Nota de investigación

 

Concentración de hierro disuelto en la zona del mínimo de oxígeno frente al umbral de San Esteban, golfo de California

 

Concentration of dissolved iron in the oxygen minimum zone off San Esteban sill, Gulf of California

 

José Antonio Segovia-Zavala*, Francisco Delgadillo-Hinojosa, Miguel Ángel Huerta-Díaz, Albino Muñoz-Barbosa, Manuel Salvador Galindo-Bect, José Martín Hernández-Ayón, Eunise Vanessa Torres-Delgado

 

Instituto de Investigaciones Oceanológicas, Universidad Autónoma de Baja California, Carretera Tijuana-Ensenada, No. 3917, Fraccionamiento Playitas, Ensenada 22800, Baja California, México.

 

*Corresponding author. E-mail: jsegovia@uabc.edu.mx

 

Received August 2012,
received in revised form April 2013,
accepted May 2013.

 

RESUMEN

Se registran concentraciones de hierro disuelto (Fe_d) en la zona del mínimo de oxígeno (ZMO) del golfo de California, que se ubicó frente al relieve del umbral de San Esteban y entre el Agua Subsuperficial Subtropical (ASS) y el Agua Intermedia del Pacífico. La concentración promedio de Fe_d en la ZMO fue de 3.84 ± 2.48 nM, con un valor mínimo de 1.48 nM y un máximo de 10.02 nM. Estas concentraciones son mayores y están enriquecidas (8:1) en relación con las de la ZMO del océano Pacífico Nororiental Tropical (0.25-1.2 nM), cuyas aguas ingresan al golfo de California mediante el ASS. La resuspensión de sedimentos y aguas ricas en Fe_d provocan el incremento de este metal en las estaciones aledañas al umbral de San Esteban. Por otro lado, los valores relativamente menores son producto de la desnitrificación en la zona subóxica en las estaciones más alejadas del umbral de San Esteban.

Palabras clave: hierro, zona del mínimo de oxígeno, desnitrificación, golfo de California.

 

ABSTRACT

Dissolved iron (Fe_d) concentrations are reported for the Gulf of California oxygen minimum zone (OMZ), which was located in front of San Esteban sill, between Subtropical Subsurface Water (SSW) and Pacific Intermediate Water. Mean Fe_d concentration in the OMZ was 3.84 ± 2.48 nM, with minimum and maximum values of 1.48 and 10.02 nM. These concentrations are higher and are enriched in relation to the Tropical Northeast Pacific Ocean OMZ (0.25-1.2 nM), whose waters enter the gulf through SSW. Sediment resuspension and Fe_d-enriched waters cause the observed Fe increase at the stations located near San Esteban sill. On the other hand, the relatively lower Fe_d concentrations found at the stations farthest from the sill are the result of denitrification in the suboxic zone.

Key words: iron, oxygen minimum zone, denitrification, Gulf of California.

 

INTRODUCCIÓN

Las zonas del mínimo de oxígeno (ZMO) o capas subóxicas se caracterizan por tener concentraciones de oxígeno <20 μM (Helly y Levin 2004, Paulmier et al. 2011). En particular, la ZMO del océano Pacífico Nororiental es de las más importantes a nivel mundial (Hendrickx y Serrano 2010) y se extiende desde las costas mexicanas hasta gran parte del océano adyacente, salvo el extremo norte del golfo de California (GC) (Helly y Levin 2004).

En el GC, la ZMO es atribuida a las altas tasas de productividad orgánica primaria (Álvarez-Borrego y Lara-Lara 1991) y a las consiguientes altas tasas de respiración (Thunell 1998, Delgadillo-Hinojosa et al. 2006). Sin embargo, el grado de influencia de la ZMO hacia el norte de este mar interior es controlada por la mezcla vertical intensa, la cual transporta oxígeno hacia las aguas profundas y atenúa la ZMO al sur de la región de las islas y los umbrales (Delgadillo-Hinojosa et al. 2006). Por lo tanto, se sugiere que la ZMO en el GC es producto del balance entre la intrusión de aguas pobres en oxígeno del océano Pacífico Este, el aporte de material orgánico, su respiración y el proceso de ventilación por la mezcla vertical. Lo anterior, es muy importante para el estudio de elementos traza esenciales como el Fe, el cual es afectado por procesos redox en las áreas subóxicas de la ZMO.

