Medição de metano dissolvido em ecossistemas aquáticos usando um analisador de gás de espectroscopia óptica

Summary

Este estudo demonstra uma abordagem para medir as concentrações de gás metano em amostras aquosas usando analisadores ópticos portáteis acoplados a uma câmara de injeção em circuito fechado. Os resultados são semelhantes à cromatografia gasosa convencional, apresentando uma alternativa prática e de baixo custo, particularmente adequada para estudos de campo remotos.

Abstract

A medição de fluxos e pools de gases de efeito estufa (GEE) em ecossistemas está se tornando cada vez mais comum em estudos ecológicos devido à sua relevância para as mudanças climáticas. Com isso, cresce também a necessidade de plataformas analíticas adaptáveis à medição de diferentes pools e fluxos dentro de grupos de pesquisa. Este estudo tem como objetivo desenvolver um procedimento para usar analisadores de gases portáteis baseados em espectroscopia óptica, originalmente projetados e comercializados para medições de fluxo de gás, para medir concentrações de GEE em amostras aquosas. O protocolo envolve a técnica tradicional de equilíbrio do headspace, seguida pela injeção de uma subamostra de gás do headspace em uma câmara conectada por meio de um circuito fechado às portas de entrada e saída do analisador de gás. A câmara é fabricada a partir de um frasco de pedreiro genérico e suprimentos de laboratório simples, e é uma solução ideal para amostras que podem exigir diluição pré-injeção. As concentrações de metano medidas com a câmara estão fortemente correlacionadas (r² > 0,98) com as concentrações determinadas separadamente por cromatografia gasosa-detecção de ionização de chama (GC-FID) em subamostras dos mesmos frascos. O procedimento é particularmente relevante para estudos de campo em áreas remotas onde equipamentos e suprimentos de cromatografia não estão prontamente disponíveis, oferecendo uma solução prática, mais barata e mais eficiente para medir as concentrações de metano e outros gases de efeito estufa dissolvidos em sistemas aquáticos.

Introduction

Os ecossistemas na interfase terrestre-aquática, como pântanos, lagos, reservatórios, rios e riachos, são importantes sumidouros e fontes de gases de efeito estufa (GEE), como dióxido de carbono (CO₂), metano (CH₄) e óxido nitroso (N₂O)^1,2. O CH₄, especificamente, é produzido durante a respiração anaeróbica nos espaços porosos saturados dos poros dos sedimentos. Uma vez produzido, uma fração é oxidada e transformada em CO₂, enquanto o restante acabará se difundindo pela coluna d'água e pela vegetação ou explodindo em bolhas³. A concentração de CH₄ na água que satura os poros do sedimento (ou seja, água dos poros) em um determinado momento oferece um vislumbre do equilíbrio entre CH₄ produzido, consumido e transportado⁴. Quando medida em perfis verticais ou tempo, a concentração de água porosa também permite identificar zonas mais ativas na produção e consumo de CH₄ e sua variação sazonal.

Tradicionalmente, os métodos para determinar a concentração de GEE da água porosa nos ecossistemas envolvem o processamento de amostras de água coletadas no campo para equilibrar os gases em um headspace criado. Em seguida, o headspace é analisado por cromatografia gasosa para determinar as concentrações⁵. Embora esse método seja amplamente aplicado em estudos ecológicos, ele requer sistemas de detecção de ionização de chama por cromatografia gasosa de bancada (GC-FID) que envolvem a alocação de espaço de laboratório convencional e um alto grau de conhecimento especializado para calibrar e operar (por exemplo,⁶). Também requer o uso de consumíveis especializados, como grandes tanques de gases de arraste (ou seja, nitrogênio (N₂) e hélio (He)), que não estão prontamente disponíveis em locais remotos. Esses requisitos e a logística associada ao transporte da amostra para o laboratório podem restringir o projeto de amostragem e, em alguns casos, limitar o escopo do estudo quando o equipamento de cromatografia não estiver disponível.

