Explorando ríos de todo el mundo en busca de pistas sobre el carbono y el cambio climático

Dependiendo de la cantidad de oxígeno en las muestras, las tapas de los viales en los rodillos que miran hacia la cámara se verán rojas o verdes en la oscuridad, dijo Laan. Los niveles de oxígeno sugieren cuánta respiración se produce en el corredor del río. Foto: Grace Finnell-Gudwien

Por Grace Finnell-Gudwien

Bre Waterman se adentra en el río Missouri cerca de la ciudad de St. Joseph en la frontera entre Kansas y Missouri. El estudiante de posgrado de la Universidad de Kansas recoge agua del río en un recipiente de plástico de color marrón oscuro del tamaño de una botella de ketchup. También recoge sedimentos del fondo del río y coloca el barro húmedo en tubos de ensayo de 5 pulgadas de largo. Después de recolectar 16 muestras, Waterman empaca cuidadosamente todos los materiales junto con bolsas de hielo en una caja de cartón abollada, la cierra con cinta adhesiva y la envía por correo por todo el país, hasta Richland, Washington.

Waterman participa en la Red mundial de observación hidrobiogeoquímica de sistemas fluviales dinámicos (WHONDRS). Es un título bastante trabalenguas para un proyecto de investigación de un corredor fluvial organizado por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico en Richland. Ella es una de los casi 100 contribuyentes no afiliados al PNNL que recolectan muestras de sedimentos y agua del río para el proyecto. Los científicos, estudiantes y ciudadanos de todo el mundo solicitaron y recibieron los kits de muestreo del equipo del corredor fluvial del PNNL y, después de tomar muestras de los materiales requeridos, enviaron los kits por correo al PNNL para su análisis, dijo Lupita Rentería, técnica de laboratorio involucrada con WHONDRS. .

Están llegando muestras del río Jordán en Israel, del río Orco en Italia, del río Nakdong en Corea del Sur, del río Fraser en Canadá y de muchos otros. Al recolectar muestras de todo Estados Unidos y del mundo entero, el equipo de WHONDRS puede ver cómo el cambio climático y sus impactos inducidos, como los incendios forestales y el aumento de las emisiones de dióxido de carbono, están afectando a los ríos en diferentes partes del mundo.

Para garantizar que las muestras globales sean consistentes, el equipo del corredor fluvial verifica que cada kit de WHONDRS enviado por correo tenga los mismos materiales e instrucciones. “Es todo muy específico… no importa dónde estén, tienen lo mismo”, dijo Rentería. El equipo incluye extras de materiales también por si el participante rompe algo.

El equipo también coloca etiquetas de control de inventario en todos los materiales de recolección para ver de qué ubicaciones regresan los materiales y cuándo. De esa manera, pueden controlar qué materiales todavía están en el campo con los participantes.

“Realmente tratamos de tener en cuenta casi todo”, dijo Sophia McKever, otra técnica de laboratorio del equipo de River Corridor.

Una vez que un participante como Waterman envía por correo las muestras completas de su kit al laboratorio, el equipo cuenta con un protocolo intensivo para desembalar y registrar los datos. Estos datos se utilizan con datos de otros kits de WHONDRS para ver cómo varían los nutrientes como el oxígeno y el dióxido de carbono en los corredores fluviales de todo el mundo en medio de un clima que cambia rápidamente.

Al desempacar los kits WHONDRS, Dillman Delgado Paredes (izquierda) y Maggi Laan escanean las cajas y las muestras del interior para ayudar a registrar los datos con mayor fluidez. Ellos y el resto del equipo del corredor fluvial desempacan al menos un kit cada semana, dijo Laan. Foto: Grace Finnell-Gudwien

Dillman Delgado Paredes, investigador asociado de post-maestría, lleva la sucia caja blanca y la coloca en un carrito de plástico con ruedas. Hace un corte en la cinta y abre la caja.

"Ooh."

Esta caja en concreto, un kit procedente del vecino estado de Oregón, está especialmente sucia. Las bolsas de hielo todavía están congeladas, pero una de ellas tiene una fuga y su condensación ha enturbiado la caja mezclándose con la suciedad y los sedimentos del campo.

Después de que pasa el impacto inicial, el equipo comienza a desempacar el kit. Primero hay dos recipientes más grandes llenos de agua. Se supone que uno de los contenedores está filtrado, el otro no. Ambos no lo son en este caso, por lo que el equipo tendrá que filtrar uno en el laboratorio. ¿El equipo también toma la temperatura de esta agua? 0,5ºC.

Luego, el equipo escanea los códigos QR del inventario para registrar las muestras en la red informática de su laboratorio y asegurarse de que todas las muestras estén presentes. Dado que los códigos QR son pegatinas de papel en el exterior de las botellas, a veces se desprenden y el equipo ingresa los datos manualmente.

