domingo, 30 de septiembre de 2018

Arder como Pep o como Mou (Vol. 2) o la importancia de llamarse volátil

Siguiendo con la serie de entradas de "autobombo" os comento en este post los resultados de otro de los artículos que hemos publicado en abierto y que podéis consultar sin más que darle a este botón. En esta ocasión la pregunta que nos hicimos fue ¿podemos medir en qué porcentaje contribuyen los compuestos volátiles en la inflamabilidad de las plantas? En una de la míticas entradas que llevó a Fuegolab a la fama mundial (y a ser huérfano de abuela) comparábamos la forma de arder de las plantas con el carácter de Pep y Mou. Ahora nos preguntamos los por qués de ese comportamiento y si verdaderamente existe un detonante químico para que esto ocurra. Al igual que los humanos, las plantas presentan un control hormonal que a veces se "descontrola" y puede generar efectos no esperados ¿es esto lo que ocurre con la inflamabilidad de las plantas? ¿los inevitables cambios químicos que genera la planta para crecer y reproducirse tienen efectos en su facilidad de inflamarse o en la energía que se produce cuando esto ocurre? ¿En qué medida?

Fuente

Como ya sabéis gracias a Pep y Mou la inflamabilidad de las plantas depende en gran medida de su humedad (fisiología de la planta), de sus características físicas y en menor importancia también de otras características químicas constitutivas o inducidas por cambios en las especies. Entre éstas últimas, los compuestos orgánicos volátiles son todos aquellos productos químicos que la planta sintetiza para realizar diferentes funciones fisiológicas. De estos cientos de compuestos, los terpenos se encuentran disueltos en los aceites esenciales y resinas de las hojas y tallos y presentan una temperatura de evaporación muy baja, de ahí el nombre de compuestos "volátiles". Algunos de ellos se evaporan a temperatura ambiente y son los responsables de que, por ejemplo, las plantas "huelan" cuando nos acercamos a ellas o que "huela a monte" cuando vamos a dar una vuelta por nuestro bosque preferido. Otros compuestos tienen mayor temperatura de evaporación y lo hacen con las altas temperaturas del verano, por eso en los días de calor percibimos el olor de los romeros, tomillos y jaras que presentan gran cantidad de aceites esenciales. Algunos autores incluso piensan que su acumulación en el aire en zonas cerradas como cañones o barrancos podría ser la causa de la aceleración de los frentes de llama durante los incendios, lo que se denomina fuegos eruptivos ¿por qué? Porque también son muy inflamables. De hecho son los últimos responsables de que el gas que se emite al precalentar las plantas se inflame ante la presencia de pavesas y a continuación (o prácticamente a la vez) la aparición de llama genera la combustión de la planta.

La mayoría de los modelos semiempíricos o físicos no prestan demasiada atención a los compuestos volátiles porque se considera que los fuertes intercambios de energía durante la propagación del fuego hace despreciable la presencia de los mismos. Sin embargo muchos científicos siguen investigando estos compuestos y su papel en la combustión porque podrían ser importantes en el inicio de los incendios o en ecosistemas con plantas con alta presencia de estos compuestos como es el caso de los bosques y matorrales mediterráneos. De hecho las observaciones empíricas sugieren que existen más fuegos de copa en las masas de coníferas que en las frondosas, así como hojarascas más inflamables, lo que podría estar relacionado con la mayor cantidad de estos compuestos. Lo cierto es que, aunque la bibliografía apunta en ese sentido, hay pocos experimentos concluyentes al respecto.

Los ensayos clásicos con epirradiador someten a la muestra vegetal a radiación moderada o baja que permite diferenciar las fases de la combustión: precalentamiento, ignición y combustión (Foto: Laboratorio de incendios forestales INIA) 

