La relación carbono-nitrógeno ( relación C/N o relación C:N ) es la 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 los aditivos 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, independientemente de si los núcleos de sedimentos son terrestres o marinos. Las relaciones carbono-nitrógeno indican el grado de limitación de nitrógeno de las plantas y otros organismos. 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 realicen. 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 relaciones C/N en el rango de 4-10:1 generalmente provienen de fuentes marinas, mientras que las relaciones más altas probablemente provengan de una fuente terrestre. [2] [3] Las plantas vasculares de fuentes terrestres tienden a tener relaciones C/N mayores de 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 en comparación con las plantas vasculares causan 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 de 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 comúnmente utilizados de contenido C/N conocido, que están fácilmente disponibles y son fáciles de usar.
La materia orgánica que se deposita en los sedimentos marinos contiene un indicador clave de su origen y de los procesos que experimentó antes de llegar al fondo, así como después de la deposición, su relación carbono-nitrógeno. [8] [9] [10] [4] En los océanos globales, las algas recién producidas en la superficie del océano suelen tener una relación carbono-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 el fondo del océano profundo sin ser degradada por bacterias en tránsito, y solo alrededor del 1% queda enterrado de forma permanente en el sedimento. Un proceso importante llamado diagénesis de sedimentos representa el otro 9% del carbono orgánico que se hundió en el fondo del océano profundo, pero no quedó enterrado de forma permanente, es decir, el 9% del carbono orgánico total producido se degrada en el océano profundo. [11] Las comunidades microbianas que utilizan el carbono orgánico que se hunde como fuente de energía son partidarios de los compuestos ricos en nitrógeno porque muchas de estas bacterias están limitadas por el nitrógeno y lo prefieren mucho más que el carbono. Como resultado, la relación carbono-nitrógeno del carbono orgánico que se hunde en el océano profundo es elevada en comparación con la materia orgánica fresca de la superficie del océano que no se ha degradado. Se observa un aumento exponencial de las relaciones C/N con el aumento de la profundidad del agua, con relaciones C/N que alcanzan diez a profundidades de agua intermedias de unos 1000 metros y hasta 15 en el océano profundo (más profundo que unos 2500 metros) [ cita requerida ] . Esta firma C/N elevada se conserva en el sedimento hasta que otra forma de diagénesis, la diagénesis postdeposicional, altera su firma C/N una vez más. [6] La diagénesis postdeposicional 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 procede de la siguiente manera: CH 2 O + H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e − , con energía libre estándar de –27,4 kJ mol −1 (semirreacción). [11] Una vez que se ha agotado todo el oxígeno, las bacterias pueden llevar a cabo una secuencia anóxica de reacciones químicas como fuente de energía, todas con valores ∆G°r negativos, y la reacción se vuelve menos favorable a medida que avanza la cadena de reacciones. [11]
El mismo principio descrito anteriormente explica la degradación preferencial de la materia orgánica rica en nitrógeno 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 adsorbe fácilmente en las superficies minerales de arcilla y queda protegido de las bacterias. Se ha propuesto que esto explica las firmas de C/N inferiores a las esperadas del carbono orgánico en sedimentos sometidos a diagénesis postdeposicional. [6]
El amonio producido a partir de la remineralización de material orgánico existe en concentraciones elevadas (1 - >14 μM) en sedimentos marinos de plataforma cohesiva encontrados en el Mar Céltico (profundidad: 1–30 cm). La profundidad del sedimento supera 1 m y sería un sitio 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 las no vasculares debido a la naturaleza refractaria de la materia orgánica terrestre. [1] [14] [13] Los cambios abruptos en la relación C/N en el núcleo se pueden interpretar como cambios en el material de origen orgánico.
Por ejemplo, dos estudios sobre el lago Mangrove, Bermudas, y el lago Yunoko, Japón, muestran fluctuaciones irregulares y abruptas entre C/N de alrededor de 11 a 18. Estas fluctuaciones se atribuyen a cambios de un predominio principalmente de algas a un predominio vascular terrestre. [13] [15] Los resultados de estudios que muestran cambios abruptos en el predominio de algas y el predominio vascular a menudo conducen a conclusiones sobre el estado del lago durante estos períodos distintos de firmas isotópicas. Los momentos en los que las señales de algas dominan los lagos sugieren un lago de aguas profundas, mientras que los momentos en los que las señales de plantas vasculares dominan los lagos 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 pueden conducir a otras interpretaciones climáticas regionales que describan los fenómenos más significativos en juego.
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 para construir 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 mediante la adición de materiales como compost, 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. Cualquier exceso de N, por otro lado, generalmente simplemente se dejará atrás (mineralización), pero un exceso excesivo puede resultar en pérdidas por lixiviación. La relación C:N recomendada para los materiales del suelo es, por lo tanto, 30:1. Se puede realizar una prueba de suelo para encontrar la relación C:N del suelo mismo. [16]
La relación C:N de los propios microbios es generalmente de alrededor de 10:1. [16] Una relación más baja se correlaciona con una mayor productividad del suelo. [18]
La relación C:N en la materia prima del compost es similar a la de la materia prima del suelo. La recomendación es de alrededor de 20-30:1. Los microbios prefieren una relación de 30-35:1, [4] pero el carbono no suele digerirse por completo (especialmente en el caso de la materia prima de lignina ), de ahí la relación reducida. [19]
Un desequilibrio en la relación C:N provoca una ralentización del proceso de compostaje y una caída de la temperatura. Cuando la relación C:N es inferior a 15:1, puede producirse una desgasificación de amonio , lo que genera olores y pérdida de nitrógeno. [20] Un compost terminado tiene una relación 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 los tipos comunes de materias primas. Es importante deducir el contenido de humedad si el valor indicado corresponde a material seco. [19]
En el caso de alimentos con análisis nutricional , el contenido de N se puede estimar a partir del contenido de proteína como % de proteína × 0,16 , invirtiendo el cálculo de proteína cruda . [21] El contenido de C se puede estimar a partir del contenido de ceniza cruda (que a menudo se informa en los alimentos para animales) [19] o a partir 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 los contenidos de C y N, el otro contenido se puede calcular utilizando la propia definición de la relación. [19] Cuando solo 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 las materias primas mixtas se calcula sumando las cantidades de C y N y dividiendo los dos resultados. En el caso del compost, la humedad también es un factor importante. [19]
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