jueves, 23 de febrero de 2012

Notas Sobre la Hidro-Geología del Valle de Guadalupe




Cuando hablamos de la región vinícola del Valle de Guadalupe generalmente pensamos en la región vitivinícola cercana al pueblo de Guadalupe y el Porvenir.  Sin embargo, la cuenca del valle de Guadalupe comprende una región mucho más amplia.   La cuenca de Guadalupe se extiende desde la Sierra Juárez al este, incluye los valles de Ojos Negros, Real del Castillo, Valle de Guadalupe, San Antonio de las Minas y termina en el Pacífico en La Misión.  La cuenca completa tiene una superficie de aproximadamente 4,200 km2.  La calidad de agua en esta cuenca varía de región a región debido a diferencias en el flujo de agua de la sierra, a procesos de evaporación relacionados con la profundidad del acuífero, debido a procesos hidro-geo-químicos, debido a procesos antropogénicos, etc.


El valle de Guadalupe está formado en su gran mayoría por aluvión, granito y rodeado por rocas ígneas intrusivas.  Aluvión se refiere a material rocoso suelto y que ha sido transportado a las zonas más bajas del valle, mientras que las rocas ígneas intrusivas son formadas por magma que se enfría lentamente antes de que afloren a la superficie mediante la erosión.  La cuenca de Guadalupe forma parte de la formación geológica Alicitos por lo que se sabe que ha estado expuesta (fuera del mar) desde hace mas de 100 millones de años.  La gran mayoría de los viñedos en el valle se encuentran en la zona de aluvión.  Entre más nos acercamos al arroyo Guadalupe, mayor es la cantidad de arena y menor la cantidad de materia orgánica en el sedimento.  El tipo de sedimento es crítico para el cultivo de la vid, y entre más arenoso el sedimento menor retención de agua.  En las zonas más arenosas, los riegos son generalmente más recurrentes y cortos, debido a que en este tipo de tierra el agua se pierde rápidamente hacia sustratos más profundos y fuera del alcance de las raíces de la vid.

En estudios realizados por Thomas Krestzschmar (CICESE) se han caracterizado los diferentes sustratos en el valle de Guadalupe.  En la siguiente figura se puede observar que la zona amarilla corresponde a la zona de aluvión en el valle de Guadalupe.  Esta zona es la parte baja del valle, por donde corre el arroyo y donde se llevan a cabo la gran mayoría de los cultivos en la zona.  La zona roja corresponde a montañas con gran cantidad de rocas graníticas.  En la parte superior derecha (aluvión) se encuentra denotado LA Cetto que es donde se inician los cultivos en el valle y terminan hacia el Porvenir en la parte baja izquierda.  El valle de Guadalupe se conecta con el valle de Ojos Negros en “el Barbón” cercana a la zona donde se encuentra LA Cetto. 


La cuenca del valle de Guadalupe está conectada a la cuenca de Ojos Negros que se encuentra más cercano a la Sierra Juárez.  De una manera sencilla, se puede pensar en los acuíferos del valle de Guadalupe y el de Ojos Negros como dos vasos pegados y con una pequeña conexión en la parte superior.  Debido a su proximidad con la sierra, el primer “vaso” en llenarse es el acuífero de Ojos Negros, y cuando se ha llenado totalmente, entonces se derrama para llenar el acuífero del valle de Guadalupe.  Por lo anterior, generalmente se habla de mayores cantidades de agua y de mejor calidad en el valle de Ojos Negros que en el Valle de Guadalupe. 

