| Vocero |
Transcripción |
| Mike Anderson |
¡Hola a todos! |
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Tengo que confesar algo. Al principio de la pandemia, me costaba encontrar tiempo, digamos, así que me dediqué a montar acuarios y a aprender a hacerlo. |
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Fue muy divertido. Tuve la oportunidad de pasar más tiempo con mi hija. Fuimos a la pescadería y elegimos unos peces preciosos. |
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Pero primero, tenía que crear un entorno seguro para mis peces. Y hoy quiero hablar sobre cómo responder a esta pregunta: "¿Por qué murió mi pez?". |
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Y esto nos lleva de nuevo a esa vieja costumbre que teníamos cuando íbamos a la tienda de mascotas y comprábamos este pequeño y bonito acuario. |
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Y ponemos la grava, ponemos el agua, ya sabes, tal vez pongamos algunos productos químicos, instalamos el filtro, instalamos el burbujeador y arrojamos un par de peces de colores allí y esperamos lo mejor. |
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Y todo va bien durante unos tres o cuatro días, y luego te despiertas una mañana con los ojos llenos de lágrimas de tu hijo, con los ojos llenos de lágrimas, y sabes que tus hijos están llorando y... |
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El pez murió. Y entonces la pregunta que te haces es "¿por qué?". Sabes que los acuarios están limpios. No los alimentamos demasiado, hicimos todo lo que se supone que debemos hacer. Bueno, |
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Resulta que, en muchos sentidos, el problema probablemente era el excremento de los peces. |
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Y, ya saben, para no ponernos demasiado escatológicos, hoy vamos a hablar de la gestión de residuos. En muchos sentidos, de eso es precisamente de lo que vamos a hablar hoy. |
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¿Y cómo gestionamos el hecho de que, al alimentar a un pez, sabemos que sale por el otro extremo? Es decir, eso es todo lo que puede hacer. Y resulta que, si lo dejas en el acuario demasiado tiempo, matará a tus peces. |
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Bueno, en muchos casos, estos peces provienen de la naturaleza, por lo que la naturaleza es realmente la mejor, la mejor maestra cuando se trata de esta situación. |
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Entonces, ¿cómo se ocupa la naturaleza de los excrementos de los peces? Piensen en estos estanques y cosas que... |
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Están, en muchos sentidos, bloqueados. No tienen una entrada ni una salida fuertes. Son bastante estáticos. Entonces, ¿cómo lidian con el hecho de que son peces ahí todo el tiempo, comiendo y haciendo sus necesidades? |
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Bueno, tienen... Hay un ciclo en el acuario... en el mundo acuático llamado "El ciclo del nitrógeno" y eso es lo que vamos a intentar imitar en el acuario. |
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El ciclo del nitrógeno es bastante sencillo de entender. Los peces comen el alimento, |
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y ellos... |
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procesarlo |
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Y esa comida procesada se convierte, o comienza a emitir, amoníaco. |
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Y el amoniaco, |
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en la naturaleza, |
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es comido por una pequeña especie bacteriana que vive en el agua, y vive en el suelo, en las rocas y todas esas cosas en el fondo de... en el lodo en el fondo de la... |
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Agua corporal, donde sea que esté. Y ese bicho convierte el amoníaco en una especie llamada nitrito. |
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Bueno, resulta que el nitrito es más tóxico que el amoníaco. Así que eso es un problema en sí mismo. Cuando hacemos esto en el mundo del acuario, si el amoníaco no te afecta, el nitrito sí. |
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Así que, estás en serios problemas en estos dos primeros pasos. Así que, en la naturaleza, |
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Luego hay otra especie de bacteria que toma el nitrito y lo convierte en nitrato. Y ese cambio de una sola letra convierte algo muy peligroso en algo muy, muy seguro. |
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Y resulta que, en realidad, solo le estás añadiendo oxígeno extra. Eso es todo lo que estás haciendo. |
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Pero, una vez que se alcanza la etapa de nitrato, las plantas del entorno acuático pueden utilizar ese nitrato como alimento y fertilizante. |