Este estudo teve como objetivo desenvolver um método alternativo para medir as concentrações de gases de efeito estufa dissolvidos a partir de amostras de soluções aquosas usando analisadores de gases portáteis baseados em espectroscopia óptica. Este tipo de analisador óptico de gás é uma alternativa econômica aos sistemas GC-FID padrão, e sua portabilidade o torna a escolha ideal para aplicações de trabalho de campo. Os analisadores de gás portáteis baseados em espectroscopia óptica produzem medições de concentração de gás de alta frequência (ou seja, ~ 1 ^s-1) com tempos de resposta de 2 a 5 s, dependendo das marcas e modelos. Esses instrumentos são projetados e comercializados principalmente para determinar os fluxos de gases de superfícies emissoras de GEE, como solos, água e vegetação ^7,8,9. Os analisadores ópticos permitem o cálculo do fluxo a partir de medições contínuas de concentração em câmaras de headspace não estacionárias implantadas sobre as superfícies emissoras de interesse. Em seu uso regular pretendido com câmaras de superfície, as medições de alta frequência da taxa de mudança nas concentrações observadas na câmara e as dimensões, pressão e temperatura conhecidas da câmara permitem a interpretação desses dados quanto à taxa de emissão (ou absorção) por área de superfície (ou seja, fluxos de superfície) ¹⁰ . No entanto, os analisadores de gás portáteis não são equipados nem otimizados para concentrações dissolvidas em meio aquoso, necessitando de adaptações e interpretações adicionais para esse tipo de análise.

Aproveitando demonstrações anteriores do uso de analisadores ópticos para determinar concentrações em amostras discretas de headspaces⁸, projetamos uma câmara pequena e fechada (ou seja, sem superfícies emissoras) que se conecta ao analisador em um circuito fechado. A alteração das concentrações após a injecção da subamostra de gás do headspace, seguida de cálculos de diluição, permite determinar as concentrações do headspace original. A precisão dessa abordagem foi avaliada comparando-se seus resultados com os obtidos por GC-FID nas mesmas amostras. O método é demonstrado ainda por meio de um caso de uso que analisou os perfis verticais de CH₄ em amostras de água porosa coletadas de locais experimentais em um pântano de água doce na Louisiana.

Protocol

1. Amostragem e análise de águas porosas

1. Colete as amostras usando amostradores de diálise em água porosa (peepers)¹¹. Implante os espiões em locais relevantes do local de estudo. No estudo de demonstração, 6 observadores foram implantados nas duas manchas de vegetação dominantes de um pântano de água doce: três em uma mancha dominada por Sagitaria lancifolia e as outras três em uma mancha co-dominada por S. lancifolia e Typha latifolia .
2. Colete amostras 4x em junho, setembro, outubro e dezembro. Colete amostras em 10 profundidades diferentes da superfície do solo até ~ 50 cm abaixo dela. A amostragem seguiu o método descrito em ^12,13.
   1. Encha as células de amostragem com 61 mL de água deionizada ~ 20 dias antes da amostragem. Borbulhe água deionizada com N₂ por 5 min no laboratório para remover o oxigênio antes de usá-lo no campo.
   2. Durante a amostragem, retire 25 mL de água da célula com uma seringa conectada à linha de extração da célula. Em seguida, reabasteça as células com água fresca deionizada pré-borbulhada com N₂ através de uma linha de recarga celular secundária. Se forem necessárias medições de concentração logo após a coleta, continue para a etapa 2.1.
   3. Adicione a água extraída a frascos de vidro de 10 mL preservados com 0,2 mL de HCl 0,1 M, tampe com septo e leve à geladeira até a análise em laboratório.
      NOTA: Os usuários deste método podem modificar as profundidades de coleta, o cronograma de amostragem e a frequência com base nas necessidades específicas do estudo.