La mayoría del sustrato que rodea al valle de Guadalupe es granítico y en consecuencia, el aluvión tiene un gran componente de granito erosionado.  El granito es una roca compuesta de óxidos de sílice, aluminio, potasio y sodio (principalmente).  Los óxidos de sodio y potasio componen aproximadamente el 8% de la masa (peso) del granito.  Por un lado, los óxidos de sílice y aluminio son prácticamente insolubles, pero los óxidos de potasio y aluminio tienen una mucha mayor solubilidad en agua.  Los iones de las rocas son generalmente liberados mediante un intemperismo químico (meteorización o desintegración de una roca debido a la exposición de agentes atmosféricos y/o físico-químicos).  Obviamente, las aguas más antiguas del valle de Guadalupe son las que han tenido mayor contacto con las rocas y las que potencialmente tendrán mayor cantidad de iones disueltos.  Las aguas más antiguas tienden a encontrarse en la parte más profunda del acuífero.  En muchos acuíferos, las aguas más saladas tienden a encontrarse en las zonas mas profundas debido a que son más densas y se hunden, y debido a que al ser más antiguas han tenido más tiempo en lixiviar (solubilizar) más iones de las rocas. 

He oído opiniones sobre la calidad del agua (altos niveles de iones, salinidad) en el valle de Guadalupe y su posible origen marino.  El valle de Guadalupe se encuentra a más de 30 km de la costa del Pacífico (Ver fig. 1)  y a más de 300 mts sobre el nivel del mar.  Esto significa, que el agua de mar NO tiene posibilidad alguna de penetrar al manto acuífero del valle de Guadalupe.  El agua salada (proveniente del mar) es más densa que el agua dulce por lo que no podría subir al manto acuífero en el remoto caso que penetrara decenas de kilómetros tierra adentro.  Además, el basamento de la cuenca del valle de Guadalupe está formado por rocas ígneas con muy baja permeabilidad lo cual evita que agua salga del acuífero, pero también evita que agua penetre por las partes bajas.  En general, los expertos coinciden en que los “altos” niveles de iones en el agua no son de origen marino, y lo atribuyen entre otras causas a procesos hidro-geoquímicos relacionados a la mineralogía de la zona.

En un modelo realizado por Campos-Gaytan y Kretzschmar (2006) se demostró que debido a la pendiente del valle, el manto acuífero se encuentra más profundo en la zona de Calafia (por donde está Domecq y LA Cetto) y más superficialmente hacia la zona del Porvenir (por donde está Viñedos Bibayoff, Toros Pintos).  En la siguiente figura se presenta en líneas negras delgadas el contorno del nivel del agua en metros sobre el nivel del mar.  La zona donde está el acuífero más superficial, hay más exposición al medio ambiente y posiblemente haya mayor evaporación.  Una mayor evaporación provocaría un incremento en la salinidad en esta zona.  Lo anterior podría explicar los niveles altos de iones en esta zona y la mejor calidad de agua en la parte alta del Valle.


La hidrología y la calidad del agua en el valle de Guadalupe es muy compleja y no se pude explicar en todas las zona con una sola respuesta.  Existen algunas zonas, por ejemplo, que son más afectadas por procesos de evaporación que otras, por otro lado, algunas zonas tienen mayor aporte de aguas con menos iones que otras.  Aun más, algunas zonas en el valle han sido impactadas antropogenicamente (por el hombre) de tal manera que se tienen mayores salinidades en puntos muy específicos.  Estos impactos antropogénicos incluyen las aguas residuales urbanas (de Guadalupe, El Porvenir, otros poblados y rancherías), posibles desecho de industrias en la zona, infiltración de fertilizantes al manto friático, etc.  Lo que si es poco probable es que la salinidad del agua en el acuífero de Guadalupe sea de origen marino.

