Fluorómetros para oceanografía, limnología y vigilancia medioambiental

Un fluorómetro es un sensor óptico que utiliza la fluorescencia. En este fenómeno natural, las moléculas absorben luz a una longitud de onda y la reemiten a una longitud de onda más larga, lo que permite detectar y cuantificar compuestos específicos en el agua. Entre los objetivos más comunes se encuentran la clorofila a (un indicador clave de la biomasa del fitoplancton), la materia orgánica disuelta fluorescente (FDOM), los trazadores de petróleo y colorantes, y los pigmentos de algas como la ficocianina y la rodamina.

SWiFT SVPplus Chlorophyll a de Teledyne Valeport.

Estos instrumentos tienen un valor incalculable en la investigación oceanográfica, la monitorización medioambiental, la evaluación de la calidad del agua, la limnología, la monitorización de la acuicultura y la monitorización de embalses. Proporcionan datos cruciales sobre productividad primaria, eutrofización, floraciones de cianobacterias e incluso contaminación o fugas en entornos industriales.

Cómo funcionan los fluorómetros

Excitación

El instrumento emite luz, normalmente de LED o láser, a una longitud de onda de excitación específica adaptada al compuesto objetivo (por ejemplo, ~470 nm para la clorofila a).

Emisión de fluorescencia

Cuando una molécula diana absorbe la luz de excitación, emite fluorescencia a una longitud de onda distinta y más larga (por ejemplo, ~685 nm para la clorofila a), una señal proporcional a la concentración del compuesto.

Detección óptica

Los filtros y sensores internos aíslan la fluorescencia emitida de la luz de excitación, lo que permite una medición precisa.

Procesamiento de señales y calibración

La luz detectada se convierte en señales electrónicas. La calibración por muestra, utilizando patrones o muestras verificadas en laboratorio, es esencial para corregir la deriva del sensor y las influencias de la temperatura, la salinidad y la turbidez.

Métodos de despliegue

• Sistemas de amarre: Los fluorómetros montados en boyas fijas o a la deriva y en boyas de superficie proporcionan datos a largo plazo y de alta frecuencia en océanos, lagos o embalses.
• Vehículos teledirigidos (ROV): Utilizados para perfilar concentraciones de pigmentos en profundidad, ideales para cartografiar zonas estratificadas o inspeccionar estructuras submarinas.
• Vehículos submarinos autónomos (AUV): Integrados con otros sensores(módulos GNSS/GPS, unidades de telemetría) para estudios de grandes áreas, como detección de floraciones, cartografía de FDOM o fluorómetros de petróleo crudo para vigilancia de la contaminación.
• Muestreadores de agua: Controles en tiempo real junto a los análisis de laboratorio tradicionales.
• Embarcaciones de superficie o de investigación: Los peces remolque o las sondas externas apoyan la vigilancia de las aguas costeras y los estudios estuarinos.

Los fluorómetros son resistentes a entornos marinos hostiles, están sellados contra la presión y la corrosión, y a menudo se combinan con unidades de telemetría para obtener lecturas remotas en tiempo real.

Tipos de fluorómetros

Los fluorómetros están diseñados con configuraciones ópticas especializadas para detectar compuestos fluorescentes específicos en entornos acuáticos. A continuación se ofrece una descripción detallada de los principales tipos de fluorómetros más utilizados en oceanografía, limnología y vigilancia medioambiental.

Fluorómetros de clorofila

Los fluorómetros de clorofila están diseñados para medir la fluorescencia natural emitida por los pigmentos de clorofila presentes en el fitoplancton. Estos instrumentos son cruciales para determinar la abundancia y distribución de las poblaciones de fitoplancton, que constituyen la base de la red trófica acuática.

Los fluorómetros de clorofila emiten luz azul (alrededor de 470 nm) que excita las moléculas de clorofila, las cuales emiten fluorescencia roja (alrededor de 685 nm). Esta fluorescencia es directamente proporcional a la concentración de clorofila, lo que proporciona información en tiempo real sobre la productividad biológica.

Usos principales:

• Control de la proliferación de algas en sistemas marinos y de agua dulce
• Estimación de la productividad primaria y la biomasa fitoplanctónica
• Apoyo a los modelos climáticos mediante el seguimiento de la absorción de carbono
• Evaluación de la calidad del agua en sistemas de acuicultura y embalses

Fluorómetros de clorofila a

Los fluorómetros de clorofila a son un subconjunto específico de fluorómetros de clorofila que se centran exclusivamente en la clorofila a, el pigmento primario implicado en la fotosíntesis. Al aislar este pigmento, estos instrumentos ofrecen datos muy específicos que pueden utilizarse para evaluar la salud y la productividad de los ecosistemas acuáticos.

Estos sensores se ajustan con precisión a los pares de excitación/emisión óptimos para la clorofila a y suelen integrarse en plataformas autónomas o estaciones de vigilancia fijas para una evaluación continua.