2. Medição da concentração de gases de efeito estufa

1. Realizar o equilíbrio do headspace de amostras de água porosa em uma seringa
   1. Crie amostras de gás do headspace usando a técnica de equilíbrio¹⁴. Use uma seringa de 30 mL para extrair 5 mL de água (V_pw) das amostras coletadas no campo e, em seguida, adicione 15 mL de N₂ (Ultra High Purity 99,999%) para criar o headspace (V_hs).
   2. Agite a seringa vigorosa e consistentemente durante 5 min, manualmente ou utilizando um agitador oscilante (se disponível). Injete 12 mL de subamostra de gás headspace em um frasco pré-evacuado de 10 mL usado para medições de concentração de gás com o analisador óptico nas etapas a seguir (Figura 1). Evacue os frascos para injetáveis com uma bomba peristáltica¹⁵ ou puxe manualmente o êmbolo de uma seringa de 60 mL no frasco fechado e bombeie o ar para fora 3x.
      NOTA: Ele pode ser usado em vez de N₂ para criar o headspace. O procedimento para adicionar N₂ ou He à seringa depende da adaptação específica ou regulador do tanque real disponível para os usuários. Essa adição normalmente envolve o acoplamento da seringa ao tanque usando tubos correspondentes ou a extração com a seringa de uma porta de amostragem adaptada ao tanque. Dependendo das condições do local e da logística associada, os usuários podem usar o ar ambiente para criar o headspace.
2. Crie a câmara de injeção
   1. Fabrique uma câmara de injeção que possa aceitar um pequeno volume de ar (~ 1 - 5 mL) em um volume selado de ar que se conecta à entrada e saída do analisador de gás para formar um circuito fechado (Tabela de Materiais). A câmara de injeção e o analisador são os dois principais elementos do sistema (Figura 2).
   2. Modifique a tampa metálica de um frasco de vidro de 365 mL perfurando um orifício de 11 mm de diâmetro para encaixar um septo como porta de injeção e dois orifícios de 7 mm de diâmetro para inserir válvulas de torneira que se conectam ao analisador. Use cola epóxi para apertar a porta de injeção e as conexões e garantir a vedação da câmara.
3. Conecte a câmara de injeção ao analisador óptico
   1. Conecte o frasco com as portas de entrada e saída do analisador óptico usando 5/32 de polegada de diâmetro interno (ID) e 1/4 de polegada de diâmetro externo (OD) Tubos de plástico PFA e são responsáveis por seu volume adicional. Certifique-se de que a tubulação siga a recomendação do fabricante do instrumento e esteja limpa e seca, sem condensação.
   2. Defina as válvulas que conectam a câmara de injeção ao instrumento para abrir para criar um circuito de ar de circuito fechado. Aguarde até que as concentrações de gás se estabilizem.
4. Injetar uma amostra na câmara
   1. Quando a concentração na câmara e o sinal no analisador se estabilizarem (ou seja, desvio padrão <0,03 ppm), injete 2 mL de uma subamostra dos frascos contendo a amostra de headspace criada na etapa 2.1.2. Aguarde que as concentrações no analisador se estabilizem novamente antes de injetar a próxima subamostra (Figura 3).
   2. Injetar até 20 subamostras consecutivas ou menos se a concentração se aproximar de 100 ppm (ver⁸para efeitos sobre a precisão acima deste limiar). Analise os padrões de verificação CH₄ para cada 5 amostras e avalie a diferença com as medições reais usando o desvio padrão relativo (RSD).
   3. Quando terminar com o conjunto de injeções empilhadas, desconecte uma das linhas conectadas ao instrumento para redefinir a câmara para a pressão ambiente e evitar o acúmulo significativo de pressão e concentração de metano.
      NOTA: Com base em vários testes, foi determinado que o sinal se estabilizou ~ 15 s após a injeção, mas tempos diferentes podem ser necessários em resposta a outras especificações de gravação do instrumento (Figura 3). A vazão do instrumento utilizado foi de ~1 L/min com tempo de resposta de 5 s e pressão cavitária durante as diferentes análises em diferentes dias variando de 720 a 745 Torr.
5. Calcule as concentrações de CH₄ no headspace
   1. Para cada subamostra, calcular a concentração do GEE alvo (por exemplo, CH₄, CO_2, N₂O) no headspace (C_hs - μmol/mol) com a equação 1:
      equação [1]
      Onde V_hs é o volume da subamostra do headspace.
   2. Calcule as concentrações antes (C_bi - μmol ^mol-1) e depois (C_ai - μmol ^mol-1) injeções como a média de 15 medições (~ 15 s) antes da injeção e 15 após a estabilização do sinal pós-injeção. Calcular os volumes em ml antes de (V_bi) e depois das injecções (V_ai) com as equações 2 e 3:
      [2]
      e
      [3]
      Onde V_j (mL) é o volume adicionado do frasco (365 mL) e da mangueira (125,4 mL) e V_i (mL) é o volume acumulado das subamostras injetadas.
6. Calcular a concentração de água porosa
   1. Calcular a pressão parcial (P_i - MPa) de CO₂, CH₄ ou N₂O no headspace utilizando a fracção molar do gás no headspace e a pressão atmosférica (P) durante o processamento da amostra utilizando a equação 4:
      [4]
   2. Calcular a concentração equivalente aquosa de GEE na água porosa utilizando uma equação de diluição (equação 5) com concentrações e volumes equivalentes aquosos e de espaço livre:
      [5]
      Onde R é a constante universal do gás (0,008314 L MPa mol⁻¹ K⁻¹), é a temperatura do ar (K), V_hs é o volume do headspace (mL), K_H^cp é a constante de volatilidade de Henry de CO₂, CH₄ ou N₂O (2,96, 67,13 e 3,82 L MPa/mol, respectivamente)¹⁶, e V_pw o volume da subamostra líquida usada para criar o headspace (mL).
   3. Use T e P registrados durante as medições. As médias de T e P durante a análise das amostras do projeto de demonstração foram de 295,15 K e 0,101325 MPa, respectivamente.

