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Jul 10, 2023

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 7971 (2023) Citar este artículo

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Las turberas en el sur de América del Sur (región de Tierra del Fuego, TdF) juegan un papel clave en la dinámica ecológica de la Patagonia. Es, por tanto, necesario aumentar nuestro conocimiento y conciencia de su valor científico y ecológico para asegurar su conservación. Este estudio tuvo como objetivo evaluar las diferencias en la distribución y acumulación de elementos en depósitos de turba y musgo Sphagnum del TdF. Se realizó la caracterización química y morfológica de las muestras mediante diversas técnicas analíticas, y se determinaron niveles totales de 53 elementos. Además, se realizó una diferenciación quimiométrica basada en el contenido elemental de muestras de turba y musgo. Algunos elementos (Cs, Hf, K, Li, Mn, Na, Pb, Rb, Si, Sn, Ti y Zn) mostraron contenidos significativamente más altos en muestras de musgo que en muestras de turba. Por el contrario, solo Mo, S y Zr fueron significativamente más altos en las muestras de turba que en las muestras de musgo. Los resultados obtenidos destacan la capacidad del musgo para acumular elementos y actuar como medio para facilitar la entrada de elementos en las muestras de turba. Los valiosos datos obtenidos en este estudio de referencia multimetodológico pueden utilizarse para una conservación más eficaz de la biodiversidad y la preservación de los servicios ecosistémicos del TdF.

Las turberas, compuestas casi en su totalidad por material vegetal en descomposición, representan el principal sumidero de carbono terrestre del mundo1 y contribuyen al aumento de la resiliencia de los ecosistemas2. Sin embargo, ocupan solo el 3% de la superficie terrestre mundial3,4,5. La función fundamental de las turberas de regular el ciclo del carbono contribuye a la mitigación del cambio climático6,7. También juegan un papel clave en la conservación de la biodiversidad al asegurar el hábitat de diversas especies vivas, archivos paleoambientales y restos arqueológicos y juegan un papel especial en la regulación del ciclo hidrológico a través del almacenamiento de agua, la recarga de aguas subterráneas y la mitigación de sequías e inundaciones7,8. Además, la turba y el musgo Sphagnum son reconocidos a nivel mundial como valiosos recursos económicos para su uso como combustible y sustrato hortícola, respectivamente9,10,11. Sin embargo, la turba es un recurso no renovable6. En los últimos años se han propuesto nuevas estrategias para el uso racional de las turberas y nuevas políticas de manejo con concesiones mineras limitadas6,12.

En las zonas templadas de América del Sur, las turberas están dominadas por musgo Sphagnum13 y son pobres en nutrientes (ombrotróficas)14. Las turberas ombrotróficas están hidráulicamente aisladas y reciben todos los nutrientes, incluidos los elementos principales y traza, por deposición atmosférica y precipitación15. Varios estudios han demostrado que las turberas ombrotróficas también son archivos útiles para los registros de deposición de Hg16,17. Las tasas de acumulación y las concentraciones de Hg en las turberas ombrotróficas están influenciadas por los procesos de humificación de la turba además de la ubicación del sitio y las fuentes antropogénicas y naturales16. De hecho, la capacidad de la turba para unir metales está determinada por el alto contenido de sustancias húmicas y la superficie desarrollada18,19. Los grupos funcionales carboxílicos y fenólicos presentes en las sustancias húmicas, que componen la materia orgánica de la turba, influyen en las propiedades químicas de la turba, como la formación de complejos metálicos, la capacidad amortiguadora, las reacciones ácido-base y la capacidad de intercambio catiónico20,21. Además, el musgo Sphagnum, debido a la alta capacidad de intercambio catiónico de su superficie, es adecuado para monitorear las deposiciones de elementos atmosféricos11,22,23,24,25. Sin embargo, solo algunos elementos fueron investigados, mientras que otros podrían estar ligados por musgo Sphagnum, como apuntan otros autores24. Además, la composición elemental del polvo depositado es necesaria para comprender el ciclo geoquímico del polvo y su relación con el cambio climático26.

