Co2 and uvr on marine microbial plankton assemblagesinteractive effects on phytoplankton and bacterioplankton metabolism

Resumo

A lo largo de la historia del planeta Tierra las condiciones ambientales nunca fueron constantes, al contrario, siempre se han caracterizado por sufrir variaciones por diversos motivos naturales. En la actualidad las condiciones ambientales también están en proceso de cambio, sin embargo en este caso, la causa de dichos cambios son las actividades de origen antropogénico, con profundas influencias a escala planetaria en los ecosistemas y el clima, que le confieren el nombre de “Cambio Global”. Las características más importantes de este proceso de Cambio Global, además de su origen antropogénico, es la rapidez a la que están sucediendo dichos cambios y la elevada cantidad de factores ambientales implicados lo que pone en compromiso la adaptabilidad de los ecosistemas a las perturbaciones que se avecinan. La radiación ultravioleta solar (UVR) se divide, dependiendo de la longitud de onda, en tres bandas conocidas como UVA (320-400 nm), UVB (280-320 nm) y UVC (200-280 nm). La radiación es más energética cuanto menor sea la longitud de onda, y por consiguiente sus efectos perniciosos sobre los sistemas biológicos son también mayores. Afortunadamente la totalidad de la radiación UVC y gran parte de la radicación UVB es absorbida por los diferentes gases atmosféricos y no alcanzan la superficie terrestre. Sin embargo, en las últimas décadas se ha producido un incremento en la cantidad de radiación UVB debido a un descenso del grosor de la capa de Ozono estratosférico, principal gas responsable de la absorción de la UVR, como resultado de la liberación a la atmosfera de compuestos altamente reactivos de origen antropogénico como los clorofluorocarbonados (CFC’s). La radiación UV es un importante factor ambiental debido a la influencia que ejerce sobre los procesos químicos y biológicos que rigen los ecosistemas marinos. Otro de los factores ambientales alterados por causa de la actividad y el desarrollo de las sociedades humanas ha sido y es la concentración del CO2 atmosférico. Desde principios de la revolución industrial la concentración de CO2 ha registrado un incremento hasta concentraciones sin igual en los últimos 10 millones de años y a un ritmo sin precedentes. Gran parte de este CO2 atmosférico se disuelve en la capa superficial de los océanos incrementando su concentración y alterando el equilibrio químico del sistema carbonato. Como consecuencia de estas reacciones químicas se produce un descenso de los niveles de pH, es por ello que a este proceso se le conoce con el término de Acidificación Oceánica. La acidificación oceánica produce efectos en los ecosistemas, en los organismos marinos y en las interacciones entre ellos. Se han registrado efectos perniciosos en organismos calificadores como los corales o las algas coralinas. Otros estudios también sugieren efectos sobre el desarrollo y la supervivencia de los estadios larvarios de diversos organismos marinos, aunque también se conoce que incrementos en la concentración de CO2 estimulan la producción de ciertas comunidades o especies fitoplanctónicas. El presente estudio se centra en los efectos de la UVR y del incremento de la concentración de CO2 sobre las comunidades microbianas marinas. Estudios de este tipo son temas de interés a nivel ecológico y fisiológico debido a que dichas comunidades contribuyen al ciclo global del carbono y por lo tanto tienen potencial para influir en el estado y las cinéticas del clima global. El primero de los trabajos realizados tuvo como objetivo el estudio de los efectos de la radiación solar ultravioleta sobre la producción de carbono orgánico particulado y disuelto de las comunidades fitoplanctónicas de aguas oligotróficas del Océano Indico. Los experimentos fueron realizados en el año 2011 a bordo del B.I.O. Hespérides durante un transepto transoceánico entre Ciudad del Cabo, Sudáfrica, y Perth, Australia. A lo largo de varias estaciones de muestro se realizaron muestreos de agua de mar a profundidades correspondientes al 20% PAR, a continuación se realizaron incubaciones en cubierta, sin sombras, conectadas a un sistema de refrigeración para mantener las temperaturas controladas. Las muestras de agua de mar se incubaron bajo un gradiente de intensidad de irradiancia en dos tratamientos espectrales diferentes: espectro de radiación solar total (UVR+PAR: photosynthetically active radiation) y un espectro excluyendo la radiación ultravioleta (PAR). Se empleó el método del carbono-14 para la medición de la producción fotosintética de carbono orgánico particulado (POC) y disuelto (DOC) total y POC en varias clases de tamaño (0.2, 2 and 20 μm). Los resultados