Usos principales:

• Seguimiento de alta resolución de las variaciones estacionales y espaciales del fitoplancton.
• Evaluación de la calidad del agua en estudios limnológicos
• Gestión de la carga de nutrientes y la eutrofización en embalses y lagos
• Detección de señales tempranas de floraciones de algas nocivas (FAN)

Fluorómetros de ficocianina

Los fluorómetros de ficocianina están diseñados para detectar la ficocianina, un pigmento que se encuentra principalmente en las cianobacterias, también conocidas como algas verdeazuladas. Estos fluorómetros son herramientas esenciales para vigilar las floraciones de cianobacterias, que pueden plantear graves riesgos ecológicos y para la salud pública debido a su potencial para liberar toxinas.

Los sensores excitan la ficocianina a longitudes de onda específicas y miden su emisión de fluorescencia diferenciada, lo que permite una cuantificación precisa incluso a bajas concentraciones.

Usos principales:

• Detección precoz de floraciones de cianobacterias en fuentes de agua potable
• Vigilancia de embalses y lagos de agua dulce
• Apoyo al cumplimiento de la normativa en plantas de tratamiento de aguas
• Evaluación de la eficacia de las estrategias de corrección en zonas propensas a la proliferación de cianobacterias

Fluorómetros FDOM

Los fluorómetros de materia orgánica disuelta fluorescente (FDOM) son instrumentos especializados utilizados para detectar y cuantificar compuestos orgánicos en el agua que presentan fluorescencia natural bajo luz ultravioleta o azul. Entre estos compuestos se encuentran los ácidos húmicos y fúlvicos, que proceden de material vegetal en descomposición y de la actividad microbiana.

Las lecturas de FDOM ayudan a caracterizar la composición química de la materia orgánica disuelta y son fundamentales para rastrear fuentes de contaminación orgánica, como la escorrentía agrícola o el vertido de aguas residuales.

Usos principales:

• Cartografía de plumas de agua dulce y aportes terrestres en zonas costeras
• Seguimiento del transporte y la transformación de la materia orgánica
• Apoyo a estudios sobre el ciclo del carbono y el metabolismo de los ecosistemas
• Control de la contaminación de las aguas residuales y conformidad de los vertidos

Fluorómetros de rodamina

Los fluorómetros de rodamina se utilizan para detectar colorantes de rodamina, especialmente la rodamina WT, muy utilizada en estudios hidrológicos y de trazabilidad medioambiental debido a su estabilidad y alta visibilidad en el agua. Estos fluorómetros se ajustan a las longitudes de onda de excitación y emisión del colorante, lo que permite una detección precisa incluso a niveles traza.

Son especialmente útiles para rastrear el movimiento del agua a través de sistemas naturales y artificiales.

Usos principales:

• Detección de fugas en tuberías y depósitos
• Estudios de interacción entre aguas subterráneas y superficiales
• Seguimiento de plumas de aguas residuales
• Análisis de trayectorias de flujo en sistemas fluviales, lacustres y de estuarios

Fluorómetros de fluoresceína

Los fluorómetros de fluoresceína detectan el colorante fluoresceína, otro trazador de uso común en la investigación medioambiental e hidrológica. La fluoresceína es famosa por su intensa fluorescencia y su rentabilidad, lo que la convierte en una opción ideal para aplicaciones de trazado a corto plazo o a pequeña escala.

Estos fluorómetros se utilizan a menudo junto con sensores de rodamina para realizar experimentos comparativos de rastreo de colorantes.

Usos principales:

• Cartografía de vías de flujo en acuíferos kársticos y de roca fracturada
• Seguimiento de la dispersión de efluentes en sistemas costeros y de agua dulce
• Pruebas de infraestructuras en sistemas de aguas pluviales y residuales
• Estudios de trazado de colorantes en la investigación académica y medioambiental

Fluorómetros de sulforodamina B

Los fluorómetros de sulforodamina B están sintonizados para detectar el colorante sulforodamina B, un trazador altamente soluble en agua conocido por su fuerte fluorescencia y fotoestabilidad. Aunque se utiliza con menos frecuencia que la rodamina o la fluoresceína, la sulforodamina B ofrece ventajas en situaciones que requieren una baja interferencia de fondo o una compatibilidad medioambiental específica.

Estos instrumentos proporcionan datos fiables en sistemas complejos con múltiples colorantes trazadores o en entornos que requieren periodos de seguimiento prolongados.

Usos principales:

• Rastreo de colorantes de larga duración en aguas subterráneas o superficiales
• Estudios hidrodinámicos complejos con señales de trazadores superpuestas
• Detección de fugas industriales y rastreo de aguas de proceso
• Análisis del movimiento del agua en humedales artificiales y sistemas de tratamiento

Fluorómetros de petróleo crudo

Los fluorómetros para petróleo crudo están diseñados para detectar la fluorescencia natural de los hidrocarburos presentes en el petróleo sin refinar. Estos instrumentos son muy sensibles a los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) y otros compuestos relacionados con el petróleo, lo que los hace esenciales para la vigilancia medioambiental en zonas con riesgo de contaminación.