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Eso, a su vez, proporciona alimento a los peces, a otras criaturas o a las algas. Todo eso. Lo que no es consumido por ellos... por el medio acuático. |
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Ese nitrato se elimina a través de cualquier salida de agua que pueda tener el cuerpo. |
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Entonces, la naturaleza tiene una excelente manera de organizar esto, de lidiar particularmente con estas dos especies primarias y particularmente mortales de compuestos de nitrógeno que pueden permanecer en la columna de agua, todo debido a la caca de los peces. |
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Entonces la pregunta es ¿cómo abordamos esto en un acuario? |
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Básicamente tenemos que imitar la naturaleza en un acuario. |
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Bueno, si buscas en internet, en foros de discusión, o lees libros o cosas así, o vas a tu tienda de acuarios local, te hablarán de algo llamado biofiltro. O de algo llamado ciclado de acuarios. |
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Y el biofiltro está poblando el acuario con estas dos especies de bacterias. |
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Y, una vez que los tienes, pueden convertir rápidamente el amoníaco en nitrato. Y luego, si te apetece, puedes poner plantas en el acuario y eso se encarga del nitrato o de los nitratos, o hacer cambios de agua o ambos. Eso es lo que yo hago para lidiar con el nitrato. |
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—Que no es tan tóxico. Pero aun así hay que controlarlo, porque con el tiempo llegará a un punto en que sea tóxico. Pero tienes mucho más tiempo que con las otras dos especies. |
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Pero tenemos un pequeño problema. Para iniciar todo este proceso de instalación del biofiltro, necesitamos una fuente de amoníaco, y esta fuente natural de amoníaco son los excrementos de los peces. |
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Entonces, para tener excrementos de pescado, necesitas tener peces. No venden estiércol de pescado en los estantes para que lo hagas. |
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Entonces la pregunta es: "¿Cómo lidiamos con esto?" |
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Bueno, en realidad eliminamos el pescado por completo. Porque no importa la fuente de amoníaco. |
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Y resulta que tenemos una fuente de amoníaco increíblemente limpia, barata y fácil de trabajar, en forma de cloruro de amonio. |
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Y, de hecho, los acuaristas tienen pequeños cubos llenos de esto. Frasquitos llenos. Los que se toman esto en serio, para realizar este proceso sin peces. Se llama "Ciclado sin peces". |
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Y lo que hacemos es sustituir dosis bajas de cloruro de amonio, |
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En el agua para alimentar el biofiltro a medida que se establece. Y, una vez que lo tengamos lo suficientemente desarrollado como para poder agregar cloruro de amonio... |
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Y 24 horas después, no se registra amoníaco en el sistema; sabemos que nuestro tanque está ciclado. Esto significa que el ciclo del nitrógeno se ha establecido en el tanque y podemos añadir peces sin problemas. |
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Así que este es el proceso completo. Puedes revisarlo cuando quieras. Pero, por el bien de lo que estamos haciendo, las partes que podemos monitorear, o que necesitamos monitorear, y que debemos vigilar, son estos tres pasos coloreados. |
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Hoy nos centraremos en el primero, porque este paso del cloruro de amonio es bastante entretenido. |
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Los demás simplemente ocurren por sí solos, pero note que lleva casi un mes establecer este biofiltro. |
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Pero lo que hacemos es añadir bajas dosis de amoníaco como alimento al biofiltro. Las primeras especies de bacterias crecen, se multiplican y se desarrollan. |
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Y empiezan a convertir las sustancias en nitrito. Las especies de nitrato lo absorben y empiezan a crecer, a multiplicarse y a estar felices, y así sucesivamente. En cada paso de este proceso podemos monitorearlo. Y, una vez terminado, simplemente se cambia el 50 % del agua y se añaden los peces. |
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Así es como se ve el proceso si lo hiciéramos con un pez. No proponemos que lo hagamos. Pero esto es lo que verías con el pez. Comenzarías en el tanque sin amoníaco, |
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Y un pez, y si lo alimentas, el pez convertiría el alimento en sustancias que producen amoníaco. Los niveles de amoníaco subirían, subirían, subirían, subirían. |
