Tomar una respiración profunda. Preste atención a cómo se mueve el aire desde la nariz hasta la garganta antes de llenar los pulmones con oxígeno. Al exhalar, una mezcla de oxígeno y dióxido de carbono sale de la nariz y la boca.
por Genoa Blankenship, Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
¿Sabías que los arroyos y los ríos «respiran» de forma similar?
Estados Unidos alberga más de 250.000 de estos cuerpos de agua fluidos que se conectan con zonas costeras y océanos. Varían en tamaño, desde pequeños arroyos hasta grandes ríos, pero todos absorben oxígeno y emiten dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero como el metano.
En los últimos años, un equipo de científicos dirigido por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) ha estado inmerso en investigaciones cruciales sobre los procesos e interacciones que contribuyen a la dinámica de los gases de efecto invernadero. Su trabajo se centra en redes completas de arroyos y ríos, así como en el terreno que rodea estos sistemas.
Su trabajo también incluye factores que pueden alterar la respiración de arroyos y ríos. Algunas de estas perturbaciones ocurren más allá de los arroyos, como los incendios forestales, pero aún afectan la forma en que respiran los arroyos al cambiar la forma en que el material ingresa a los arroyos. Comprender estos impactos es clave para abordar los desafíos relacionados con la calidad del agua, el ciclo global del carbono y el cambio climático.
Los científicos del PNNL han estado realizando estudios de modelado, de campo y de laboratorio en todo Estados Unidos, y algunos estudios han sido particularmente intensivos en la cuenca del río Columbia. Esta área cubre 258.000 millas cuadradas y el río Colombia fluye a lo largo de 1.270 millas desde las Montañas Rocosas canadienses hasta el Océano Pacífico. Esta cuenca incluye frondosos bosques, desiertos secos y vastas tierras agrícolas. El campus principal de PNNL se encuentra dentro de la cuenca en el este de Washington.
La respiración es uno de los procesos que afecta la forma en que respiran los ríos y arroyos. A través de una serie de reacciones químicas que funcionan juntas, el dióxido de carbono es exhalado a la atmósfera y por organismos como bacterias y algas. Crédito: Sara Levine | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
La investigación dirigida por PNNL ha producido modelos y datos que pueden ayudar a predecir cómo proteger los arroyos y ríos del país y las comunidades que dependen de ellos. El trabajo está publicado en la revista Frontiers in Water .
«Nuestro equipo utiliza modelos y datos para obtener nuevos conocimientos y desarrollar predicciones que informarán las decisiones tomadas por los reguladores y administradores de recursos naturales», dijo Timothy Scheibe, miembro del laboratorio PNNL y científico de la Tierra, quien es uno de los líderes de esta investigación.
Los modelos y los datos pueden ayudar a fundamentar las prácticas de gestión del uso del agua y la tierra, incluida la forma de responder a desastres naturales como incendios forestales y sequías. También pueden ayudar a informar cómo los cambios futuros en el medio ambiente podrían afectar los sistemas naturales y humanos que son importantes para la salud de nuestro planeta.
¿Qué es la respiración?
Uno de los factores que impulsan la comprensión de cómo respiran los arroyos y los ríos es un conjunto de procesos conocidos como respiración: un conjunto de reacciones químicas que en conjunto determinan cuánto carbono permanece y cuánto ingresa a la atmósfera en forma de dióxido de carbono.
La respiración combina carbono y oxígeno para generar energía para los organismos vivos. Este proceso también crea algo de «escape» en forma de dióxido de carbono que es «exhalado» por organismos como algas y bacterias dentro de los ecosistemas de arroyos y ríos. Al estudiar la respiración en muchos tipos de arroyos y ríos, los investigadores pueden aprender por qué algunos sistemas respiran más que otros.
Comprender el «por qué» es clave. Eso es lo que permite a los investigadores predecir el futuro de arroyos y ríos.
