COMPARACIÓN DE TRES TÉCNICAS PARA ANALIZAR MATERIA ORGÁNICA EN SEDIMENTOS NOTA CIENTíFICA

Trabajo recibido el 12 de enero de 1983 y aceptado para su publicación el 18 de abril de 1983.

RESUMEN

INTRODUCCIÓN

Son muy diversos los intereses por los cuales se analiza el material orgánico en los sedimentos; mientras los geoquímicos intentan dilucidar el papel que juega la fracción orgánica en el transporte, depositación y retención de elementos traza en sedimentos, los geólogos tratan de explicar algunos procesos sedimentarios considerando el material orgánico. Adicionalmente los biólogos investigan cómo influye la composición química de los sedimentos en los organismos bentónicos.

La necesidad de realizar análisis rápidos de este parámetro en muestras ha resultado en el uso de los métodos de ignición y de titulación por su fácil realización y rapidez; sin embargo, en algunos laboratorios el carbono orgánico ha sido determinado mediante equipo especializado, tal como el analizador de carbono semiautomático LECO (Laboratory Equipment Corporation) y otros analizadores de carbono para aceros los cuales han sido adaptados para el análisis de este parámetro en sedimentos y rocas.

Esta técnica comprende la medición de la pérdida de peso de la muestra después de realizar una combustión seca del material orgánico; el procedimiento analítico varia ampliamente con respecto a la temperatura y tiempo de combustión. Dean (1974) encontró que las pérdidas por ignición llevadas a 550°C proveen una medida del contenido del material orgánico con una precisión comparable a otros métodos como el analizador de carbono, el cual mide el carbono total como CO ₂ por cromatografía de gases.

La técnica consiste en oxidar una porción de la muestra con dicromato de potasio en H₂SO₄, utilizando el calor exotérmico del ácido; posteriormente el exceso de dicromato se titula con una solución de sulfato de amonio ferroso.

No obstante que este método fue desarrollado por Walkey y Black (1934) para determinar carbono orgánico en suelos, este ha sido aplicado también para sedimentos marinos y lacustres (Gaudette et al1974). El error más evidente que presenta esta técnica es el que se relaciona con la presencia de componentes inorgánicos que consumen dicromato de potasio. Okuda (1964) ha demostrado que en los sedimentos marinos los cloruros simultáneamente son oxidados por el dicromato de potasio conjuntamente con los materiales orgánicos, originándose así un error positivo. Sin embargo, dicho error ha sido corregido afiadiendo sulfato de plata en la mezcla de digestión (Loring 1976, Loring y Rantala 1977). Otro de los problemas que presenta este método viene a ser la diferencia de condiciones redox del carbono orgánico en los sedimentos, los cuales tienen un efecto directo sobre el consumo de dicromato. (Niino et al1969).

CARBONO ORGÁNICO COMO CO₂

Algunos laboratorios están equipados con instrumentos para determinar el carbono de las muestras por cromatografía o gasométricamente Como CO₂. De éstas, la última ha sido la más usada, de tal forma que el analizador LECO ha sido definido el procedimiento estándar para los análisis de los materiales obtenidos por el Deep Sea Drilling Project (Dean 1974). En este equipo la muestra es calentada en un horno de inducción bajo una corriente de oxígeno purificado el cual transporta los gases producidos a varias trampas; una de polvos, otra de sulfuros y a un convertidor catalítico (para pasar el CO a CO₂), posteriormente los gases entran al analizador de CO₂, donde desplazan un volumen H₂SO₄diluido, cuando la combustión termina los gases colectados pasan a un recipiente con KOH en solución, la cual absorbe el CO₂ y entonces regresan a la bureta original, la diferencia de volumen de H₂SO₄obtenida es usada como medida del CO, producido desde la muestra (johnson y Maxwell 1981).

El propósito del presente trabajo es comparar los resultados de los análisis realizados en 40 muestras de cinco núcleos, procedentes de una laguna costera tropical, la cual presenta algunas características variables en sus sedimentos. Las técnicas que se comparan son las tres anteriormente mencionadas.