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Y hay una gran posibilidad de que los peces mueran en algún lugar a lo largo de este camino, pero eventualmente los niveles de amoníaco comenzarían a bajar. |
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Y entonces los niveles de nitritos empezarían a subir más drásticamente. Con el tiempo, empezarían a bajar y entonces los nitratos empezarían a aumentar. |
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Esto es lo que queremos imitar sin ningún pez involucrado. |
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Bien. Entonces, ¿cómo monitoreamos eso? Bueno, tradicionalmente, si vas a la pescadería, te venden un kit de prueba que usa indicadores colorimétricos. Son pequeños reactivos químicos que se agregan y cambian de color. |
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Una gama de colores según la cantidad de lo que se esté analizando. En este caso, se volverán verdes según la cantidad de amoníaco en el sistema. Morados para nitrito. Y rojos, amarillos y naranjas para nitratos. |
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El problema es que la vista puede ser muy engañosa. Sobre todo en esta zona baja: muestras D, E y F. |
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El ojo puede ser engañado muy fácilmente y saber cuándo hay una concentración baja de amoníaco o cuándo no hay amoníaco. |
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Y realmente quieres saber cuándo es "sin amoníaco". Así que, como químico y con mucho tiempo libre durante la pandemia, decidí buscar una mejor manera de hacerlo. |
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Y resulta que la espectroscopia es la manera de hacerlo. Recuerdo que, en mi época en química general, hablamos de la Ley de Beer, y hablaremos de ella con más detalle en un minuto. |
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Pero permítanme presentarles lo que es la espectroscopia realmente rápida, ya que aquellos en la audiencia pueden no saber de qué estamos hablando. |
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La espectroscopia consiste básicamente en utilizar la luz para recopilar información sobre una muestra. |
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Y qué es un espectrómetro, si lo reducimos a sus componentes más simples, y hay espectrómetros increíblemente complejos. Pero, cuando los reducimos a lo que son, son una fuente de luz, |
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que luego se pasa a través de una muestra. Y, a medida que la luz pasa a través de ella, capta información sobre su contenido. |
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Luego pasamos la luz por unas ranuras. El objetivo es crear una línea de luz limpia y definida. Buscamos que el haz de luz sea muy fino y muy alto, para obtener estas líneas definidas. |
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Y pasamos por un par de colimadores. En el caso de mi espectrómetro, resulta que mi fuente de luz era tan brillante, en relación con el espectrómetro, que parte de lo que estaba haciendo aquí también estaba filtrando luz adicional. |
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Tenía demasiada luz, así que tuve que reducir la intensidad mientras trabajaba en esto. Así que desintonicé un poco mi espectrómetro y un par de estuches. Sorprendentemente, no era algo que esperara. |
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Pero después de atravesar las dos rendijas, llegamos a lo que se llama rejilla de difracción. Esto es lo que usamos hoy en día. Estas rejillas de difracción son básicamente películas con líneas grabadas con un espaciado muy específico. |
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Ya sea mediante litografía o prensado. Antiguamente se usaban prismas. Así que, si tienes un prisma, también puedes hacerlo. Pero el objetivo, tanto del prisma como del difractor, es descomponer la luz en sus longitudes de onda. |
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que luego se pasan. |
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Para el detector en mi caso es una webcam. |
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Sí, es una cámara web. |
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A la izquierda, se muestran un par de ejemplos de un espectrómetro muy simple. Tenemos un prisma, una sola rendija y una fuente de luz. |
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Y si miramos la imagen del medio, de este lado, podemos ver que es una luz incandescente, |
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Al pasar por la rendija, podemos ver que se descompone en todas las longitudes de onda que lo componen; este es el espectro de cuerpo negro. Contiene todas las longitudes de onda de la luz del arcoíris que tenemos. |