3. Validação em relação a medições de cromatografia padrão

1. Analise diferentes concentrações conhecidas de CH₄ em frascos de 10 mL em um cromatógrafo de gás convencional. Use três grupos idênticos de 20 padrões cada. As concentrações mais baixas variaram de 5 a 100 ppm e aumentaram em incrementos de 5 ppm.
2. Determinar as concentrações de CH₄ por detecção de ionização de chama num cromatógrafo de fase gasosa. O cromatógrafo utilizou uma coluna compactada com absorvente de polímero poroso com He (25 mL/min) como gás de arraste. Para efectuar as medições das concentrações dos padrões, calibrar o cromatógrafo para um ajuste de curva (r²) > 0,99.
3. Após a cromatografia, proceda à determinação da concentração de CH₄ nos mesmos frascos padrão usando o método descrito acima, usando um analisador óptico calibrado pelo fabricante (ou seja, precisão (300 s, 1σ): 0,3 ppb CH₄).
4. Avaliar a precisão do método ajustando uma regressão linear aos resultados da cromatografia e do analisador óptico dos três grupos padrão. Avaliar a replicabilidade do método comparando as inclinações e interceptações das regressões realizadas dentro de cada grupo de padrões. Avalie a comparação usando um Modelo Padrão de Mínimos Quadrados com ênfase na Alavancagem de Efeito. Avaliar todas as regressões e comparações ao nível de significância de 0,05.

Results

Analisador óptico versus cromatografia gasosa
Os resultados obtidos por cromatografia gasosa e pelo analisador óptico para os três grupos de padrões mostraram bons ajustes lineares (ou seja, r² > 0,98) com inclinações próximas a um (Figura 4). As inclinações das regressões nos três experimentos foram estatisticamente semelhantes (F(2) = 0,478, p = 0,623), sugerindo a reprodutibilidade dos resultados. É importante notar que as inclinações nos três casos foram maiores que um, indicando que, em média, pode-se antecipar uma ligeira subestimação das concentrações gasosas medidas com o analisador óptico em comparação com as concentrações obtidas por cromatografia. No entanto, as interceptações em zero são diferentes (F (1) = 1648,49, p <0,0001), o que adverte cautela ao interpretar baixas concentrações de CH₄ (ou seja, <10 μmol / mol). De fato, nessas concentrações mais baixas, o analisador óptico e a cromatografia apresentaram os maiores erros relativos (Tabela 1), sugerindo os desafios de medir em baixas concentrações.