Se dispone de información limitada y fragmentaria sobre las turberas patagónicas27; se deben emprender nuevos estudios para mejorar el conocimiento de estas áreas y evaluar la posible contaminación por productos químicos en el futuro. Una caracterización químico-física lo más completa posible también podría permitir la creación de productos artificiales para evitar el agotamiento de los recursos naturales y proteger la biodiversidad. Por ello, nuestros principales objetivos son determinar y comparar los contenidos totales de 53 elementos (Al, As, B, Ba, Be, Bi, C, Ca, Cd, Ce, Co, Cr, Cs, Cu, Eu, Fe , Ga, H, Hf, Hg, K, La, Li, Lu, Mg, Mn, Mo, N, Na, Nb, Ni, O, P, Pb, Rb, S, Sb, Sc, Se, Si, Sm , Sn, Sr, Te, Th, Ti, Tl, U, V, W, Yb, Zn y Zr) en turba y musgo Sphagnum vivo de ocho sitios en Tierra del Fuego (TdF, Patagonia Sur) usando varias técnicas analíticas y herramientas quimiométricas [Análisis de componentes principales (PCA) y selección de variables paso a paso]. Otros objetivos son estudiar los tipos y cantidades de grupos funcionales mediante espectroscopía de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR) para resaltar las posibles correlaciones entre la acumulación de elementos y las estructuras químicas de la turba y el musgo Sphagnum.

Tierra del Fuego se ubica en el extremo sur del continente americano (Fig. 1). Se extiende al sureste del Estrecho de Magallanes entre los océanos Atlántico y Pacífico. El archipiélago consiste en la isla principal, la Isla Grande de TdF, a menudo llamada simplemente TdF o Isla Grande, con un área de 48.100 km2 y una miríada de islas más pequeñas. La isla principal está dividida políticamente entre dos naciones: el 38,6% pertenece a Argentina (este), mientras que el 61,4% pertenece a Chile (oeste). Las ciudades más grandes de la isla principal de la parte argentina son Río Grande y Ushuaia, con 57.000 habitantes.

Mapa del área de estudio en Argentina, América del Sur. Las ubicaciones de los sitios de muestreo están marcadas en el mapa detallado de la zona norte de la región de Tierra del Fuego (Patagonia Sur). El dato de las coordenadas geográficas se basa en el elipsoide del Sistema Geodésico Mundial 1984 (WGS84). Mapa de datos: Google, CNES/Airbus, Maxar Technologies, Airbus, TerraMetrics, Landsat/Copernicus.

El clima de TdF está influenciado por la latitud, la presencia cercana de la masa de hielo antártica, las corrientes oceánicas y la naturaleza de la tierra misma. El cercano continente antártico expone al archipiélago a la presencia de masas de aire frío, especialmente en invierno, mientras que la presencia simultánea de aguas oceánicas en tres lados tiende a mantener bajo el rango de temperatura entre verano e invierno. La región tiene un clima oceánico con veranos cortos y frescos e inviernos largos, húmedos y moderadamente fríos. La principal concentración de turberas en TdF se encuentra en el este, donde la precipitación es de aproximadamente 700–900 mm año−1 6. Estas turberas están vinculadas al clima y las propiedades químicas del suelo y el agua28. Las turberas son el ecosistema dominante en la parte argentina del TdF, y su cobertura alcanza el 90% en algunas cuencas orientales28.

En 2018 se recolectaron ocho turberas ombrotróficas y en su mayoría intactas y muestras de musgo Sphagnum. Los parches de turberas se muestrearon por duplicado y se seleccionaron de acuerdo con el mapa de turberas de Roig et al.29. En la Fig. 1 se muestra un mapa de ubicación de ocho sitios de muestreo (A, B, C, D, E, F, G y H) y las coordenadas geográficas de los puntos seleccionados. A excepción del sitio B, que se encuentra en Ushuaia, la ciudad más poblada del archipiélago, y cerca del Aeropuerto Internacional, los demás sitios se encuentran en áreas de bajo impacto antrópico. Las muestras de turba se recolectaron con un taladro de campo y los núcleos se extrajeron a una profundidad de 20 cm, se dividieron en segmentos de 10 cm y se llenaron en bolsas de plástico. Las muestras de turba y musgo Sphagnum se secaron a 40 °C durante dos días, se molieron (utilizando un mortero de cerámica) y se homogeneizaron en el laboratorio. Todas las muestras se almacenaron a 4 °C hasta su análisis.

Se utilizó un analizador elemental (EA 1110 CHNS/O, CE Instruments, Reino Unido) para determinar los porcentajes de C, H, N, O y S en todas las muestras (~ 5 mg)30. El procedimiento analítico consiste en la combustión de la muestra (1000 °C) seguida de procesos catalíticos de oxidación y reducción, separación de los gases producidos en la columna de cromatografía de gases y análisis de los mismos con un detector de conductividad térmica (fijado a 290 °C). C); procesamiento de señales y determinación del porcentaje de elementos presentes en la muestra con el programa EAGER 200.