obtenidos fueron ajustados a diferentes modelos matemáticos de curvas P-E (Producción-Energía lumínica o irradiancia) en los que se incluyó la fotoinhibición. Las curvas P-E son herramientas ampliamente usadas en la ecología ya que además de usarse para obtener tasas de producción, se pueden extraer a partir de sus características geométricas diferentes parámetros fotosintéticos que nos aportan información útil sobre el estado fisiológico de las comunidades de estudio o hacer comparaciones de la misma comunidad bajo diferentes tratamientos. Los resultados obtenidos nos indicaron que las comunidades fitoplanctónicas incubadas bajo el espectro de radiación solar total (UVR+PAR) tuvieron unas tasas fotosintéticas máximas (PsB) un 10% inferiores a las comunidades incubadas solo bajo el espectro PAR. Al mismo tiempo el UVR+PAR fue el causante de que las comunidades fitoplanctónicas del océano indico sufrieran un incremento del 86% de la sensibilidad a la fotoinhibición (). También se estudió los efectos del tratamiento espectral sobre el parámetro fotosintético alfa (α) que es indicativo de la eficiencia fotosintética. En cuanto a las clases de tamaño, se pudo comprobar que en determinadas estaciones las células fotosintéticas de tamaño mayor a 2 μm tuvieron tasas PsB y α mayores que las clases de tamaño menores. Sin embargo, en ninguna ocasión se observaron diferencias entre las clases de tamaño a la fotoinhibición () producida por la UVR lo que nos hace concluir que el tamaño celular no está relacionado con la intensidad de la fotoinhibición producida por altas irradiancias de UVR y o el PAR. Por otro lado, el análisis del DOC reveló que sus tasas de producción se incrementaron significativamente, hasta 3 veces más, bajo el tratamiento espectral incluyendo la UVR, en comparación a lo observado en el tratamiento espectral con solo PAR. A mayores, se intentaron aplicar los mismos modelos matemáticos de Curvas P-E a las cinéticas de producción del DOC sin éxito alguno. El análisis de los valores P-E del DOC demostraron que bajo el tratamiento PAR las producciones de DOC se mantuvieron constantes a lo largo de todo el gradiente de irradiancia PAR. Sin embargo y de modo diferente, bajo el tratamiento UVR+PAR se observó un aumento del DOC proporcional al aumento de la irradiancia en presencia de la UVR. Este fenómeno es indicativo de que la producción del DOC por las comunidades fitoplanctónicas del océano índico es una respuesta metabólica al estrés producido por la incidencia de la UVR en las aguas superficiales que habitan. En ocasiones, y con irradiancias muy elevadas, también se observó una fotoinhibición del DOC, probablemente debido a que las comunidades tenían un grado de aclimatación no suficiente para hacer frente a la magnitud del estrés provocado por la UVR lo que derivó en parada metabólica y de la producción del DOC. Todos estos resultados hacen hincapié sobre la relevancia de la UVR como factor ambiental determinante para la producción del DOC en aguas oligotróficas y refuerza el importante papel que la UVR tiene en la fisiología y ecología del plancton en aguas de latitudes tropicales. El segundo de los trabajos aquí presentado se realizó en un ecosistema diferente, casi “antagónico” al primero, el sistema costero y eutrófico con afloramientos estacionales de aguas profundas característico de la costa noroeste de la península Ibérica. En esta ocasión el objetivo fue conocer los efectos directos e indirectos de la acidificación oceánica sobre la interacción entre la materia orgánica producida por comunidades fitoplanctónicas y el metabolismo de las comunidades bacterianas de las aguas de la Ría de Vigo. El experimento realizado constó de dos fases. En la primera de ellas poblaciones microbianas naturales de la Ría de Vigo se incubaron en mesocosmos situados en los exteriores de la ECIMAT bajo un espectro de radiación solar total con presencia de UVR y temperatura similares a la estación de muestreo de la Ría de Vigo. El objetivo de esta primera fase fue el de conseguir para la segunda fase el inoculo de materia orgánica de origen fitoplanctónico con concentraciones de CO2 actuales por un lado y con concentraciones de CO2 previstas para fin de siglo, simulando un escenario de acidificación oceánica por el otro. Para alcanzar este fin la mitad de los mesocosmos fueron aireados mediante burbujeo con aire atmosférico, niveles actuales de CO2: tratamiento Low Carbon (LC), y la otra mitad con una mezcla de gas CO2+aire atmosférico a una concentración final de 1000 ppm: tratamiento High Carbon (HC). El primer día del experimento se añadieron nutrientes inorgánicos para simular un Bloom fitoplanctónico y aumentar la producción de materia orgánica. Durante los 8 días que duró esta