Implementación de la técnica de medición y primer registro de gases de efecto invernadero (CO₂, CH₄ y N₂O) en la interfase sedimento-agua en el embalse Rincón del Bonete, Uruguay

Introducción

Los estudios sobre emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) desde represas hidroeléctricas han mostrado que esta fuente de energía no es tan limpia y “verde” como se pensaba primariamente (Fearnside, 2005). Los sistemas acuáticos continentales emiten naturalmente carbono hacia la atmósfera: los lagos y ríos juegan un rol importante en el ciclo global del carbono (Cole, et al., 2007; Ciais y Sabine, 2013). Los embalses hidroeléctricos producen y emiten carbono en mayor cantidad que los sistemas naturales, principalmente en los primeros veinte años posteriores a la inundación (Galy-Lacaux, et al., 1999; Barros, et al., 2011). Estudios realizados sobre emisiones de GEI desde embalses hidroeléctricos han mostrado que estos pueden emitir hasta 3,6 veces más que los generados por los combustibles fósiles (Fearnside, 2005). Esto es debido al mayor tiempo de residencia de los embalses comparado con los ríos, que -junto con la entrada de nutrientes inorgánicos- favorece la descomposición de la materia orgánica y una mayor producción de estos gases.

La acumulación de sedimentos en el fondo de los cuerpos de agua en los sistemas lénticos constituye un importante compartimiento de producción de GEI. El material orgánico o inorgánico que compone los sedimentos puede provenir de forma alóctona, como por ejemplo de la erosión de los suelos y arrastre de restos vegetales depositados en los suelos de la cuenca; o bien autóctona, como por ejemplo de la producción orgánica generada in situ mediante procesos locales. En este sentido, la creciente eutrofización de los cuerpos de agua ha promovido el desarrollo de floraciones a nivel mundial, principalmente de cianobacterias (Chorus y Bartram, 1999; Paerl y Otten, 2013), incrementando así la producción primaria. Esta alta producción de biomasa que se genera durante los eventos de floraciones constituye un importante aporte de materia orgánica al sistema, el cual puede alcanzar los sedimentos tras la muerte celular (Chalar, et al., 2014). Gran parte de esa materia orgánica queda retenida, pudiendo ser utilizada por microorganismos en diferentes procesos metabólicos aerobios, anaerobios y fermentativos (Liikanen, et al., 2002). Esto resulta en la producción y acumulación de un amplio espectro de sustancias tales como óxido nitroso (N₂O), metano (CH₄), dióxido de carbono (CO₂), las cuales constituyen importantes GEI tras ser liberadas a la atmósfera. Estos gases pueden ser emitidos a través de diferentes vías, tales como: i) difusión molecular a través de la interfase sedimento-agua, ii) difusión en la columna de agua suprayacente, iii) a través de la interfase agua-aire, iv) advección turbulenta durante condiciones de viento, v) inversión de las masas de agua (Melack, 1996) y vi) formación de burbujas de CH₄ y N₂O en los sedimentos porosos con su ebullición directa en la atmósfera (Adams, 1999).

La mayoría de las rutas de producción y consumo de CO₂, CH₄ y N₂O es controlada por el metabolismo microbiano. Mientras que la degradación orgánica de la materia (respiración aeróbica) produce CO₂, las vías metabólicas anaeróbicas que lo consumen promueven la metanogénesis. Esto genera altas concentraciones de CH₄ en el fondo de los cuerpos de agua, que posteriormente son liberadas a la atmósfera (Maeck, et al., 2013). Si bien la anaeróbica es la principal vía de producción de CH₄, existen también vías aeróbicas alternativas, las cuales últimamente tienen suscitado interés científico (Donis, et al., 2017; Peeters, et al., 2019; Günthel, et al., 2019). Por otro lado, a menudo, parte del CH₄ producido es oxidado por la acción de bacterias metanotróficas, pudiendo ser emitido hacia la atmósfera como CO₂ (Guérin y Abril, 2007). En el caso de N₂O, es un producto intermedio producido durante los procesos de nitrificación y desnitrificación, que son llevados a cabo por bacterias y archaeas (Casciotti y Buchwald, 2012). En la nitrificación, la oxidación completa del NH₄ es un proceso aeróbico, pero cuando la provisión de oxígeno O₂ es limitada se acumula como subproducto N₂O (Smith, et al., 2003). Por otra parte, en la desnitrificación, el N₂O es un producto intermedio de la reducción del óxido nítrico (NO) a niveles bajos de O₂, por lo que puede darse acumulación de N₂O si su reducción a N₂ se inhibe por la presencia de O₂ (desnitrificación parcial) (Castro-González y Torres-Valdez, 2015) o por la presencia de desnitrificantes incompletos que carecen de óxido nitroso reductasa.

