PhD First Progress Report

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1. Doctorado en Recursos Naturales Estudio de la composición mineral de forrajeras nativas de la provincia de Corrientes. Propuesta de modelos quimiométricos para evaluar propiedades químicas y eventual origen geográfico. Primer Seminario Villafañe, Roxana Noelia Lic en Ciencias Químicas (FaCENA- UNNE)
2. Objetivos Generales Determinar la composición química mineral completa de muestras de material botánico correspondiente a especies nativas de pastizales utilizados como forrajeras en la producción pecuaria de la provincia de Corrientes, mediante la aplicación de técnicas analíticas de avanzada. En base a la información generada desarrollar modelos matemáticos (quiomiométricos) de identidad de estas especies de acuerdo a su procedencia geográfica, especie botánica y/o tipo de suelo.
3. Objetivos Particulares • Contribuir al conocimiento de la composición química inorgánica completa, incluyendo elementos a nivel de vestigios y tierras raras, de especies nativas utilizadas como forrajes. • Cuantificar los niveles de elementos de interés ambiental y/o nutricional, que pudieran afectar las cadenas alimentarias donde intervienen las especies objeto de esta tesis. • Explorar la presencia de posibles marcadores químico de identidad en los contenidos de elementos inorgánicos determinados en las muestras. • Desarrollar modelos predictivos que permitan certificar origen y/o variedad botánica de futuras muestras.
4. Fundamentos Elementos a nivel de vestigios Movilidad Trazabilidad ICP-MS y Quimiometría Técnicas de aprendizaje automático Técnicas de minería de datos Reconocimiento de patrones Modelos Predictivos Metodología Modelización Explosión de datos BIG DATA
5. Elementos a nivel de vestigios (trazas) • Los elementos a nivel de vestigios se definen como elementos que se presentan a muy bajas concentraciones (por debajo de 1 mg/kg) en el ambiente. • Los elementos traza forman parte de las diferentes cadenas productivas de agroalimentos dado que son ubicuos en todos los compartimientos ambientales. • El contenido de estos elementos se ve fuertemente influenciado por procesos antropogénicos que incluyen el uso de los fertilizantes, residuos orgánicos, desechos industriales, irrigación, etc.
6. Elementos a nivel de vestigios (trazas) • Sus efectos fisiológicos dependen de la forma química en la que se encuentran. • Sólo una pequeña porción de elementos está biodisponible. La movilidad y la disponibilidad de los elementos traza son controlados por muchos procesos químicos y bioquímicos. 1. Precipitación – Disolución 2. Adsorción – Desorción 3. Procesos de complejamiento y disociación 4. Oxidación – Reducción
7. Elementos a nivel de vestigios (trazas) • Poseen funciones fisiológicas conocidas • En ausencia se observan efectos adversos para el metabolismo • Su efecto no puede ser reemplazado por otro elementos Esenciales • No poseen una función fisiológica conocida • Algunos son considerados POTENCIALMENTE TÓXICOS No esenciales
8. Materiales y Métodos • TOMA DE MUESTRAS • PRETRATAMIENTOS • SECADO Y MOLIENDA • MÉTODOS DE DIGESTIÓN • DIGESTIÓN EN SISTEMA CERRADO ASISTIDO POR MICROONDAS • TÉCNICA ANALÍTICA • ICP-MS • VALIDACIÓN
9. TOMA DE MUESTRAS Departamentos: • San Cosme • General Paz • San Miguel • Concepción • San Roque Especies estudiadas: ▪ Andropogon lateralis (n=28) ▪ Schizachyrium microstachyum (n=26) ▪ Desmodium incanum (n=21) Campaña: 2013-2014
10. TOMA DE MUESTRAS • Trazado de una transecta de 50 m • Pool de muestras • Eliminación de sustancias extrañas (raíces, piedras, etc). • Lavado con agua des-ionizada • Análisis Químico
11. PRETRATAMIENTOS • Secado a temperatura ambiente • Molienda • Digestión de la muestra ▪ Vía seca ▪ Vía Húmeda Calcinación ▪ Mediante mufla a 500°C (500 mg-1g) • Ventajas: programación electrónica (rampa de temperaturas) • Desventajas: elementos volátiles (Hg/As). • Número de muestras reducido (2/3 crisoles) • Partículas insolubles en ácidos Calcinación Vaso abierto Vaso cerrado
