7.5 TEXTURA, MATERIA ORGÁNICA, CARBONO ORGÁNICO Y NITRÓGENO TOTAL, EN SEDIMENTOS MARINOS SUPERFICIALES DE LA X REGIÓN. (CONA-C10F 04-17) INTRODUCCIÓN María Inés Astorga & Nelson Silva * Pontificia Universidad Católica de Valparaíso Escuela de Ciencias del Mar Laboratorio de Biogeoquímica Marina nsilva@ucv.cl * Los sistemas estuarinos y los fiordos han llegado a ser de gran importancia para el hombre debido a sus peculiares características ambientales, las que han permitido el establecimiento de asentamientos humanos y de cultivos de especies marinas. Sin embargo, se debe tener en cuenta que estos sistemas, a parte de ofrecer un ambiente adecuado para el establecimiento de estos cultivos, poseen características que los constituyen en ambientes extremadamente frágiles frente al uso que se les pueda dar. De aquí que se hace indispensable el estudio riguroso de ellos con el fin de poder explotarlos de manera sustentable. Entre los aspectos ambientales necesarios de conocer, está el de los componentes químicos del sedimento, tales como el contenido de materia orgánica, carbono y nitrógeno. Estos componentes pueden ser utilizados como indicadores de posibles situaciones de contaminación. Por otra parte se sabe que cuando se tienen cuencas aisladas producto de la presencia de restricciones batimétricas al libre intercambio de las aguas es muy factible la presencia de contaminación más aún si consideramos el creciente establecimiento de cultivos como salmoneras, que sin ninguna duda se puede afirmar que añaden una cantidad extra de materia orgánica al sedimento de la zona. Los sedimentos tienen una importante función reguladora en el ecosistema costero debido a que ellos son una gran fuente de almacenaje de nutrientes y materia orgánica, lo cual afecta de manera directa al balance de oxígeno de las aguas de fondo y permiten la renovación o liberación de nutrientes nuevos hacia la columna de agua, lo que finalmente también afecta la producción de fitoplancton (Jorgensen,1996). También se debe tener en cuenta que en los sedimentos costeros existe una alta tasa de metabolismo microbial, lo que puede provocar un estado de hipoxia o anoxia tanto en los sedimentos como en los estratos suprayacentes de la columna de agua según como sea la acumulación de materia orgánica y la tasa de ventilación (Libes, 1992). Los sistemas estuarinos y fiordos son sistemas que en general están sujetos a un gran aporte de materia orgánica particulada proveniente de los ríos y de la productividad primaria que tengan estos sistemas en particular. Además se sabe que son sistemas relativamente someros, lo que facilita que la materia orgánica llegue rapida- 203
Crucero CIMAR 10 mente al fondo y se acumule en él (Dyer, 1973). Existen por otra parte algunos fiordos que en su cabeza presentan ventisqueros, lo que produce que el aporte de material inorgánico producto de la erosión del hielo sobre las rocas, provoque que sus sedimentos presenten concentraciones evidentemente menores de materia orgánica particulada. Éstas menores concentraciones de materia orgánica se deben al gran aporte de material inorgánico y/o a la menor productividad primaria debido, ésta última, a la menor penetración de la luz (<1m, Pickard, 1971), producto de la presencia de material fino ( glacial silt ) en suspensión. El presente trabajo tiene como objetivo general conocer la distribución superficial de la textura, contenidos de materia orgánica, carbono orgánico, carbono