Scaling of latitudinal and seasonal variability of plankton metabolism in the epipelagic ocean

Resumo

Capítulo 1. Introducción General La comunidad microbiana marina realiza la mitad de la fotosíntesis oxigénica del planeta, contribuyendo a los ciclos globales de carbono (C) y oxígeno (O2), que afectan al clima y a la biosfera. Dado el papel minoritario de la quimiosíntesis, fotosíntesis anoxigénica y respiración anaeróbica en la superficie del oceáno, el estado metabólico se puede resumir mediante la diferencia entre la fotosíntesis bruta (PPB) y la respiración auto- y heterotrófica de la comunidad plantónica (RC), que es la producción neta de la comunidad (PNC). PNC representa la cantidad de carbono secuestrable en el fondo marino o transferible al resto de la red trófica. En ecosistemas marinos, la producción primaria (PP), consumo y respiración están a menudo desacoplados en tiempo y espacio. La no-sincronía y diferencias de escala (molecular a biogeoquímica) de los procesos tróficos y biogeoquímicos complica la estimación del metabolismo neto en las comunidades del plancton. El conjunto global de tasas de respiración es actualmente ~10 veces menor que el de fotosíntesis (PP), en parte debido a dificultades metodológicas, a la vez que la proporción de medidas de PP (especialmente derivadas de 14C) sigue aumentando. Incertidumbres sobre el estado metabólico en los ecosistemas pelágicos: 1) Desacuerdos entre medidas de PNC basadas en diferentes enfoques metodológicos in situ e in vitro. 2) Discrepancias entre estimaciones de PNC basadas en el mismo método in vitro. 3) Baja precisión de mediciones in vitro (en sistemas oligotróficos, se necesita un coeficiente de variación de 0.03% para DO2). Nuestra base de datos se ha usado para vincular observaciones y modelos a través de la validación de tres hipótesis derivadas de las relaciones publicadas: a) RC es menos variable que PPB, y por tanto esta última controlaría por la variabilidad de PNC; b) la relación PPB:RC y el umbral de fotosíntesis para la heterotrofia neta son universales; c) la variabilidad de respiración es relevante para PPB:RC, por lo que la variabilidad de PNC dependería asimismo de la materia orgánica disponible o de la estructura de la comunidad, produciendo relaciones PPB:RC dependientes del sistema. Objetivos de esta tesis: 1. Obtención de un conjunto de datos coherente y de alta resolución para la estimación y predicción de balances metabólicos en el océano a escala regional y estacional. 2. Uso de nuestras mediciones de NCP en diferentes biomas del océano y épocas del año para estudiar PPB:RC y su dependencia del sistema. 3. Testar si el balance metabólico es dependiente del tamaño del fitoplancton. 4. Validar los modelos empíricos construidos, y testar las hipótesis fundamentales de las relaciones publicadas de PPB:RC. Capítulo 2. Material y métodos Ría de Vigo. Se muestreó quincenalmante, y antes del amanecer (a 3, 10 y 20 m prof.) de mayo 2012 a mayo 2013 en 42°14,07'N, 8°47,3'O, utilizando botellas niskin 5l. Se midieron perfiles verticales de O2 disuelto con sensores Hydrolab. Los datos de hidrografía se obtuvieron de http://www.intecmar.gal. Se calcularon las series de tiempo representativas del índice de afloramiento en Silleiro con datos de la web IEO (http://www.indicedeafloramiento.ieo.es). Los datos de aportes de agua dulce y radiación solar se descargaron de http://www.meteogalicia.gal. Las concentraciones de nutrientes inorgánicos se midieron con un auto-analizador de flujo. Para la concentración de clorofila a (Chla), se recogió una muestra de 250ml por cada profundidad y se filtró a través de filtros de policarbonato (20, 2 y 0.2 μm). La Chla se extrajo de los filtros en acetona HPCL 90% y se midió con un fluorómetro. Para la producción primaria derivada de 14C (TO14CP), se transfirió agua de las Niskin 5l a botellas de polipropileno 75ml (4x prof.: 3 transparentes + 1 opaca), y fueron inoculadas con NaH14CO3. El perfil de luz PAR a 3,10 y 20 m se midió con un sensor, y las botellas de 75 ml se incubaron in situ durante 24h (los % de luz se simularon mediante combinaciones de mallas de densidad neutra). Las submuestras se filtraron después a través de filtros de policarbonato 0.2µm. Se eliminó el 14C inorgánico del filtrado y filtros mediante HCl 50%. El TO14CP se midió con un contador de centelleo. Las submuestras para la