Una relación carbono-nitrógeno ( relación C/N o relación C:N ) es una relación entre la masa de carbono y la masa de nitrógeno en los residuos orgánicos . Puede utilizarse, entre otras cosas, para analizar sedimentos y suelos, incluida la materia orgánica del suelo y enmiendas del suelo como el compost .
En el análisis de sedimentos, las relaciones C/N son un indicador para la investigación paleoclimática , y tienen diferentes usos, ya sea que los núcleos de sedimentos sean terrestres o marinos. Las proporciones de carbono a nitrógeno son un indicador de la limitación de nitrógeno de las plantas y otros organismos y pueden identificar si las moléculas encontradas en el sedimento en estudio provienen de plantas terrestres o de algas. [1] Además, pueden distinguir entre diferentes plantas terrestres, dependiendo del tipo de fotosíntesis que realizan. Por lo tanto, la relación C/N sirve como herramienta para comprender las fuentes de materia orgánica sedimentaria, lo que puede conducir a información sobre la ecología, el clima y la circulación oceánica en diferentes momentos de la historia de la Tierra. [1]
Las proporciones C/N en el rango de 4-10:1 generalmente provienen de fuentes marinas, mientras que las proporciones más altas probablemente provienen de una fuente terrestre. [2] [3] Las plantas vasculares de fuentes terrestres tienden a tener relaciones C/N superiores a 20. [1] [4] La falta de celulosa , que tiene una fórmula química de (C 6 H 10 O 5 ) n , y una mayor cantidad de proteínas en las algas frente a las plantas vasculares provoca esta diferencia significativa en la relación C/N. [1] [5] [6]
Ejemplos de dispositivos que se pueden utilizar para medir esta relación son el analizador CHN y el espectrómetro de masas de relación isotópica de flujo continuo (CF-IRMS). [7] Sin embargo, para aplicaciones más prácticas, las relaciones C/N deseadas se pueden lograr mezclando sustratos usados comúnmente con contenido conocido de C/N, que están fácilmente disponibles y son fáciles de usar.
La materia orgánica que se deposita en los sedimentos marinos contiene un indicador clave en cuanto a su origen y los procesos que experimentó antes de llegar al suelo, así como después de la deposición, su proporción de carbono a nitrógeno. [8] [9] [10] [4] En los océanos globales, las algas recién producidas en la superficie del océano generalmente tienen una proporción de carbono a nitrógeno de aproximadamente 4 a 10. [9] Sin embargo, se ha observado que solo el 10% de esta materia orgánica (algas) producida en la superficie del océano se hunde en las profundidades del océano sin ser degradada por las bacterias en tránsito, y solo alrededor del 1% queda enterrado permanentemente en el sedimento. Un proceso importante llamado diagénesis de sedimentos representa el otro 9% del carbono orgánico que se hundió en las profundidades del océano, pero que no quedó enterrado permanentemente, es decir, el 9% del carbono orgánico total producido se degrada en las profundidades del océano. [11] Las comunidades microbianas que utilizan el carbono orgánico que se hunde como fuente de energía son parciales a los compuestos ricos en nitrógeno porque muchas de estas bacterias tienen limitaciones de nitrógeno y lo prefieren al carbono. Como resultado, la proporción de carbono a nitrógeno del carbono orgánico que se hunde en las profundidades del océano es elevada en comparación con la materia orgánica fresca de la superficie del océano que no había sido degradada. Se observa un aumento exponencial en las relaciones C/N al aumentar la profundidad del agua: las relaciones C/N alcanzan 10 en profundidades de agua intermedias de aproximadamente 1000 metros y hasta 15 en las profundidades del océano (a más de aproximadamente 2500 metros) [ cita necesaria ] . Esta firma C/N elevada se conserva en el sedimento, hasta que otra forma de diagénesis, la diagénesis posdeposicional, altera su firma C/N una vez más. [6] La diagénesis post-deposicional ocurre en sedimentos marinos pobres en carbono orgánico donde las bacterias pueden oxidar la materia orgánica en condiciones aeróbicas como fuente de energía. La reacción de oxidación se produce de la siguiente manera: CH 2 O + H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e − , con una energía libre estándar de –27,4 kJ mol −1 (media reacción). [11] Una vez que se agota todo el oxígeno, las bacterias pueden llevar a cabo una secuencia anóxica de reacciones químicas como fuente de energía, todas con valores negativos de ∆G°r, y la reacción se vuelve menos favorable a medida que avanza la cadena de reacciones. . [11]
El mismo principio descrito anteriormente que explica la degradación preferencial de la materia orgánica rica en nitrógeno ocurre dentro de los sedimentos, ya que son más lábiles y tienen mayor demanda. Este principio se ha utilizado en estudios paleoceanográficos para identificar sitios centrales que no han experimentado mucha actividad microbiana o contaminación por fuentes terrestres con relaciones C/N mucho más altas. [12]
Por último, el amoníaco, el producto de la segunda reacción de reducción, que reduce el nitrato y produce gas nitrógeno y amoníaco, se absorbe fácilmente en las superficies minerales arcillosas y se protege de las bacterias. Esto se ha propuesto como una explicación para firmas de C/N de carbono orgánico inferiores a las esperadas en sedimentos que han sufrido diagénesis post-deposicional. [6]
El amonio producido a partir de la remineralización de material orgánico existe en concentraciones elevadas (1 - >14 μM) dentro de los sedimentos marinos de la plataforma cohesiva que se encuentran en el Mar Céltico (profundidad: 1 a 30 cm). La profundidad del sedimento supera el metro y sería un lugar de estudio adecuado para realizar experimentos de paleolimnología con C:N.