Cuando el equipo saca otra bolsa ziplock del tamaño de un galón, pueden ver el resto de la caja húmeda. Hay un gemido colectivo.

“Ooh. No lo empacaron muy bien”, dijo Maggi Laan, otra investigadora asociada después de la maestría. “Por lo general, se ven mucho mejor que esto; éste no es muy fotogénico”.

El equipo pide a los participantes que recolecten 16 muestras separadas y algunos tipos de muestras requieren tres viales. Esto significa que hay muchos viales y botellas que el equipo debe desempacar.

Maniobrando alrededor de algunos viales rotos, el equipo continúa desempaquetando y escaneando el peor kit que Laan ha visto en su año con WHONDRS. Además de escanear los viales, el equipo busca asegurarse de que estén llenos al nivel correcto. Si están demasiado llenos, el equipo verterá un poco para que los viales de vidrio no se rompan al congelarse y el agua se expanda. Si los viales no tienen suficiente agua, el equipo lo anotará. Obviamente, llenar el vial con agua del grifo arruinaría la muestra. Este kit tenía algunos viales insuficientemente llenos y uno demasiado lleno; afortunadamente, incluso a los que no estaban llenos les faltaba solo un mililitro.

Una vez que todos los viales y contenedores están desembalados, escaneados y preparados, el equipo divide los análisis que deben realizar. Paredes tamiza la botella de sedimento del tamaño de ketchup, usando una pequeña espátula de metal para empujar el barro a través de un colador del tamaño de un plato. El participante ya tamizó el sedimento en el campo, pero el equipo siempre repite este paso en el laboratorio. Cuando terminó, el barro pasó de tener una textura granulada parecida a la arcilla a una consistencia de pintura suave.

Los otros miembros del equipo toman submuestras de los otros viales, separan el agua y el sedimento, filtran el agua y congelan instantáneamente un poco con nitrógeno. Registran diversas propiedades biogeoquímicas del agua, incluido el pH, la conductividad específica, la materia orgánica, los iones y los microbios. También preparan viales para medir el consumo de oxígeno.

"Recibimos [los kits] los miércoles, tomamos muestras de sedimento y mañana mediremos el oxígeno disuelto", dijo Laan.

El grupo desempaqueta de uno a tres kits cada miércoles, como lo ha hecho durante el año pasado. El frigorífico de las sobras de muestra lo demuestra. Básicamente, Laan juega al Tetris para encontrar un lugar donde poner la bolsa con las sobras de esta semana en el refrigerador.

"Nuestros congeladores están muy llenos y cada semana es complicado intentar meter cosas dentro", dijo.

Muchos refrigeradores del laboratorio, ubicado en la Instalación de Ciencias Biológicas del PNNL, llevan nombres cariñosos de Pokémon de tipo hielo, incluidos Amaura, Cubchoo y Spheal. Cada frigorífico contiene muestras específicas para diferentes análisis.

Los investigadores del corredor fluvial recolectan viales de sedimento y agua para estudiar las concentraciones de nutrientes en los ríos de todo el mundo. El equipo de PNNL evalúa las muestras enviadas para garantizar que cada vial tenga la cantidad correcta de material, dijo Laan. Foto: Grace Finnell-Gudwien

A la mañana siguiente, el equipo mide el oxígeno disuelto en las muestras. La medición del oxígeno disuelto durante varias horas mostrará cuánto oxígeno consumen los microorganismos en el agua y, por lo tanto, cómo los microorganismos producen y utilizan dióxido de carbono, especialmente considerando los niveles más altos de dióxido de carbono absorbido en el agua desde el aire debido a las emisiones de combustibles fósiles.

Medir el oxígeno disuelto en los sedimentos y el agua del río puede ayudar al equipo a comprender cómo los nutrientes, especialmente el carbono, circulan entre el ecosistema del río y el entorno circundante. Esto es muy importante ya que el cambio climático obliga al río a almacenar cada vez más dióxido de carbono atmosférico y enfrentar un planeta que se calienta, dijo Tim Scheibe, investigador principal del proyecto River Corridor Science Focus Area en PNNL, que incluye WHONDRS.

Los microbios y las plantas equilibran naturalmente el oxígeno y el dióxido de carbono de cada uno en un ecosistema fluvial, dijo Scheibe. La investigación de WHONDRS puede ayudar a los científicos a comprender cómo las adiciones humanas impactan este equilibrio natural.