Suelen montarse en plataformas autónomas, como vehículos aéreos no tripulados (AUV) o amarres, para detectar petróleo en zonas extensas y vigilarlas continuamente.

Usos principales:

• Detección de vertidos de petróleo y descargas industriales
• Vigilancia de referencia cerca de plataformas petrolíferas e instalaciones costeras.
• Análisis de la presencia de petróleo en el agua para el cumplimiento de la normativa medioambiental
• Apoyo a los esfuerzos de respuesta en incidentes de contaminación marina

Mejores prácticas de despliegue

Calibración y validación

• Realice calibraciones rutinarias utilizando estándares preparados en laboratorio (por ejemplo, clorofila, ficocianina, soluciones de colorantes).
• Validar las lecturas in situ con métodos paralelos, como extracciones de clorofila o análisis de pigmentos por HPLC.

Compensación ambiental

• Aplique correcciones de salinidad, temperatura o turbidez, a menudo mediante sensores de temperatura/conductividad situados en el mismo lugar.

Control de bioincrustaciones

• Utilice revestimientos antiincrustantes, limpiadores o protección mecánica para garantizar la precisión a largo plazo en amarres o boyas.

Frecuencia de despliegue y colocación

• Amarres: muestreo continuo (minutos-horas), ideal para la vigilancia de alta frecuencia.
• AUV: muestreos sistemáticos en cuadrícula o transectos.
• ROV: inspección selectiva.
• Muestreadores de agua y sondas manuales: muestras complementarias durante cruceros de investigación o prospecciones sobre el terreno.

Integración de datos

Combine los datos del fluorómetro con los perfiles del CTD, el oxígeno disuelto, la turbidez y la teledetección para obtener una visión más rica del medio ambiente.

Aplicaciones reales

Investigación oceanográfica y vigilancia costera

• Dinámica del fitoplancton: Los sensores de clorofila rastrean la formación de floraciones y el ciclo de los nutrientes.
• Transporte de materia orgánica: Los sensores de FDOM/CDOM revelan los aportes alóctonos y el destino de la DOM.

Limnología y gestión de embalses

• Evaluación de la calidad del agua: Los sensores de clorofila y ficocianina ayudan a los gestores del agua a identificar FAN o amenazas algales.
• Eutrofización de embalses: Los datos sobre pigmentos apoyan las estrategias de gestión de nutrientes.

Vigilancia medioambiental y detección de la contaminación

• Vertidos de petróleo: Los fluorómetros para petróleo crudo detectan incluso trazas de hidrocarburos (μg/L).
• Vertidos industriales y aguas residuales: Los sensores FDOM y de colorantes indican niveles de contaminantes o fugas.

Estudios de trazadores y detección de fugas

• Trazado hidrológico: La fluoresceína y la rodamina se utilizan para cartografiar las vías de flujo y la conectividad en ríos, arroyos y acuíferos.
• Vigilancia de infraestructuras: Las pruebas de tuberías y la detección de fugas suelen utilizar trazadores de sulforhodamina B o rodamina.

Vigilancia de la acuicultura

• Piscifactorías y marisquerías: Los sensores de clorofila miden la disponibilidad de alimento para el plancton; la calidad del agua garantiza una producción sana.

Resumen de fluorómetros

Los fluorómetros, que van desde los de clorofila, FDOM, ficocianina y aceite hasta los de tipo trazador, son sensores ópticos indispensables en oceanografía, limnología, vigilancia medioambiental y evaluación de la calidad del agua. Funcionan emitiendo luz de excitación dirigida y midiendo la emisión de fluorescencia característica, proporcionando datos sólidos en tiempo real sobre concentraciones de pigmentos, contenido orgánico, fugas o contaminantes. Las plataformas de despliegue, como amarres, AUVs, ROVs, boyas y rovers de muestreo, junto con la calibración adecuada, el control de bioincrustaciones y la compensación ambiental, garantizan la precisión y la longevidad en diversas condiciones.

Cada tipo de fluorómetro desempeña funciones específicas:

• Fluorómetros de clorofila y clorofila a: Evalúan la biomasa fitoplanctónica y la productividad del ecosistema.
• Sensores de ficocianina: Detectar cianobacterias en masas de agua dulce.
• Sensores FDOM/CDOM: Controlar el flujo de carbono orgánico disuelto.
• Fluorómetros de petróleo crudo (sensores de detección de petróleo): Detectar hidrocarburos en zonas marinas/costeras.
• Fluorómetros trazadores de colorantes: Cartografían los flujos hidrológicos y comprueban la integridad de las infraestructuras.

Al integrar los fluorómetros en las redes de sensores medioambientales, los organismos y los investigadores pueden conseguir una vigilancia continua de la calidad del agua, la detección precoz de floraciones o vertidos y estudios ecológicos detallados, lo que permite una amplia gama de aplicaciones, desde la protección de los recursos costeros hasta el cumplimiento de la normativa industrial.