inorgánico y nitrógeno total. Por otra parte se pretende establecer la estequiometría C:N del sedimento superficial de la zona de estudio. MATERIALES Y MÉTODOS El crucero CIMAR 10 Fiordos, Etapa 1, se realizó durante los días 20 al 31 de agosto de 2004 entre Puerto Montt y la boca del Guafo (41º 31 S a 43º 40 S). El muestreo comprendió 38 estaciones marinas y 4 estaciones en ríos (Petrohué, Puelo, Riñihue y Yelcho) (Fig. 1). El sedimento marino fue colectado con un Box Corer, de donde se obtuvieron muestras de aproximadamente 250 g en los primeros dos centímetros. Las muestras de los ríos fueron tomadas mediante buceo. Las muestras húmedas fueron guardadas en bolsas de polietileno y conservadas congeladas hasta su análisis físico y químico. Una vez descongeladas, se retiró la macrobiota, se homogeneizaron y se tomaron sub muestras, las que fueron secadas a 60º C y luego molidas hasta polvo muy fino. La granulometría fue determinada mediante el tamizado vía húmeda, separando las fracciones de acuerdo a la escala de Udden Wentworth. El contenido de materia orgánica total (MOT) fue determinado gravimétricamente por la técnica de pérdida de peso por ignición (Byers et al., 1978), calcinando la muestra en una mufla a temperatura constante de 450 ºC durante cuatro horas. Dicho análisis se realizó por triplicado expresándose los resultados como porcentaje (%) de materia orgánica. El carbono total (C-tot.) fue determinado mediante combustión a 1.300 ºC en un equipo analizador elemental para carbón LECO CR-12. Para el análisis de carbono orgánico (C-org.) primero se eliminaron los carbonatos mediante acidificación de las muestras con HCl 1:1 y el carbono orgánico remanente fue determinado en el LECO CR-12. El carbono inorgánico se determinó por diferencia entre C-tot. y C-org. El nitrógeno total (N-tot.) fue determinado usando la técnica de micro-kjeldhal modificada por Branstreet (Walton, 1970). Para la calibración de los análisis de carbono y nitrógeno se utilizaron estándares de sedimento certificados de acuerdo a las normas del National Institute of Standards and Technology (NIST). El análisis de carbono y nitrógeno fueron realizados en dupli- 204
cado y los resultados se expresaron como porcentajes (%). Para el cálculo de relaciones estequiométricas de carbono y nitrógeno se utilizaron las unidades de µg-at C/g sedimento seco y µg-at N/g sedimento seco. Para el análisis de la distribución geográfica de la textura y de los diferentes compuestos químicos del sedimento, se prepararon mapas de la concentración de cada uno de ellos. Con tal motivo la textura fue agrupada en tres clases: gravas (> 4 mm); arenas (4-0,063 mm) y limo+arcillas (< 0,063 mm) y las concentraciones de MOT, C-org., C-inorg. y N-tot. se agruparon en escalas arbitrarías de cinco clases para MOT y N-tot. y de seis clases para C-inorg. y C-org. RESULTADOS La textura estuvo compuesta preferentemente por arenas y fangos. La participación de las gravas fue baja y en general menor de 1% en 7 muestras de un total de 42. Las muestras con alto contenido de limo-arcilloso se ubicaron preferentemente en zonas más protegidas, como depresiones batimétricas o micro cuencas y las con mayor contenido de arenas en zonas más afectadas por las corrientes como son canales someros y los ríos (Fig. 2). La MOT fluctuó entre 0,2 y 10,8%, el C-org. entre 0,1 y 2,6%, el C-inorg. entre 0 y 0,55% y el N-tot. entre 0,01 y 0,36%. Las mayores concentraciones