Para medir el oxígeno disuelto para WHONDRS, el equipo agrega agua a los viales y sopla aire en el sedimento y el agua durante intervalos de 20 segundos. Agitan los viales durante 5 segundos entre aireaciones. Lo hacen en una cámara ambiental que mantiene el aire de la habitación a una temperatura y humedad específicas, e incuban los viales aquí. Luego, el equipo mide el oxígeno en la cámara ambiental e ingresa manualmente los datos en una computadora. Este proceso dura dos horas.

El oxígeno disuelto también es una medida importante para otras investigaciones sobre corredores fluviales, como el proyecto de investigación Early Career Award (ECA) del codirector James Stegen de WHONDRS que analiza la materia orgánica disuelta y la química de los ríos en todo el mundo. Los investigadores también miden el oxígeno disuelto para este proyecto.

Para este proyecto, el equipo coloca las muestras de sedimento en viales de 50 mililitros y luego los llena completamente con agua, teniendo cuidado de no dejar entrar burbujas de aire porque tienen una concentración de oxígeno diferente a la de la muestra.

Mientras dos miembros del equipo hacen esto, Laan calibra el sensor de oxígeno, que utiliza discos rojos o verdes bajo una luz negra dependiendo de la cantidad de oxígeno en la muestra. Debido a que el sensor requiere luz negra, la sala del laboratorio debe estar a oscuras. Los miembros del equipo que llenan los viales deben usar linternas frontales para ver.

"La puesta a punto puede ser un poco rápida", dijo Laan. "Hay una curva de aprendizaje y hay que hacerlo en la oscuridad".

Una vez que los viales están listos, el equipo les coloca los discos del sensor de oxígeno y los coloca sobre rodillos que los hacen girar mientras una cámara toma una imagen de ellos con luz negra cada 2 minutos. El color de los discos en la imagen muestra cuánto oxígeno disuelto hay presente.

Después de que los investigadores del equipo miden la concentración de oxígeno, recurren a los viales para documentar la conductividad, la temperatura y el hierro. Estas variables pueden afectar la concentración de oxígeno, por lo que medirlas ayuda al equipo a comprender mejor por qué la concentración de oxígeno puede variar de un lugar a otro, dijo Brianna Gonalez, estudiante técnica del equipo del corredor fluvial.

“Esta es la parte que requiere más tiempo”, dijo González. "Queremos acercarlo lo más posible a la incubación".

Paredes tamiza el sedimento recogido por un participante empujándolo a través de un pequeño filtro metálico. Este sedimento se utiliza para medir las concentraciones de nutrientes en el corredor fluvial, lo que les da a los científicos una idea de cómo el cambio climático está afectando a los ríos, dijo Tim Scheibe, investigador principal del área de enfoque científico del corredor fluvial. Foto: Grace Finnell-Gudwien

Para observar cómo se ciclan los nutrientes y cómo varían otras características de los ríos en todo el mundo, los investigadores de los corredores fluviales necesitan recopilar datos de África, Europa, Asia, América y otras áreas. A medida que el proyecto WHONDRS y otras investigaciones en el área de enfoque científico del PNNL recopilan datos de muestras enviadas por correo por otros científicos y científicos ciudadanos, los investigadores deben determinar en qué otro lugar del mundo recolectar muestras. Para decidir esto, el equipo del corredor fluvial utiliza un enfoque de modelo-experimento interactivo (ModEx), dijo Peishi Jiang, un joven científico terrestre.

Para utilizar el enfoque ModEx, el equipo del corredor fluvial utiliza datos de observación de campo y de laboratorio para calibrar modelos y determinar ecosistemas donde datos adicionales podrían mejorar los modelos. Luego de definir nuevas regiones de las cuales tomar muestras, los investigadores saldrán al campo o solicitarán datos de esas áreas.

"Así es como se quiere hacer buena ciencia", dijo Jiang, y mencionó que el enfoque ModEx es una forma "intuitiva" de recopilar y aplicar información.

El equipo utiliza supercomputadoras avanzadas para configurar modelos basados ​​en procesos 2D y 3D dependiendo de las variables ingresadas. Algunas de las supercomputadoras utilizan 1.000 unidades centrales de procesamiento; en comparación, una computadora portátil normal usa alrededor de 16, dijo Jiang.

Los modelos que utiliza el equipo consideran las características de los corredores fluviales y cómo les ha impactado el cambio climático, incluidos los ciclos de nutrientes, la cobertura del suelo, los tipos de suelo y la porosidad del suelo. Un componente importante de los modelos es cómo los incendios forestales impactan los corredores fluviales, un impacto importante del cambio climático que afecta de cerca al PNNL. Dado que las áreas de incendio están tan cerca, el equipo pasa mucho tiempo observando áreas cercanas recientemente afectadas por incendios, como la cuenca del río Yakima. Dentro de la cuenca más grande del río Columbia, esta cuenca de 6,155 millas cuadradas se encuentra en la parte central del sur de Washington; PNNL está en la esquina sureste del área.

