Estimating the contribution of terrestrial organic matter in the South-Western margin of Baja California during the late Holocene

Galileo Rod íguez Amado Cu so 2013/2014 Mª Dolo es Gelado Caballe o Albe o Sánchez González A T abajo Fin de Tí ulo pa a la ob ención del í ulo G ado en Ciencias del Ma ESTIMATING THE CONTRIBUTION OF TERRESTRIAL ORGANIC MATTER IN THE SOUTH-WESTERN MARGIN OF BAJA CALIFORNIA DURING THE LATE HOLOCENE ESTIMATING THE CONTRIBUTION OF TERRESTRIAL ORGANIC MATTER IN THE SOUTH-WESTERN MARGIN OF BAJA CALIFORNIA DURING THE LATE HOLOCENE Da os pe sonales del es udian e: Galileo Rod íguez Amado (galileo. od i[email p o ec ed]lpgc.es) Es udian e de G ado de Ciencias del Ma Cu so 2013/2014 Facul ad de Ciencias del Ma , Uni e sidad de Las Palmas de G an Cana ia. Pa icipan e en el p og ama de mo ilidad EEUU-Ame ica La ina, en la Uni e sidad Au ónoma de Baja Cali o nia Su (UABCS) y el Cen o In e disciplina io de Ciencias ma inas, Ins i u o Poli écnico Nacional (CICIMAR-IPN). Da os pe sonales del u o y co u o : Mª Dolo es Gelado Caballe o Uni e sidad de Las Palmas de G an Cana ia Facul ad de Ciencias del Ma Depa amen o de Química Albe o Sánchez González CICIMAR-IPN Depa amen o de Oceanología Labo a o ios de Biogeoquímica Ambien al X Galileo Rod íguez Amado Es udian e X Mª Dolo es Gelado Caballe o Tu o X Albe o Sánchez González Co u o 1 Table o Con en s Abs ac 3 In oduc ion 4 S udy Case 5 Jus i ica ion, hypo hesis and objec i es 6 Ma e ial and Me hods 7 Resul s 10 Discussion 13 Conclussion 14 Acknowlegmen 15 Re e ences 15 2 Lis o igu es Figu e 1. S udy a ea showing he ma gin o Magdalena. 7 Figu e 2. OMZ on he Paci ic Coas o Mexico. Image aken om he web nodc.noaa.go . 8 Figu e 3. Age model adap ed om an Geen e al 2003 and Ma chi o e al 2007. 8 Figu e 4. Tempo al a ia ion o o ganic ca bon ( op) and ni ogen (bo om)exp essed as % in he ma ine sedimen Magdalena ma gin du ing he las 5000 yea s. 11 Figu e 5. C:N a io ( op) and N:C a io (bo om) and δ13C (‰) alues in he samples (black poin s) and epo ed ange o C:N and N:C a ios and δ13C o ma ine and e es ial OM in he boxes a e p esen ed. 12 Figu e 6. Tempo al a ia ions o he con ibu ions o OM o e es ial o igin: a) calcula ed wi h he equa ion o Schul z and Calde alues (1976), b) and c) calcula ed wi h Pe due and Kop i njak (2007) equa ions alues. 13 Lis o ables Table 1. Ma ine and e es ial s anda ds o δ13C and N:C and C:N a ios. 10 Table 2. O ganic Ca bon and Ni ogen sedimen composi ion (%) and δ13C alues ound in Magdalena ma gin. 10 Table 3. Repo ed alues o %C, %N and δ13C in zones unde in luence o an OMZ. 14 3 Abs ac The o ganic ma e in he wa e column and sedimen in ansi ional and ma ine en i onmen s in he ocean is desc ibed by a bina y mix u e o ma ine and e es ial sou ces. The C:N a io and δ13C o samples and sou ces is used in a linea equa ion o es ima e he ac ion o o ganic ma e (OM) om land in aqua ic and sedimen a y en i onmen s. Howe e , e es ial OM is ela i ely deple ed in N and his ac ion has been se iously and sys ema ically unde es ima ed by his misin e p e a ion o he C:N a io and δ13C. Addi ionally, he composi ion o he Ea h's o ganic ma e is no well known in he egion o Magdalena, as is he case in many s udies in a id a eas wi h li le o no inpu om i e s. In his wo k new da a o eason N:C and δ13C co e a e shown se e i y collec ed a 700 m dep h in o de o e alua e he con ibu ion o di e en sou ces o OM in he sou h-wes e n Baja Cali o nia ma gin, cha ac e ized by ex ensi e oxygen minimum zone and high p ima y p oduc i i y. The N:C a io sugges s ha he con ibu ion o a ious land-based MO o be ween 19 and 57% du ing he la e Holocene. The bina