El análisis con microscopio electrónico de barrido (SEM) se realizó con un SEM de emisión de campo de alta resolución (HR-FESEM; modelo Auriga 405; Carl Zeiss Microscopy GmbH, Jena, Alemania) equipado con un espectrómetro de dispersión de energía para microanálisis de rayos X (XEDS, modelo Quantax; Bruker, Berlín, Alemania). Antes del análisis, una pequeña porción de la muestra de polvo se fijó a un soporte específico y se recubrió con una capa delgada de C mediante una máquina de pulverización catódica (Q150T Turbo-Pumped Sputter Coater/Carbon Coater; Quorum Technologies Ltd., East Sussex, Reino Unido) para hacer que su superficie sea conductora. Las adquisiciones de HR-FESEM XEDS se realizaron en alto vacío (10-6 hPa) a un voltaje de aceleración de 20 keV. Las micrografías fueron adquiridas por un detector de electrones secundario (SED) a una distancia de trabajo (WD), aumento, tamaño de punto y condiciones de ángulo de inclinación correctamente ajustadas para optimizar la resolución de la imagen. El microanálisis se realizó en WD y un aumento que oscilaba entre 3,0 y 7,8 mm y entre 100 y 45 000 aumentos, respectivamente.

El mercurio se determinó utilizando un analizador de mercurio avanzado (AMA-254, Altec Ltd., Praga, República Checa) según el método EPA 747331. Cada muestra (~ 20 mg) se analizó por duplicado y se tomó un material de referencia certificado (BCR 482). utilizados para el aseguramiento y control de calidad del procedimiento analítico. El porcentaje de sesgo de veracidad y la precisión fueron 2,3 y 3,2%, respectivamente. El límite de determinación y cuantificación (LOD y LOQ, respectivamente), definido como la concentración de Hg correspondiente a tres y diez veces la desviación estándar de los blancos (n = 10), fue de 0,0001 y 0,004 mg kg−1, respectivamente. Una solución estándar de referencia de Hg (1002 ± 7 mg L−1 en HNO3 al 10 %; SCP Science, Baie D'Urfé, Quebec, Canadá) en HNO3 al 1 % v/v (67 % suprapuro, Carlo Erba Reagents, Milán, Italia) se utilizó para preparar soluciones de calibración (en el rango de 0–50 μg L-1). Todas las soluciones acuosas se prepararon con agua desionizada con una resistividad de 18,2 MΩ cm−1, generada por un desionizador UV Arioso Power I RO-UP Scholar (Human Corporation, Songpa-Ku, Seúl, Corea). Más detalles sobre el método AMA se presentan en trabajos anteriores32.

En el Laboratorio de Técnicas Analíticas Nucleares (Centro Atómico Ezeiza, Comisión Nacional de Energía Atómica de Argentina) se realizó el análisis por activación neutrónica instrumental (INAA) para la determinación de las fracciones másicas Eu, Hf, Lu, Sc, Sm, Th e Yb.

Se irradiaron muestras de turba y musgo Sphagnum, aproximadamente 25 y 300 mg, respectivamente, en el reactor RA-3 (flujo térmico 3,1013 cm-2 s-1, 8 Mw) durante 4,5 h. Se realizaron dos mediciones con decaimiento de 7 y 30 días contados desde el final de la irradiación utilizando detectores GeHP (30% de eficiencia, resolución de 1,8 keV para el pico de 60Co de 1332,5 keV). Se empleó el software Gamma Vision para adquirir los espectros gamma y se calcularon las fracciones de masa elemental utilizando un software desarrollado en el laboratorio de la NAA. Para fines de control de calidad, se utilizaron Andesita ACH-1 y Hierba (Poeaceae) de WEPAL 2011–4 como muestras de control para el análisis de turba y musgo Sphagnum, respectivamente33. Para la calibración del INAA se utilizaron los siguientes materiales de referencia certificados: SRM Coal Fly Ash 1633c (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología -NIST, Gaitherburg, MD, EE. UU.), CRM Soil GBW 07,405 (GSS-5) (Instituto de Geofísica y Exploración Geoquímica, Langfang, China) y RM IAEA Lichen 336 (Agencia Internacional de Energía Atómica, Laboratorios de Seibersdorf, Seibersdorf, Austria). Los resultados promedio (n = 3) obtenidos del análisis de los materiales de referencia certificados por INAA mostraron una buena concordancia con los datos certificados (Tabla S1). Los LOD de INAA se muestran en las Tablas 1 y S2.

Se utilizó una espectroscopia infrarroja transformada de Fourier (FTIR; IR Affinity Miracle 10; Shimadzu Scientific Instruments, Columbia, MD, EE. UU.) para proporcionar información sobre los tipos de grupos funcionales y la abundancia relativa. Los espectros IR se registraron en 4000–600 cm−1 con una resolución de 5,0 cm−1.

