLoSO...728478H. doi : 10.1371/journal.pone.0028478 . PMC  3250396 . PMID  22235246.