Figuras tomadas de Campos-Gaytan y Kretzschmar 2006

Campos-Gaytan  JR y T Kretzschmar. 2006. Numerical understanding of regional scale water table behavior in the Guadalupe Valley aquifer, Baja California, Mexico.  Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss., 3: 707–730.  

domingo, 12 de febrero de 2012

Importancia del Nitrógeno para las Levaduras






Las levaduras que transforman el jugo de uva en vino requieren de nutrientes, además de los azúcares, para que la fermentación se lleve a cabo.  Los nutrientes utilizados por las levaduras pueden ser divididos en macro-nutrientes y micro-nutrientes.  Sin una cantidad mínima de estos nutrientes, las levaduras no pueden llevar a cabo proceso fisiológicos básicos como la síntesis de proteínas estructurales, generación de lípidos para la membrana celular, etc.  Sin estos nutrientes las levaduras tampoco podrán llevar a cabo procesos metabólicos básicos como división celular, respiración, etc.  Los macro-nutrientes básicos para las levaduras son la glucosa y la fructosa.  Por otro lado, los micro-nutrientes que más comúnmente son requeridos por las levaduras son nitrógeno, fósforo, potasio, cinc, magnesio, etc. 
Durante una fermentación, la glucosa y fructosa no son limitantes, de hecho, se encuentran en concentraciones muy superiores a las requeridas para la sobrevivencia de las levaduras.  Debido a la gran cantidad de azúcares en un mosto, la concentración de levaduras se incrementa de unos cuantos cientos de células por mililitro al inicio de la fermentación, hasta aproximadamente 100-200 millones cel/mL antes de terminar la fermentación.  Para que se pueda incrementar la concentración de células por mililitro, es necesario que además de los macro-nutrientes (azúcares), se tenga en el mosto una serie de micro-nutrientes que le servirán a las nuevas células a generar nueva pared celular así como para llevar a cabo procesos metabólicos que mantengan vivos a estos micro-organismos. 
                Cuando la concentración de micronutrientes en los mostos no es adecuado, las células de levadura no pueden dividirse adecuadamente y no pueden llevar a cabo procesos metabólicos básicos como la respiración, crecimiento, y la fermentación, entre otras.  La falta de los nutrientes necesarios para llevar a cabo los procesos metabólicos puede conllevar a que las fermentaciones sean muy lentas o que no terminen, es decir, que no se consuman todos los azúcares.  A la las fermentaciones que no terminan de consumir todos los azúcares son llamadas fermentaciones atoradas.  Las fermentaciones lentas y/o fermentaciones atorados suelen ser muy problemáticas debido a que se incrementan las concentraciones de otros micro-organismos en los mostos que potencialmente pueden generar sabores o aromas no aceptables en un vino de calidad.  El crecimiento de otras levaduras no-Saccharomyces (Pichia, Klokera, etc.) y bacterias también reduce la concentración de nutrientes en el mosto, lo cual resulta aun más problemático para el crecimiento de las levaduras (Saccharomyces).  