y mix u e he N:C a io and δ13C o OM appea s indica e ha ma ine sou ce emains he dominan sou ce. Key Wo ds: Sedimen , N:C a io, δ13C, O ganic Ma e , OMZ, Holocene 4 In oduc ion Unde s anding he dynamics o biogeochemical cycles o o ganic ma e (OM) equi es knowledge o bo h he p ocesses ha con ol he dis ibu ion o he same as i s sou ce. A he bo om o he ocean ma gin sedimen s ound ha a e ich in o ganic ma e , bo h o ma ine o igin and e es ial o igin (Smi h e al., 2008). Du ing he passage o he yea s, sedimen a ion bu ies his ma e g adually, o ming a egis e in which e e y cen ime e o sedimen may e lec om decades o cen u ies o in o ma ion, depending on he a ea and i s a e o sedimen a ion. In places wi h a high a e o sedimen a ion, sedimen a y eco ds ha e highe esolu ion, whe e e e y cen ime e shows e y ew yea s ( an Geen e al., 2003). This le s us know wha changes occu ed in sho ime scale. The Holocene is he cu en geological pe iod, comp ising almos he las 12.000 yea s. I s onse is cha ac e ized by clima e change ha ma ked he end o he las glacia ion (Wanne e al., 2008). This wo k is ocus on he la e Holocene which s a ed 3,000 yea s ago. The oceans a e an impo an pa o he ca bon lux. Va ia ions o ca bon lux on a plane a y scale anging om millions o yea s o p ocesses ela ed o he ea h's c us , o seconds o days o hose ela ed o he a mosphe e-ocean in e ace and he pho osyn hesis (Sanchez and Ca iqui y 2007). I is well known ha pho osyn he ic o ganisms ix a mosphe ic CO2 o o m o ganic molecules o i al de elopmen which a e inco po a e in hei issues. A e he dea h o o ganisms, he o ganic ma e is deg aded being he seques e ed C e u n as CO2 o he a mosphe e. Occasionally in he ma ine en i onmen , his p ocess does no occu in he same way. The died o ganisms emains sink and a e pa ially deg aded in he wa e column and sedimen . Finally hey become pa o he sedimen , hus being apped o ganic ma e o med by pho osyn he ic p ocesses (Zonne eld e al., 2010). I should be no e, he o ganic ma e in he sedimen is a combina ion o ma ine and e es ial inpu s. One o he majo sou ces is he p ima y p oduc ion eme ged in he wa e column, which a e he dea h o he o ganisms and hei all o he bo om, will be pa o he sedimen . On he o he hand, he i e s p o ide huge amoun s o o ganic ma e om he con inen al basins sweep along hei cou se (Zonne eld e al., 2010). Mo eo e in a id egions whe e he e is no i e sou ce, he con ibu ion o o ganic ma e om land may be domina ed by wind pa hway (Sánchez e al., 2013). Ma ine sedimen s can be used as empo a y eco ds ha e lec eal clima e and global change (O iz e al., 2004). In he pa icula case o Magdalena ma gin, an excep ionally sedimen a y high a e allow high esolu ion o empo a y eco d because e e y cen ime e o 5 sedimen esponds o a a ia ion be ween 10 and 30 yea s o sedimen a ion ( an Geen e al., 2003 ). Howe e i should also be conside ed ano he ac o , he low oxygen concen a ion which limi s he deg ada ion o o ganic ma e alling in o he wa e column and down in he sedimen (Guíñez e al., 2010). Tha is he eason because he oxygen minimum zones (OMZ) play a c ucial ole in he p ese a ion o o ganic ma e in ma ine sedimen . In addi ion, hese low oxygen concen a ions inhibi he p esence o ben hic o ganisms which p oduce he bio u ba ion o sedimen s. In consequence, he o ma ion o dis inc bands in he laye s o accumula ed pa icles and he p ese a ion hese sedimen s is ealized (Sou a and C ill, 1977). To de e mine he sou ce o he o ganic ma e p esen in he sedimen , he elemen al and iso opic composi ion is analyzed. Knowing he δ13C and N: C a io, is possible o in e he sou ce o o ganic ca bon and ni ogen since each sou ce has a cha