Debido a que la mayoría de los gases de carbono se encuentran retenidos en los depósitos del fondo, la cuantificación de los flujos difusivos de los gases de los sedimentos hacia las aguas debería ser un prerrequisito para realizar una estimativa de balance de carbono (Sidagis-Galli, et al., 2009). En nuestro país, las altas biomasas de cianobacterias que se registran en los embalses, principalmente en el Río Negro (González-Piana, et al., 2011, 2017, 2018; Chalar, et al., 2014), representarían una importante fuente de materia orgánica que, al descomponerse, generarían emisiones de GEI. De esta forma, se torna fundamental el estudio de estas emisiones ya que el territorio uruguayo es vasto en cuerpos de agua y actualmente sufre problemas de eutrofización en la mayoría de ellos (Bonilla, et al., 2015). En Uruguay no hay registro de la estimación de emisiones de GEI en embalses. En este trabajo se implementa por primera vez la técnica para la cuantificación de la acumulación de los gases CH₄, CO₂ y N₂O en los sedimentos de un embalse y el cálculo de los flujos difusivos a través de la interfase sedimento-agua.

Materiales y Métodos

El embalse Rincón del Bonete se ubica sobre el Río Negro, el cual es el mayor afluente del Río Uruguay. El embalse tiene un volumen total de 8.800 hm³ y una superficie de 1.070 km², está a 80 m sobre el nivel del mar y su cuenca es de 39.700 km².

La colecta de los sedimentos se realizó en un único muestreo en marzo de 2019, en una zona próxima a la represa (32°46′S, 56°22′O), a 17,5 m de profundidad. Los sedimentos fueron colectados por triplicado mediante un colector tipo Kajak-Brinkhurst (UWITEC, Austria), para tubos de PVC cristal de 60 mm de diámetro interno y 60 cm de largo. En los testigos colectados se midió, in situ, la temperatura del agua y la concentración de oxígeno disuelto a 0,5 y 5 cm sobre la interfase sedimento-agua, utilizando un sensor Horiba D-25. Con una jeringa acoplada a un tubo de silicona fueron colectadas muestras de agua a 0,5 cm encima de la interfase sedimento-agua. Esas muestras fueron rápidamente transferidas para frascos de vidrio, con septos de silicona y tapas de rosca. Fueron fijadas con 0,5 mL de formaldehido y conservadas a 4ºC hasta su análisis en laboratorio por cromatografía gaseosa, donde se cuantificaron los gases CH₄, CO₂ y N₂O.

Los testigos de sedimento fueron cortados en secciones de 2 cm de espesura hasta los 16 cm de profundidad. Cada sección fue colocada en un recipiente individual, homogenizada, conservada a 4°C y posteriormente analizada en laboratorio, donde fue cuantificado el nitrógeno total del sedimento por el método de Valderrama (1981), y el fósforo total, según Andersen (1976). La materia orgánica y el contenido de agua fueron cuantificados por método termo gravimétrico. Conjuntamente, testigos de sedimento fueron colectados con un colector tipo Kajak-Brinkhurst -adaptado para tubos de PVC cristal de 30 mm de diámetro interno y 60 cm de largo-, que fueron destinados al análisis de gases en el agua intersticial. Dichos testigos fueron cortados in situ en 8 secciones de sedimento de 1 cm de espesor, con un dispositivo hermético diseñado específicamente para acoplarse en la parte superior del tubo y permitir la transferencia del sedimento a frascos herméticos con el mínimo contacto con el aire. Este procedimiento se realizó a bordo de la embarcación inmediatamente después de la colecta del testigo de sedimento. Como control se colectó una muestra del aire atmosférico en el barco para descontar posibles contaminaciones. Las muestras de sedimento colectadas fueron mantenidas refrigeradas en una caja térmica con hielo hasta ser procesadas para el análisis cromatográfico.