12. Preparación de la muestra para la determinación multielemental • VASO ABIERTO • VASO CERRADO: Bombas de teflón • 500 mg de muestra + 7 mL HNO3 (65%) + 1.0 mL H2 O2 • Ventajas: digestión total, no hay pérdidas de muestra. • Automatización con sensores de presión y temperatura. • Programación de rampas de temperatura. 500 mg de muestra + 5 mL ácido nítrico + 2 mL ácido perclórico Se trabaja bajo campana Desventajas: posibles salpicadura. Atención constante del operador
13. Espectrometría de masas por plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) Agilent Technology model 7700
14. Espectrometría de masas por plasma acoplado inductivamente
15. Espectrometría de masas por plasma acoplado inductivamente • Ventajas de técnica analítica: ▪ Bajos límites de detección ▪ Amplio intervalo lineal ▪ Análisis multielemental ▪ Determinación de la abundancia isotópica ▪ Compatibilidad con sistemas cromatográficos Introducción de la muestra Antorcha ICP Espectrómetro de masas
16. Validación de resultados • Estándar interno : 115In • Análisis de muestras certificadas o de referencia (CRM): NIST 1570a (hojas de espinaca). • Determinación de cifras de mérito Análisis Estadístico de Resultados
17. RESULTADOS • DETERMINACIÓN MULTIELEMENTAL • ANÁLISIS EXPLORATORIO DE DATOS • Gráficos estadísticos: Boxplot • Análisis de correlaciones • PCA • HCA
18. Resultados AND SCH DES mg/kg CHAV PMP CHAV PMP CHAV PMP Al 0.15 0.16 0.12 0.14 0.08 0.10 Ag 0.07 0.08 0.05 0.03 0.02 0.05 B 0.45 0.65 5.5 3.54 3.25 2.54 Cd 0.04 0.05 0.05 0.05 0.04 0.05 Co 0.04 0.03 0.03 0.06 0.05 0.06 Cr 0.03 0.05 0.07 0.05 0.05 0.06 Cu 1.15 2.42 1.8 2.4 1.3 1.5 Li 2.64 3.60 2.7 2.4 7.4 1.9 Mo 0.05 0.04 0.30 0.20 0.22 0.25
19. Resultados mg/kg AND SCH DES CHAV PMP CHAV PMP CHAV PMP Ni 0.16 0.12 0.03 0.14 0.19 0.07 Se 0.52 0.61 0.09 0.07 0.07 0.07 Sb 0.22 0.25 0.04 0.03 0.03 0.03 Sn 0.08 0.12 0.08 0.02 0.07 0.15 Sr 5.9 9.4 9.9 7.9 14.0 10.2 Ti 2.5 1.8 1.9 2.9 1.9 3.0 Tl 0.02 0.03 0.03 0.05 0.09 0.07 V 0.14 0.08 0.09 0.23 0.84 0.46 Zn 8.22 20.2 13.2 12.9 18.1 17.8
20. Diagrama de cajas (Boxplot)
21. Análisis exploratorio de datos (EDA) • Usualmente las técnicas EDA son una instancia preliminar a las técnicas de aprendizaje supervisado (clasificación) y permiten saber si existen tendencias en las muestras, descartar valores extremos, o si las muestras de un origen común están relacionadas por ejemplo. • El objetivo es visualizar los datos («just to have a look»). • Técnicas comúnmente utilizadas: • Gráficos estadísticos • Matriz de correlaciones • Análisis de componentes principales (PCA) • Análisis de agrupamientos jerárquicos (HCA) • Otras
22. Matriz de correlaciones
23. PCA: Matriz entera
24. PCA con elipses de 95% de confianza
25. Schizachyrium microstachyum
26. Desmodium Incanum
27. Andropogon lateralis
28. Análisis de agrupamientos jerárquicos Schizachyrium microstachyum Desmodium incanum Andropogon lateralis
29. TAREAS PARA COMPLETAR EL PLAN DE TESIS • Completar matriz de datos con análisis multielemental de muestras tomadas en la campaña 2015-2016 • Realización de modelos predictivos • Publicaciones con referato
30. Cursos de Posgrado • Metodología de la Investigación Científica. FCA UNNE Carga Horaria: 60 hs • Bioestadística y Diseño Experimental FCA UNNE Carga Horaria: 80 hs • Modelos de Regresión Lineal y No Lineal. FCA UNNE. Carga Horaria: 30 hs • Desarrollo y optimización de métodos espectrométricos aplicados a muestras complejas. FaCENA UNNE Carga Horaria: 60 hs • Métodos de Análisis Multivariante. FCA UNNE Carga Horaria: 80 hs • Diseño Experimental y Optimización de sistemas con múltiples respuestas. FaCENA UNNE Carga Horaria: 32 hs. • Análisis Multivariado. FCA UNC Carga Horaria: 40 hs • Espectroscopia de Plasma por Láser y sus Aplicaciones. FCQ UNC. Carga Horaria: 30 hs.