determinación de ∆O2 por winkler se incubaron en botellas de borosilicato ~125 ml durante 24h. 12 submuestras por prof.: 4 iniciales (cuyo O2 fue fijado con MnSO4+KI.KOH antes de la incubación) + 4 opacas y 4 transparentes (fijadas tras la incubación). La concentración de O2 se midió finalmente con un titrino. PNC= O2 en “transparentes” menos O2 en “iniciales”; RC= O2 en “iniciales” menos O2 en “opacas”. Capítulo 3. Resultados y Discusión Ría de Vigo. En la Ría de Vigo, las condiciones de afloramiento, más productivas, son creadas por vientos del norte durante primavera-verano; esto provoca la entrada de agua rica en nutrientes y pobre en oxígeno a través del fondo. En otoño-invierno, vientos del suroeste promueven la entrada de agua cálida a través de la superficie de la ría (hundimiento). Ambos procesos son interrumpidos por fases de relajación, estratificación y mezcla. Teóricamente, las redes tróficas simples de microorganismos grandes(>5mm), favorecidas por la entrada de nutrientes inorgánicos en la zona fótica, presentan un ratio entre fotosíntesis bruta y la respiración de la comunidad del plancton (PPB/RC) mayor; mientras que una red microbiana compleja de pequeños microorganismos (<5mm), soportaría un PPB/RC menor. En nuestro estudio se observaron 3 períodos hidrográficos principales: a) estratificación térmica (mayo a septiembre 2012); b) fase invernal de mezcla vertical y c) estratificación halina (diciembre 2012 a abril 2013). El afloramiento prevaleció de junio a septiembre 2012, febrero y abril-mayo 2013; mientras que el hundimiento prevaleció de octubre 2012 a enero, y en marzo 2013. Los procesos termohalinos, la presión hidrostática, los intercambios atmósfera-océano, los aportes de agua dulce, y el metabolismo del plancton controlan las concentraciones de O2 disuelto y nitrógeno inorgánico en el océano superficial. La relación entre % sat.O2 y [NO3-] es generalmente inversa. Por otro lado, la Chla se interpreta como un índice de biomasa de fitoplancton, que se acumularía tras la fotosíntesis oxigénica, y que covaría con el O2 disuelto y los nutrientes. Los máximos sub-superficiales de Chla (MSC) son típicos de la ría durante los períodos de relajación entre episodios de afloramiento, y se forman por el hundimiento de las proliferaciones de microplancton (Chla>20µm) creadas cerca de la superficie (ej. este estudio). La variación estacional de Chlatotal (0.05-21mgm-3) se relacionó principalmente con el microfitoplancton (Chla>20mm) y, en menor medida, con el nanofitoplancton (Chla2-20µm). Cuando Chlatotal>1mgm-3, el microfitoplancton dominó la comunidad. La contribución de Chla>20mm a Chlatotal fue >50% en primavera y otoño, y <30% en invierno. Pico-y nanofitoplancton (Chla0.2-20mm) exhibieron menores concentraciones y rangos (0.003-0.8,0.01-3.1mgm-3). Chla0.2-20mm dominó la comunidad cuando Chlatotal fue baja (en invierno). Cuando Chlatotal<1 mg m-3, el micro, nano y picofitoplancton representaron el 33.2±4.4, 50.3±4.0 y 16.5±2.9% de Chlatotal. Excepto por los MSCs estivales, Chlatotal coincidió con producción primaria (PPB y TO14CP), siendo más alta cerca de la superficie en primavera-verano. El rango de tasas integradas de TO14CP fue de 6.07±0.8 a 547.54±17 mmolCm-2d-1. La relación general entre TO14CP y Chla fue (TO14CP=2.85(±0.30)*Chla-1.07(±1.60), R2=0.66,P<0.0001,n=46); si bien excluyendo los MSCs (valores atípicos) la misma ecuación resultó(TO14CP=3.51(±0.18) *Chla-2.28(±0.78), R2=0.91,P<0.0001,n=43). El índice de productividad (TO14CP/Chla, o IP) general fue ~3 mmolCmgChla-1 d-1. PPB siguió patrones estacionales y verticales muy similares a TO14CP y Chla. Las tasas integradas de PPB oscilaron entre 12.1±4.3 y 848.1±11.4mmolO2m-2d-1 respectivamente. La PPB integrada anual fue 76.8±2.5molO2m-2año-1 o, asumiendo un cociente fotosintético (CF) de 1.1-1.3, 709-838gCm-2año-1.La relación general PPB:Chla fue alta, especialmente cuando se excluyeron los datos de MSCs (PPB= 5.02(±0.19)*Chla-4.11(± 0.87), R2=0.93,p <0,0001,n=52). El IP bruto fue ~5mmolO2mgChla-1d-1. La pendiente de la relación PPB:Chla a 3,10, y 20 m fue 5.03±0.21, 3.11±0.44 y 0.66±0.14; variabilidad probablemente relacionada con la intensidad de luz. La diferencia entre el IP en superficie y a 20 m de profundidad (~8 veces) es característica de ambientes estratificados. Los bajos IP y pendiente de PPB:Chla a 20 m están probablemente