En el laboratorio de campo, las muestras de sedimento colectadas en frascos herméticos fueron homogeneizadas y ecualizadas. Fue retirado un volumen de 10 mL de headspace con una jeringa y transferido a frascos de vidrio con septos de silicona y tapas a rosca llenos de agua destilada, con volumen conocido, para formar un nuevo headspace con la muestra a ser analizada por cromatografía gaseosa. Estas muestras fueron conservadas con 0,5 mL de formaldehído y a 4°C hasta su análisis. La cuantificación de los gases CH₄, CO₂ y N₂O en los headspace de los frascos con las muestras colectadas del agua sobre la interfase e intersticial del sedimento fue realizada en un cromatógrafo gaseoso. El mismo pertenece a la Facultad de Agronomía, es marca Agilent, modelo 7890B modificado para detección de GEI. Cuenta con un detector FID (CH₄ y CO₂) y un detector microcaptura electrónica para N₂O, columnas en serie HaesEPq 80-100 mesh, de 3,6 m y 1,8 m; se utilizó N₂ como gas carrier. Las muestras control del aire atmosférico pasaron por los mismos procedimientos y los resultados obtenidos fueron substraídos de las concentraciones de gas cuantificadas en las muestras. Los cálculos de las concentraciones de gases en el agua sobre la interfase y el agua intersticial fueron realizados utilizando los coeficientes de difusión de cada gas, temperatura y presión del local en estudio, y el cálculo de los flujos difusivos de los gases CH₄, CO₂ y N₂O a través de la interfase sedimento-agua fue realizado segun el método de capa límite utilizando la primera ley de Fick, según descripto en Adams (1999).

Paralelamente, se tomaron muestras para análisis de calidad de agua. Las muestras de agua fueron colectadas a 0, 4 y 16 m de profundidad con una botella muestreadora Ruttner de 1L. Se determinaron: nitrógeno total (NT) y fósforo total (PT) (American Public Health Association, American Water Works Association y Water Environment Federation, 2005a), fósforo reactivo soluble (PRS) (American Public Health Association, American Water Works Association y Water Environment Federation, 2005b), nitrato (NO₃) (American Public Health Association, American Water Works Association y Water Environment Federation, 2005c), amonio (NH₄) (American Public Health Association, American Water Works Association y Water Environment Federation, 2005d), sólidos suspendidos totales (SST) (American Public Health Association, American Water Works Association y Water Environment Federation, 2005e), materia orgánica (MO) (American Public Health Association, American Water Works Association y Water Environment Federation, 2005f) y clorofila a (International Organization for Standardization, 1992). In situ se midieron: temperatura, pH, conductividad y oxígeno disuelto con una sonda multiparamétrica Horiba (serie U51) y profundidad de disco de Secchi (m). Las diferencias de CH₄, N₂O y CO₂ entre los 0,5 y 5 cm de profundidad de los sedimentos se testearon mediante test Anova de 1 vía, en el caso del CO₂ los datos no presentaron normalidad, por lo que fueron normalizados mediante una transformación (log10).

Resultados

El día del muestreo, el embalse se presentó mezclado, con una diferencia de temperatura superficie-fondo de 0,08 °C. La profundidad del disco de Secchi fue de 1,4 m, el pH se situó en 8,4, el O₂ disuelto alcanzó un máximo de 8,7 mg/L en la superficie y un mínimo de 7,9 mg/L en el fondo, mientras que la conductividad estuvo entre 67 - 68 µS/cm. La mayor concentración de SST se registró a los 4 m con 3,3 mg/L, mientras que en la superficie y el fondo fue de 2,9 y 3,1 mg/L, respectivamente. El porcentaje de materia orgánica varió entre 51,7% y 63,6%. La distribución de los nutrientes en la columna de agua fue variable, la mayor concentración de NH₄, y NT se registró en el epilimnion, con un descenso hacia las capas más profundas, alcanzando los mínimos a los 4 m de profundidad. En el caso del PT, se registraron similares concentraciones tanto en el epilimnion como en el hipolimnion, con una leve disminución en su concentración a los 4 m. El NO₃ y el PRS presentaron una distribución en gradiente con un incremento de concentración hacia el hipolimnion. La clorofila a tuvo su máxima concentración en el epilimnion (Tabla 1). En lo referente a los sedimentos, fueron homogéneos en contenido de agua, materia orgánica y PT a lo largo del perfil vertical, mientras que el NT presentó mayor variabilidad vertical y su concentración fue mayor que la del PT (Figura 1).