También es importante comprender si el agua o los sedimentos de los ríos y arroyos tienen más respiración. Para responder a esto, PNNL se asoció con investigadores de la Universidad Estatal de Washington y la Universidad de Montana. El equipo descubrió que en el río Columbia, la mayor parte de la respiración la realizan organismos en el agua. Probablemente esto se deba a que el río Columbia contiene mucha agua en la que se puede respirar.
Pero en otros sistemas fluviales, los microbios de los sedimentos son los que realizan la mayor parte de la respiración. Algunos sedimentos «respiran» mucho más rápido que otros y, como resultado, producen más dióxido de carbono.
Los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico están trabajando para predecir cuánto dióxido de carbono sale de los arroyos y ríos después de los incendios forestales. Crédito: Sara Levine | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
El equipo del PNNL ha demostrado que la cantidad de dióxido de carbono producida por los sedimentos está relacionada con el tamaño de las rocas que forman los lechos de los ríos. Las rocas más grandes a menudo provocan una mayor respiración. Esto es importante porque cuanto más rápido respiran los sedimentos, más pueden limpiar los contaminantes de arroyos y ríos.
¿Qué es la materia orgánica?
Además de gases como oxígeno y dióxido de carbono, los arroyos y ríos contienen partículas de organismos muertos como plantas y algas. Esto se conoce como materia orgánica y es el «combustible» o «alimento» que impulsa la respiración y desempeña un papel en la calidad del agua y la salud de las especies acuáticas. La composición de la materia orgánica está controlada en parte por el uso de la tierra, los contaminantes, el manejo forestal y las perturbaciones naturales y humanas, por lo que comprender su relación con la respiración puede motivar diferentes prácticas de manejo de la tierra y el agua.
El equipo del PNNL dirigió una investigación que analiza cómo los cambios en los tipos de materia orgánica provocan cambios en la respiración. En una serie de estudios, el equipo demostró que la respiración en los sedimentos está relacionada con la química de la materia orgánica. El estudio Frontiers in Water , realizado en colaboración con investigadores de la Universidad de Nebraska, reveló reglas generales en diversos arroyos que definen cómo la química de la materia orgánica se vincula con la respiración de los sedimentos.
Los científicos del PNNL también revelaron cómo los incendios forestales pueden cambiar la materia orgánica en los arroyos después de un incendio forestal. El equipo descubrió que existía un vínculo entre la composición de la materia orgánica y cómo los incendios impactaron el paisaje durante la primera tormenta después de un gran incendio forestal en 2020. Esto dificulta descubrir cómo los microbios usan diferentes tipos de materia orgánica para alimentar la respiración en los arroyos. y ríos.
Hay decenas de miles de compuestos diferentes que forman la materia orgánica. También existe una variedad de organismos que utilizan la materia orgánica como combustible. Esto hace que sea difícil determinar cuánta respiración se produce entre los diferentes tipos de materia orgánica y organismos en arroyos y ríos.
A pesar de los desafíos, PNNL y los investigadores asociados han revelado reglas generales sobre cómo funcionan estos sistemas complejos. Estas reglas permiten a los científicos resolver otros desafíos importantes, como cómo mejorar la calidad del agua y predecir cuánto dióxido de carbono saldrá de los arroyos y ríos después de grandes eventos como incendios forestales.
«Comprender qué principios regulan los procesos y cómo funcionan en todos los sistemas es un objetivo clave de nuestro trabajo», explicó la científica terrestre del PNNL, Allison Myers-Pigg. «Este conocimiento proporciona una base para construir modelos que puedan predecir la salud futura de arroyos y ríos, incluyendo cómo podrían verse afectados por grandes perturbaciones. Sin este conocimiento, no podemos hacer predicciones precisas».
Más información: Firnaaz Ahamed et al, Explorando los determinantes de la biodisponibilidad de la materia orgánica a través del modelado termodinámico explícito del sustrato, Frontiers in Water (2023). DOI: 10.3389/frwa.2023.1169701
