Diapositiva 1 - Relación Suelo Agua Planta

Isótopos estables
Mauricio Ortiz L.
Laboratorio de Relación Suelo-Agua-Planta
Facultad de Ciencias Agronómicas
Universidad de Chile
Enero 2010
Isótopos estables

Los átomos que son isótopos entre si tienen igual Nº atómico (Z), pero difieren en el
número másico (A).
Isótopos del hidrogeno Z= 1
Z= 1, A= 1
Hidrógeno (Protio)
1H
Z= 1, A= 2
Deuterio
2H=D
Z= 1, A= 3
Tritio
3H
Isótopos estables

Los átomos que son isótopos entre si tienen igual Nº atómico (Z), pero difieren en el
número másico (A).

Si la relación entre protones y neutrones no es la apropiada para obtener estabilidad
nuclear el isótopo cambia a una forma estable y emite energía (rayos , o ).

El tiempo de neutralización varía entre elementos.
Isótopos del hidrogeno Z= 1
1H
2H
3H
Electrón (partícula beta)
estable
estable
inestable
Vida media=12,32años
3He
Abundancia natural de algunos Isótopos estables

La distribución de un determinado tipo de isótopo varía tanto en ubicación como en el
tiempo, de acuerdo a algún proceso que genera la diferencia.

El fenómeno de variación es conocido como fraccionamiento isotópico y se refiere al
comportamiento diferencial que experimentan moléculas que poseen formas isotópicas
ligeras respecto de las más pesadas

El fraccionamiento isotópico puede ocurrir por:
- Efectos cinéticos, que dependen de las diferencias en la tasa de reacción y de los
coeficientes de difusión de moléculas isotópicas
- Efectos termodinámicos en reacciones de intercambio isotópico.
 Efecto cinético
La tasa de una reacción química es sensible a la masa atómica en una posición particular en
una de las especies reactantes:
12C
–A
k12
12C
–B
y
k
13C
k12
k13
–A
k13
13C
–B
 Efecto termodinámico
En un sistema en equilibrio químico
k1
A
B
k2
eq
RA
RB
Por ejemplo el factor de fraccionamiento para la hidratación del CO 2
CO2+H2O
H2CO3
es
C13 / C12 (CO2 )
1 / 1.011 a 25ºC
13
12
C / C ( H 2CO3 )
Características de tres tipos de moléculas de agua
Propiedad
1H 16O
2
D216O
1H 18O
2
Densidad (20ºC)
0.997
1.1051
1.1106
Temperatura de la densidad max (ºC)
3.98
11.24
4.30
Punto de ebullición (ºC)
100.00
101.42
100.14
Presión del vapor (100ºC, en Torr)
760.00
721.60
758.07
Proporción de isótopos estables
13
R
( 000 )
C
12
C
Rmuestra / Restándar 1 x1000
Elemento
Estándar
Oxígeno
SMOW
18O/16O
0,0020052
Carbono
PDB
13C/12C
0,0112372
Hidrógeno
SMOW
2H/1H
0,0001558
Rmuestra>Restandar,
R
valor
>0, “enriquecida”
Rmuestra<Restandar, <0, “empobrecida”
Proporción de isótopos estables
a
a
l ( fuente)
l ( producto)
a
1
l ( producto) 1000
es independiente de la composición isotópica del estándar y de Ra.
Expresa la consecuencia del proceso biológico.
Diagrama de un espectrómetro de
masas para la determinación de
cocientes de isótopos
Peso Molecular CO2
12C
16O
16O
Peso Molecular
44
12C
18O
16O
Peso Molecular
46
13C
16O
16O
Peso Molecular
45
Usos de los isótopos estables
Usos de los isótopos estables

La composición isotópica de una planta, que depende de los sustratos que utilizó durante
su crecimiento y de los procesos de fraccionamiento, entrega información sobre su
funcionamiento en el ambiente que habita. Reconstrucción de las condiciones ambientales
pasadas.

Reconstrucción de dietas.

La composición isotópica de la materia orgánica del suelo refleja el material vegetal que
ocupó la superficie en el pasado.

Las δ2H y δ18O del agua en la savia del xilema entregan una medida directa de las fuentes
de agua utilizadas en el momento por la planta.

En animales migratorios, la composición isotópica de los tejidos refleja la composición
isotópica del agua de las localidades en que el tejido inicialmente se formó.

Estimar la eficiencia en el uso del agua, diferenciar entre los metabolismos C3, C4 (y
CAM) en floras actuales o en reconstrucciones de paleo-floras.

Ciclo del nitrogeno
Discriminación isotópica de 13C (
13C)
 El CO2 atmosférico está compuesto en un 99% por 12CO2 y en un 1% 13CO2.
 Existe un uso diferencial de los isótopos de C en la difusión a través de los estomas y en la
reacción con la enzima rubisco.
Discriminación Isotópica de 13C
a (b a) *
Ci
Ca
Donde
a: es la discriminación causada por difusión en aire (4,4 ‰).
b: es la discriminación de 13C de la enzima RuBP carboxilasa (27 ‰).
Ci / Ca: presión parcial de CO2 al interior de la hoja / presión parcial
de CO2 atmosférico.
4,4 22,6
 Factores que afectan 13C:
- Tasa de fotosíntesis
- Apertura de estomas (resistencia)
ci
x10
ca
3
4,4 22,6
ci
x10
ca
3
En plantas C4, el CO2 primero es fijado en ácidos
orgánicos, los cuales son translocados a las células
de empalizada en las que son de-carboxilados. El
resultado es que Rubisco no puede discriminar
C3
13C
-27‰
C4
-12‰
Crassulacean
Acid
Metabolism
Estoma abierto
Estoma cerrado
En plantas CAM la Rubisco no puede ser exigente, por lo que los azucares que produce
contienen altos niveles de 13C (pesados).
¿...y las plants CAM?
predicciones?
13C
C3
-27 ‰
C4
-12 ‰
CAM -12‰
Las plantas CAM facultativas pueden
tener valores C3.
Cactos,
Euphorbias
Agaves y muchas
bromelias (puya)
90% de todas
las plantas
vasculares
Pastos tropicales
(maiz, caña de
azucar, sorgo)
Enriquecimiento con 18O.