Dentro de la interfase sedimento-agua (5 - 0,5 cm), el gas que presentó las mayores concentraciones fue el CO₂, seguido por el N₂O y el CH₄. No se registraron diferencias significativas en las concentraciones de ningún GEI entre 5 y 0,5 cm por encima del sedimento, N₂O anova (F= 0,110, p= 0,756), CH₄ anova (F= 1,127, p= 0,348), CO₂ anova (F= 1,947, p= 0,235). En ningún momento se registró anoxia en el agua del fondo del embalse (Tabla 2).

En la Figura 2 están representados los datos de concentración de CH₄, CO₂ y N₂O en el agua intersticial de los sedimentos. Se observaron variaciones en las concentraciones de los gases del agua intersticial de los testigos (sedimentos) colectados. Las mayores concentraciones de CO₂ (máx = 5,9 mg/L) y N₂O (máx = 0,007 mg/L) se registraron en los primeros centímetros del sedimento y disminuyeron con la profundidad. Por su parte, el CH₄ presentó un amplio rango de concentración entre los testigos, sin una clara distribución en el sedimento. Su concentración en la superficie de los sedimentos estuvo comprendida entre (0,006 − 0,185 mg/L).

Las concentraciones de los GEI (mmol/m²) de los sedimentos integrados de (0 - 4 cm) y sus flujos difusivos a través de la interfase sedimento-agua son mostradas en la Tabla 3. El CO₂ y el CH₄ fueron los gases con mayor concentración por m² de sedimento. En lo referente a sus flujos difusivos, el CO₂ (máx. = 1,198 mg/m²/d) fue superior al CH₄ (máx. = 0,194 mg/m²/d) y al N₂O (máx. = 0,02 mg/m²/d), donde este último presentó flujo negativo en uno de los testigos colectados.

Discusión

Este trabajo constituyó una puesta a punto de la técnica de cuantificación de gases de efecto invernadero y sus flujos difusivos a través de la interfase sedimento–agua, y su aplicación en un embalse para su estudio. De acuerdo con Abril y otros (2005), en embalses antiguos (como Rincón del Bonete, 1945), la producción primaria in situ junto con los aportes de afluentes son las principales fuentes de materia orgánica que alcanzan los sedimentos. El embalse de Bonete, al ser mesotrófico -de acuerdo con los valores de PT- (Salas y Martino, 1990), promueve el desarrollo de floraciones de cianobacterias en verano (Chalar, et al., 2010, 2015; González-Piana, et al., 2011, 2017, 2018). De esta forma, la acumulación sucesiva de elevadas biomasas de cianobacterias sobre los sedimentos constituiría la principal fuente de materia orgánica disponible a ser biodegradada en el embalse, contribuyendo con la producción de gases de efecto invernadero, principalmente en zonas anóxicas.

En este estudio, el embalse se presentó mezclado en la totalidad de la columna de agua, determinando que elevadas concentraciones de O₂ alcanzaran el hipolimnion. Esto causó que en dicha zona predominara un metabolismo aeróbico, el cual explicaría que el CO₂ haya sido el GEI más abundante. Esta característica es típica de lagos oligotróficos a mesotróficos, donde el hipolimnion se mantiene en condiciones óxicas en toda la columna de agua, todo el año (Brasil. Ministério de Minas e Energia, 2012). Bajo estas condiciones, la metanogénesis estaría inhibida y la producción de CH₄ se restringiría a las capas más profundas de los sedimentos (Lovley y Klug, 1983; Kuivila, et al., 1988). En función de esto, las bajas concentraciones obtenidas en este trabajo serían producto de la difusión del gas desde los sedimentos a través de un gradiente de concentración y de su eventual consumo por bacterias metanotróficas (Panhniban, et al., 1979; Sweerts, et al., 1996; Utsumi, et al., 1998). De acuerdo con algunos autores, hasta un 90% del CH₄ es consumido por metanótrofos en la interfase sedimento-agua (Kuivila, et al., 1988, Kiene, 1991; Liikanen, et al., 2002).