relacionadas con la rápida sedimentación de fitoplancton>20µm desde la superficie. En nuestro estudio, el CF general de 1.34±0.04molO2molC-1 está dentro del rango 1.3-1.5 para producción basada en NO3-. La relación TO14CP:PPB se mantuvo significativa a través del tiempo y en profundidad, con pendientes de 1.54±0.12 en invierno y 1.14±0.05 en primavera. Sin embargo, los datos correspondientes a MSCs no son atípicos en la relación TO14CP:PPB. Esto apoya la desconexión funcional entre sedimentación de biomasa microbiana creada cerca de la supercicie y la producción primaria ocurrida a 20m. Comparada a TO14CP y PPB, la magnitud y la variabilidad de respiración de la comunidad (RC) fue reducida (3 veces menor a PPB). Se midieron tasas altas de RC en primavera y verano. Sin embargo, observamos máximos de RC no solo en superficie (>7mmolO2m-3d-1), sino también a 10-20m(~13mmolO2m-3d-1). El promedio RC/Chlatotal fue 1.29±0.24 y 2.35±0.38mmolO2mgChla-1d-1 durante primavera y verano, y 1.20±0.19mmolO2mgChla-1d-1 en invierno. La respiración fue baja durante el invierno (<22 mmolO2m-2d-1); pero se mantuvo >100mmolO2m-2d-1 durante casi todo el verano, aunque TO14CP, PPB y Chlatotal fueron muy variables en verano. En escenarios altamente dinámicos (como la Ría de Vigo), parece que las variables “lentas” como Chla o RC son mejores indicadores de la productividad y funcionamiento del ecosistema, mientras que variables “rápidas”, como la fotosíntesis, requieren un estricto escalado temporal con la hidrografía. El funcionamiento atípico de los datos de MSCs en primavera (mayo2012 y mayo 2013) confirman una relación más estrecha para RC:Chla que para RC:PPB. En la Ría de Vigo, RC está especialmente ligada a la biomasa de fitoplancton y por tanto a la disponibilidad de materia orgánica oxidable. La relación RC:Chla fue significativa en invierno y primavera (RC=0.62(±0.05)*Chla+8.43(±5.30), R2=0.91,P<0.0001,n=14). La relación RC:Chla durante todo el año- excepto en verano-, contradice la hipótesis de que la variabilidad del metabolismo del plancton en la ría depende exclusivamente de la estructura del tamaño del fitoplancton. El RC anual (23.8±1.4molO2m-2y-1) fue un ~30% de la PPB anual, y solamente en invierno este porcentaje aumentó a ~40%. Esto implica que la estacionalidad de PNC fue muy similar a la de TO14CP, PPB y Chla; siendo mayor cerca de la superficie en primavera y durante los afloramientos de finales de verano. En periodos de estratificación estivales NCP/Chla disminuyó porque RC fue alta (MSCs). El PNC volumétrico osciló de -5.67±0.41 a 95.72±0.80mmolO2m-3d-1. El PNCint anual fue 52.5±2.5molO2m-2y-1 o 427±20gCm-2y-1y suponiendo O2/C=215/147. La significancia de la relación lineal PNCint:TO14CPint (PNCint=1.23(±0.10)*TO14CPint-58.74 ± 24.56, R2=0.91,P<0.0001,n=15) permitiría la predicción de PNC. Aquí, TO14CP representaría la fotosíntesis bruta menos la respiración del carbono recientemente fijado; mientras que PNC(O2) representaría PPB menos la RC de la materia orgánica presente en la muestra, haya sido sintetizada recientemente o no. NCP es siempre ≤ TO14CP, y solo PNC puede ser negativo. Validamos nuestro modelo de PPB:PNC con datos de Arbones et al. 2008 y obtuvimos PNCint_predicha=0.96(±0.08)*PNCint_medida-4.46(±14.76), R2=0.97,P <0.0001,n=6. Aunque el potencial de PPB:PNC como herramienta predictiva se ve socavado porque ambas variables son medidas simultáneamente con el mismo método. Nuestros modelos generales de TO14CP:NCP y PPB:PNC predicen heterotrofia neta cuando la producción primaria (PP) es baja(<47.55mmolCm-2d-1,<61.40mmolO2m-2d-1). Sin embargo, durante el verano observamos heterotrofia neta con valores de PP demasiado altos (57.95±3.56mmolCm-2d-1, 109.53±9.40mmolO2m-2d-1), y en invierno un metabolismo balanceado con tasas de PP por debajo del umbral teórico (19.50±0.42-6.07±0.87mmolCm-2d-1,52.06±3.58-12.09±4.28mmolO2m-2d-1). El sesgo estacional sugiere que TO14CP:NCP y PPB:PNC reflejan la composición de dos relaciones distintas, una que representa la variabilidad metabólica en invierno-primavera, y otra diferente para verano. La relación invierno-primavera solo predeciría la heterotrofia neta cuando PPB<18.25mmolO2m-2d-1 y TO14CP<6.44 mmolCm-2d-1), explicando así la persistencia de la autotrofia neta durante todo el año en la Ría de Vigo. Así que, a pesar de la fuerte autotrofia en el sistema, la