"Queremos predecir en toda la cuenca", dijo Bing Li, investigador asociado postdoctoral. "Vemos incendios forestales más graves en el noroeste del Pacífico". Dijo que son los que más impactan el suelo.

Para modelar estos impactos de los incendios forestales, el equipo considera los procesos hidrológicos y biogeoquímicos, como la cantidad de agua que puede penetrar en el suelo, cómo el nitrógeno y el carbono circulan por el suelo y cuánta superficie foliar y vegetación se reduce en la cuenca. después de los incendios. El equipo también analiza la gravedad del incendio en la zona.

Cuando el incendio es más severo, dijo Li, el suelo se vuelve menos permeable porque estaba carbonizado. Esto puede hacer que el área sea más susceptible a inundaciones si llueve porque el suelo no puede absorber el agua tan fácilmente. No es sorprendente que el fuego seque un área, por lo que también reduce el área foliar.

Dentro de la cuenca del río Yakima, el equipo también cuenta con sitios espaciales y temporales para su propio muestreo. El equipo no visita los sitios espaciales con tanta frecuencia, pero se turnan en parejas para visitar los seis sitios temporales mensualmente, suponiendo que los sitios sean accesibles. En invierno, a veces la nieve obliga al equipo a salir de los sitios más al norte, en las Montañas Cascade, dijo McKever, quien ayuda con el muestreo.

El muestreo en estos sitios es similar a los kits WHONDRS que el equipo envía por correo, dijo Laan. Estas muestras implican recolectar alrededor de una docena de viales y contenedores por sitio para medir el pH, los iones, la conductividad y otras características biogeoquímicas del agua y los sedimentos.

PNNL está ubicado en Richland, Washington, en la esquina sureste de la cuenca del río Yakima. Esta imagen está tomada desde la cima de Badger Mountain en Richland (a unos 15 minutos en auto desde PNNL) mirando al noroeste hacia la cuenca del río Yakima. Foto: Grace Finnell-Gudwien

Stegen, codirector del proyecto, dijo que tener datos mundiales sobre los ríos es importante para todos y que la ciencia abierta e inclusiva es vital para lograrlo.

"Hay que tener conocimiento de los sistemas de la Tierra en todo el mundo", dijo Stegen, señalando que la investigación del PNNL solía ser mucho más local. "A partir de ahí evolucionamos hasta convertirnos en un programa de investigación global sobre corredores fluviales".

La campaña WHONDRS sigue un marco científico llamado ICON, dijo Stegen. Esto significa integrar múltiples campos científicos en sus investigaciones, como la biología, la química, la hidrología y la informática. La investigación debe ser coordinada y consistente para que otros puedan realizar las mismas tareas de investigación, como asegurarse de que los kits WHONDRS sean comprensibles y fáciles de usar.

Una vez registrados los datos, el acceso abierto a ellos es una prioridad. Stegen dijo que el mundo de la ciencia está experimentando una “revolución científica abierta” en este momento. "Abierto" significa que los datos deben estar limpios, utilizables y disponibles para todos. Hasta ahora, personas de 20 países y 60 instituciones han participado utilizando los datos del WHONDRS, dijo Stegen. Puede acceder a los datos de WHONDRS en el sitio de WHONDRS.

Por último, la investigación de WHONDRS está conectada en red. A lo largo del proceso de investigación, el equipo habla con otros científicos que pueden tener intereses similares y ayudarán con su investigación. Por ejemplo, cuando el equipo va a recolectar muestras en la cuenca de Yakima, a veces recolectan muestras adicionales para otros científicos, quienes brindan sus propias instrucciones sobre qué muestras necesitan; McKever y Laan hicieron esto la última vez que probaron. Esta creación de redes es un "beneficio mutuo" para todos los investigadores involucrados, afirmó Stegen.

"Nunca me enseñaron a hacer ciencia de esa manera", dijo Stegen. "Realmente disfruté entrar en este entorno".

Si se siguen estos principios, la investigación sobre corredores fluviales se puede aplicar y transferir fácilmente a todo el mundo. La muestra de Bre Waterman del río Missouri ayuda a observar el ciclo de nutrientes en la cuenca del río Yakima, y ​​ambas ayudan a generar modelos para ver dónde tomar muestras a continuación. Con un clima cada vez más cálido y cambiante, esta investigación interconectada es esencial para aprender más sobre nuestros ríos y protegerlos.

Grace Finnell-Gudwien es un reportero independiente de ciencia y medio ambiente. También es estudiante de posgrado de 2023 en la Escuela de Periodismo Medill de la Universidad Northwestern.