de MOT, C-org., C-inorg. y N-tot. se ubicaron preferentemente en la zona al norte del grupo de islas Desertores y las menores al sur de éstas (Figs. 3-6). DISCUSIÓN La granulometría en la zona de estudio, al igual como ha sido observada en otras zonas de los canales y fiordos australes chilenos (Silva, et al., 1998; Silva & Ortíz, 2002), presentó una asociación inversa con la concentración de materia orgánica (Fig. 8). Las zonas con altos valores de componentes orgánicos, al norte de las islas Desertores, estuvo constituida en su mayoría por sedimento fino de tipo limoarcilloso. La zona con bajas concentraciones de componentes orgánicos (boca del Guafo y al oeste de las islas Desertores), presentó sedimento arenoso más grueso. Los ríos Petrohué, Reñihue y Yelcho, presentaron sedimento de tipo arenoso y bajos valores de material orgánico (MOT<2,5%; C-org. <0,8% N-tot. <0,1%), esto podría deberse a lo caudaloso de estos ríos, por lo cual el material orgánico fino sería arrastrado, evitándose la deposición de éste. Escapa a lo anterior el río Puelo, el cual a pesar de presentar un sedimento tipo arenoso su concentración de material orgánico fue alto (MOT>5%; C-org. >2,4% N-tot. >0,1%). La distribución de los componentes orgánicos e inorgánicos biogénicos del sedimento en los canales y fiordos de la X Región, se podría explicar sobre la base de zonas de alta y baja producción biológica. Esta producción se ve favorecida por el efecto protector que ejercen las islas y canales interiores, como así mismo el efecto del océano y ríos aledaños a través del aporte de nutrientes. 205
Crucero CIMAR 10 Silva et al. (1997) indicaron que la zona al norte de las islas Desertores, corresponde a una zona estuarina que recibe el aporte de agua dulce de ríos mayores (Petrohué, Puelo, Reñihue, entre otros). Esto permite la presencia de una columna de agua de alta estabilidad debido a las bajas salinidades superficiales, lo que sumado a los altos contenidos de silicato, favorecería el crecimiento de organismos fitoplanctónicos y a su vez al alto contenido de material orgánico del sedimento (MOT>5%; C-org. >1,6% N-tot. >0,2%). En el caso de la zona al oeste de las islas Desertores, que presentó concentraciones intermedias de componentes orgánicos (MOT 2,5-5%; C-org.; 0,8-1,6%; N- tot 0,1-0,2%), esta puede explicarse sobre la base de zonas geográficamente protegidas, pero con menor aporte de aguas dulces ricas en silicatos ya que en la zona de Chiloé insular no hay ríos importantes. Debido a lo ancho de la boca del Guafo, las bajas profundidades de ella y del golfo Corcovado (<150 m) y lo tormentoso de la zona, genera las condiciones adecuadas para una alta mezcla vertical de la columna de agua (Silva et al., 1997). Esta zona de alta mezcla vertical no facilitaría las condiciones necesarias para el crecimiento del plancton. Por otra parte, las corrientes de marea en esta zona evitarían que el sedimento fino, generalmente más rico en materia orgánica, se logre depositar en el fondo. Lo anterior explicaría las bajas concentraciones de compuestos orgánicos e inorgánicos biogénicos en esta zona. La degradación de la materia orgánica, se realiza generalmente utilizando el oxígeno disuelto presente en la columna de agua o en el agua intersticial, por lo que éste bajo una cierta profundidad comienza a disminuir y en algunas ocasiones se agota, generándose una zona anóxica (Libes,1992). De acuerdo a Silva et al. (1995 y 1997), en la