variación de RC es relevante para los balances metabólicos estacionales y anuales. Nuestros datos muestran a) un RC:PPB más alto en invierno, cuando el fitoplancton<5mm representaba >70%, pero también que en junio y julio2012 (con un 65±5% de Chla>20µm), PNC fue tan baja como en invierno; y b) una tendencia de PPB/RC y %Chla>20 µm/Chlatotal muy similar a la de Arbones et al. (2008). Para nosotros, esto no implica necesariamente dependencia funcional entre el tamaño celular del fitoplancton y el grado de heterotrofia, porque ambas variables están también conectadas a otras. Nuestros modelos PPB:PNC muestran un funcionamiento trófico similar durante el invierno, dominado por el pico-nanofitoplancton, y la primavera dominada por el microplancton (PNCint=0.79(±0.06)*PPBint-16.31(±13.84),R2=0.95,P<0.0001,n=10; PNCint=0.74(±0.02)*TO14CPint-4.76(±3.74), R2=0.99,P<0.0001,n=6 ); y diferente durante el verano, cuando la comunidad estaba dominada por el microplancton (PNCint=0.99(±0.04)*PPBint-105.10(±17.86),R2=0.98,P<0.0001,n=9; PNCint=1.38(±0.12)*TO14CPint-84.82(±32.41), R2=0.95,P<0.0001,n=9). Por tanto, los modelos generalizados de TO14CP:NCP y/o PPB:NCP, incluso ajustados a cambios en el tamaño del fitoplancton, no son suficientes para predecir con precisión el metabolismo neto de la comunidad, lo que requiere un mayor conocimiento de la variabilidad estacional de la relación fotosíntesis/respiración. La relevancia de las escalas de tiempo y espacio en la aparición de patrones ecológicos explica el valor de los análisis empíricos descriptivos de la covariación de datos y variables para representar situaciones oceanográficas concretas. Capítulo 4. Material y Métodos AMT11-22. El esudio latitudinal engloba 10 AMTs, realizadas a bordo de varios buques oceanográficos entre Inglaterra y Sudamérica (50°N–45°S, de 2000 a 2012). Casi todas ellas incluyeron mediciones del metabolismo en ambos giros (NAG y SATL). Se usó una roseta con Niskin 24x20l equipadas con CTD para recolectar muestras. Se midieron con sensores 2 perfiles de temperatura y fluorescencia por día (~2h antes del amanecer, y al mediodía) hasta una profundidad ~300m. Alícuotas de 250ml se filtraron a través de filtros de policarbonato de 0.2x47mm, y estos se expusieron a acetona al 90% durante 24 h. Las muestras para Chla se analizaron en un fluorómetro. PPB, RC y PNC se determinaron a partir de ∆O2 disuelto tras 24h de incubación de botellas claras/oscuras (el mismo procedimiento que en el capítulo 2. Material y Métodos Ría de Vigo). Para el metabolismo de O2 las estaciones estaban separadas ~350km, y se muestreaba diariamente: 2h antes del amanecer: 3-6 profundidades (mediana 5) mediante la roseta Niskin24x20l. Las incubaciones comenzaban al amanecer en los incubadores de cubierta. Las profundidades de luz típicamente incluyeron 97, 33, 14, 7, 3 e 1% del PAR incidente en superficie. La irradiancia se determinaba a partir de las lecturas del día anterior, y asumiendo que el máximo de fluorescencia profundo coincidía aprox. con el 1% de la irradiancia en superficie. Capítulo 5. Resultados y Discusión AMT11-22 La productividad por área en el océano oligotrófico es limitada, pero la enorme extensión de los giros subtropicales hace que su contribución a la productividad global y a los flujos biológicos atmósfera-océano sea significativa. El metabolismo neto del océano oligotrófico (hetero- vs autotrófico) ha sido discutido durante >15 años. Las relaciones empíricas de PP:RC se han utilizado para predecir el PNC a partir del extenso conjunto de datos globales de producción primaria (PP) derivados principalmente de 14C; y su uso asume que el funcionamento trófico y composición de las comunidades microbianas (auto- y heterotrofos) son uniformes en el océano oligotrófico global. La mayoría de estos datos de provienen de giro Norte del Atlántico o NAG, en detrimento de los otros giros subtropicales, como el del Atlántico Sur, o SATL. Los giros oligotróficos se identificaron cuando la termoclina y el máximo profundo de Chla (MPC) eran>100m (20°–38°N NAG; 10°-32°S SATL). Algunos autores creen que las tasas integradas (y no volumétricas) representan de forma más precisa la interacción de los procesos auto y heterótrofos en el océano epipelágico. PNCint fue diferente en NAG y SATL (t test(n=91)=-7.14, P=0.0001). En el NAG, PNCint promedio fue -14.55±2.42 mmolO2m-2d-1 y con un