ac e is ic iso opic signa u e (Hu e al., 2006.). T adi ionally, C: N a io has been used o he de e mina ion o he sou ces o o ganic ma e in he sedimen . Howe e , he ac ion o e es ial OC is unde es ima ed by he C:N a io because he e es ial o ganic ma e is ela i ely deple ed in ni ogen. Some au ho s ha e sugges ed he use o a ypical N:C a io in o de o co ec his men ioned e o (Kop i njak and Pe due, 2007). Usual alues epo ed o δ13C o o ganic ma e om e es ial plan s a ies be ween - 26 ‰ and -28 ‰ wi h an a e age o 27 ‰ and o o ganic ma e o plank onic o ganisms he alues anging om -20 ‰ o -22 ‰ (Hu e al 2009).In he o he hand, he C: N a io o he o ganic ma e ial o ma ine o igin ha e alues be ween 5 and 8 in OM wi h a e es ial o igin hey a e > 15 . S udy case In his wo k we s udy he co e samples collec ed wi h g a i y in he ma gin o Magdalena, a egion in luenced by OMZ and cha ac e ized by a high a e o sedimen a ion ( an Geen e al., 2003). Se e al s udies ha e add essed he cha ac e iza ion o ca bon luxes and o ganic ma e du ing he las 50000 (Sanchez and Ca iqui y 2007) in his egion. Despi e ha no many ha e achie ed eliably de e mine he sou ce o o ganic ma e in his a ea emaining ye o es ablish whe he i s o igin lies in land-based o ma ine sou ces. Mo eo e some da a ob ained in his a ea migh no ha e been p ope ly in e p e ed as C:N a io was used o o igin p oxy which, as al eady no ed abo e, likely unde es ima es he 6 con ibu ion o e es ial o ganic ma e because ni ogen le els a e qui e low in ha OM (Kop i njak and Pe due, 2007). Jus i ica ion, hypo hesis and objec i es Al hough i is ue ha he quan i a i e and quali a i e desc ip ion o accumula ion a es O ganic Ca bon, O ganic Ni ogen, O ganic Phospho ous, e c. which ha e been made in p e ious wo k in his egion o cha ac e ize he OM has ele ance, mo e e o s a e s ill needed o es ablish he o igins o OM and o be e unde s anding o he a iables ha con ol he luxes o ca bon in his egion. Fu he mo e, he composi ion o ma ine sedimen and he quan i a i e di e ences be ween he sou ces o each o he componen s o he OM should be es ablished o use as a empo al eco ding o clima e changes a egional and global scale and es ablish u u e scena ios based on ha knowledge. Depending on he o igin o o ganic ma e ound in sedimen s and i s a ia ion o e ime ela ionships wi h changes in clima e and ma ine p oduc ion, and lu ial and dus OM inpu could be asce ained Ou hypo hesis is based on he ac ha he biogeochemical ace s used o cha ac e iza ion o ma ine sedimen in he egion o Magdalena so a ha e been insu icien o es ablish o ally he cycle o o ganic ma e du ing he Holocene. The s udy o sedimen a y eco ds g a i y co es collec ed in he sou hwes e n ma gin o he peninsula o Baja Cali o nia du ing he las 5000 yea s should e eal he in luence o he con ibu ion o e es ial ma e ial h ough he combined applica ion o echniques o elemen al and iso opic analysis o he N: C a io. The p oposed objec i es a e: 1. Concluding he sou ces o o ganic ma e δ13C based on and N: C a io in he ange o Magdalena. 2. Di e en ia e be ween sou ces o o ganic ma e om land and sea in he ange o Magdalena. 3. Es ima e he con ibu ions o o ganic ma e om land in he ange o Magdalena. 