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Y si observamos algo como una bombilla CFL, en la parte inferior podemos ver que hay señales distintivas, y esas son las líneas de emisión del mercurio, o cualquier gas que se esté usando para crear la fluorescencia en la bombilla. |
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Pero eso es lo que estamos haciendo. Hacemos lo mismo con los espectrómetros. Vamos a separar, vamos a pasar luz a través de una muestra, |
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y separar las longitudes de onda de los componentes de la muestra para que podamos ver qué está pasando en la muestra al observar la luz. |
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Éste es más elegante a la izquierda, o bien aquí a la derecha, tenemos una bonita fuente de luz halógena. |
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Realmente bonito y brillante. Rebota la luz de un punto a otro. Esta es la clasificación de difracción. Es una clasificación de difracción de calidad óptica. |
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Y eso, a su vez, rebota en esto, que se envía a un detector. Es un sistema de doble rebote. Como dije, se vuelven muy complejos. |
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La mía no fue tan así. |
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Tenía legos. Tenía unas cuchillas de afeitar. Tenía un DVD-R que tenía por ahí y que podía desmontar para quitarle el saludo de difracción. Y tenía una cámara web vieja y rota que podía usar. Así que eso fue lo que usé. |
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Así es como se ve. La cuestión es que tiene todos los mismos componentes. Tengo una celda de muestra. Incluso pude conseguir una cubeta pequeña y económica. |
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No se ven las rendijas ópticas porque las quité. Así que se puede ver el resto del sistema. Esta es la rejilla de difracción. |
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DVD-R o también puedes conseguirlos muy baratos en Amazon. Cuestan unos 99 centavos por 12 o algo así. Y además, la cámara web barata en la parte trasera. |
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Y esa cámara web se puede conectar a algo como ImageJ o a algo que pueda ayudar a reunir los espectros e integrarlos, para que podamos usarlo en JMP y trabajar con él en JMP. |
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Esto es lo que obtenemos aquí. En la parte inferior se muestra un ejemplo de espectro de un blanco. En la parte superior, podemos ver el espectro de los canales rojo, verde y azul. También podemos ver el canal promedio de esta muestra. |
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Ya funciona, vayamos a JMP. ¡Ya basta de PowerPoint! |
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Mencioné antes que hablamos de la idea de la Ley de Beer. Y la Ley de Beer básicamente dice que, para una serie dada de concentraciones, si se tiene... y, si llamamos a esas concentraciones "c". |
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Serán proporcionales a una absorbancia observada, "A". |
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La proporcionalidad se basa en la longitud del camino, es decir, en la cantidad de material que la luz debe atravesar. Para una cubeta, su tamaño suele ser de aproximadamente un centímetro. Y luego, una constante de proporcionalidad, "Eta". |
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Así que es básicamente una línea recta. Y cuando tomé los datos de diluciones seriadas que vieron antes, esas cubetas que tenían ese color, pasando de verde a amarillo, |
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Y, al observar las concentraciones conocidas y su absorbancia, se observó que seguían una línea recta. Es algo que nos encanta ver cuando ocurre algo así. Y, lo que es más importante, al observar esa línea recta, sigue la misma fórmula que esperaríamos. |
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Ahí está mi concentración. Esa es mi constante de proporcionalidad. Y este número bien podría ser cero. Si observamos el intervalo de confianza, de hecho, no podemos decir que no sea cero para el intervalo de confianza del 95%. Por lo tanto, cumple perfectamente con la Ley de Beer. |
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Lo cual es genial, pero requería mucho procesamiento. Para cada espectro, tenía que extraer la máxima absorbancia. Tuve que limpiar los datos. Era un desastre, y cada uno de ellos me llevaba mucho tiempo. |
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Entonces la pregunta es, ¿cómo puedo hacer eso cuando tengo que lidiar con 36, 37, 40 espectros diferentes? |
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Bueno, puedo hacerlo con análisis de datos funcionales con bastante facilidad. |
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Ahora hablemos brevemente sobre el conjunto de datos con el que estoy trabajando aquí. |
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Aquí está mi conjunto de calibración y podemos ver que, a medida que mi concentración aumenta a través de este conjunto de datos, |
