É necessária uma assinatura da JoVE para visualizar este conteúdo. Faça login ou comece sua avaliação gratuita.
Method Article
Este estudo demonstra uma abordagem para medir as concentrações de gás metano em amostras aquosas usando analisadores ópticos portáteis acoplados a uma câmara de injeção em circuito fechado. Os resultados são semelhantes à cromatografia gasosa convencional, apresentando uma alternativa prática e de baixo custo, particularmente adequada para estudos de campo remotos.
A medição de fluxos e pools de gases de efeito estufa (GEE) em ecossistemas está se tornando cada vez mais comum em estudos ecológicos devido à sua relevância para as mudanças climáticas. Com isso, cresce também a necessidade de plataformas analíticas adaptáveis à medição de diferentes pools e fluxos dentro de grupos de pesquisa. Este estudo tem como objetivo desenvolver um procedimento para usar analisadores de gases portáteis baseados em espectroscopia óptica, originalmente projetados e comercializados para medições de fluxo de gás, para medir concentrações de GEE em amostras aquosas. O protocolo envolve a técnica tradicional de equilíbrio do headspace, seguida pela injeção de uma subamostra de gás do headspace em uma câmara conectada por meio de um circuito fechado às portas de entrada e saída do analisador de gás. A câmara é fabricada a partir de um frasco de pedreiro genérico e suprimentos de laboratório simples, e é uma solução ideal para amostras que podem exigir diluição pré-injeção. As concentrações de metano medidas com a câmara estão fortemente correlacionadas (r2 > 0,98) com as concentrações determinadas separadamente por cromatografia gasosa-detecção de ionização de chama (GC-FID) em subamostras dos mesmos frascos. O procedimento é particularmente relevante para estudos de campo em áreas remotas onde equipamentos e suprimentos de cromatografia não estão prontamente disponíveis, oferecendo uma solução prática, mais barata e mais eficiente para medir as concentrações de metano e outros gases de efeito estufa dissolvidos em sistemas aquáticos.
Os ecossistemas na interfase terrestre-aquática, como pântanos, lagos, reservatórios, rios e riachos, são importantes sumidouros e fontes de gases de efeito estufa (GEE), como dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) e óxido nitroso (N2O)1,2. O CH4, especificamente, é produzido durante a respiração anaeróbica nos espaços porosos saturados dos poros dos sedimentos. Uma vez produzido, uma fração é oxidada e transformada em CO2, enquanto o restante acabará se difundindo pela coluna d'água e pela vegetação ou explodindo em bolhas3. A concentração de CH4 na água que satura os poros do sedimento (ou seja, água dos poros) em um determinado momento oferece um vislumbre do equilíbrio entre CH4 produzido, consumido e transportado4. Quando medida em perfis verticais ou tempo, a concentração de água porosa também permite identificar zonas mais ativas na produção e consumo de CH4 e sua variação sazonal.
Tradicionalmente, os métodos para determinar a concentração de GEE da água porosa nos ecossistemas envolvem o processamento de amostras de água coletadas no campo para equilibrar os gases em um headspace criado. Em seguida, o headspace é analisado por cromatografia gasosa para determinar as concentrações5. Embora esse método seja amplamente aplicado em estudos ecológicos, ele requer sistemas de detecção de ionização de chama por cromatografia gasosa de bancada (GC-FID) que envolvem a alocação de espaço de laboratório convencional e um alto grau de conhecimento especializado para calibrar e operar (por exemplo,6). Também requer o uso de consumíveis especializados, como grandes tanques de gases de arraste (ou seja, nitrogênio (N2) e hélio (He)), que não estão prontamente disponíveis em locais remotos. Esses requisitos e a logística associada ao transporte da amostra para o laboratório podem restringir o projeto de amostragem e, em alguns casos, limitar o escopo do estudo quando o equipamento de cromatografia não estiver disponível.
Este estudo teve como objetivo desenvolver um método alternativo para medir as concentrações de gases de efeito estufa dissolvidos a partir de amostras de soluções aquosas usando analisadores de gases portáteis baseados em espectroscopia óptica. Este tipo de analisador óptico de gás é uma alternativa econômica aos sistemas GC-FID padrão, e sua portabilidade o torna a escolha ideal para aplicações de trabalho de campo. Os analisadores de gás portáteis baseados em espectroscopia óptica produzem medições de concentração de gás de alta frequência (ou seja, ~ 1 s-1) com tempos de resposta de 2 a 5 s, dependendo das marcas e modelos. Esses instrumentos são projetados e comercializados principalmente para determinar os fluxos de gases de superfícies emissoras de GEE, como solos, água e vegetação 7,8,9. Os analisadores ópticos permitem o cálculo do fluxo a partir de medições contínuas de concentração em câmaras de headspace não estacionárias implantadas sobre as superfícies emissoras de interesse. Em seu uso regular pretendido com câmaras de superfície, as medições de alta frequência da taxa de mudança nas concentrações observadas na câmara e as dimensões, pressão e temperatura conhecidas da câmara permitem a interpretação desses dados quanto à taxa de emissão (ou absorção) por área de superfície (ou seja, fluxos de superfície) 10 . No entanto, os analisadores de gás portáteis não são equipados nem otimizados para concentrações dissolvidas em meio aquoso, necessitando de adaptações e interpretações adicionais para esse tipo de análise.