En la Tabla 1 se presentan algunas características generales de los núcleos empleados en el estudio, asimismo en la figura 1 se localiza el área de muestreo la cual ha sido descrita por diferentes investigadores (Lankfordet al.1974, Mandelli y Vázquez-Botello 1976, Mee 1977, Martinez-Guerrero 1978 y Mee 1979).

Fig. 1. Laguna Chautengo, Gro. Méx. Las abreviaturas corresponden a: BRN-1 = Boca del Río Nexpa (cerca de la barra); BRN-2= Boca del Río Nexpa localizado en la boca del río; CP-3 Canal Principal; C-4 = Centro de la Laguna y BRC-5 = Boca del Río Copala.

TABLA 1 CARACTERISTICAS GENERALES DE LOS SEDIMENTOS COLECTADOS DE LAGUNA CHAUTENGO, GRO. (LOCALIZACIÓN:16º36' A 16º40' NORTE Y 99º09' OESTE)

El material sedimentario se obtuvo mediante un nucleador tipo Phleger provisto de tubos de PVC (cloruro de polivinilo) previamente lavados y enjuagados con HNO₃10%. Inmediatamente después de extraerlos los núcleos fueron congelados para evitar su disturbación al transportarlos, así como posibles cambios en su composición. Una vez en el laboratorio se mantuvieron a -4ºC hasta que fueron cortados en los intervalos de profundidad que se presentan en la Tabla 2. Posteriormente se secó el sedimento a 90± 5°C por 24 horas para enseguida homogenizarlo y analizar así el contenido de materia orgánica.

Pérdidas por Ignición. El material molido y secado a peso constante fue calcinado a 550°C durante una hora, enfriado en un desecador y pesado nuevamente, la diferencia de peso se empleó para calcular el porcentaje de material perdido por ignición, Dean (1974).

Carbono Orgánico por Titulación. El carbono orgánico por titulación o "fácilmente oxidable" se determinó oxidando 0.5 g del sedimento con 10 ml de K₂Cr₂O₇lN en 20 ml de H₂SO₄ concentrado con Ag₂S0₄(0.25%), utilizándose para la reacción el calor de dilución del H₂SO₄. El exceso de K₂Cr₂0₇ se valoró con una solución de Fe(NH₄)₂(S0₄)₂0.5 N, usando difenilamina como indicador en presencia de H₃P0₄ Y NaF (Loring y Rantala 1977).

Carbono Orgánico como CO₂. Para esta determinación se utilizó un horno de tubo Stróhlein el cual opera de manera similar al analizador LECO (Fig. 2). Cada muestra se colocó en una navecilla de cerámica a 550°C en el horno bajo una corriente de oxígeno seco y puro, tanto el CO₂ producido como el O₂ residual pasan a una bureta gasométrica y de allí a un vaso absorbedor que contiene KOH al 30% (en donde se atrapa el CO₂); posteriormente el exceso de CO₂ se regresó a la bureta donde finalmente es medido el volumen de CO₂ producido. La reproducibilidad del análisis es ± 0.06% C (SIC 1962, Universal 1971).

Granulometría. Las fracciones arcillosas, limosa y arenosa fueron separadas mediante la malla de 0.062 µm y sedimentación después de dispersar el sedimento con pirofosfato de sodio (10^-4M) y agua deionizada en un bailo sónico (Halbach et al., 1979).

Fig. 2. Material y equipo usado en la determinación volumétrica del carbono. 1: Tanque de oxígeno; 2: Rotámetro y válvula reductora; 3: Frasco lavador (KOH); 4: Tubo en "U" (ascarita o sílice); 5: Frasco lavador (H2SO4); 6: Horno de combustión; 7: Tablero de control; 8: Separador de azufre; 9: Refrigerante; 10: Válvula múltiple; 11: Bureta; 12: Escala; 13: Frasco nivelador y 14: Absorbedor de CO2.