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Vemos que la intensidad de la región verde del espectro, que es todo lo que tengo mostrado ahora mismo, aumenta. Los colores van desde un rojo oscuro hasta un amarillo claro brillante. Vemos un aumento de intensidad con la concentración. Ahí está la Ley de Beer en acción. |
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Ahora. |
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La pregunta que tuve que responder cuando comencé con esto es ¿cuál de los canales... uso una absorbancia promedio para todo el espectro? |
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¿O elijo uno de esos tres canales para trabajar? |
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Y si observamos el espectro en su totalidad, podemos ver que hay mucho amarillo y muchos colores brillantes y saturados en la región azul del espectro, que es lo que está a un lado, aquí mismo, y en la región roja del espectro aquí. |
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Eso suele indicar que esas regiones se están saturando rápidamente. No tienen el rango dinámico superior que necesito... |
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...para poder asegurarme de tener una buena respuesta lineal en todo el rango de mi detector. |
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Así que, al final, me concentré solo en la región verde del espectro. Como verán, tiene algunos altos, bajos y algo en el medio. Tiene un rango dinámico amplio y utiliza todo el rango dinámico del detector. Y por "detector" me refiero a "cámara web". |
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Otra forma de verlo: aquí mismo, observemos esos espectros. Este es el espacio en blanco. No contiene nada. |
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Y, si añadimos un poquito de amoníaco, vemos que el rojo sube de golpe. No queremos eso. Queremos que suba muy, muy poco a poco. Muy, muy lentamente. |
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Y podemos ver que, más correctamente, eso es lo que sucede cuando usamos la región verde del espectro aquí mismo. |
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Y podemos ver que, particularmente entre la muestra de 2 ppm y la de 3 ppm, el rojo se satura a 2 ppm y el verde se satura a 3 ppm. |
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Lo cual es importante. Es una gran diferencia. Se añadiría mucho amoníaco adicional. Y poder detectar esa diferencia es importante, porque establece la trayectoria desde el principio. |
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Ahora bien, ¿cómo abordamos esto y cómo lo hacemos en el Explorador de Datos Funcionales? Bueno, tenemos las curvas. Tiene sentido. FDE es una excelente herramienta para trabajar con curvas. |
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Pero ¿cómo extraemos concentraciones de incógnitas cuando trabajamos con una curva de calibración como esa? |
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Bueno, el secreto está en que... Bueno, en primer lugar, configuramos todo como esperábamos. |
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Nuestras trazas para nuestras diferentes muestras van en Y, la longitud de onda va en X, el ID de la muestra va en la función ID. |
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Lo que haremos es introducir las concentraciones del conjunto de calibración, de la línea de calibración de la Ley de Beer que creamos. Las introduciremos en la concentración. Esa es la magia. |
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Déjame mostrarte por qué. Bueno, lo que voy a hacer es comenzar estableciendo mi primera incógnita como función objetivo. |
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¿Por qué hice eso? Bueno, déjenme mostrarles en un segundo. Voy a ocultar la gráfica, el procesamiento de datos y los resúmenes de datos. No los necesito ahora. Voy a ir a los modelos. Simplemente usaré un b-spline. |
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Y, de nuevo, lo estoy haciendo para la mecánica. Habría ajustado un poco más el modelo FDE del modelo DOE funcional al hacer esto. |
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Pero lo importante es destacar aquí. Cuando observamos el error integrado, que es nuestra función objetivo, es así de bajo: tiene mínimos. |
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Y resulta que ese mínimo es la concentración de amoniaco en la muestra desconocida. |
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Entonces, todo lo que tengo que hacer para encontrar ese mínimo... |
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es maximizar mi deseabilidad... |
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y leer... |
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mi concentración. |
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Ahora, lamentablemente, no puedo volver atrás y establecer una nueva función de destino en esta misma instancia de FDE. |