intervalo de confianza 95% de -19.31 a -9.79 mmolO2m-2d-1. En el SATL prevaleció la autotrofía equilibrada o neta, con un PNCint promedio de 9.78±2.34mmolO2m-2d-1 y un intervalo de confianza 95% de 4.96 a 14.59 mmolO2m-2d-1. Las diferencias regionales de PNC no fueron causadas solamente por diferencias en la PP, sino por la variación de RC. La media de PPBint fue menor en el NAG heterótrofo que en el autotrófico SATL (57.51±3.50 vs 68.32± 3.13mmolO2m-2d-1, respectivamente), pero la RCint promedio fue menor en el SATL que en el NAG (58.53±3.85 vs 72.09±3.47 mmolO2m-2d-1. El grado de heterotrofia está inversamente relacionado con la magnitud de PP (PPB, en este caso), y debajo de un cierto umbral de PPB (~120mmolO2m-2d-1), teóricamente se predeciría heterotrofia neta (PNC<0). Como PPB en los giros está típicamente por debajo de los umbrales teóricos, algunos autores llegaron a la conclusión de que el océano oligotrófico es heterotrófico, o que los datos in vitro tienen un sesgo significativo. Pero ninguna de las dos relaciones PPB:RC en NAG y SATL pueden predecir correctamente el metabolismo neto en el otro giro oligotrófico solamente partir de PPB. Las ecuaciones de regresión PPB:RC para el NAG y el SATL son: RC=0.76*PPB+28.25 (R2=0.59, n=47), y RC=0.98*PPB+8.56 (R2=0.64, n=46). La diferencia en la pendiente y la ordenada en el origen entre las dos ecuaciones es significativa (t-test(n=89)=12.89, P=0.0001; t-test (n=89)=22.28, P=0.0001, respectivamente). La relación PPB:RC en SATL es esencialmente 1:1, indicando un alto acoplamiento de procesos auto y heterótrofos locales. Por tanto, el océano oligotrófico no es auto- ni heterotrófico, sino funcionalmente diverso. Además, la estimación del metabolismo planctónico mediante relaciones generales de PPB:RC implica un sesgo importante, pues la variabilidad de RC, y no solo de PP (en este caso PPB); y que está controlada por la estratificación de la columna de agua, que a su vez determina la limitación de nutrientes para el fitoplancton), debe considerarse para las estimaciones regionales del estado metabólico. Además, y aunque se necesitan investigar más para definir la estacionalidad(austral y boreal) del metabolismo del plancton en los giros del Atlántico, nuestro análisis generalizado de las diferencias regionales parece imparcial. Capítulo 6. Resultados y Discusión AMT22. En el análisis de los modelos PPB:RC generales (~10 años) en NAG y SATL, la variabilidad metabólica regional y a corto plazo ( respuestas inmediatas del plancton a forzamientos hidrográficos episódicos y/o locales) se perdería en los promedios. Dado el déficit de fosfato en el NAG, la fijación de N2 contribuye de forma importante a la PPB; de hecho, durante la AMT22 observamos una bloom de Trichodesmium en el NAG. La PPB durante la AMT22 osciló entre 0.01±0.12 y 9.83±0.34mmolO2m-3d-1; y el PPB promedio (1.31±0.11mmolO2m-3d-1) fue ~1 orden de magnitud menor que en la Ría de Vigo, aunque similar a las tasas invernales de la ría. Al dividir tasas integradas por la profundidad de integración obtenemos valores ponderados (ej.PPBZ). Por ejemplo, la significancia de ChlaZ:PPBZ (PPBZ=4.53*ChlaZ-0.70, R2=0.84, n = 19) aumentó con respecto a las relaciones de valores no ponderados. En comparación a PPB, la variación de RC fue relativamente menor: de <0.1 a 3.51±0.20, y promedio 0.83±0.04mmolO2m-3d-1. En el estudio de multianual de las AMT11-22, se mostraba una relación PPB:RC para el SATL cercana a 1:1, mientras que PPB:RC para el NAG la pendiente fue significativamente menor, indicativa de heterotrofia neta. Sin embargo, para la AMT22, no existieron diferencias significativas en PPB:RC (valores volumétricos) entre ambos giros (valor t = 0.103, d.f. = 109, P = 0.9). Para PPBint:RCint (valores integrados) y PPBZ:RCZ (valores ponderados), la relación del NAG mostró una relación ~1:1 (DCRZ=0.06+0.94*PPBZ, R2=0.73, n=11, P <0.001) al igual que para SATL. Siguiendo la lógica del capítulo anterior, las tasas de respiración en el SATL y el NAG durante la AMT22 estarían sostenidas por la PPB local, en contradicción con la teórica relevancia de los aportes de materia orgánica alóctona derivada de los balances metabólicos y déficit de fosfato en el NAG. De hecho, las tasas de NCPint y NCPZ promedio fueron -2.89±1.93mmolO2m-2d-1 y -0.03±0.01mmolO2m-3d-1 en el NAG, y 9.30±2.33mmolO2m-2d-1 y 0.06±0.02mmolO2m-3d-1 en