Se ha documentado que las formas oxidadas insolubles de Fe(III) que provienen de las aguas superficiales oxigenadas, bajo condiciones redox, son reducidas a Fe(II) (Landingy Bruland 1987, Laës et al. 2006, Alkan y Tüfekçi 2009). Estas formas solubles incrementan la concentración de Fe disuelto (Fe_d) y son nutrientes indispensables para la fotosíntesis (Street y Paytan 2004). Sin embargo, la información biogeoquímica del Fe_d en condiciones dinámicas de transición subóxicas, como las encontradas en la ZMO del GC, es nula. Por lo tanto, el presente trabajo se orienta a conocer la concentración y distribución del Fe_d para contribuir a la construcción del ciclo biogeoquímico Fe de la porción central del GC, donde tiene su límite la ZMO. Además, se comparan los resultados del presente estudio con los encontrados en otras regiones subóxicas del océano Pacífico para tener una idea general de la distribución de este elemento esencial.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Se realizaron dos cruceros oceanográficos en el GC a bordo del B/O Francisco de Ulloa: el primero durante mareas vivas de la primavera de 2003 (12-17 de mayo) y el segundo durante mareas muertas del verano tardío de 2004 (1-10 de septiembre). En la figura 1 se muestra el transecto ubicado a lo largo del eje central y entre las islas del GC (estaciones 3, 14, 11, 24, 28, 34 y 38; fig. 1). Para el estudio de la ZMO, solamente se consideraron cuatro estaciones hidrográficas (24, 28, 34 y 38) debido a que la frontera de la ZMO se localizó frente al umbral de San Esteban (USE). Toda la metodología de la recolección de muestras y de los análisis de metales y variables hidroquímicas está documentada en Segovia-Zavala et al. 2009, 2010. Las muestras de agua se recolectaron a 10, 20, 50, 75, 100, 200 y 500 m de profundidad.

Medición del metal en la fase disuelta

Se analizó la fase disuelta de Fe, que se definió como todo el material que pasa a través de un filtro con tamaño de poro de 0.45 μm, y solo se registró el Fe_d total. Las especies Fe (II) y Fe (III) no se registraron. El Fe_d se evaluó por extracción orgánica y preconcentración con quelantes orgánicos (APDC). El Fe se determinó por espectrometría de masas de alta resolución con plasma acoplado por inducción. El límite de detección fue de 0.036 nM.

 

RESULTADOS

La concentración promedio del Fe_d para ambos muestreos en la ZMO fue de 3.84 ± 2.48 nM, con un valor mínimo de 1.48 nM y máximo de 10.02 nM. El valor mínimo se registró en primavera a los 400 m de profundidad (estación 28) y el valor máximo, en verano a los 600 m (estación 28). La concentración promedio de Fe_d para primavera y verano fue 3.55 ± 1.57 y 4.03 ± 3.66 nM, respectivamente.

En las figura 2(a, b) se presentan los perfiles verticales de Fe_d para las estaciones 24, 28, 34 y 38, donde se ubicó la ZMO entre los 300 a 600 m de profundidad. La ZMO se ubicó entre el Agua Subsuperficial Subtropical (ASS) y el Agua Intermedia del Pacífico. En las gráficas se observó que en ambos periodos de muestreo los perfiles tuvieron distribuciones similares. En general, en la ZMO, las concentraciones de Fe_d se incrementaron con la profundidad y esto fue más evidente hacia el USE. Sin embargo, esto último no fue exclusivo de la zona subóxica; en primavera también se detectaron altas concentraciones (5.1 y 12.3 nM a 300 y 400 m, respectivamente) en la estación (24) más próxima al USE, fuera de la ZMO.

 

DISCUSIÓN

La concentración promedio del Fe_d en la ZMO para ambos muestreos fue alta (3.84 ± 2.48 nM) debido a que la concentración mínima (1.48 nM en el ASS, fig. 2a) fue relativamente mayor que la concentración más alta (1.20 nM) registrada en el núcleo de la ZMO del océano Pacífico Nororiental, frente a Manzanillo, México (Hopkinson y Barbeau 2007). Este núcleo se sitúa en el ASS, la cual ingresa al GC (Delgadillo-Hinojosa et al. 2006). Los valores registrados en el presente estudio son similares a las concentraciones (2.3-3.8 nM) registradas para el núcleo del agua subóxica de la zona de surgencia del Perú (Bruland et al. 2005); no obstante, son relativamente menores que las registradas en las condiciones hipóxicas de las aguas sobre la plataforma de Oregón (21.5 ± 2.1 nM, Lohan y Bruland 2008) y de la zona subóxica anexa a los sedimentos del Perú (10-50 nM, Bruland et al. 2005). En este estudio, el valor máximo del Fe_d en la ZMO durante el verano fue de 10.02 nM y se encontró asociado a una concentración de oxígeno de 15 μM (fig. 2b). Sin embargo, los valores altos (5.1 y 12.3 nM) encontrados fuera de la ZMO (estación 24) durante la primavera y asociados a concentraciones de oxígeno mayores (47 y 32 μM) pueden ser consecuencia de la resuspensión de sedimentos. Estos resultados, en relación con la ZMO del Pacífico Noroeriental (Hopkinson y Barbeau 2007), plantean una consistencia y un patrón general de la concentración y distribución de este elemento esencial en la zona subóxica del GC; sin embargo, en relación con el núcleo de la ZMO del ASS (Hopkinson y Barbeau 2007) que ingresa al GC, sugieren que las concentraciones de Fe en la ZMO del GC están enriquecidos (entre dos y ocho veces más), por lo que deben existir procesos internos que incrementen los niveles de Fe_d.