primera incubación se hizo un seguimiento de la evolución de las poblaciones fitoplanctónicas y se observó que dichas comunidades no mostraron diferencias significativas en términos de biomasa ni en las cantidades ni en las cualidades de la materia orgánica producida bajo los dos regímenes de concentración de CO2 diferentes. Al finalizar la primera incubación se retiró y conservó debidamente la materia orgánica producida en ambos tratamientos obteniendo un inoculo de materia orgánica acidificada y materia orgánica no-acidificada, AO y NO, respectivamente, para ser usados en la segunda fase del experimento. El objetivo de la segunda fase fue el de conocer la respuesta del metabolismo del bacterioplankton de la Ría de Vigo a los aportes de materia orgánica acidificada o no-acidificada incubado a su vez en condiciones ambientales de actuales y futuras concentraciones de CO2, LC y HC respectivamente. Para ello se realizó un muestreo de agua de mar para recoger las comunidades bacterianas en la misma estación que la primera fase. A la mitad de las unidades experimentales con la comunidad bacteriana aislada mediante técnicas de filtración se le añadió la materia orgánica acidifica y la otra mitad la no-acidificada. Del mismo modo que en la primera fase, a cada grupo de comunidad bacteriana-materia orgánica se le aplicó el tratamiento de alto y bajo CO2 mediante la técnica de burbujeo con CO2+aire o bien solamente aire. De este modo se obtuvieron los 4 tratamientos, desde la muestra menos modificada (LC-NO: Low Carbon-non-acidified organic matter) hasta la muestra con mayor alteración (HC-AO: High Carbon-acidified organic matter). Las incubaciones tuvieron lugar durante 8 días en condiciones de oscuridad y a temperatura constante. Los parámetros analizados para caracterizar la respuesta de la comunidad bacteriana a lo largo del experimento fueron la abundancia bacteriana, la producción y respiración bacteriana y el último día también se midió la viabilidad de la comunidad bacteriana. Los resultados reflejaron que en los primeros días de la incubación la abundancia bacteriana fue estimulada por la adicción de materia orgánica acidificada. De modo inverso la producción bacteriana no mostró diferencias significativas hasta el último día de la incubación en donde las bacterias con adicción de materia orgánica acidificada tuvieron tasas de producción inferiores a las comunidades bacterianas con adicción de materia orgánica no-acidificada. Estos resultados indican que las bacterias tienen preferencia por la materia orgánica acidificada y la consumen con más rapidez produciendo abundancias mayores durante el transcurso de las incubaciones, mientras que la materia orgánica no-acidificada mantiene unas producciones bacterianas mayores al final del experimento debido probablemente a que la materia orgánica acidificada es más biodisponible para las bacterias. Estos cambios en la biodisponibilidad de la materia orgánica pueden ser debidos a cambios en la estructura de la materia orgánica en condiciones de HC o a la capacidad de las bacterias de procesar dicho sustrato mediante, por ejemplo, el aumento de las cinéticas de las enzimas extracelulares o a la combinación de ambos factores. Los resultados de este trabajo destacan que la acidificación oceánica tiene efectos sobre el metabolismo de las poblaciones bacterianas de la Ría de Vigo a través de cambios en la disponibilidad de la materia orgánica más que por los efectos directos del descenso del pH. A pesar de la considerable contribución del fitoplancton marino al clima global y a los ciclos biogeoquímicos muchos de sus aspectos de su ecología y de su fisiología en los océanos del futuro regidos por las condiciones ambientales marcadas por el Cambio Global permanecen a la espera de ser estudiados y comprendidos. Una de las características fisiológicas pendientes de ser aun totalmente comprendidas es el metabolismo de los mecanismos concentradores de carbono (CCMs) y su respuesta ante las variaciones ambientales que están por venir. La mayoría de las especies fitoplanctónicas poseen alguno de estos CCMs cuya función es la de transportar activamente CO2 o aumentando las concentraciones de CO2 en las inmediaciones de la enzima RubisCO contrarrestando la baja afinidad por su sustrato CO2. Pero estos CCMs no son gratis ya que suponen un coste energético para el metabolismo celular. Se espera que en escenarios futuros con alto CO2 las especies fitoplanctónicas experimenten una mayor eficiencia en el uso de recursos ya que no tendrán que sufrir tanta dependencia de los costes de tener activos los CCMs, este estado se conoce como downregulation. Sin embargo el medio ambiente se caracteriza por estar regido por diversos factores con efectos acumulativos, sinérgicos