El agua que absorben las plantas está compuesta en un 99,75% por H 216O y en un 0,2%
H218O.

La tasa de transpiración puede ser modelada como:
E

g w wi
wa
En el proceso de transpiración existe fraccionamiento isotópico, provocando un
enriquecimiento con 18O del agua foliar, el que es explicado por:
18
e
OV
k
En condiciones de aire bien mezclado
e
18O
v
k
k
h
es cercano a - +, por lo que
1 ea / ei
Enriquecimiento con 18O.
e
k
1 ea / ei
2,644 3,206 (103 / Tl ) 1,534 10 6 / Tl
k
32 rs
rs
22 rb
/ 1000
rb
2
*10
3
Enriquecimiento con 18O.
e

Factores que afectan 18O:
- Humedad relativa
- Apertura de estomas (resistencia)
k
1 ea / ei
- La composición isotópica de hojas formadas durante la temporada permite inferir:
a) Eficiencia de transpiración integrada.
b) Si cambios en eficiencia de transpiración se deben a cambios en transpiración
y/o a cambios en carboxilación.
13C
18O
Profundidad inicial del nivel freático en el salar de Llamara
Descenso del nivel freático en el salar de Llamara
Temporada 2005-2006
( sin extracción de agua)
E
g w wi
wa
Temporada 2006-2007
(4,7 a 0 m de descenso del nivel freático)
E
g w wi
wa
Determinación de fuentes de agua
Día
-60 MPa
-3,0 MPa
-1,5 MPa
0 MPa
0,0 MPa
-1,0 MPa
-1
Contenido de humedad (g g )
0.0
0
0.1
0.2
0.3
20
-1,5 MPa
40
z (cm)
Noche
60
80
100
0 MPa
Bajo copa
Fuera copa
Redistribución hidráulica
Promedio 18O de la savia del xilema colectada al final de la estación seca para 27 especies en un sitio cerrado
sensu stricto del centro de Brasil; las barras representan los promedios y las líneas representan los errores
estándares para 2-6 individuos por especie. b: 18O del agua del suelo en relación con la profundidad
colectadas en el mismo sitio y al mismo tiempo; n = 4, por profundidad (Oliveira, 2004).
Proporción de isótopos de hidrógeno (δ 2H) del agua del xilema de plantas que crecen en la
misma localidad árida al sur de Utah después de un intenso evento de lluvia de verano.
También se muestran las variaciones observadas de la composición isotópica de las lluvias de
verano (fuente de humedad en la parte superior del perfil de suelo), las lluvias de invierno
(humedad en la parte profunda del perfil), y agua subterránea (adaptado de Ehleringer et al.
1991).
Efecto continental
Efecto continental
www.sahra.arizona.edu
Efectos Continentales: Latitudinales y de elevación
La disminución progresiva de 18O y 2H es descrita usando la destilación de Rayleigh. La
partición progresiva de isotópos pesados en un reservorio de agua va a disminuir en
tamaño:
R
R0 f
a 1
Donde R0 es la relación inicial de isotopos, R es la relación despues de que el proceso
ocurre, f es el componente residual y a es el factor de fraccionamiento en equilibrio.
El hemisferio Norte
El Hemisferio Sur
Los Isopaisajes
Efecto de Latitud
Ecología
En animales migratorios, la composición isotópica de los tejidos refleja la composición
isotópica del agua de las localidades en que el tejido inicialmente se formó.
16 out of 19 spp
contain > 50% saguaro
carbon
100%
0%
90-120 individuals/date
Nitrógeno
La δ15N provee información
respecto a las entradas y
transformaciones del nitrógeno
dentro de un ecosistema,
también permite cuantificar la
fijación biológica de nitrógeno
atmosférico.
La δ15N provee información respecto a las entradas y transformaciones del nitrógeno
dentro de un ecosistema, así como permite cuantificar la fijación biológica de
nitrógeno atmosférico.
Alimentación
Una antigua receta...
Ingredientes
Pan de cebada
Cebada tostada
Cebada malteada y miel
Miel de dátil
Levadura
Lúpulo, una adición reciente (gracias
a los monjes medievales).
Todos los ingredientes son C3 y por tanto la cerveza debe estar empobrecida en 13C.
La relación Blue-Ribbon Pap’s-Guinness
Data from Brooks et al. 2002. J. Agric. Food Chem. 50: 6413-6418.
Data from Brooks et al. 2002. J. Agric. Food Chem. 50: 6413-6418.
Paleoclimatología y Cambio Climatico
La formula química de un ser humano
Elemento
%
Hidrogeno Oxigeno
61.8
25.4
Carbono
9.4
99%
Nitrógeno
1.4
Otros
1.0
La composición isotópica de un ser humano
Imagen (Fry 2007)
Isótopos estables
Mauricio Ortiz L.
Laboratorio de Relación Suelo-Agua-Planta
Facultad de Ciencias Agronómicas
Universidad de Chile
Enero de 2010