El contenido total de 41 elementos (Al, As, B, Ba, Be, Bi, Ca, Cd, Ce, Co, Cr, Cs, Cu, Fe, Ga, K, La, Li, Mg, Mn, Mo, Na , Nb, Ni, P, Pb, Rb, S, Sb, Se, Si, Sn, Sr, Te, Ti, Tl, U, V, W, Zn y Zr) fueron medidos por ICP-OES (Vista MPX CCD Simultáneo; Varian, Victoria, Mulgrave, Australia) e ICP-MS (820-MS; Bruker, Bremen, Alemania) equipados con una interfaz de reacción de colisión (CRI). El arsénico, Cr, Fe, Mn, Se y V se analizaron utilizando ICP-MS con el modo CRI y H2 y He (99,9995 % de pureza; SOL Spa, Monza, Italia) como gases de celda; los demás elementos por ICP-MS en modo estándar a excepción de Al, Ba, Ca, Cr, K, Na, S, Si, Ti y Zr que fueron determinados por ICP-OES. Los parámetros instrumentales optimizados de ICP-MS e ICP-OES se resumen en un estudio anterior34. Se utilizaron soluciones estándar de elementos múltiples (VWR International, Milán, Italia) para las curvas de calibración instrumentales (siete puntos). Itrio a 0,005 y 0,2 mg L−1 (Panreac Química, Barcelona, ​​España) para ICP-MS e ICP-OES, respectivamente, y Sc, Rh, In y Th a 10 mg L−1 (Merck, Darmstadt, Alemania) para ICP-MS solo se utilizaron como patrones internos.

La digestión total de las muestras de polvo se realizó en un sistema de horno microondas cerrado (Ethos1 Touch Control; Milestone, Sorisole, Bérgamo, Italia) utilizando una mezcla ácida de HCl–HF–HNO3, según Bettinelli et al.35, Astolfi et al. 36, y Gaeta et al.37. Brevemente, se transfirieron cantidades pesadas (~ 100 mg) de las muestras a recipientes de politetrafluoroetileno; a estos, 1 mL H2O2 (30% superpuro, Merck, Darmstadt, Alemania), 1 mL HCl (30% suprapuro, Carlo Erba Reagents, Milán, Italia) y 3 mL HNO3 (método M1) o 1 mL HF (40% superpuro , Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Steinheim, Alemania), se añadieron 1 mL de HCl y 3 mL de HNO3 (método M2). Las soluciones obtenidas se calentaron con energía de microondas durante 40 min utilizando un programa con rampas de temperatura hasta 180 °C. Los productos de digestión obtenidos se diluyeron a 20 ml con agua desionizada y se filtraron (membrana de nitrato de celulosa de 0,45 μm; GVS Filter Technology, Indianapolis, IN, EE. UU.). Las muestras por el método M1 se diluyeron adicionalmente 1:10 con agua desionizada. Después de estos procedimientos, los digestos obtenidos con el método M1 o M2 fueron analizados por ICP-MS o ICP-OES, respectivamente. Los blancos del método se analizaron periódicamente junto con las muestras para comprobar si había pérdidas o contaminación cruzada. Los LOD y LOQ se muestran en la Tabla 1. Se analizó un material de referencia estándar (NIST 1515, Gaithersburg, MD, EE. UU.) con fines de control de calidad. Para todos los elementos certificados (Al, B, Ba, Ca, Cd, Ce, Co, Cr, Cu, Fe, K, La, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, Pb. Rb, S, Sb, Sr, U, V, W y Zn), el porcentaje de sesgo de veracidad estuvo entre -9.7 (La) y 17% (Ca) del valor esperado, y la precisión como repetibilidad estuvo entre 0.5 (K)-25% (Sb )36. Para los otros elementos (As, Be, Bi, Cs, Ga, Li, Nb, Se, Si, Sn, Te, Ti, Tl y Zr) hay niveles indicativos en las muestras de turba y musgo Sphagnum. Para los elementos comunes entre las diferentes técnicas analíticas (As, Ce, Co, Cr, Cs, Fe, La, Rb, Sb y Zn) se realizó un control de calidad de los datos mediante comparaciones intertécnicas.

Los análisis estadísticos se realizaron con el software IBM® SPSS® Statistics 27 (IBM Corp., Armonk, NY, EE. UU.). Para cada elemento, los valores por debajo del LOD fueron reemplazados por un valor igual a la mitad del LOD38,39. Cuando el porcentaje de valores < LOD excedía el 30 %, el elemento se excluía del conjunto de datos estadísticos.

