Control of the structure of marine picoplankton communities by turbulence and nutrient supply dynamics

Resumen

1.- Introducción El fitoplancton es responsable de aproximadamente el 90% de la producción primaria que tie-ne lugar en el océano, que representa casi la mitad de la producción primaria de la biosfera, y por lo tanto desempeña un papel clave en el intercambio de dióxido de carbono y otros gases radiativamente activos entre el océano y la atmósfera (Field et al. 1998; Falkowski 2012). Aunque la mayor parte de la producción primaria marina se recicla rapidamente dentro de la capa del océano iluminada por el sol, una fracción de esta producción primaria se hunde en las profundidades oceánicas. Esta exportación de materia orgánica hacia las capas profundas crea un déficit de carbono inorgánico en la parte superior del océano que se compensa por la entra-da de CO2 desde la atmósfera, dando lugar al proceso conocido como bomba biológica (Volk and Hoffert 2013; Sarmiento and Gruber 2013). El nitrogeno es el principal nutriente limitante en la mayor parte de las regiones tropicales y subtropicales del océano abierto, así como en mares templados y polares durante períodos de estratificación estacional (Moore et al. 2013). Dado que una parte de la producción biológica en la capa fótica se exporta cara el oceano profundo (exportación), el mantenimiento de la producción biológica dependara de la entrada de nutrientes al sistema (producción nueva). Los mecanismos que contribuyen a la nueva producción incluyen la fijación biológica del nitró-geno, la deposición atmosférica (Paerl 1997; Paerl et al. 2002; Marañón 2010; Martínez-García et al. 2010) y el transporte vertical y horizontal difusivo y advectivo de formas orgánicas e inorgánicas de nitrógeno. El cálculo del transporte difusivo vertical requiere de la estimación de la difusividad (Kz). Las dificultades metodológicas en la obtención de estimas de Kz motivaron la utiliza-ción de valores constantes de Kz (Capone et al. 2005), y parametrizaciones empíricas de difu-sividad vertical (Planas et al. 1999). Sin embargo, la comercialización de los perfiladores de turbulencia de microestructura ha facilitado la obtención de observaciones de turbulencia de microstructura, que revelaron una importante variabilidad de Kz en la capa superior del océano (Hibiya et al. 2007; Mouriño-Carballido et al. 2011, 2016; Jurado et al. 2012; Cuypers et al. 2012; Fernández-Castro et al. 2014; Villamaña et al. 2017; Bendtsen and Richardson 2018). Alternativamente se ha utilizado la concentración de nutrientes inorgánicos disueltos en la capa fótica como un estimador de la disponibilidad de nutrientes para las comunidades planc-tonicas (Agawin et al. 2000; Flombaum et al. 2013). Sin embargo, en condiciones de estado estacionario, como los giros subtropicales, donde el suministro de nutrientes por difusión hacia la zona eufótica es lento puede no existir relación entre la concentración de nutrientes en la capa fótica y su suministro (Mouriño-Carballido et al. 2016). El picoplancton hace referencia a la fracción del plancton menor de 2 µm y está constituido por Synechococcus (Waterbury et al. 1979), picoeukaryotes (Johnson and Sieburth 1982), Pro-chlorococcus (Chisholm et al. 1988) y bacterias heterótrofas. Estas últimas se pueden dividir entre bacterias con alto (HNA) o bajo (LNA) contenido en acidos nucleicos (Gasol and Del Giorgio 2000). Generalmente el picoplancton fotosintético domina la biomasa y la producción primaria en regiones oligotróficas tropicales y subtropicales (Chisholm 1992), mientras que su contribución es menor en regiones costeras ricas en nutrientes (Finkel et al. 2010; Marañón et al. 2015). Prochlorococcus tiende a restringirse a aguas relativamente cálidas y pobres en nutrien-tes, a lo largo de la banda latitudinal 40N-40S (Partensky et al. 1999; Johnson et al. 2006). Synechococcus exhibe una distribución geográfica más amplia, incluyendo aguas ricas en nu-trientes y ocasionalmente alcanzando latitudes polares (Paulsen et al. 2016). La contribución de los picoeucariotas a la biomasa de picoplancton es generalmente menor que la contribución de las cianobacterias (Zubkov et al. 2000; Buitenhuis et al. 2012) excepto en las regiones cos-teras donde su contribución suele aumentar (Grob et al. 2007). En general, los procariotas de bajo contenido en ácidos nucleicos (LNA) dominan la biomasa procariótica heterótrofa en el océano abierto oligotrófico, mientras que los de alto contenido (HNA) dominan en las regio-nes costeras (Li et al. 1995; Bouvier et al. 2007). Las diferentes distribuciones espaciales de estos subgrupos sugieren que estos ocupan diferentes nichos ecológicos. Sin embargo, a pesar de décadas de observaciones, por el momento se desconoce la importancia relativa de los fac-tores que controlan su crecimiento y distribución espacial. En los ecosistemas marinos, una fuente importante de heterogeneidad ambiental radica en la fluctuación temporal del suministros de nutrientes, que controla la diversidad de la co-munidad de fitoplancton (Sommer 1989; Fawcett et al. 2011; Smeti et al. 2016). En condicio-nes de estado estacionario, el nivel mínimo de un recurso que puede sostener una población determina la competencia. Estudios experimentales y modelos numéricos de competición apo-yan esta base teórica para el fitoplancton de gran tamaño (Tilman 1977, 1982; Sommer 1986; Stolte and Riegman 1995; Takeya et al. 2004; Tozzi et al. 2004; Cermeño et al. 2011; Winkler et al. 2017). Mientras que numerosos estudios han investigado el efecto de la dinámica del suministro de nutrientes sobre la competencia interespecífica de especies de fitoplancton de gran tamaño, su efecto sobre los grupos que componen el picofitoplancton ha recibido mucha menos atención (Mouriño-Carballido et al. 2016; Villamaña et al. 2019b). Hipótesis y objetivos: La hipótesis principal de esta tesis es que la dinámica del suministro de nutrientes controla la composición de las comunidades de picoplancton marino. Para verificar esta hipótesis, se plantean los siguientes objetivos específicos: 1. Cuantificar el papel de la temperatura, la luz y el suministro de nitrato en la dis-tribución de los subgrupos de picoplancton autotrófico y heterótrofo. 