7 Ma e ial and Me hods S udy A ea This wo k was ca ied ou wi h samples om he ma gin o Magdalena egion loca ed on he peninsula o Baja Cali o nia on he Paci ic Ocean side (Figu e 1). This a ea is a ec ed by hyd og aphic ea u es ha de e mines he Cali o nia Cu en ha ex ends app oxima ely be ween 48 ° and 23 ° N. I s ci cula ion is con olled by he cell o high a mosphe ic p essu e in he No h Paci ic and he cells o low p essu e in he Aleu ians. The a e age speed o he cu en is less han 25 cm s-1, he a e age su ace empe a u e in win e is ~ 13 º C, while in summe is abou 20 º C. The wind sys em p omo es he appea ing o upwelling which p omo es high p ima y p oduc i i y along he s eam (Lynn and Simpson, 1987). Figu e 1. S udy a ea showing he ma gin o Magdalena. F om he biogeochemical poin o iew, Magdalena ma gin a e cha ac e ized by high p ima y p oduc i i y, a ou ing he de elopmen o OMZ (O2 <2μmol/kg) (Fig. 2) loca ed be ween 400 and 800 m dep h ( an -Geen e al., 2003; Ca iqui y and Sánchez, 2007). This OMZ has beenwell desc ibed in he wo k o accumula ion o o ganic ca bon and calcium ca bona e by Sanchez e al. (2013) 14 ela ed wi h he occu ence o impo an phenomena o upwelling in his a ea (Lynn and Simpson, 1987). In he las 5000 yea s he e has been an inc ease o OC and N, which is consis en wi h p e ious wo ks (Ca p anis e al 2011, O iz e al., 2004) Table 3. Repo ed alues o %C, %N and δ13C in zones unde in luence o an OMZ. Re e ences Loca ion (dep h) %OC %N δ13C Piche in (2010) Nica agua (863m) 7.5±0.4 0.8±0.06 -20.4 ± 0.3 Tehuan epec (719 m) 5.2±0.5 0.56±0.08 -19.01±0.1 A ellano (2011) Maza lán (454 m) 6.3±1.0 0.67±0.1 Hendy (2004) P a. Concepción (955 m) 2.5±0.2 Ricua e (2013) Bahia de La Paz (415 m) 3.7±0.7 0.58±0.1 -20.6±0.9 %OC Max Min Addison (2012) Alaska goul (680 m) 0.5 0.9 0.3 One possibili y o he inconsis en esul s using Schul z and Calde (based on δ13C) and Pe due Kop i njak (based on C:N and N:C a ios) could be due o hose e es ial plan s o phy oplank on o ganisms ha a e no included in he p esen es ima ions. Consequen ly, ma ine and e es ial C: N, N:C and δ13C s anda ds should be e ised. O he wise, e o s o p oducing a mo e p ecise de e mina ion o he o igin o he o ganic compounds ound in he sedimen s, could be necessa y. Fo example, OM may be analyzed o he p esence o long chain hyd oca bons ypical in e es ial plan issues (Meye s e al., 2001) Conclussions In he p esen wo k he a ia ions in he composi ion o he OM in sedimen s collec ed in he ma gin o Magdalena co esponding wi h he las 5000 yea s ha e been es ablished. Mo eo e , i has been p o ed ha he highes inpu o OM is om ma ine p ima y p oduc ion and his sou ce is he dominan end obse ed h ough he ime pe iod. Al hough an impo an pa o he p e ious wo k in he a ea has been ca ied ou using δ13C and C:N a io, new ace s including N:C a io, quan i ica ion o chemical species as long chain hyd oca bons, e c. will be necessa y in u u e wo ks in o de o cla i y he a ia ions o OM in a sho ime scale. Mo e e o s a e equi ed o de ine p ope ly me hods o calcula e he dominan sou ces o OM.. 15 Acknowledgmen s I wish o hank he Facul y o Ma ine Sciences o he o ma ion I ha e been gi en du ing he deg ee in Ma ine Sciences. The Uni e si y o Las Palmas de G an Cana ia and he mobili y p og am in La in Ame ica – EEUU o gi ing me he oppo uni y o do his wo k ab oad and o disco e he wonde s o Baja Cali o nia Su , Mexico. To he Resea ch Cen e o Ma ine Sciences (CICIMAR) and IPN o allowing me o wo k in hei acili ies oge ue wi h quali ied s a . My en e p ise u o , Resea ch and P oduc ion II u o and TFG’s co- u o , D . Albe o Sánchez González o his help and suppo gi en o me du ing he de elopmen o his wo k in i s esea ch g oup. And o cou se o M ª Dolo es Caballe o Gelado o he in aluable wo k as a men o and guide me in his p ojec . Re e ences Addison, J. A., Finney B. P., Dean W. E., Da ies M. H., Mix A. C, S one J. S., and Jaege J. M. (2012), P oduc i i y and sedimen a y d15N a iabili y o he las 17,000 yea s along he no he n Gul o Alaska con inen al slope, Paleoceanog aphy, 27, PA1206, doi:10.1029/2011PA002161. A ellano To es E., Piche in L. and Ganesh am R. S., 2011. High- esolu ion opal eco ds om he Eas e n T opical Paci ic p o ide e idence o silicic acid leakage om HNLC egions du ing glacial pe iods.Qua e na y Science Re iews 30, 1112-1121, doi: 10.1016/j.quasci e .2011.02.00 A na son T.S. and Keil R.G. 2007. Changes in o ganic ma e –mine al in e ac ions o ma ine sedimen s wi h a ying oxygen exposu e imes. 