Los Quercus son especies que generan volátiles pero no los acumulan, esto es, los emiten conforme los sintetizan, con lo que se puede considerar que su inflamabilidad depende exclusivamente de sus características físicas y su humedad. Sin embargo las coníferas acumulan volátiles en diferentes órganos, generalmente en los canales resiníferos (resinas) y en glándulas internas. Su función es constitutiva y defensiva, esto es, les permite defenderse de amenazas externas como hongos e insectos y los sintetizan en mayor cantidad si están estresadas debido a interacciones bióticas o abióticas. Esta diferencia entre coníferas y frondosas fue la idea inicial para plantear el experimento de inflamabilidad objeto de este artículo. Se ensayaron varias especies de pino y ciprés como representantes de ejemplares que acumulan volátiles y se ensayó con la misma metodología hojas de encina como referencia de especie sin volátiles en sus hojas. Se generaron diferentes modelos incluyendo como variables predichas las cuatro componentes de la inflamabilidad (ignitabilidad, combustibilidad, sostenibilidad y consumibilidad) y como variables predictoras los diferentes compuestos volátiles detectados agrupados en grandes grupos de acuerdo con su punto de evaporación y peso molecular, presentando por tanto un valor "cero" para las muestras de Quercus

Los modelos en los que se incluyó la variable humedad, vimos que no tuvo un peso importante en las constitución del modelo ya que las condiciones de humedad eran similares para todas las muestras. Los resultados mostraron que, en las condiciones del experimento de muy baja radiación, los volátiles explicaban en torno a un 30-35% de la variabilidad de la inflamabilidad de la hojarasca y un 40-49% de la inflamabilidad de las hojas vivas. Lo primero que llama la atención es que el porcentaje es bastante alto porque está muy condicionado por el diseño del experimento. Tal como hemos comentado en la entrada anterior, calentar la plantas despacio con baja radiación en condiciones de laboratorio puede alterar muchos procesos, dando más importancia a unas variables que a otras. La alta importancia que tienen los volátiles en estas condiciones, que es un diseño muy usado en los estudios de ecología, explicaría la clasificación de los Quercus con una inflamabilidad sistemáticamente por debajo de las coníferas (estamos "sobrevalorando" la importancia de los volátiles que no están presentes en los Quercus). De hecho, la presencia de volátiles altera el orden teórico de la inflamabilidad de acuerdo a sus características físicas. Según la forma de sus hojas los pinos deberían ser más inflamables que la encina y por último los cipreses lo menos inflamables de los tres grupos de especies ensayadas. Sin embargo la presencia de volátiles hace que los cipreses sean más inflamables que la encina, presentando el orden experimental Pino>Ciprés>Encina.

Probabilidad de ignición (siendo 1 el 100%) en función de la humedad de la planta para los tres grupos de especies estudiadas. Vemos que en estas condiciones experimentales los volátiles presentes en las hojas del ciprés hacen que tenga mayor probabilidad de ignición que la encina aunque la relación superficie/volumen de sus hojas sea mucho menor.

Otro de los resultados a destacar es que el porcentaje explicativo es mayor en hojas vivas que en muertas. En realidad tiene sentido biológico porque la hojarasca presenta sólo los volátiles "atrapados" en los canales resiníferos o glándulas de las hojas de pinos y cipreses y por tanto no emitidos a temperatura ambiente. En cambio las hojas vivas presentan mayor cantidad de volátiles al estar en plena efervescencia fisiológica lo que explicaría la mayor contribución relativa de los volátiles en su combustión. Es previsible que este porcentaje sea mucho más bajo en las condiciones de fuerte radiación e intercambio de energía de un frente de fuego, tal como ya nos habían dicho nuestros maestros de la ciencia del fuego como Rothermel y compañía. Eso no quiere decir que los resultados obtenidos no tengan interés, desde mi punto de vista. Por un lado se desmitifica la importancia relativa que tienen las especies resinosas respecto a las frondosas (más inflamables sí, pero su importancia relativa no es muy grande) y por otro lado se detectó que fueron los compuestos más pesados (sesquiterpenos) los que más efecto tenían en el aumento de la inflamabilidad en las resinosas. Esto contradice en parte otros estudios que destacan muchos compuestos menos pesados (monoterpernos) y que no prestan demasiada atención a los sesquiterpenos. La hipótesis que planteamos para discutir estos resultados y que deberá corroborarse en estudios posteriores, es que los monoterpernos se emiten muy pronto, en las fases anteriores a la llama y en cambio los sesquiterpenos, que son compuestos más pesados, se emiten en la mezcla de gases al final del proceso de precalentamiento y durante la combustión, contribuyendo en mayor medida en el aumento de la inflamabilidad. 

¿Qué otros resultados sugiere este estudio? Si las coníferas aumentan su cantidad de resinas y compuestos defensivos cuando son atacadas por plagas o enfermedades ¿podría hacer aumentar su inflamabilidad? ¿En qué medida? Ya os anticipo que estamos trabajando en ello. Pero eso lo dejamos para la tercera edición de Pep y Mou.