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Entonces, tengo que hacer eso cada vez que quiero hacerlo para cada función. Afortunadamente, solo lo hacía una vez al día, así que no se volvió tedioso. Pero, si tuviera más datos y tuviera que hacerlo todo a la vez, tardaría un poco. |
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Pero veamos cómo termina resultando esto. |
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Volvamos a la Ley de Beer. Los puntos de datos azules aquí son los conjuntos de datos de calibración. Esos son los delirios seriales que utilicé para establecer el modelo. |
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Podemos ver que todas las incógnitas se ajustan perfectamente a la Ley de Beer. ¡Genial, la ciencia funciona! ¿Verdad? Y, lo que es más importante, vemos este buen rango dinámico; vemos que podemos detectarlo todo. |
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Y funciona bastante bien. |
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Veamos qué sucede con el tiempo, porque ese es un aspecto bastante interesante. |
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Entonces, al observar los datos a lo largo del tiempo, he añadido una curva para facilitar su comprensión. Podemos ver que nuestra concentración disminuye. |
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Y si das un paso atrás y entrecierras los ojos (e ignoras ese máximo; hablaremos de eso en un segundo), puedes ver que está siguiendo la misma curva que esperaríamos ver en la mitad posterior... |
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De esto... |
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Curva de amoniaco en el ciclo del nitrógeno. |
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Ahora bien, ¿qué pasa con este máximo? |
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Bueno, hice un par de cosas un poco diferentes a un ciclo tradicional. Una de ellas fue poner mi filtro en un tanque que ya estaba ciclado. Tengo uno desde hace un par de años. |
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Y lo puse en ese tanque para que el filtro ya estuviera poblado con un filtro biológico. |
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Empecé con un filtro —no diría que maduro—, pero sí con uno que ya estaba lleno de especies que consumen amoníaco. Así que rápidamente acumulé muchos nitritos en el acuario. |
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Llegó al punto de saturar los detectores. No pude detectar cambios. |
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Aquí mismo hice un cambio de agua. Y, por lo general, no es necesario hacer un cambio de agua en medio del proceso. Pero hice un cambio de agua aquí solo para que los nitritos volvieran a bajar y poder medirlos de nuevo. |
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Desafortunadamente, al hacerlo, también perturbé las bacterias que consumen amoníaco. Perdí parte de esa colonia y tuve que esperar a que volviera a brotar para completar el ciclo. |
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Entonces, lo que están viendo ahí es que yo estoy perturbando mi sistema antes de que esté maduro y listo para manejar ese tipo de... |
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procedimiento invasivo. |
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Pero, de nuevo, el punto es que llegamos al final de esto aquí abajo, cuando llegamos a cero, hice otra edición de amoníaco, |
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Esperé 24 horas, volví a medirlo. Estaba en cero otra vez. Revisé los nitritos y no tenía nitritos. Revisé los nitratos. Estaban por las nubes, como esperaba. Y cambié el agua. Fui a la tienda de peces. Y estamos listos para empezar. |
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Antes que nada, si vas a empezar un acuario simplemente, PD: Anuncio de servicio público... PSA. |
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No olvides ciclar tu acuario primero. Hay botellitas de solución que dicen tener en el lateral una frase que dice: "No ciclar el acuario, puedes añadir peces inmediatamente". |
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No lo creas. Toma el camino más largo. Tus peces estarán más felices. Vivirán más tiempo. Y tendrás una experiencia mucho más agradable con ellos. |
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Por lo tanto, no olvides ciclar tu acuario cuando agregues peces. |
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Punto dos: Los Legos no son solo para crear un campo minado en la sala. Puedes usarlos para hacer ciencia de verdad, como vimos aquí. Construí un espectrómetro con Legos, una cámara web y un DVD. Y funciona. |
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El tercer paso, o punto tres, es nunca dejar a un ingeniero sin supervisión durante largos periodos. Nunca se sabe qué esperar al volver a casa. |
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Gracias y diviertete con tus acuarios. |