SATL. El equilibrio metabólico del NAG durante la AMT22 parece resultar de una PPB más alta (73.61±2.37 vs. 55.7±3.2mmolO2m-2d-1 en AMT11-22), ya que las tasas de RC se mantuvieron similares a las del AMT11-22 (76.50±2.46 vs 72.0±3.5mmolO2m-2d-1). Cuando se analizaron las tasas ponderadas, observamos una distribución en forma de U latitudinal para PPBZ, en concordancia con la profundidad de la nutriclina y ChlaZ. Durante la AMT22, el promedio de PPBZ y RCZ fueron muy similares en NAG y SATL (0.56±0.02 y 0.59± 0.02 vs. 0.60±0.02 y 0.58±0.02 mmolO2m-3d-1, respectivamente), mientras que en las AMT11- 22, solo las tasas de PPBint fueron similares, pero RCint fue mayor en el NAG (Capítulo 5). Durante la AMT22 se observó un extenso bloom de Trichodesmium en el NAG. Creemos que el PNC>0 medido en el área del bloom (~26°-23°N), supuso una contribución clave en metabolismo neto general del NAG. La integración latitudinal de PNCint y PNCZ en esta área genera valores de 123 mmolO2m-2d-1°lat y 0.71 mmolO2m-3d-1°lat, respectivamente, que representarían el 65 y 52% de los valores negativos en el resto del giro. PPBZ en el área del bloom se mantuvo cerca del mínimo regional; así que este aumento de PNC se debió a una disminución de RC (0.27±0.04mmolO2m-3d-1 vs 0.66±0.02mmolO2m-3d-1 en el resto del NAG). Las tasas de fijación de nitrógeno en el NAG parecen relacionarse con inputs atmosféricos de polvo sahariano (Fe+nutrientes), lo que explica la mayor abundancia de diazotrofos y la limitación de [PO43-]. Quizá la reducción de RC (y su % sobre PPB) en el área del bloom de Trichodesmium se debió a una eficiencia de exportación muy alta por hundimiento de partículas más grandes. El % de producción de carbono orgánico particulado(14C) por las células>10 µm en el área del bloom fue de 39.9±3.8 vs. 11.3±1.4 en el resto del NAG. Además, el bloom de Trichodesmium probablemente contribuyó al equilibrio metabólico observado en el NAG (PPBZ:RCZ ~ 1:1) durante la AMT22; porque cuando los datos del bloom se excluyen, la pendiente y la ordenada en el origen son significativamente diferentes de 1 y 0, respectivamente (RCZ=0.73(±0.11)*PPBZ+0.25*(±0.07), R2=0.88, n=9, P<0.001). Capítulo 7. Discusión general. La falta de restricciones externas y estándares internos para PNC, los desacuerdos entre diferentes mediciones, y las discrepancias metodológicas y sesgos han mantenido la incertidumbre sobre el estado metabólico de los ecosistemas pelágicos, particularmente en el océano oligotrófico. La escasez de medidas de RC, PPB y PNC a escalas relevantes ha llevado a la agregación de mediciones independientes realizadas por diferentes grupos en diferentes momentos y ubicaciones; lo cual ha derivado en sesgos potenciales e incoherencias para un método que requiere una alta precisión y cuya exactitud es difícil de determinar. La concentración de O2 en la zona epipelágica de océano abierto típicamente varía entre 220 y 270 mmolm-3, y los DO2 durante las incubaciones in vitro 24h son típicamente <1 mmolO2m-3 d-1. Por ejemplo, la media para las mediciones de PNC y RC en el conjunto de datos AMT11-22 son -0.12±0.02 y 0.68±0.03mmolO2m-3d-1 en el NAG, y 0.06 ± 0.02 y 0.48±0.02mmolO2m-3d-1 en el SATL; así que la precisión de las medidas debe ser muy alta. Para variaciones de 0.1 mmolO2m-3d-1, una propagación de 0.03 sería necesaria, lo que requiere una precisión en las medidas de ca. 0.01%. Por otro lado, carecemos de estándares para comprobar la exactitud de las medidas de PPB=RC+PNC; aunque sí existen algunos límites de exactitud, especialmente para PPB, basados en la máxima eficiencia fisiológica de la fotosíntesis: ~30mmolO2mgChl-1d-1 asumiendo 12h luz y CF 1.1. Los valores de asimilación en el océano oligotrófico son típicamente menores: 5.5-6.6 mmolO2mgChl-1d-1. En el conjuntos de datos generados para esta tesis (AMT11-22 y Ría de Vigo), ningún valor de PNC/Chla fue> 30 y solo unos pocos fueron> 6.6 mmolO2mgChl-1d-1. Que sepamos no existe una restricción fisiológica para la respiración. Durante la serie anual de la ría, la PNC más negativa fue -5.67±0.41mmolO2m-3d-1, mientras que la RC más alta fue 13.32±0.47mmolO2m-3d-1, resultados que coincidieron con máximos subsuperficiales de Chla(>10mg). Creemos que con nuestras medidas hemos contribuido significativamente al conjunto global de datos metabolismo planctónico, no sólo cuantitativamente, sino también