Las diferencias en la concentración de la muestra se probaron mediante Kruskal-Wallis y pruebas post-hoc por pares y la prueba de Mann-Whitney. Los valores de probabilidad de múltiples comparaciones por pares se ajustaron utilizando correcciones de Bonferroni40.

El análisis de componentes principales y la selección de variables mediante un enfoque paso a paso se realizaron con JMP 16 Pro (SAS Institute) para resaltar la posible agrupación de muestras. Se aplicó un pretratamiento de autoescalado en las matrices de datos antes de los análisis quimiométricos.

La investigación HR-FESEM XEDS mostró la morfología y la composición de la superficie de las muestras de turba y musgo Sphagnum (Figs. 2 y S1–S4, y Tablas S3 y S4). En todas las muestras los siguientes elementos Al, Ca, Cl, Mg, Na, O, P, S y Si están presentes en porcentajes variables, mientras que Cr y Cu se encuentran solo en la turba y Fe, K y N en el musgo Sphagnum. (Tablas S3 y S4). El oxígeno (del 25,8 al 45,6% en turba y del 29,7 al 44,5% en musgo Sphagnum) es el elemento más abundante. La superficie de las muestras de turba aparece estratificada y porosa, mientras que las muestras de musgo Sphagnum muestran formaciones globulares y fibrosas. Las imágenes de electrones retrodispersados ​​(Fig. 2) proporcionan una diferenciación entre la materia orgánica (brillo débil) y la fracción inorgánica (brillo fuerte) en las muestras. En ambas matrices hay partículas esféricas metálicas (Fig. 2). Las partículas esferoidales inorgánicas presentes en las capas superiores de la turba son de origen predominantemente antropogénico, como las actividades industriales y la combustión del carbón, ya que las esférulas cósmicas (generalmente producidas por procesos de combustión) son extremadamente raras en la turba41,42.

Micrografías HR-FESEM que evidencian la presencia de partículas de metal esferoidal en (a) muestras de turba y (b) de musgo Sphagnum.

El análisis de contenido de C, H, N, O y S confirmó los resultados de HR-FESEM XEDS: O (del 40,8% en turba al 63,3% en musgo Sphagnum) y C (del 31,8% en musgo Sphagnum al 51,0% en turba) junto con H (de 4,46 a 7,13% en musgo Sphagnum) y N (de 0,29% en musgo Sphagnum a 1,96 en turba) son los elementos que presentan mayores contenidos en ambas matrices consideradas (Cuadro 2).

La turba se compone de material orgánico que contiene aproximadamente un 50 % de C (Tabla 2), por lo que las concentraciones de C reflejan cambios en la humificación de la turba y las pérdidas de masa relacionadas en las turberas16. La descomposición de la materia orgánica en la turba da lugar a la formación de estructuras fenólicas derivadas de la lignina43. Estas estructuras son más difíciles de degradar que las proteínas y los azúcares43,44. Las relaciones O/C y H/C pueden dar información sobre el contenido de carbohidratos y el porcentaje de saturación de C dentro de la molécula orgánica. Por tanto, una mayor aromaticidad en las muestras estará dada por menores relaciones H/C43; mientras que una relación O/C más baja indica un nivel más bajo de carbohidratos y/o un contenido orgánico más alto en la muestra de turba45. Las relaciones C/N también están relacionadas con los procesos de descomposición de la materia orgánica ya que el consumo microbiano de sustancias orgánicas determina una disminución en la abundancia de C respecto al N16,46. Sin embargo, la descomposición por microorganismos es limitada debido a la falta de nutrientes en la turba y al bajo pH16. Por lo tanto, la relación C/N se utiliza como indicador del grado de descomposición de la turba y la pérdida de masa de turba16,46. Las relaciones C/N en la turba son un indicador del grado de humificación, donde bajas relaciones C/N indican una alta humificación de la turba46. Las proporciones de valores de C/N informadas anteriormente para la vegetación de turberas y pantanos oscilaron principalmente entre 40 y 10016,46. En general, los resultados obtenidos en este estudio (Tabla 2) están de acuerdo con los de la literatura16,43,46. Las muestras con la relación C/N más alta son las del sitio H, mientras que las que tienen el mayor grado de humificación están presentes en los sitios E para turba y G para musgo Sphagnum. Generalmente, los cambios en el índice de humificación están relacionados con cambios en las condiciones ambientales, es decir, diferentes climas y las diferencias resultantes en la acumulación y descomposición de la turba46. La alta relación C/N, entre 60 y 153 (sitios A, D, G y H para turba y A, B, C, E, F y H para musgo Sphagnum) sugiere un rápido crecimiento de la turba en condiciones de humedad, mientras que una menor los valores pueden indicar marismas más secas y, por lo tanto, la exposición de la turba a la descomposición aeróbica durante períodos más prolongados46,47. Las diferencias en la vegetación pueden explicarse por la menor precipitación y el mayor aporte de nutrientes a través de los aerosoles marinos48,49.