En la Tabla 2 se muestran comparativamente las concentraciones de humedad y materia orgánica determinada no cada una de las técnicas mencionadas. Excepto en algunas secciones del fondo, todos los núcleos de la boca de los ríos (BRN-1 BRN-2 y BRC-5), presentan un mayor contenido, de Corgánico (gasométrico) que cl determinado por titulación, mientras que los núicleos CP-3 y C-4 presentan resultados opuestos. Esto último, Niino et al.(1969), lo explican argumentando que la materia orgánica al encontrarse en un estado más reducido requiere de una mayor cantidad de K₂Cr₂O₇para oxidarse, y por consiguiente se obtienen así valores más altos en la determinación, esta situación puede ser aplicable a los sedimentos del núcleo C-4 pero no a los del CP-3, debido a que este último núcleo no presenta condiciones que indiquen que está reducido, (Véase Tabla 1). Lo anterior permite sugerir que además, de las condiciones redox y los cloruros, pueden existir otros materiales inorgánicos que se relacionen con cl consumo de dicromato en la técnica titulométrica.

TABLA 2 RESULTADOS DE LAS DETERMINZACIONES DE HUMEDAD Y MATERIA ORGÁNICA COMO: PÉRDIDAS POR IGNICIÓN (PPI)% C OBTENIDO POR TITULACIÓN CON DICROMATO (TD) Y % C COMO CO 2 (C-CO2). EN EL CASO DE LAS DOS PRIMERAS TECNICAS LOS VALORES QUE SE PRESENTAN SON LOS PROMEDIOS DE TRES DETERMINACIONES

Con el objeto de comparar las técnicas entre si, se realizó cl analisis de regresión (Tabla 3, Figs. 3, 4 y 5), cl cual indica que cl coeficiente de correlación (r²) más alto lo presentan el C-orgánoco por titulación y cl obtenido gasométricamente (Fig. 3), en esta figura todos los núcleos, con excepción del C-4, tienen un r² > 0.95.

En la comparación de las pérdidas por ignición con las otras dos técnicas se observan en general que los coeficientes de correlación varían entre 0.02 y 0.99 según el núcleo (Figs. 4, 5 y Tabla 3).

Con cl fin de explicar la diferencia de resultados entre las técnicas mencionadas, a continuación se investigó la correlación entre las proporciones de arcillas y cl contenido de material orgánico.

Los sedimentos del Canal Principal (CP-3), con los únicos que muestran una correlación positiva entre el porcentaje de arcillas y la materia orgánica medida gasométricamente o evaluando las pérdidas por ignición (Fig. 6). El núcleo C-4 presenta una relación similar al anterior cuando la materia orgánica se expresa como pérdidas por ignición, pero en cambio hay una correlación negativa cuando el contenido orgánico se representa como CO₂(Fig7).

TABLA 3 COMPARACIÓN DE LA S TÉCNICAS DE MATERIA ORGÁNICA POR ANÁLISIS DE REGRESIÓN (VÉASE LAS ABREVIATURAS PPI,TD Y C-CO2 EN LA TABLA 2)

Fig. 3. Análisis de regresión para los resultados de la determinación de materia orgánica como: % C como CO2 . y % C "fácilmente oxidable" por Titulación.

Fig. 4. Análisis de regresión para los resultados de la determinación de materia orgánica como: % C "fácilmente oxidable" por Titulación y % de Pérdidas por Ignición.

Fig. 5. Análisis de regresión para los resultados de la determinación de materia orgánica como: % C como C02 y % de Pérdidas por ignición.

Fig. 6. Relación entre el porcentaje de arcillas y el contenido de materia orgánica para los sedimentos del Canal Principal (CP-3).

Fig. 7. Relación entre el porcentaje de arcillas y el contenido de materia orgánica para los sedimentos del Centro de la Laguna (C-4).