o antagónicos que finalmente influyen en el estado de los ecosistemas. Uno de estos factores importantes a tener en cuenta es la UVR. Es por esto que el último de los trabajos presentados tuvo como objetivo el estudio de la interacción de los dos factores del cambio global, CO2 y UVR, sobre el estado fisiológico, la producción primaria y la eficiencia fotosintética, de cuatro especies fitoplanctónicas representativas de los grupos funcionales más importantes en las comunidades fitoplanctónicas. Cultivos de las cianobacterias Synechococcus WH8102 y Synechococcus WH7803, la diatomea Thalassiosira pseudonana y el cocolitofórido Gephyrocapsa oceanica se mantuvieron en cultivo semicontinuo con condiciones de luz y temperatura controladas durante al menos 20 generaciones en condiciones de alto y bajo CO2. Durante dos días consecutivos se realizaron incubaciones de ambos tratamientos de CO2 en dos tratamientos espectrales diferentes, UVR+PAR por un lado y PAR por el otro. El primero de los dos días tiene como objetivo conocer la respuesta de las especies cultivadas después de un largo proceso de aclimatación al régimen de CO2 y por lo tanto con unas condiciones metabólicas estables. El 2º de los días la incubación se realiza después de una interrupción en el suministro de CO2 durante el tiempo suficiente para reactivar las rutas metabólicas implicadas en la activación de los CCMs y pasar de estar en un estado de downregulation a un estado upregulated. Los resultados obtenidos en este trabajo reflejan que bajo las condiciones experimentales todas las especies fitoplanctónicas expuestas a la UVR sufrieron un daño en el estado fisiológico con consecuencias en la producción de fotosintética del carbono orgánico disuelto. Probablemente este efecto negativo a la exposición UVR se vio intensificado ya que los cultivos fueron aclimatados durante un largo periodo de tiempo exclusivamente a irradiancia PAR. Sin embargo el daño producido no fue uniforme y las intensidades de la fotoinhibición variaron en las diferentes especies, seguramente debido a diferencias en el grado de fotoaclimatación y fotoreparación que mostraron las diferentes especies cultivadas. Al igual que en estudios, las especies más fotosensibles fueron las dos cepas de la procariota Synechococcus sp mientras que ambas eucariotas, T. pseudonana y G. oceanica se mostraron menos sensibles a la UVR y con un grado mayor de fotoaclimatación. Por el contrario la respuesta al incremento en la concentración de CO2 fue mucho más heterogénea. Se observó la ausencia de efectos significativos o efectos positivos en la eficiencia fotosintética de las cuatro especies empleadas durante los experimentos. Por otro lado, Synechococcus WH7803 sufrió un descenso en su producción, Synechococcus WH8102 no mostró diferencias significativas y T. pseudonana y G. oceanica registraron un producción de carbono orgánico particulado en comparación con las concentraciones de CO2 existentes en la actualidad. Era de esperar que bajo las condiciones de downregulation provocadas por un alto CO2 y la no dependencia de los CCMs y su costo enérgico las especies fitoplanctónicas cultivadas en este experimento mostraran de algún modo un aumento de su eficiencia en el uso de recursos. Los resultados obtenidos apoyan parcialmente esta convicción ya que en todos los casos la cantidad de pigmento Chl a por célula fue menor en alto CO2 manteniendo similares o incluso mayores tasas de producción. Una interacción positiva entre ambos factores ambientales fue observada en el cultivo del cocolitofórido G. oceanica que demostró mayores tasas de producción y mayor eficiencia fotosintética en condiciones de alto CO2 con presencia de UVR. A su vez esta especie fue la única que registro un aumento del PER (percentage of extracelular reléase) producido también por la UVR. En conclusión, suponiendo que las especies empleadas en el presente estudio pudieran ser representativas de los grupos funcionales de las diatomeas, cocolitofóridos y cianobacterias, los resultados muestran que la concentración elevada de CO2 esperada para finales del siglo incrementaría la producción de diatomeas y cocolitóforos, o no afectarían la producción en cianobacterias costeras y oceánicas, respectivamente. La interacción con la UVR modificará la respuesta provocada por la alta disponibilidad de CO2. Sin embargo, los resultados del presente estudio que relacionan la interacción entre las exposiciones fotoinhibitorias y las condiciones elevadas de CO2 no son totalmente concluyentes, ya que la downregulation sólo ha sido parcialmente alcanzada en algunas de las especies. Otros experimentos bajo manipulaciones más controladas tienen que ser llevados a cabo para responder con más detalle a esta cuestión.