El contenido de S de la turba consiste en S orgánico, sulfato y sulfuros50. No se encuentra mucha información en la literatura sobre S en turba y musgo Sphagnum. El S orgánico en la turba escocesa es predominante, siendo aproximadamente el 64 % del S total azufre enlazado con C y el 27 % éster sulfato S51. Algunos autores no encontraron una correlación clara entre la ingesta de S y su concentración en la turba52. Los niveles de S medidos en los musgos Sphagnum muestreados en la región de Tierra del Fuego oscilan entre 0,01 y 0,26%, similar a lo reportado para sitios no contaminados53.

Las Figuras S5 y S6 muestran los espectros infrarrojos de las diferentes muestras, mientras que la Tabla S5 presenta un resumen de las principales bandas observadas en la turba y las asignaciones de los grupos funcionales relacionados. Los espectros presentan bandas anchas propias de la materia orgánica natural y se deben a la superposición de bandas de absorción únicas43. Las principales características de los espectros son: una banda ancha alrededor de 3400 cm−1 debido al estiramiento O–H de varios grupos como el alcohol y los fenoles; dos picos a 2920 y 2850 cm-1 debido al estiramiento C-H y las características de los alifáticos (grasas, cera, lípidos); una región entre 1720 y 1420 cm−1 asignada a la extensión C=O de grupos carbonilo y carboxilo (ácidos carboxílicos y ésteres aromáticos), vibraciones C=C aromáticas y grupos asimétricos COO− (lignina y otros aromáticos y carboxilatos aromáticos o alifáticos), y deformaciones OH y estiramiento C=O de fenoles o deformación C–H (estructuras fenólicas y alifáticas); y, finalmente, las bandas de absorción en la región de 1100–1000 cm−1 se asignaron a una combinación de estiramiento C–O y deformación O–H de polisacáridos46,54,55,56.

Para todos los elementos analizados en muestras de turba y musgo Sphagnum, se encontraron niveles totales más altos de cada elemento en el musgo Sphagnum que en las muestras de turba, excepto Mo, S y Zr (Tabla 1). Los elementos más abundantes en ambas matrices fueron Al, Ca, Fe, S, Si y Zr, con un rango de 440 (Zr) a 12,000 (Si) mg kg-1. Los niveles de cesio, Hf, K, Li, Mn, Na, Pb, Rb, Si, Sn, Ti y Zn en el musgo Sphagnum fueron de aproximadamente 2 (Na) a 18 (Zn) veces significativamente más altos que en la turba. En contraste, se encontraron niveles significativamente más altos de elementos en las muestras de turba que en las muestras de musgo Sphagnum para Mo, S y Zr. Considerando los niveles de los elementos para cada matriz y sitio (Cuadros S6 y S7), no se destacaron diferencias significativas, mostrando la distribución uniforme de los elementos en cada matriz en el área de estudio.

Algunos elementos, como el Pb y el Hg, tienden a unirse fuertemente a la materia orgánica50. El plomo se considera inmóvil y bien conservado en los perfiles de turba57,58. Incluso la mayoría de los elementos que representan la deposición de polvo, como el Si y el Zr, u otros, como el Al, el Ti, el Sc y los elementos de tierras raras (REE), que se identifican principalmente como trazadores litogénicos, deberían ser inmóviles y estables50. Sin embargo, algunos elementos, como el Pb, tienden a formar complejos orgánicos a valores de pH bajos y, por esta razón, pueden moverse a lo largo de los perfiles de turba50.

Algunos estudios mostraron que el aumento de la concentración de Hg estaba relacionado con una mayor descomposición de la turba (baja relación C/N) y no necesariamente con una mayor contribución de las deposiciones atmosféricas59. Nuestros datos, en concordancia con otros estudios60,61, no mostraron correlación entre el Hg y la descomposición de la turba (p < 0,05). Esto destaca una homogeneidad en la composición de la turba muestreada.

Nuestros resultados coinciden con los de Wang et al.25, que muestran que el musgo acumula la mayoría de los elementos por deposición, incluidos los elementos tóxicos, y puede ser un medio para facilitar la acumulación de metal(loid)s en el suelo. Además, la deposición atmosférica húmeda o seca de partículas sobre la superficie del musgo puede solubilizarse o eliminarse posteriormente con precipitación62,63,64. Por lo tanto, la turba se puede enriquecer con metales y contribuir significativamente a los niveles elementales en el musgo25.