La proximidad de la ZMO con el USE permite la elevación y resuspensión de sedimentos ricos en hierro (fig. 3a y b). Lo anterior, se puede observar de los valores altos de Fe_d encontrados en la estación 24 (fuera de la ZMO) y en las estaciones 28 y 34 (dentro de la ZMO; fig. 2a, b). Esto sugiere que además de los bajos niveles de oxígeno, los incrementos de Fe_d también podrían deberse a la influencia del fondo y a la elevación del nivel de agua por mezcla vertical en las estaciones próximas al USE (fig. 3a y b). Delgadillo-Hinojosa et al. (2006) registraron que, al sur de la región de las islas grandes del GC, los máximos subsuperficiales de Mn disuelto parecen estar influenciados por la resuspensión de sedimentos a la ZMO a lo largo del margen continental (USE). También, se ha documentado que las mareas vivas en la zona de los umbrales producen una mezcla vertical de la columna de agua que llega más allá de los 500 m de profundidad (Simpson et al. 1994), lo que podría resuspender sedimentos hacia la ZMO que se ubicó frente al USE entre los 400 a 600 m de profundidad (fig. 3a y b). Lejos de la zona de resuspensión del USE, los incrementos de la concentración de Fe_d podrían ser producto de la desnitrificación en la zona suboxica.

Se ha registrado que en la ZMO se lleva a cabo la desnitrificación e incremento del Fe_d (Bruland 2006). En la ZMO, en el GC, el Fe_d se asoció negativamente con el oxígeno disuelto (fig. 4), lo que indica que el Fe_d se incrementa conforme el oxígeno disminuye por debajo de 20 μM. Lo anterior sugiere que, debido a que también son utilizadas como aceptores de electrones para oxidar la materia orgánica (Bruland 2006, Moffett et al. 2007), las formas oxidadas insolubles de Fe(III) y Mn(IV), que provienen de las aguas superficiales, son reducidas a las formas solubles Fe(II) y Mn(II) bajo condiciones desnitrificantes. Sin embargo, la relación entre la Fe_d y el oxígeno disuelto presenta datos dispersos (fig. 4) que producen un coeficiente de correlación bajo (R = 0.40), lo que sugiere que, además de los niveles bajos de oxígeno, existen otros procesos que están influenciando la concentración y distribución de Fe_d en la ZMO. Es posible que la resuspensión de sedimentos sea un factor que esté influenciando la concentración de Fe_d en las aguas cercanas al USE (fig. 3 a, b), ya que en ambos periodos de muestreo las concentraciones más altas se presentaron adyacentes a dicho umbral. Por otro lado, los valores más bajos de Fe_d encontrados en la estación más alejada del USE (38) podrían ser atribuidos a la desnitrificación. De acuerdo con Hopkinson y Barbeau (2007), el estado redox y la especiación del Fe son afectados por las condiciones subóxicas. Sin embargo, en este estudio, no se presentaron las condiciones para que el Fe fuese reducido totalmente a Fe (II), así como tampoco hubo acumulación considerable de Fe_d en la zona subóxica. En consecuencia, la dispersión de los datos en la figura 4 sugiere que los procesos que afectan la concentración de Fe_d en la ZMO, en las estaciones cercanas al USE, podrían ser una mezcla de condiciones reductoras y resuspensión de sedimentos, acentuándose esto último en primavera, cuando la columna de agua es menos estable y las mareas vivas en combinación con el umbral producen una mezcla más efectiva. Por otro lado, en las estaciones más lejanas al USE, el factor predominante podría ser el efecto de las condiciones reductoras. Todo indica que los procesos que controlan la concentración y distribución del Fe en la ZMO cercana al USE son muy complejos y podrían ser muy variados, por lo que deberán realizarse más estudios que ayuden a definir de una mejor manera su distribución y biogeoquímica en este mar interior tan dinámico como es el GC y sobre todo en la región del USE.

 

AGRADECIMIENTOS

Este estudio fue financiado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT, SEP-2004-C01-46576) y por la Universidad Autónoma de Baja California (UABC, proyecto interno no. 565). Se agradece a los revisores anónimos que, con sus comentarios y sugerencias, enriquecieron este trabajo.