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Desc ipción de las ac i idades desa olladas du an e la ealización del TFT El abajo ue ealizado en el depa amen o de Oceanología, en los labo a o ios de Química O gánica y Química Ino gánica a ca go del D . Albe o Sánchez González. Du an e mi es ancia me enca gué de: - P e a amien o y a amien o de mues as de sedimen o: a) Secado de mues as en es u a a 50º C. b) Homogenización de las mismas con mo e o y almacenado en ubos de Eppendo . c) Diges iones ácidas con ácido clo híd ico al 3,7% (1 ml po cada 4 g amos de sedimen o ap oximadamen e y deja ac ua un día a empe a u a ambien e) pa a análisis de ca bono. Se epe ía 3 eces la adición de ácido y al cua o día se pasaba al enjuagado con agua des ilada en la cen i ugado a (20 minu os a 4000 pm a 25ºC). d) Po úl imo pesado y empaque ado pa a el análisis, el cual consis e en el uso de cápsulas de es año donde se in oduce la can idad de sedimen o pe inen e pa a el análisis, en mi caso 5 mg pa a ni ógeno y en e 1 y 3 mg pa a ca bono. Luego se cie an esas cápsulas con sumo cuidado haciendo uso de pinzas y es án lis as pa a el análisis. - Calib ado de equipos analí icos: siendo el espec o o óme o del isible (modelo Spec onic 200, casa come cial The mo Scien i ic), el espec o o óme o de masas (modelo Del a V Plus, casa come cial The mo Scien i ic y el analizado elemen al de combus ión (casa come cial Cos ech Ins umen s). - Análisis de mues as po duplicado: un análisis pa a ni ógeno y o o pa a ca bono. Almacenamien o de da os con Excel y p ocesamien o de da os con el so wa e del analizado elemen al (Isoda ). - Re isión bibliog á ica de a ículos cien í icos elacionados con la emá ica de mi TFG . 2. Fo mación ecibida: Du an e los meses de p ác icas, ui capaci ado en dis in as écnicas de p e a amien o y a amien o de mues as, al igual que en el calib ado de los apa a os analí icos como el espec o o óme o de masas y el analizado elemen al. También u e la opo unidad de p ac ica écnicas ap endidas du an e el G ado. Técnicas nue as ap endidas du an e el TFG: - Homogenización con mo e o 19 - Pesado y empaque ado de mues as solidas - Uso de analizado elemen al y espec o o óme o de masas. Técnicas ap endidas du an e el G ado de Ciencias del Ma y aplicadas du an e el TFG: - Uso de espec o o óme o - Secado de mues as - Enjuagado con cen i ugado a - Uso del ma e ial común del labo a o io - Limpieza y es e ilizado de ma e ial de labo a o io as su uso. También asis í semanalmen e a semina ios impa idos en el cen o de in es igación con dis in as emá icas elacionadas con el ma : pesque ías, mig ación de mamí e os ma inos, dis ibución de elemen os aza en el Gol o de Cali o nia, dinámica de co ien es en el ma gen paci ico de Baja Cali o nia, e c. Bajo ecomendación de mi u o de emp esa, acudí a 4 clases sob e iso opos es ables cen adas en el análisis de isó opos de 18O, 13C, 15N en ma ices o gánicas y sedimen a ias. Es as clases e an impa idas po mi u o de emp esa y es aban elacionadas con mi abajo de in es igación ya que usaba el análisis de isó opos de 13C, 15N y la azón N:C en sedimen os pa a de e mina el apo e e es e de ma e ia o gánica al ma gen de Magdalena en los úl imos 4000 años ap oximadamen e. 3. Ni el de in eg ación e implicación den o