Cada país tiene definidos niveles de riesgo asociados a diferentes concentraciones de metal(oides)65,66,67. Por ejemplo, la Tabla S8 muestra los niveles de umbral establecidos por el Decreto Legislativo 152/2006 y posteriores enmiendas y adiciones68 y los estándares establecidos en la legislación finlandesa para suelos contaminados69. En cuanto a la legislación finlandesa, los niveles más altos de concentración están definidos por los principales usos del suelo, es decir, sitios industriales o de transporte y otros usos del suelo. El segundo nivel de concentración es el llamado "valor guía". Si se supera, el área presenta un nivel de contaminación con riesgo ecológico (e) o riesgos para la salud (t). Se establecen diferentes valores guía para áreas industriales y de transporte (valor guía más alto) y para todos los demás usos de la tierra (valor guía más bajo). Para la evaluación de las tierras agrícolas, se aplica el umbral de valores guía más bajos para la muestra. Los niveles elementales en la turba estaban todos por debajo de las normas reglamentarias, excepto el As en el sitio E (13,0 ± 1,0 mg/kg), que supera el valor umbral finlandés de 5 mg kg−1. Sin embargo, incluso si la contaminación por arsénico antropogénico está muy extendida, el As en el suelo generalmente se considera principalmente de origen geológico, con una mayor concentración de fondo en suelos arcillosos66.

Los resultados presentados anteriormente mostraron varias diferencias entre las muestras de turba de las muestras de musgo. Se han aplicado análisis quimiométricos para confirmar esta diferenciación y visualizar las diferencias entre muestras.

Por lo general, se necesita un tratamiento quimiométrico cuando el tamaño de la muestra es grande y excede el número de variables. Sin embargo, el análisis de componentes principales debe aplicarse a observaciones reducidas para realizar un análisis exploratorio y proporcionar una representación gráfica de una agrupación natural de muestras.

En este sentido, t, se realizó una selección de variables por pasos para todos los análisis realizados con el objetivo de reducir el número de variables y seleccionar las más informativas. Se aplicó el criterio de información bayesiano mínimo (BIC) para señalar qué variables exhibieron la mejor separación entre las muestras de turba y musgo.

Los resultados escalonados de las variables para los contenidos de C, H, N, O y S se informaron en la Tabla S9; las únicas variables excluidas fueron %N y %O. Estos hallazgos coinciden con las diferencias de los resultados analíticos. El análisis de componentes principales se realizó con las variables seleccionadas y se informa en la figura 3. Los dos primeros componentes principales explicaron el 78,3% de la variabilidad total. Las muestras de turba (rojo) están todas ubicadas en la parte derecha de la parcela, mientras que las de musgo están en la izquierda, excepto el musgo del sitio G. La agrupación de muestras de turba y musgo es más evidente en PC1, que estuvo influenciada principalmente por las variables %C y O/C. Por tanto, estas variables parecen caracterizar mejor el agrupamiento de las muestras.

Puntuaciones y gráficos de carga de PCA en variables seleccionadas para contenidos de C, H, N, O y S. Rojo: turba, azul: musgo.

En cuanto a la caracterización espectroscópica infrarroja, las variables seleccionadas por el enfoque paso a paso fueron las longitudes de onda: 1489, 1662, 3194, 2307 y 3437 cm−1 (Tabla S10). Cabe señalar que estas longitudes de onda caen en el rango típico de compuestos de lignina y celulosa, como se informa en la Tabla S5. Por lo tanto, las diferencias en la materia orgánica de las muestras de turba y musgo deben atribuirse a estos compuestos. Las gráficas de análisis de componentes principales para las bandas de vibración FTIR se informaron en la Fig. 4. Las dos primeras PC representaron el 96,1 % de la varianza total. Las variables mostraron una contribución similar en PC1 y PC2. Las muestras de musgo (azul), excepto el sitio G, se ubican en la parte inferior del gráfico, mientras que las de turba (rojo) se ubican en la superior.

Puntuaciones y gráficos de carga de PCA en variables seleccionadas para espectros infrarrojos. Rojo: turba, azul: musgo.