en términos de escala, coherencia interna y calidad metodológica. El conjunto de datos AMT11-22 muestran diferencias sistemáticas en el metabolismo del giro N o NAG ( heterotrófico) y el giro S o SATL (balance metabólico, ligeramente autotrófico). Y así no existiría una única relación PP/RC en el bioma de océano oligotrófico, y muestra que este no es ni auto- ni heterótrofo, sino funcionalmente diverso. También la respiración, y no solo la producción primaria (que sin embargo es más variable), es determinante para las estimaciones regionales del estado metabólico. La heterotrofia neta general observada en el NAG (pero no en el SATL) implica déficits de carbono y energía que deben compensarse a través de aportes regionales de materia orgánica alóctona. Sin embargo, la prevalencia de PP sobre RC en algunas regiones oligotróficas requiere entradas (sin resolver) de nutrientes inorgánicos. Suponiendo un cociente respiratorio de 0,8 y una capa de mezcla promedio de 50m, el PNC promedio en el NAG -0.07±0.03mmolO2m-3d-1 equivaldría a 1.1±0.4molCm2año-1; y no significativamente diferente del déficit de carbono orgánico disuelto de 0.7molCm-2año-1 estimado por algunos autores. El fitoplancton está limitado principalmente por el nitrógeno orgánico/inorgánico; aunque la concentración de fósforo biodisponible en la capa eufótica del NAG es especialmente baja y limita la PP. Se estima que al giro N entran externamente grandes cantidades de fósforo orgánico disuelto, y que este es utilizado directamente por el fitoplancton, o bien reciclado por las bacterias heterótrofas. Los modelos lineales generales TO14CP:PNC y PPB:PNC de la Ría de Vigo realmente son la composición de dos relaciones distintas: una representando al invierno y primavera, cuando la RC integrada covarió con Chla y PPB; y la otra relación representando al verano, altamente variable y con una conexión funcional baja entre PPB y RC. Las condiciones estivales de la Ría de Vigo favorecieron la acumulación de materia orgánica en profundidad ( recientemente producida en superficie), lo cual incrementó la heterotrofia neta en la columna de agua. Esto causó umbrales más altos de PP para la heterotrofia neta durante el verano (PPB 106mmolO2m-2d-1 y TO14CP 61mmolCm-2d-1), y umbrales más bajos durante el invierno y la primavera (20 mmolO2m-2d-1 y 6.4 mmolCm-2d-1). Por tanto existió una dependencia temporal-estacional de la relación PPB:RC en línea con la inadecuación de los modelos del giro N o S (dependencia regional) para predecir el PNC en el giro S o N, respectivamente. Aunque estos sesgos estacionales tendrían un impacto menor, debido a la prevalencia general de autotrofia en la Ría de Vigo a lo largo del año. Estos sesgos geográficos y estacionales implican que los modelos generales de PP:PNC (ej. anuales), e incluso modelos más específicos (ej. bioma oligotrófico), no pueden predecir PNC con precisión. Así, la heterogeneidad de la respiración microbiana en el océano oligotrófico es importante para la variabilidad y predicción de la producción neta de la comunidad, y el balance general en el océano oligotrófico representa en realidad el promedio de diferentes estados metabólicos. Del mismo modo, la variabilidad estacional de la respiración en la ría es importante para los balances anuales y la predicción de PNC. Nuestro análisis en la ría ha mostrado que el grado de heterotrofia no se relaciona (de forma sistemática) con el tamaño celular del fitoplancton; especialmente cuando la prevalencia de células pequeñas ocurre en ambientes poco iluminados, ricos en nutrientes y turbulentos, y no en sistemas estratificados donde la remineralización de nutrientes es esencial. Tanto las relaciones PPB/RC y RC/Chla como PP:NCP y Chla:RC en la ría fueron similares en invierno y primavera (con ca. 25% y 70% Chla>20μm) y diferentes en verano (> 70% Chla> 20μm). Además, tras analizar la variabilidad de PPB:RC vs %Chla>20mm:Chlatotal y compararla con datos similares en Arbones et al. 2008, pensamos que existe un componente independiente del tamaño que determina la estacionalidad de PNC. Nuestras relaciones sistema-dependientes fueron comparadas con dos relaciones PO14CP:PNC publicadas y representativas de ecosistemas oligotróficos (modelos AMT6 y AMT11, en Serret et al. 2009). Esperaríamos que la relación PO14CP:PNC de invierno-primavera en la Ría de Vigo, con una heterotrofia