Teste de campo: usando o protocolo para determinar as concentrações de metano na água porosa de duas manchas de vegetação em zonas úmidas costeiras da Louisiana
As concentrações de CH₄ na água dos poros determinadas a partir de amostras de campo mostram dinâmicas verticais e temporais distintas (Figura 5). Esses padrões são esperados em ambientes ecohidrológicos de zonas úmidas como os amostrados, onde a vegetação diversificada de áreas úmidas pode modular a produção e oxidação de CH₄ e as trocas gasosas resultantes com a atmosfera^17,18. O RSD foi ± 10,03%, menos do que os 15% normalmente usados como limite em protocolos de controle e garantia de qualidade (QC / QA) empregando cromatografia em análises de gases de efeito estufa¹⁹.

Figura 1: Visão geral do protocolo. Esquema mostrando as principais etapas do protocolo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Componentes do sistema. (A) Componentes principais e (B) uma visão detalhada da câmara de injeção. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Concentrações durante as injeções. As concentrações de CH₄ na câmara de injeção durante uma medição selecionada mostram a resposta típica após a injeção da amostra. As áreas destacadas indicam as concentrações antes e depois da injeção consideradas para os cálculos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Comparação entre medições com este método e cromatografia. As relações lineares entre as concentrações de CH₄ no headspace determinadas por cromatografia gasosa (GC-FID) e as concentrações determinadas com este método para os três experimentos tiveram bons ajustes lineares (ou seja, r² > 0,98). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: Demonstração de caso de uso. Concentrações de água porosa em manchas dominadas por (A) Sagittaria lancifolia e (B) uma mistura de Sagittaria lancifolia e Typha latifolia. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Padrão CH4 [ppm]	GC [%]	Analisador óptico [%]
5	24.3	22.8
10	9.6	3.4
15	16.7	6.1
20	0.6	3.4
25	1	6
30	1.5	6.7
35	1.7	8
40	1.3	13.3
45	1.4	8.2
50	0.2	6.9
55	1.4	7.9
60	1.6	4.6
65	0.4	8.8
70	2.4	4.3
75	1.4	6.3
80	0.9	7
85	0.4	4.1
90	1.6	3.3
95	3.4	9
100	4.2	3.3

Tabela 1: Erro relativo (%). Medições de cromatografia gasosa (GC) e analisador óptico do mesmo frasco padrão de verificação.

Discussion

Este estudo demonstrou a aplicabilidade de analisadores de gás portáteis baseados em espectroscopia óptica acoplados a uma câmara de injeção personalizada para analisar headspaces criados a partir de amostras de água. A demonstração se concentrou no CH₄, mas o protocolo pode ser aplicado à análise de outros GEEs relevantes, como CO₂ e N₂O⁸. O objetivo era expandir as avaliações sistemáticas anteriores desses sistemas de circuito fechado que representam uma plataforma analítica alternativa à cromatografia gasosa convencional em estudos de medição de concentração de GEE.

Semelhante à cromatografia gasosa, nesta abordagem, é fundamental usar padrões de verificação para garantir o controle de qualidade e a avaliação no processo de análise. Os padrões analisados com o método foram comparáveis aos da cromatografia padrão (Figura 4). No entanto, as principais vantagens percebidas incluem a falta de gases de arraste ou rotinas de calibração frequentes. Os usuários também podem executar amostras imediatamente após a amostragem no campo, reduzindo o tempo permitido para a oxidação microbiana de espécies reativas como CH₄ em amostras de água. Mesmo quando o gás livre de GEE para criar o headspace necessário na preparação da amostra não está disponível, os usuários ainda podem criar headspaces usando ar ambiente, supondo que a concentração na água de interesse esteja acima da do ar²⁰. Também existem desvantagens percebidas, como o tempo necessário para medir grandes conjuntos de amostras. Embora a análise de amostra única possa levar um tempo semelhante ao do GC-FID, não há maneiras automatizadas de realizar injeções em analisadores ópticos, e é necessário mais tempo de operação para essa abordagem do que para sistemas de amostradores automáticos de GC mais estabelecidos.