zona de estudio no se han encontrado zonas anóxicas en la columna de agua. Estos autores indican que la circulación estuarina del sector permite una ventilación adecuada de las capas más profundas de las microcuencas de la zona, evitando la presencia de zonas anóxicas profundas. La razón C:N para fitoplancton marino es de 6,6 (Redfield et al., 1963) y en el sedimento marino fresco varía entre 7 y 10 (Rullköter, 2000), mientras que en las plantas terrestres es mayor de 20 (Deevy, 1973). Debido a esto, es posible utilizar la relación C:N como un proxy para inferir, en una primera aproximación, la procedencia del material que compone el sedimento. En el caso de los sedimentos de la zona, la asociación lineal de todos los valores ce C-org v/s N-tot. del sedimento (excluyendo los ríos) tuvo una pendiente de 8,3 y r 2 0,96 (Fig.7), se puede inferir en una primera aproximación que éste correspondería mayoritariamente a sedimento marino fresco. Sin embargo, se debe tener en cuenta que la zona posee abundantes bosques autóctonos aledaños, por lo que también debe existir alguna contribución de material terrestre. Al eliminar los puntos C:N que se ubican más a la izquierda de la recta de regresión, los que corresponden a las estaciones costeras orientales (Ests. 4, 6, 7, 17, 18, 19 y 23; Fig. 7), la pendiente de la recta cambia a 7,84 y r 2 0,98. Estas estaciones, están cerca de la costa de Aysén continental y de algunos ríos importantes como Petrohué, Puelo, Reñihue, y por lo tanto debieran recibir un mayor aporte de material edáfico que las otras más al occidente, por este motivo estas estaciones 206
presentan valores C:N individuales más altos que las otras estaciones (Fig. 7). Es así que por ejemplo la estación 7 en la cabeza del estuario Reloncaví presenta un valor C:N alto (11,4), donde desemboca el río Petrohué que presenta el mayor valor de C:N (24,5). REFERENCIAS BYERS, S., E. MILLS & P. STEWART. 1978. A comparison of methods of determining organic carbon in marine sediments, with suggestions for a standard method. Hydrob., 58(1): 43-47. DEEVY, E. 1973. Sulfur, nitrogen and carbon in the biosphere. En Carbon and the Biosphere (Eds. G.M. Woodwell and E.V. Peacan) USAEC, Washington, D. C., pp. 182-190. DYER, K. 1973. Estuaries : A physical introduction, Ed. J. Wiley and Sons Inc. New York. LIBES, S. 1992. An introduction to marine biogeochemistry. Ed. J. Wiley and Sons Inc. New York, 734 pp. MORTLOCK, R. & P. FROELICH, 1989. A simple method for the rapid determination of biogenic opal in pelagic marine sediments. Deep Sea Res. 36 (9): 1.415-1.426. PICKARD, G. 1971. Some physical oceanographic features of inlets of Chile. J. Fish. Res. Board. Can., 28: 1.077-1.106. REDFIELD, A., B. KETCHUM & F. RICHARDS. 1963. The influence of organisms on the composition of water. In: M.N. Hill (Ed). The Sea vol. 2. Wiley-Interscience, pp. 26-77. RULLKÖTTER, J. 2000. Organic matter: The driving force for early diagenesis. En: H. D. Schulz & M. Zabel (ed.). Marine Geochemistry. Springer-Verlag. Berlin, pp 129-172. SEPÚLVEDA, J., S. PANTOJA, K. HUGHEN, C. LANGE, F. GONZÁLEZ, P. MUÑOZ, L. REBOLLEDO, R. CASTRO, S. CONTRERAS, A. ÁVILA, P. ROSSEL, G. LORCA, M. SALAMANCA & N. SILVA. 2004. Fluctuations in export productivity over the last century from sediments of a southern Chilean fjord (44 S). (Submited to Estuarine Coastal and Shelf Science). SILVA, N., C. CALVETE & H. SIEVERS. 1997. Características oceanográficas físicas y químicas de canales australes chilenos entre Puerto Montt y laguna San Rafael (Crucero CIMAR 1 Fiordos ). Cien. y Tec. del Mar, 20: 23-106. SILVA, N., J. MATURANA A., J. I. SEPÚLVEDA V. & R. AHUMADA B. 1998. Materia orgánica, C y N, su distribución y estequiometría, en sedimentos superficiales de la región norte de los fiordos y canales australes de Chile (Crucero CIMAR 1 Fiordos). Cien. y Tec. del Mar, 21: 49-74. 207