 

REFERENCES

Alkan N, Tüfekçi M. 2009. Distributions of dissolved forms of manganese and iron in the water column of the southeastern Black Sea. Turkish J. Fish. Aquat. Sci. 9: 159-164. http://dx.doi.org/10.4194/trjfas.2009.0206        [ Links ]

Álvarez-Borrego S, Lara-Lara R. 1991. The physical environment and primary productivity of the Gulf of California. In: Dauphin JP, Simoneit BR (eds.), The Gulf Pennisular Province of the Californias. AAPG Mem. 47: 555-567.         [ Links ]

Bruland KW. 2006. A review of the chemistries of redox sensitive elements within suboxic zones of the oxygen minimum regions. Suplemento Gayana 70: 6-13. http://dx.doi.org/10.4067/S0717-65382006000300003        [ Links ]

Bruland KW, Rue EL, Smith GJ, DiTullio GR. 2005. Iron, macronutrients and diatom blooms in the Peru upwelling regime: Brown and blue waters of Peru. Mar. Chem. 93: 81- 103.http://dx.doi.org/10.1016/j.marchem.2004.06.011        [ Links ]

Delgadillo-Hinojosa F, Segovia-Zavala JA, Huerta-Díaz MA, Atilano-Silva H. 2006. Influence of geochemical and physical processes on the vertical distribution of manganese in Gulf of California waters. Deep-Sea Res. I 53: 1301-1319.http://dx.doi.org/10.1016/j.dsr.2006.06.002        [ Links ]

Hendrickx ME, Serrano D. 2010. Impacto de la zona de mínimo de oxígeno sobre los corredores pesqueros en el Pacífico mexicano. Interciencia 35: 12-18.         [ Links ]

Helly JJ, Levin LA. 2004. Global distribution of naturally occurring marine hypoxia on continental margins. Deep-Sea Res. I 51:1159-1168.http://dx.doi.org/10.1016/j.dsr.2004.03.009        [ Links ]

Hopkinson BM, Barbeau KA. 2007. Organic and redox speciation of iron in the eastern tropical North Pacific suboxic zone. Mar. Chem. 106: 2-17.http://dx.doi.org/10.1016/j.marchem.2006.02.008        [ Links ]

Laës A, Blain S, Laan P, Ussher SJ, Achterberg EP, Tréguer P, de Baars HJW. 2006.http://dx.doi.org/10.5194/bg-4-181-2007        [ Links ]

Landing WM, Bruland KW. 1987. Contrasting biogeochemistry of iron and manganese in the Pacific Ocean. Geochim. Cosmochim. Acta 51: 29-43. http://dx.doi.org/10.1016/0016-7037(87)90004-4        [ Links ]

Lohan MC, Bruland KW. 2008. Elevated Fe (II) and dissolved Fe in hypoxic shelf waters off Oregon and Washington: An enhanced source of iron to coastal upwelling regimes. Environ. Sci. Technol. 42: 6462-6468.http://dx.doi.org/10.1021/es800144j        [ Links ]

Moffett JW, Goepfort TJ, Naqvi SWA. 2007. Reduced iron associated with secondary nitrite maxima in the Arabian Sea. Deep-Sea Res. I 54: 1341-1349.http://dx.doi.org/10.1016/j.dsr.2007.04.004        [ Links ]

Paulmier A, Ruiz-Pino D, Garçon V. 2011. CO₂ maximum in the oxygen minimum zone (OMZ). Biogeosciences 8: 239-252.http://dx.doi.org/10.5194/bg-8-239-2011        [ Links ]

Segovia-Zavala JA, Delgadillo-Hinojosa F, Lares-Reyes ML, Huerta-Díaz MA, Muñoz-Barbosa A, Torres-Delgado EV. 2009. Atmospheric input and concentration of dissolved iron in the surface layer of the Gulf of California. Cienc. Mar 35: 75-90.         [ Links ]

Segovia-Zavala JA, Lares-Reyes ML, Delgadillo-Hinojosa F, Tovar-Sánchez A, Sañudo-Wilhelmy SA. 2010. Dissolved iron distributions in the central region of the Gulf of California. Deep-Sea Res. I: 53-64.http://dx.doi.org/10.1016/j.dsr.2009.10.007        [ Links ]

Simpson JH, Souza AJ, Lavín MF. 1994. Tidal mixing in the Gulf of California. In: Beven JK, Chatwin PC, Millbank JH (eds.), Mixing and Transport in the Environment. John Wiley, London,pp. 169-182.         [ Links ]

Street JH, Paytan A. 2004. Iron, phytoplankton growth, and the carbon cycle. In: Sigel A, Sigel H, Sigel RKO (eds.), Metal Ions in Biological Systems. Vol. 43 Biogeochemical Cycles of the Elements. Marcel Dekker, New York, pp. 153-193.         [ Links ]

Thunell RC. 1998. Seasonal and annual variability in particle fluxes in the Gulf of California: A response to climate change. Deep-Sea Res. I: 2059-2083. http://dx.doi.org/10.1016/S0967-0637(98)00053-3        [ Links ]