del depa amen o y elaciones con el pe sonal. El ni el de in eg ación e implicación con el pe sonal del depa amen o y el labo a o io ue bas an e sa is ac o io. Todos se mos a on ecep i os an e mis dudas y suge encias, y ue on muy a en os o mándome pa a las labo es que ealicé du an e mi es ancia. El depa amen o se componía de ap oximadamen e 26 pe sonas, pe o sólo u e una elación más es echa con mi u o y su g upo de in es igación, la je a de labo a o io, el écnico supe io del labo a o io y alumnos de maes ía (más e ). Los descansos acili a on la in eg ación pe sonal con los o os alumnos de maes ía y las salidas de campo con los demás g upos de in es igación. En los semina ios conocí a dis in os p o eso es de o os depa amen os y en las clases de isó opos en ablé elación con o os alumnos de más e y doc o ado. G acias a ello pude conoce los dis in os abajos que ealizaban y la a iedad de usos que le daban al análisis de iso opos: análisis climá icos en ma ices co alinas con 18O, de e minación de alimen ación en ibu ones y o ugas con isó opos de 15N, de e minación de uen es de con aminación con isó opos de 15N. 4. Aspec os posi i os y nega i os más signi ica i os elacionados con el desa ollo de las p ác icas. 20 Aspec os posi i os: ap ende sob e el abajo que exis e de ás del mundo de la in es igación, y alo a dicho abajo. El habe abajado en equipo y de mane a au ónoma, con las esponsabilidades que aca ean ambas si uaciones: T abaja en equipo me ha pe mi ido elaciona me con el es o del labo a o io y con o os g upos de in es igación y ene una isión más holís ica. Además, ienes las esponsabilidad de que u equipo de abajo y us supe io es dependen de u abajo al igual que yo dependo del suyo. En cambio abaja solo me ha apo ado más disciplina de abajo y más esponsabilidad a la ho a de a a mues as con las que desa ollas u in es igación, pues los despis es y descuidos pueden ena e o incluso obliga e a einicia el abajo. También e da más libe ad a la ho a de op imiza écnicas, siemp e y cuando no al e en los esul ados. Aspec os nega i os: me gus a ía habe ap endido más a iedad de écnicas expe imen ales du an e el anscu so de mis p ác icas. 5. Valo ación pe sonal del ap endizaje conseguido a lo la go de la p ác ica. Me ha pa ecido una expe iencia en iquecedo a desde el pun o de is a p o esional, académico y pe sonal: - P o esional: conoce el abajo que hay de ás de odos los esul ados que emos en el papel o p esen aciones en pan allas y la dedicación y esponsabilidad que equie e la p oducción de da os cien í icos de calidad. - Académico: ap ende écnicas de labo a o io y los p incipios eó icos en los que se basan, pode usa lo ap endido du an e el cu so en un ámbi o más labo al y comp ende el in del abajo ealizado. - Pe sonal: El a a con o as pe sonas en el g upo de in es igación y ue a de él, in e cambia conocimien os de nues o abajo y pode discu i ace ca de ellos, y conoce las mo i aciones y los obje i os que los impulsan a abaja en el ámbi o de la in es igación ma ina. Además, al ealiza las p ác icas ex e nas y el TFG en Baja Cali o nia Su , México me ha pe mi ido conoce la cul u a de es e país, su o ma de ida, su deliciosa gas onomía y la can idad de ida sal aje que se obse a ce ca de la ciudad. Sus he mosas playas donde acampa y las aguas eple as de biodi e sidad, desde pequeños peces globo has a g andes ibu ones ballena. Y po supues o compa i odas es as expe iencias con la encan ado a gen e de México que he conocido y con la que he en ablado amis ad. Since amen e g acias a la asigna u a y lo ap endido en ella he adqui ido una mayo con ianza y segu idad a la ho a de desempeña el abajo de labo a o io y de campo.