A diferencia de los sedimentos marinos, la diagénesis no representa una gran amenaza para la integridad de la relación C/N en los sedimentos lacustres. [1] [13] Aunque la madera de los árboles vivos alrededor de los lagos tiene relaciones C/N consistentemente más altas que la madera enterrada en sedimentos, el cambio en la composición elemental no es lo suficientemente grande como para eliminar las señales de las plantas vasculares versus no vasculares debido a la naturaleza refractaria. de materia orgánica terrestre. [1] [14] [13] Los cambios abruptos en la relación C/N hacia abajo del núcleo pueden interpretarse como cambios en el material de origen orgánico.
Por ejemplo, dos estudios separados en el lago Mangrove, Bermuda y el lago Yunoko, Japón, muestran fluctuaciones irregulares y abruptas entre C/N alrededor de 11 y alrededor de 18. Estas fluctuaciones se atribuyen a cambios de un dominio principalmente de algas a un dominio vascular terrestre. [13] [15] Los resultados de estudios que muestran cambios abruptos en la dominancia de las algas y la dominancia vascular a menudo conducen a conclusiones sobre el estado del lago durante estos distintos períodos de firmas isotópicas. Los momentos en que los lagos están dominados por señales de algas sugieren que el lago es de aguas profundas, mientras que los momentos en que los lagos están dominados por señales de plantas vasculares sugieren que el lago es poco profundo, seco o pantanoso. [13] El uso de la relación C/N junto con otras observaciones de sedimentos, como variaciones físicas, análisis isotópicos D/H de ácidos grasos y alcanos, y análisis de δ13C en biomarcadores similares, puede conducir a más interpretaciones climáticas regionales que describan los fenómenos más amplios. jugando.
En comunidades microbianas como el suelo, la relación C:N es un indicador clave, ya que describe un equilibrio entre los alimentos energéticos (representados por el carbono) y el material con el que formar proteínas (representado por el nitrógeno). Una relación C:N óptima de alrededor de 24:1 proporciona una mayor actividad microbiana. [16] [17]
La relación C:N del suelo se puede modificar añadiendo materiales como abono, estiércol y mantillo . Una materia prima con una relación C:N casi óptima se consumirá rápidamente. Cualquier exceso de C hará que el N originalmente en el suelo se consuma, compitiendo con la planta por los nutrientes (inmovilización), al menos temporalmente hasta que los microbios mueran. Por otra parte, cualquier exceso de N normalmente quedará atrás (mineralización), pero demasiado exceso puede provocar pérdidas por lixiviación. Por lo tanto, la relación C:N recomendada para los materiales del suelo es 30:1. Se puede realizar una prueba de suelo para encontrar la proporción C:N del suelo mismo. [dieciséis]
La proporción C:N de los propios microbios es generalmente de alrededor de 10:1. [16] Una proporción más baja se correlaciona con una mayor productividad del suelo. [18]
El papel de la relación C:N en la materia prima del compost es similar al de la materia prima del suelo. La recomendación es alrededor de 20-30:1. Los microbios prefieren una proporción de 30-35:1, [4] pero el carbono generalmente no se digiere completamente (especialmente en el caso de la materia prima de lignina ), de ahí la proporción reducida. [19]
Un desequilibrio de la relación C:N provoca una ralentización del proceso de compostaje y un descenso de la temperatura. Cuando la relación C:N es inferior a 15:1, puede producirse desgasificación de amonio , lo que genera olor y pierde nitrógeno. [20] Un compost terminado tiene una proporción C:N de alrededor de 10:1. [19]
El contenido de C y N de las materias primas se conoce generalmente a partir de tablas de búsqueda que enumeran tipos comunes de materias primas. Es importante deducir el contenido de humedad si el valor indicado es para material seco. [19]
Para los productos alimenticios con un análisis nutricional , el contenido de N puede estimarse a partir del contenido de proteína como % de proteína × 0,16 , invirtiendo el cálculo de la proteína cruda . [21] El contenido de C puede estimarse a partir del contenido de cenizas crudas (a menudo informado en los alimentos para animales) [19] o de los niveles de macronutrientes informados como % de carbohidratos × 0,44 + % de grasa × 0,86 + % de proteína × 0,53 . [22]
Dada la relación C:N y uno de contenidos de C y N, el otro contenido puede calcularse utilizando la propia definición de la relación. [19] Cuando sólo se conoce la relación, se debe estimar el % C+N total o uno de los contenidos para obtener ambos valores.
La relación C:N de materias primas mixtas se calcula sumando sus cantidades de C y N y dividiendo los dos resultados. Para el compost, la humedad también es un factor importante. [19]
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