Las pérdidas de peso por calentamiento en arcillas han sido bien estudiadas desde hace tiempo (Grim, 1953), algunos tipos de arcillas al someterse a elevadas temperaturas liberan agua, la cual al ser incluida en las pérdidas por ignición originan un error en la estimación de materia orgánica por esta técnica. Esto puede explicar los resultados de pérdidas por ignición del núcleo C4, los cuales pueden conducir a interpretaciones erróneas cuando se analiza la variación del material orgánico en muestras con una proporción variable de arcillas. Además de las proporciones variables de arcillas que pierden agua a elevadas temperaturas, las muestras de sedimento entre sí, pueden carecer de correlación entre pérdidas por ignición y C-orgánico, debido a la diferencia de proporciones de carbono y demás elementos volátiles que componen a la materia orgánica.

Diferentes investigadores han propuesto factores de conversión para calcular el material orgánico total a partir del C-orgánico (Trask 1953, Palacas et al 1968, Jackson 1970, Remani et al.1981). Al usar en este estudio cualquiera de estos factores, las concentraciones de materia orgánica total resultan siempre inferiores a los valores obtenidos por pérdidas por ignición.

En los sedimentos del Lago Superior, Johnsonet al.(1982) utilizan un factor de 1.33 para medir el C-orgánico a partir del resultado obtenido por titulación. Este factor en los sedimentos de Laguna Chautengo varía, según el núcleo y el intervalo considerado. Para los núcleos de las bocas de los ríos todos los valores caen dentro del rango de 0.74-1.22, mientras que para el Canal Principal (CP-3) oscilan entre 0.92 y 0.97, finalmente para el núcleo del centro de la laguna los valores caen entre 0.56 y 1.06. Estos resultados no permiten sugerir el uso de un factor dado para calcular el C-orgánico a partir de los valores obtenidos por titulación.

A partir de tres determinaciones por muestra se calcularon el coeficiente de variación mayor en cada núcleo para las técnicas de Pérdidas por Ignición y C-orgánico por Titulación (Tabla 2), en general los valores más altos son para la primera técnica, en donde se tiene un coeficiente de variación hasta del ± 8.2%.

Según los fines del análisis y características de las muestras las determinaciones de materia orgánica se pueden hacer seleccionando alguna de las tres técnicas mencionadas; en sedimentos no arcillosos el contenido orgánico total se puede estimar mediante las Pérdidas por Ignición, para sedimentos con condiciones redox similares la técnica de Titulación permite medir el C-orgánico, sobre todo cuando los sedimentos pertenecen todos a una misma área y están compuestos del mismo tipo de materiales orgánicos. Cuando se tienen muestras de sedimentos arcillosos con variables características redox, el analizador de Carbono resulta ser el método de referencia más confiable.

La comparación de las técnicas para determinar materia orgánica realizada en este trabajo permiten establecer lo siguiente:

El mayor contenido de C-orgánico por Titulación comparado al obtenido como CO₂permiten sugerir que además de las condiciones redox del C-orgánico y de los cloruros pueden haber otros materiales inorgánicos que se relacionen con el consumo de dicromato en la técnica de oxidación húmeda.

El análisis de regresión realizado para comparar las tres técnicas nos indica que la correlación más alta se presenta entre las técnicas de C-orgánico por Titulación y el obtenido como CO₂.

Utilizar las pérdidas por ignición como una medida del material orgánico puede conducir a interpretaciones erróneas, cuando existen pequeñas diferencias en el contenido orgánico de muestras con proporciones variables de minerales arcillosos.

Aún para una misma área, como las diferentes localizaciones de un lago o una laguna, emplear un factor para medir C-orgánico a partir de los análisis de la Titulación puede conducir a valores muy diferentes a los medidos por combustión. Este factor en los sedimentos de Laguna Chautengo varia según el núcleo y la sección, desde valores de 0.56 hasta 1.22.

Sa agradece a A. Obregón Pérez, de la Facultad de Química, UNAM, por haber brindado su asesoría y facilidades de su laboratorio en los análisis realizados con el horno de tubo Ströhlein, a G. de la Lanza y L. D. Mee por sus valiosas sugerencias en la realización del manuscrito.

Aviso de Privacidad

Cerrar esta ventana