                 Se ha demostrado que el nitrógeno es uno de las micronutrientes más importantes para mantener el metabolismo de las levaduras.   El nitrógeno es un elemento fundamental para la síntesis de aminoácidos, proteínas, y otros metabolitos fundamentales en la fisiología de las levaduras.  El nitrógeno en el mosto proviene principalmente de las uvas y de la lisis de microorganismos del mosto.  La concentración del nitrógeno en las uvas fluctúa a lo largo del tiempo de maduración de las uvas, es dependiente del varietal, es influenciado por los tipos y tiempos de fertilización.  En general, se ha demostrado que la concentración de nitrógeno en las uvas se reduce a medida que la uva madura.  Bajo los esquemas actuales de sobre-maduración de las uvas con la idea de generar vinos corpulentos, las uvas tienden a ser cosechadas con niveles bajos de nitrógeno.  En algunos casos, los niveles de nitrógeno son tan bajos que no pueden soportar el crecimiento y el metabolismo de las levaduras.  Lo anterior conlleva a que las fermentaciones sean lentas o se atoren.  Para evitar esto, los productores de vino pueden estimar la concentración de nitrógeno (y otros nutrientes) en los mostos antes de iniciar la fermentación, y en caso de ser necesario se pueden añadir nutrientes para que el crecimiento de las levaduras no se vea limitado.
                En el caso de levaduras Saccharomyces, existen cepas que requieren altos  niveles de nitrógeno para llevar a cabo fermentaciones totales, mientras que otras cepas requieren niveles bajos de nitrógeno para completar la fermentación.  Por ejemplo, en la siguiente figura se presentan los niveles mínimos que requieren algunas cepas de levaduras para completar una fermentación.  Se puede ver claramente que la cepa Maurivin B requiere cuando menos 300 mg/L de nitrógeno asimilable mientras que la cepa AWRI R2 requiere al menos 400 mg/L de nitrógeno asimilable para completar la fermentación. 
En Baja California, y en México no se ha reportado la variación de la concentración de nitrógeno en el mosto a lo largo de la maduración de las uvas.  Tampoco se han reportado las variaciones en la concentración de nitrógeno en los mostos de los diferentes varietales producidos en Baja California.  Se desconoce también el efecto del nitrógeno asimilable sobre la fermentación en mostos de Baja California. 
Las levaduras utilizan nitrógeno en forma de amonio y aminoácidos durante la fermentación.  Estas formas de nitrógeno orgánico son conocidas como nitrógeno asimilable por las levadura (NAL, o YAN por sus siglas en inglés).  El NAL es requerido para la síntesis de proteínas estructurales, enzimas y pared celular.  Por lo anterior, niveles bajos de NAL en el mosto pueden resultar en fermentaciones lentas o atoradas, además de la producción de niveles altos de sulfuro de hidrógeno (H2S).  Para evitar estos problemas, fosfato di-amónico (DAP) es añadido al mosto antes y durante la fermentación.  Las diferentes cepas de levadura requieren diferentes cantidades de NAL, por lo que la cantidad de DAP añadido varía dependiendo de la cepa utilizada durante la fermentación.  Estudios demuestran que las levaduras requieren cuando menos 350 mg N/L para completar la fermentación, sin embargo, algunos autores aseguran que solo se requieren 150-200 mg N/L.
                Realizamos algunos experimentos para evaluar el efecto de la concentración de nitrógeno sobre la fermentación.  En la siguiente figura se puede observar que las fermentaciones en mostos con niveles bajo de nitrógeno (100-150 mg N/L) son mucho más lentas que las que tienen altos niveles de nitrógeno (250-500 mg N/L).  Las fermentaciones con bajos niveles de nitrógeno tardaron 20 días para consumir todos los azúcares, mientras que las fermentaciones con altos niveles de nitrógeno tardaron 10 días en consumir todos los azúcares.  Es claro que el añadir nitrógeno a los mostos puede ayudar a que las fermentaciones sean más saludables, más rápidas y que los vinos terminen con mejores características organolépticas. 

                En la siguiente figura se puede observar que independientemente de la concentración de nitrógeno en el mosto, el consumo de este nutriente es muy rápido.  Es decir, las fermentaciones con 100 o con 500 mg N/L consumieron todo el nitrógeno en 5-8 días.  Lo anterior se debe a que las levaduras mantienen una tasa de división muy rápida en los primeros días de la fermentación y es cuando requieren las mayores cantidades de nitrógeno para generar proteínas, pared celular, ácidos nucléicos, etc. 

                El crecimiento de las células de levadura se puede observar en la siguiente figura.  Es claro que el crecimiento de las células es mucho más rápido mientras haya nitrógeno en el mosto (en los primeros 4-5 días de la fermentación).  Después de reducirse los niveles de nitrógeno, el crecimiento del número de células de levadura para y de hecho empieza a haber una mortalidad de células.  Por otro lado, el número de células en los mostos con bajas cantidades de nitrógeno es mucho menor (60 millones de células/mL) que la cantidad de células en los mostos que tienen altos niveles de nitrógeno (120 millones de células/mL).  Se ha demostrado que se requieren cuando menos 100 millones de células/mL en un mosto para que se lleve a cabo una buena fermentación.  Lo anterior sugiere que es crítico conocer la concentración de nitrógeno en los mostos y si es necesario añadir nitrógeno y otros nutrientes para llevar a cabo una fermentación exitosa.