31. Publicaciones con referato • Tracing the geographical origin of Argentinean lemon juices based on trace elements profile using advanced chemometric techniques publicado en Microchemical Journal 129 (5) 2016 JE Gaiad, MJ Hidalgo, RN Villafañe, EJ Marchevsky, RG Pellerano • Toxic Trace Element Contents in Gluten-free Cereal Bars Marketed in Argentina publicado en International Journal of Celiac Disease 3 (1) 2015 MJ Hidalgo, RN Villafañe, SC Sgroppo, EJ Marchevsky, RG Pellerano • Análisis Exploratorio del contenido multielemental de partes aéreas de Desmodium incanum (DC) provenientes de la provincia de Corrientes publicado en The Journal of Argentine Chemical Society Vol (1-2) January - December 2014 RN Villafañe, MJ Hidalgo, JE Gaiad, EJ Marchevsky, RG Pellerano • Assessment of mineral content in aerial parts of Schizachyrium microstachyum (Poaceae) publicado en la revista Biocell 37 (3) 2013 RN Villafañe, AC Bernardis, JE Gaiad, EJ Marchevsky, RG Pellerano
32. Presentaciones en Congresos • Caracterización multivariada de forrajes nativos de Corrientes y rizosfera de acuerdo a su contenido mineral. 8vo Congreso Argentino de Química Analítica. La Plata, Buenos Aires, Argentina. Noviembre 2015. Organiza: Asociación de Químicos Analíticos. • Determinación multielemental y clasificación de limones argentinos de acuerdo a su origen geográfico. 8vo Congreso Argentino de Química Analítica. La Plata, Buenos Aires, Argentina. Noviembre 2015. Organiza: Asociación de Químicos Analíticos. • Determinación de bario, estroncio y litio en hierbas medicinales y sus infusiones consumidas en la región norte de Argentina. VII Congreso Iberoamericano de Física y Química Ambiental. Valparaíso, Chile. Octubre 2014. Organiza: Sociedad iberoamericana de Física y Química Ambiental. • Análisis Exploratorio del contenido multielemental de partes aéreas de Desmodium incanum (DC) provenientes de la provincia de Corrientes. XXX Congreso Argentino de Química. Buenos Aires, Argentina. Octubre 2014. Organiza: Asociación Química Argentina. • Assessment of mineral content in aerial parts of Schizachyrium microstachyum (Poaceae). XXXI Reunión científica anual de la Sociedad de Biología de Cuyo. Mendoza, Argentina. Noviembre 2013. Organiza: Cuyo Biology Society . • Non-essential trace element uptake in soybean seeds. XXXI Reunión científica anual de la Sociedad de Biología de Cuyo Mendoza, Argentina. Noviembre 2013. Organiza: Cuyo Biology Society • Caracterización de dos especies forrajeras nativas de la provincia de Corrientes utilizando métodos quimiométricos basados en su composición mineral. 7mo Congreso Argentino de Química Analítica. Mendoza, Argentina. Octubre 2013. Organiza: Asociación de Químicos Analíticos.