Aproveitando demonstrações anteriores do uso de analisadores ópticos para determinar concentrações em amostras discretas de headspaces8, projetamos uma câmara pequena e fechada (ou seja, sem superfícies emissoras) que se conecta ao analisador em um circuito fechado. A alteração das concentrações após a injecção da subamostra de gás do headspace, seguida de cálculos de diluição, permite determinar as concentrações do headspace original. A precisão dessa abordagem foi avaliada comparando-se seus resultados com os obtidos por GC-FID nas mesmas amostras. O método é demonstrado ainda por meio de um caso de uso que analisou os perfis verticais de CH4 em amostras de água porosa coletadas de locais experimentais em um pântano de água doce na Louisiana.
1. Amostragem e análise de águas porosas
2. Medição da concentração de gases de efeito estufa
3. Validação em relação a medições de cromatografia padrão
Analisador óptico versus cromatografia gasosa
Os resultados obtidos por cromatografia gasosa e pelo analisador óptico para os três grupos de padrões mostraram bons ajustes lineares (ou seja, r2 > 0,98) com inclinações próximas a um (Figura 4). As inclinações das regressões nos três experimentos foram estatisticamente semelhantes (F(2) = 0,478, p = 0,623), sugerindo a reprodutibilidade dos resultados. É impo...
Este estudo demonstrou a aplicabilidade de analisadores de gás portáteis baseados em espectroscopia óptica acoplados a uma câmara de injeção personalizada para analisar headspaces criados a partir de amostras de água. A demonstração se concentrou no CH4, mas o protocolo pode ser aplicado à análise de outros GEEs relevantes, como CO2 e N2O8. O objetivo era expandir as avaliações sistemáticas anteriores desses sistemas ...
Os autores declaram não haver conflitos de interesse.
Este trabalho foi financiado por meio dos prêmios DOE DE-SC0021067, DE-SC0023084 e DE-SC0022972. Os dados de concentração de água porosa dos locais amostrados no pântano estão disponíveis publicamente no ESS-DIVE Data Archive (https://data.ess-dive.lbl.gov/view/doi:10.15485/1997524 , acessado em 21 de junho de 2024)
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1/4 in. I.D. x 3/8 in. O.D. Clear Vinyl Tubing | Home Depot | SKU # 702098 | Use to couple stopcocks and tubing connected to the instrument. Two short pieces (~4 cm). |
5/16 - 5/8 in. Stainless Steel Hose Clamp | Everbilt | 6260294 | Use to secure tubing connecting the stopcock valves and tubing connected to the instrument. |
Crack-Resistant Teflon PFA Semi-Clear Tube for chemicals, 5/32" ID, 1/4" OD | McMaster-Carr | 51805K86 | Use to connect the injection chamber to the inlet and outlet ports of the instrument. We used two 0.68 m-long tubing in our experiment. |
Drill with titanium step drillbit | Multiple companies | Use to drill the holes for septum and stopcocks in the jar's metallic lid. | |
Gay butyl septum (stopper) | Weathon Microliter | 20-0025-B | Use as injection port and as vial septum (if compatible). |
Headspace vials 20ml (23x75mm), Clear, Crimp Rounded Bottom | Restek | 21162 | Use to store the headspace sample. |
Heavy Duty Steel Bond Epoxy GorillaWeld | Gorilla | 4330101 | Use to glue stopcock valves and septum to the jar's metallic lid. |
Hypodermic Needles | Air-Tite Products Co. | N221 | Use to extract water from field vials, inject heaspace sample in vial and inject subsample to the injection chamber. |
Mason jar (12 oz) | Ball, Kerr, Jarden | Larger or smaller chamber volumes can be chosen depending on sample concentrations. | |
Optical spectroscopy-based gas analyzer | Multiple companies | Picarro G4301, Licor 7810, Licor 7820, ABB GLA131-GGA | These are some specific examples of analyzers that could be coupled to the injection chamber. We recognize that it is not an extensive list and other optical spectroscopy analyzers may also be suitable for the method. |
Stopcock valve | DWK Life Sciences | 420163-0001 | Keep the valves open during normal operation. |
Syringe (2.5 mL) | Air-Tite Products Co. | R2 | Use to extract subsamples from the headspace vials and inject them in the injecion chamber for analysis. |
Syringe (30 mL) | Air-Tite Products Co. | R30HJ | Use to create headspace for gas analysis. |
Solicitar permissão para reutilizar o texto ou figuras deste artigo JoVE
Solicitar PermissãoThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Todos os direitos reservados