En el análisis de elementos múltiples, la variable paso a paso incluyó veintinueve de cuarenta y nueve elementos determinados, es decir, S, Ca, Hg, Mo, P, Zr, As, Hf, Be, La, U, Al, Ce, Ba, Mn, Ni, Sm, Th, Pb, Cr, Si, Lu, Ti, Sn, Cu, Rb, Ga, Zn y Bi (Tabla S11). En particular, las variables incluidas para diferenciar las muestras pertenecen a diferentes clases, como macroelementos, oligoelementos y REE. Este hallazgo confirma el uso de diferentes clases de elementos para caracterizar muestras ambientales. El análisis de componentes principales se ha realizado con los elementos seleccionados (Fig. 5). Los dos primeros PC explicaron el 74,3% de la variabilidad total con una agrupación parcial de muestras de turba y musgo. De hecho, las muestras de musgo de los sitios A, C, E y G están claramente ubicadas en la parte derecha del gráfico de puntuación, mientras que las muestras de los otros sitios aparecen parcialmente superpuestas con las de turba. Las principales diferencias entre la turba y el musgo se deben principalmente a los diferentes contenidos de Zn y As, mientras que las similitudes se atribuyen a los contenidos de S y Zr.

Puntuaciones y diagramas de carga de PCA en variables seleccionadas para análisis multielemental. Rojo: turba, azul: musgo.

Se estimó la distribución elemental y características fisicoquímicas en depósitos de turba y musgo Sphagnum de la región de Tierra del Fuego (Patagonia Sur). Nuestro estudio demostró la necesidad de monitorear el contenido de elementos en las turberas del sur de Argentina para evaluar el riesgo de contaminación antropogénica y el papel del musgo en el ciclo biogeoquímico de los metales. El impacto antrópico podría, de hecho, poner en peligro los ecosistemas de turberas, sitios de gran importancia ecológica ya que pueden ser refugio de especies raras de flora y fauna y, por ello, juegan un papel fundamental en la conservación de la biodiversidad y salvaguardia de servicios de ecosistema. Por lo tanto, es importante diseñar estrategias de investigación y manejo de turberas para aumentar el conocimiento y la conciencia de las comunidades científicas y las poblaciones locales sobre la importancia de estos ecosistemas. Este estudio brinda información de línea de base útil para la evaluación de la capacidad de resiliencia del ecosistema patagónico a mediano y largo plazo.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Los autores agradecen a Javier Giordano y su grupo por su apoyo durante nuestras estancias en TdF. También agradecemos a la Dra. Massimiliana Pietrantonio (Agencia Nacional Italiana para Nuevas Tecnologías, Energía y Desarrollo Económico Sostenible-ENEA del Centro de Investigación Casaccia) por su apoyo en el análisis de espectroscopia FTIR.

Este trabajo fue parcialmente apoyado por la Universidad Sapienza de Roma, Beca n. RM120172A913C58B-2020.

Departamento de Química, Universidad Sapienza de Roma, P.le Aldo Moro 5, 00185, Roma, Italia

María Luisa Astolfi

CIABC, Universidad Sapienza de Roma, P.le Aldo Moro 5, 00185, Roma, Italia

María Luisa Astolfi

Departamento de Biología Ambiental, Universidad Sapienza de Roma, P.le Aldo Moro 5, 00185, Roma, Italia

Lorenzo Massimi y Silvia Canepari

Instituto CNR de Investigación de la Contaminación Atmosférica, Via Salaria, Km 29,300, Monterotondo St., 00015, Roma, Italia

Lorenzo Massimi y Silvia Canepari

Departamento de Gestión, Universidad Sapienza de Roma, Via del Castro Laurenziano 9, 00161, Roma, Italia

Mattia Rapa & Marcelo Enrique Conti

Departamento Química Nuclear, Gerencia Química Nuclear y Ciencias de la Salud (GAATN), Centro Atómico Ezeiza, Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), Av. Presbítero J. González y Aragón 15 (CP B1802AYA), Ezeiza, Buenos Aires, Argentina

Rita Rosa Plà & Raquel Clara Jasan

INQUIMAE, Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Buenos Aires, Argentina

Mabel Beatriz Tudino

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MLA: Conceptualización, Curación de datos, Validación, Análisis formal, Investigación, Supervisión, Redacción—Borrador original, Redacción—revisión y edición. LM: Análisis formal, Redacción—Revisión y edición. MR: análisis formal, redacción: borrador original, redacción: revisión y edición. RRP: Metodología, Supervisión, Redacción—Revisión y Edición. RCJ: Validación, Investigación. MBT: Investigación. SC: Recursos, Supervisión, Redacción—Revisión y Edición. MEC: Conceptualización, Recursos, Supervisión, Redacción—revisión y edición. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final.

Correspondencia a María Luisa Astolfi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Astolfi, ML, Massimi, L., Rapa, M. et al. Un enfoque multianalítico para estudiar la composición química de muestras típicas de sumideros de carbono. Informe científico 13, 7971 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35180-x

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Recibido: 09 marzo 2023

Aceptado: 14 de mayo de 2023

Publicado: 17 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35180-x

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