A principal diferença entre esta abordagem e outros sistemas de circuito fechado com portas de injeção em linha (por ^exemplo,8) é a adição de uma câmara de injeção. Nele, amostras de alta concentração podem ser diluídas como parte da operação regular durante a análise, evitando etapas adicionais para diluir as amostras antes de sua injeção no circuito. Na prática, o operador pode prosseguir com injeções do headspace para a câmara, em vez de criar diluições para amostras com suspeita de altas concentrações. O volume da câmara pode ser modificado e aumentado para acomodar amostras de alta concentração ou menor para amostras com baixas concentrações. Outra vantagem deste método em comparação com outros sistemas de circuito fechado com injeções em linha em termos de eficiência na análise de várias amostras é a possibilidade de injeções em pilha sem lavar a câmara logo após cada injeção. A diluição na câmara de injeção permitiu que a concentração de metano no loop permanecesse consistentemente abaixo de 100 ppm de CH₄ durante a abordagem de injeção de 20 empilhados que testamos, que trabalhos anteriores identificaram como o limite de concentração de loop no qual a precisão na análise de CH₄ começa a cair³.

No geral, este método é adequado para análise de amostras em locais remotos ou casos em que cromatógrafos, incluindo os portáteis²¹, não são viáveis ou não estão disponíveis. Por exemplo, cientistas em expedições de campo em locais remotos serão capazes de determinar as concentrações reais de GEE em corpos d'água e sistemas aquosos após algumas etapas simples para criar o headspace e tomar decisões sobre prioridades e necessidades de amostragem no local, em vez de ter que trazer as amostras de volta para um laboratório ou estação de campo equipada com cromatografia.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Tubo de Vinil Transparente de 1/4 pol. I.D. x 3/8 pol. O.D.	Home Depot	SKU #  702098	Use para acoplar torneiras e tubos conectados ao instrumento. Duas peças curtas (~4 cm).
5/16 - 5/8 pol. Abraçadeira de Mangueira de Aço Inoxidável	Everbilt	6260294	Use para fixar a tubulação que conecta as válvulas de torneira e a tubulação conectada ao instrumento.
Tubo Semi-Transparente de Teflon PFA Resistente a Rachaduras para produtos químicos, 5/32" ID, 1/4" OD	McMaster-Carr	51805K86	Use para conectar a câmara de injeção às portas de entrada e saída do instrumento. Usamos dois tubos de 0,68 m de comprimento em nosso experimento.
Broca com broca escalonada de titânio	Várias empresas		Use para fazer os furos para septo e torneiras na tampa metálica do frasco.
Septo butílico gay (rolha)	Weathon Microlitro	20-0025-B	Use como porta de injeção e como septo de frasco (se compatível).
Frascos de headspace 20ml (23x75mm), transparentes, Crimp Fundo Arredondado	Restek	21162	Use para armazenar a amostra de headspace.
Epóxi de Aço Pesado GorillaWeld	Gorilla	4330101	Use para colar válvulas de torneira e septo na tampa metálica do frasco.
Agulhas Hipodérmicas	Air-Tite Products Co.	N221	Use para extrair água de frascos de campo, injetar amostra de heaspace no frasco e injetar subamostra na câmara de injeção.
Frasco de pedreiro (12 oz)	Ball, Kerr, Jarden		Volumes de câmara maiores ou menores podem ser escolhidos dependendo das concentrações da amostra.
Analisador de gás baseado em espectroscopia óptica	Várias empresas	Picarro G4301, Licor 7810, Licor 7820, ABB GLA131-GGA	Estes são alguns exemplos específicos de analisadores que podem ser acoplados à câmara de injeção. Reconhecemos que não é uma lista extensa e outros analisadores de espectroscopia óptica também podem ser adequados para o método.
Válvula de torneira	DWK Life Sciences	420163-0001	Mantenha as válvulas abertas durante a operação normal.
Seringa (2.5 mL)	Air-Tite Products Co.	R2	Use para extrair subamostras dos frascos de headspace e injetá-las na câmara de injeção para análise.
Seringa (30 mL)	Air-Tite Products Co.	R30HJ	Use para criar espaço livre para análise de gás.