Referencia: Della Rocca G, Madrigal J, Marchi E, Michelozzi M, Moya B, Danti R (2017) Relevance of terpenoids on flammability of Mediterranean species: an experimental approach at a low radiant heat flux. i-Forest 10: 763-775. Disponible open access en http://www.sisef.it/iforest/contents/?id=ifor2327-010

Nota: Esta entrada recupera parte de la información publicada en el blog Laboratorio de incendios forestales de la plataforma AGRIPA que podéis consultar aquí: ¿Son los compuestos orgánicos volátiles el caballo de Troya de la inflamabilidad de las plantas?


6 comentarios:

  1. No voy a negar que me pierdo un poco con tanto "...erpeno". Pero dado que,como realmente lo mio son las CCSS y dentro de ellas soy más del "club" de los "especulativos" que de los "científicos",me atrevo a comentar que con la presencia de un IIFF, incluso de Intensidad moderada o baja, el aumento de la temperatura del aíre y las "emisiones" emitidas por la vegetación afectada por las llamas, deben influir de alguna manera en la emisión de volátiles en la vegetación que ya está sufriendo la influencia del fuego, aunque todavía no le han llegado las llamas. Si dicha emisión es relevante en función a la densidad de la presencia de la o las especies en cuestión y ,además, se encuentra ubicada en una alineación favorable respecto a la pendiente y dirección del fuego,pues parece lógico que los "...erpenos" influyan favorablemente en la inflamabilidad de la vegetación...Pero vamos...como ya he dicho, son meras especulaciones de un "atrevido"...

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    1. Especultativo pero muy acertado. En realidad es el argumento que utilizan los que creen en la influencia de estos compuestos en el comportamiento del fuego, incluso en su aceleración en fuegos eruptivos. Gracias por comentar!

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    2. Muy interesante el artículo y la línea de estudio de los volátiles.
      Entiendo que se le da una vuelta a la teoría de comienzo de incendios forestales y a su combustibilidad, pues la teoría es que para arder la madera arde en realidad por los gases de pirolisis de la madera que comienzan a emitirse a partir de 200, 300ºC... según especies. Pero en realidad según estos estudios existen multitud de gases combustibles a mucha menor temperatura.
      Esto sin duda explicaría muchos de los fenómenos que estamos viendo en esta última generación de incendios, la facilidad con la que comienzan, y propagan , la gran velocidad de propagación, ... Entiendo que según estos estudios ciertos bosques con diversos tipos de especies abundantes en diferentes volátiles, en ciertas épocas del año tras etapas de sequía y durante olas de calor son auténticas bombas... mira por donde pero me suena.
      Pienso que era algo que intuíamos, para nada necesita la madera 300 grados , si en épocas de sequía con una débil fuente de ignición no hay quien lo pare. Pero hacía falta investigarlo, demostrarlo y entender el proceso.
      Enhorabuena por el trabajo

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    3. Gracias por tu comentario. Efectivamente es un tema poco estudiado del que necesitamos saber más. Las observaciones que comentas son comunes en todas las partes del mundo por eso la "inteligencia colectiva" nos está indicando que plantear estas hipótesis no es descabellado. Además las plantas estresadas tienden a emitir más volátiles porque sintetizan más aceites esenciales, con lo que es previsible que el cambio climático juegue un papel importante en el proceso. En ello estamos. Un saludo.

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    4. Además con estas conclusiones se podría justificar aún másla falta de eficiencia del agua en ciertos tipos de incendios, pues si tu tienes gases que arden a 300ºC puedes intentar refrigerarlos y bajarlos por debajo de su punto de ignición, pero si tienes en el desarrollo del incendio gases que arden a temperatura ambiente y en las olas de calor , cuando se desarrollan estos gigantescos incendios, ésta es muy alta... es entonces imposible bajarlos por debajo del punto de ignición.
      Por lo que los únicos métodos de extinción que estaríamos empleando con agua y retardantes de corto plazo sería sofocación y aislamiento de la fuente de ignición. A todas luces totalmente insuficiente.
      De nuevo enhorabuena por el estudio, porque por lo que estamos viendo en las noticias es un tema super necesario de investigar hoy en día y nos ha pillado el toro.

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