Por otro lado, también sería importante considerar la producción aeróbica de CH₄ mediante la metabolización bacteriana de compuestos como el metilfosfonato (Yao, et al., 2016, Wang, et al., 2017), o bien a partir del metabolismo algal (Lenhart, et al., 2016; Klintzsch, et al., 2019, Bižić, et al., 2020; León-Palmero, et al., 2020). La vía del metilfosfonato puede ser muy relevante en ambientes oligotróficos, en los que la baja disponibilidad de fósforo soluble fuerza la utilización del fósforo integrante de moléculas orgánicas como el metilfosfonato, promoviendo la formación de CH₄ bajo condiciones aeróbicas. En el caso de N₂O, la mayor fuente biogénica en la interfase sedimento-agua es la desnitrificación. Esta ocurre en condiciones deficientes de O₂ disuelto, con concentraciones inferiores a 1 mg/L, las cuales son muy inferiores a las registradas en este trabajo. Es probable que las condiciones óxicas observadas sobre la interfase sedimento-agua hayan inhibido parte de este proceso, el cual se vio favorecido por la mayor presencia de formas nitrogenadas en el agua y el sedimento (Liikanen, et al., 2002).

A nivel de sedimentos, nuestros resultados muestran que Rincón del Bonete presentó concentraciones de GEI superiores a las detectadas en la interfase sedimento-agua. Tal como reportara Huttunen y otros (2006), en otros sistemas, el CH₄ presentó variaciones de concentraciones en los sedimentos. De acuerdo con Kiene (1991), esto sería reflejo de la interacción entre los diferentes factores implicados en su producción, tanto biológicos (metabolismo microbiano) como físicoquímicos (tipo y cantidad de materia orgánica disponible, disponibilidad de aceptores de electrones, pH, temperatura, y procesos de mezcla en la interfase sedimento-agua). Las concentraciones de GEI en los sedimentos de Rincón del Bonete fueron inferiores a las registradas, por ejemplo, en embalses de Brasil (Tabla 4). Esta baja concentración de GEI se debería a la falta de condiciones anóxicas en el sedimento que generaría escaso poder reductor, el cual no fue medido en este trabajo.

La baja concentración de GEI en los sedimentos determinó que los flujos difusivos de CH₄, CO₂ y N₂O a través de la interfase sedimento-agua fueran muy inferiores a los valores observados en otros sistemas, por ejemplo, represas eutróficas tropicales, sistemas con abundante reserva de materia orgánica en sus sedimentos y embalses templados o boreales (Adams, et al., 2000; Abe, et al., 2005; Huttunen, et al., 2006; Brasil. Ministério de Minas e Energia, 2012) (Tabla 5). Somos conscientes de las limitantes que tuvo este trabajo, ya que por tratarse de una primera implementación de la técnica para medir GEI en sistemas lénticos, contó con un bajo número de muestras, así como de poca variabilidad espacial y temporal. Los resultados son alentadores para poder seguir profundizando en el estudio de GEI en embalses hidroeléctricos del país y comprender cuáles son los factores que determinan su producción.

Agradecimientos

La AIIEGA agradece a la Sección Limnología de la Facultad de Ciencias de la Universidad de la República en la persona del Profesor Dr. Guillermo Chalar por la invitación para realizar este estudio piloto en el embalse Rincón del Bonete. Los investigadores Donato Seiji Abe y Corina Sidagis Galli agradecen por la ayuda financiera de PEDECIBA Geociencias. La Sección Limnología de la Facultad de Ciencias agradece a Corina Sidagis Galli y Donato Seiji Abe, investigadores de AIIEGA, por su colaboración para la realización de este estudio.

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