Crucero CIMAR 10 SILVA, N. & P. ORTÍZ. 2002. Materia orgánica C y N, su distribución y estequeometría en sedimentos superficiales de la región sur de la zona de fiordos y canales australes de Chile (Crucero CIMAR 3 Fiordos). Ciencia y Tecnología del Mar. 25 (1): 89-108. SILVA, N. & R. PREGO. 2002. Carbon and nitrogen spatial segregation and stoichiometry in the surface sediments of southern chilean inlets (41º - 56º S). Estuarine and Coastal Shelf Science 55: 763-775. WALTON, H. F. 1970. Principios y métodos de análisis químico. Ed. Reverté Mexicana. México, 225 pp. WILLARD, H., N. FURMAN & C. BRICKER. 1956. Análisis químico cuantitativo. Marin, S.A., Barcelona, 557 pp. 208
42º S CIMAR 10 Fiordos Estaciones Castro 12 10 13 14 P. Montt 1 2 3 4 8 15 G. Ancud 16 17 24 20 21 22 41 27 26 28 25 29 30 Río Petrohué Río Reñihue 5 6 Río Puelo 18 19 23 7 35 43º 46 43 39 G. Corcovado 34 37 Río Yelcho 50 Boca del Guafo 45 Ba. Tic-Toc 44º 75,0º W 74,0º 73,0º Figura 1: Ubicación geográfica de las estaciones (CIMAR 10 Fiordos, Etapa 1). 209
Crucero CIMAR 10 42º S Gravas Arenas Limo y Arcillas TEXTURA Río Petrohué Río Puelo Río Reñihue 43º 44º 75,0º W 74,0º 73,0º 72,0º Figura 2: Distribución de textura del sedimento superficial (CIMAR 10 Fiordos, Etapa 1). 210
42º S 0-2,5 2,5-5,0 5-7,5 7,5-10,0 10,0-12,5 MOT(%) Río Petrohué Río Puelo Río Reñihue 43º Río Yelcho 44º 75,0º W 74,0º 73,0º 72,0º Figura 3: Distribución de contenido de materia orgánica total del sedimento superficial (CIMAR 10 Fiordos, Etapa 1). 211
Crucero CIMAR 10 42º S 0-0,8 0,8-1,6 1,6-2,4 2,4-3,2 3,2-4,0 C-ORGÁNICO(%) Río Petrohué Río Puelo Río Reñihue 43º Río Yelco 44º 75,0º W 74,0º 73,0º 72,0º Figura 4: Distribución de contenido del contenido de carbono orgánico del sedimento superficial (CIMAR 10 Fiordos, Etapa 1). 212
42º S 0-0,3 0,3-1,0 1,0-1,8 1,8-2,4 2,4-3,2 3,2-9,4 C-INORGÁNICO(%) Río Petrohué Río Puelo Río Reñihue 43º Río Yelcho 44º 75,0º W 74,0º 73,0º 72,0º Figura 5: Distribución de contenido del contenido de carbono inorgánico del sedimento superficial (CIMAR 10 Fiordos, Etapa 1). 213
Crucero CIMAR 10 42º S 0-0,1 0,1-0,2 0,2-0,3 0,3-0,4 0,4-0,5 N-total (%) Río Petrohué Río Puelo Río Reñihue 43º Río Yelcho 44º 75,0º W 74,0º 73,0º 72,0º Figura 6: Distribución de contenido de nitrógeno total del sedimento superficial (CIMAR 10 Fiordos, Etapa 1). 214
2500 2000 17 3 ug-átc/g 1500 1000 500 4 20 23 8 13 34 35 45 28 43 30 39 9 1012 25 21 26 46 7 6 2 2737 50 19 5 24 18 41 16 14 15 1 22 0 0 100 200 300 g-át N/g 29 g-át C/g = 8.30* g-át N/g + 24 R2= 0.96 Figura 7: Regresión lineal del contenido de carbono orgánico V/S contenido de nitrógeno total del sedimento superficial (CIMAR 10 Fiordos, Etapa 1). 215
Crucero CIMAR 10 100 80 23 37 7 17 15 16 22 29 24 2 18 19 5 6 14 3 0 20 Limo + arcillas (%) 60 40 20 0 43 12 30 8 34 13 46 10 26 9 39 25 21 45 35 20 28 50 27 41 0 2 4 6 8 10 12 MOT (%) 1 40 60 80 100 Arenas (%) Figura 8: Dispersión de la textura V/S materia orgánica total (MOT) del sedimento superficial (CIMAR 10 Fiordos, Etapa 1). 216