mantenida localmente, fuera comparable al modelo latitudinal AMT11; mientras que la relación estival de PO14CP:PNC para la ría, con fases de acumulación de materia orgánica alternadas con períodos de mayor heterotrofia, se parecería a un sistema oligotrófico subsidiado temporalmente, y por tanto podría ser comparada al modelo latitudinal AMT6. Estas dos predicciones se cumplen, con un notable acuerdo. Por un lado, PNCint=212.01*(PO14CPint)0.15-300, R2=0.85, n=15, p<0.001 (AMT11) y PNCint=, 212.53*(TO14CPint)*0.14-300, R2=0,82, n=6, p<0,001 (Ría de Vigo, invierno y primavera); y por otro lado: PNCint=49.53*PO14CP0.48-300,R2=0.61, n=21, p<0.001 (AMT6), PNCint= 28.19* PO14CP0.55- 300, R2= 0.95, n= 9, p <0,001 (Ría de Vigo, verano). La relación PO14CP:PNC para la AMT22, que incluye datos del giro N y S, se corresponde más con el modelo AMT11. PNCint=203.63* (PO14CPint)0.14-300 (R2=0.58, n= 37, p <0,001 (AMT22). El bloom de Trichodesmium afectó al equilibrio metabólico general del NAG y se reflejó en la relación inusual 1:1 entre GPPZ y DCRZ esta región. Capítulo 8. Conclusiones Ría de Vigo Los valores más altos de Chla y PP se midieron tras los episodios de afloramiento estival y durante el bloom primaveral (>70%Chla>20mm en ambos períodos). Se observaron tasas bajas de Chla y PP durante la estratificación estival y en invierno, con porcentages de Chla>20µm 65% y 25%. El acoplamiento entre PP y Chla cambió estacionalmente por la variabilidad de las condiciones ambientales en lugar de por cambios en el tamaño del fitoplancton. Los cocientes fotosintéticos (CF) fueron ≥1.3 en invierno y verano, lo cual apunta a una PP nueva basada en NO3-. La acumulación de nitrato intracelular explicaría el predominio estival del fitoplancton grande. El CF primaveral fue 1.14, quizá debido a entradas de nitrógeno reducido(NH4+) por escorrentía continental. RC se relacionó mejor con Chla que con PP. Excepto a 20 m prof., se observó autotrofía neta durante la mayor parte del año. Las relaciones TO14CP:PNC y PPB:PNC en invierno y primavera fueron diferentes a las mismas relaciones en verano. La relación RC/PPB fue inversamente proporcional al tamaño del fitoplancton (%Chla> 20mm) durante el verano. Sin embargo, RC/PPB, RC/Chla, PP:PNC y Chla:RC fueron similares en invierno (25%Chla>20µm) y primavera (>70%Chla> 20µm), y diferentes en verano (> 70%Chla>20µm). Esto sugiere una estacionalidad trófica y un grado de heterotrofía no sistemáticamente relacionado con el tamaño del fitoplancton(en las escalas de nuestro estudio). AMT11-22 La heterotrofía neta prevaleció en el NAG, mientras que una autotrofía equilibrada o neta prevaleció en el SATL. PPB fue más baja en el NAG que en el SATL, pero RC fue menor en el SATL que en el NAG. Ni la relación PPB:RC en NAG ni en SATL son capaces de predecir correctamente el equilibrio metabólico en el otro giro oligotrófico solo a partir de PP(PPB). AMT22 En el NAG, la isolínea con déficit de nitrato 0 coincidió con la nitraclina, aunque se ubicó muy por encima de la fosfoclina; observación consistente con la hipótesis de fijación de N2 y el déficit de fosfato en el NAG. El máximo profundo de Chla se ubicó entre el 1 y el 0.1% I0 en el SATL y en el 1% I0 en otras regiones. NCPint y NCPZ promedio indicaron autotrofía en el SATL, coherente con las observaciones en la base de datos AMT11-22. El metabolismo equilibrado en el NAG durante la AMT22 difiere de la prevalencia general de heterotrofia observado durante AMT11-22. Un afloramiento de Trichodesmium contribuyó de forma clave a que PNC»0 en el NAG. El análisis de las tasas ponderadas indica que el balance metabólico en el NAG durante la AMT22 se relacionó con tasas de RC más bajas de lo normal, en lugar de con un aumento de la PPB. Discusión general Los análisis espacio-temporales de metabolismo en la ría, y AMTs indican que RC es relevante para los balances metabólicos y apunta a la dependencia del sistema de las relaciones PP:RC. Los sesgos geográficos-estacionales resultantes implican que los modelos globales-anuales generalizados son insuficientes para predecir PNC a escalas de relevancia para el estado metabólico. Las sustituciones espacio-tiempo indican que PNC se puede predecir a partir de PP, pero solo cuando el funcionamiento trófico en el ecosistema en el que se pretende predecir PNC es similar al de los ecosistemas cuyos datos generaron el modelo.