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Los ecosistemas en la interfase terrestre-acuática, como humedales, lagos, embalses, ríos y arroyos, son importantes sumideros y fuentes de gases de efecto invernadero (GEI) como el dióxido de carbono (CO2), el metano (CH4) y el óxido nitroso (N2O)1,2. ElCH4, específicamente, se produce durante la respiración anaeróbica en los espacios porosos saturados de los poros de los sedimentos. Una vez que se produce, una fracción se oxida y se transforma en CO2, mientras que el resto eventualmente se difundirá a través de la columna de agua y la vegetación o estallará en burbujas3. La concentración de CH4 en el agua que satura los poros del sedimento (es decir, el agua de los poros) en un momento dado permite vislumbrar el equilibrio entre el CH4 producido, consumido y transportado4. Cuando se mide en perfiles verticales o en el tiempo, la concentración de agua de poro también permite identificar las zonas más activas en la producción y el consumo de CH4 y su variación estacional.
Tradicionalmente, los métodos para determinar la concentración de GEI del agua de poros en los ecosistemas implican el procesamiento de muestras de agua recolectadas en el campo para equilibrar los gases en un espacio de cabeza creado. Luego, se analiza el espacio de cabeza a través de cromatografía de gases para determinar las concentraciones5. Si bien este método se aplica ampliamente en estudios ecológicos, requiere sistemas de detección de ionización de llama y cromatografía de gases de sobremesa que implican la asignación de espacio de laboratorio convencional y un alto grado de conocimiento experto para calibrar y operar (por ejemplo,6). También requiere el uso de consumibles especializados, como grandes tanques de gases portadores (es decir, nitrógeno (N2) y helio (He)), que no están fácilmente disponibles en lugares remotos. Estos requisitos y la logística asociada del transporte de la muestra al laboratorio pueden restringir el diseño de la muestra y, en algunos casos, limitar el alcance del estudio cuando no se dispone de equipo de cromatografía.
Este estudio tuvo como objetivo desarrollar un método alternativo para medir las concentraciones de gases de efecto invernadero disueltos a partir de muestras de espacio de cabeza de soluciones acuosas utilizando analizadores de gases portátiles basados en espectroscopia óptica. Este tipo de analizador óptico de gases es una alternativa rentable a los sistemas GC-FID estándar, y su portabilidad lo convierte en una opción ideal para aplicaciones de trabajo de campo. Los analizadores de gases portátiles basados en espectroscopia óptica producen mediciones de concentración de gas de alta frecuencia (es decir, ~ 1 s-1) con tiempos de respuesta de 2 a 5 s, según las marcas y modelos. Estos instrumentos están diseñados y comercializados principalmente para determinar los flujos de gas de las superficies emisoras de GEI como los suelos, el agua y la vegetación 7,8,9. Los analizadores ópticos permiten el cálculo del flujo a partir de mediciones continuas de concentración en cámaras de espacio de cabeza de estado no estacionario desplegadas sobre las superficies emisoras de interés. En su uso habitual con cámaras de superficie, las mediciones de alta frecuencia de la tasa de cambio en las concentraciones observadas en la cámara y las dimensiones, la presión y la temperatura conocidas de la cámara permiten interpretar esos datos en cuanto a la tasa de emisión (o absorción) por área de superficie (es decir, flujos superficiales)10. Sin embargo, los analizadores de gases portátiles no están equipados ni optimizados para concentraciones disueltas en medios acuosos, lo que requiere adaptaciones e interpretaciones adicionales para ese tipo de análisis.
Aprovechando las demostraciones anteriores del uso de analizadores ópticos para determinar concentraciones en muestras discretas de espacios de cabeza8, diseñamos una cámara pequeña y cerrada (es decir, sin superficies emisoras) que se conecta al analizador en un circuito cerrado. El cambio en las concentraciones después de la inyección de la submuestra de gas del espacio de cabeza, seguido de cálculos de dilución, permite determinar las concentraciones del espacio de cabeza original. La precisión de este enfoque se evaluó comparando sus resultados con los obtenidos a través de GC-FID en las mismas muestras. El método se demuestra aún más a través de un caso de uso que analizó los perfiles verticales de CH4 en muestras de agua de poros recolectadas de sitios experimentales en un pantano de agua dulce en Louisiana.