2. Describir los nichos ecológicos de los diferentes subgrupos de la comunidad del picoplancton. 3. Explorar el efecto de la dinámica de suministro de nitrato en la dinámica com-petitiva de dos especies de picofitoplancton marino: la cianobacteria Synechoccocus sp. y el picoeucariota Micromonas pusilla. 4. Construir un modelo predictivo y obtener la primera climatología del transporte difusivo de nitrato hacia la zona eufótica. 5. Predecir el cambio en la estructura de las comunidades de picoplancton (la rela-ción entre cianobacterias y picoeucariotas) en un escenario futuro de cambio global. Para lograr estos objetivos, utilizaré un enfoque multidisciplinar, combinando observa-ciones de campo realizadas durante 17 campañas oceanográficos realizadas en los océanos Atlántico, Pacífico e Índico tropicales y subtropicales, el Mar Mediterráneo Noroccidental, el ecosistema de afloramiento costero gallego y la Peninsula Antártica con experimentos de labo-ratorio y modelado ecológico de interacciones competitivas. La tesis está estructurada de la siguiente manera. En el Capítulo II se evalúan los princi-pales factores físicos que controlan la estructura de la comunidad de picoplancton en distintos ambientes marinos. En el Capítulo III se evalúa la dinámica competitiva de Synechococcus y un picoeucariota modelo (Micromonas pusilla) utilizando experimentos de competición por nitrato en biorreactores, experimentos de captación y modelos fisilogico del plancton. En el Capítulo IV se presentan datos aproximados del suministro de nitratos a nivel mundial y re-gional. Asimismo, se infieren estimaciones mundiales de las distribuciones oceánicas actuales y futuras de los subgrupos de picoplancton, basadas en los modelos de regresión presentados en el Capítulo II. Por último, en el Capítulo V se presentan las principales conclusiones de esta tesis. 2.- Factores que controlan la estructura de la comunidad del picoplancton en distintos ambientes marinos Aparte del efecto del control trófico, la distribución del plancton microbiano está primaria-mente determinada por la temperatura del agua de mar, la luz y los nutrientes (Li 2002, 2009; Barton et al. 2015). Cuantificar su influencia relativa en la distribución espacial y temporal de los diferentes grupos de picoplancton es complicado por el hecho de que dichos factores están a menudo correlacionados en el océano (Finkel et al. 2010). Por otro lado, tradicionalmente el efecto de los nutrientes inorgánicos sobre el plancton ha sido medido sobre las concentracio-nes y no sobre las estimaciones del suministro de nutrientes (Agawin et al. 2000; Flombaum et al. 2013). En este capitulo, se han combinado datos hidrográficos, de mezcla turbulenta, de concentración de nutrientes y de composición de la comunidad de picoplancton con el objeti-vo de (i) cuantificar el papel de la temperatura, la luz y el flujo de nitrato sobre la distribución de los grupos de picoplancton autotróficos y heterótrofos, determinados por citometría de flujo, y (ii) describir los nichos ecológicos de los diversos componentes de la comunidad de picoplancton. Se han recogido datos en 97 estaciones en el Océano Atlántico, incluyendo aguas tropicales y subtropicales en mar abierto, el noroeste del Mediterráneo y el sistema ga-llego de afloramiento costero del noroeste de la Península Ibérica. Se han utilizado modelos aditivo generalizado (Wood 2017) para predecir la biomasa integrada en profundidad de cada subgrupo de picoplancton sobre la base de tres predictores de nicho: temperatura superficial del mar, irradiancia superficial media diaria y el transporte de nitrato hacia la zona eufótica, tanto por difusión como por advección. Además, la superposición de nichos entre diferentes subgrupos de picoplancton se calculó utilizando funciones no paramétricas de densidad del núcleo (Mouillot et al. 2005). La temperatura y el suministro de nitrato fueron más relevantes que la luz en la predicción de la biomasa de la mayoría de los subgrupos de picoplancton, ex-cepto en el caso de Prochlorococcus y procariotas de bajo contenido en ácido nucleico (LNA), para los cuales la irradiancia también jugó un papel significativo. Por otro lado, el suministro de nitrato fue el único factor que permitió la distinción entre los nichos ecológicos de todos los subgrupos de picoplancton autotrófico y heterótrofo. Tanto Prochlorococcus como los proca-riotas de LNA fueron más abundantes en aguas cálidas (>20 ºC), caracterizadas por los flujos bajos de nitrato; mientras que Synechococcus y los procariotas de alto contenido en ácido nucleico (HNA) prevalecieron principalmente en ambientes más fríos caracterizados por nive-les intermedios o altos de suministro de nitratos. Finalmente, el nicho de los picoeucariotas se definió por las bajas temperaturas y un elevado suministro de nitrato. Estos resultados apoyan el papel clave del suministro de nitrato, ya que no sólo promueve el crecimiento del fitoplanc-ton a gran escala, sino que también determina la estructura de las comunidades de picoplanc-ton marino. 3.- Dinamica competitiva entre la cianobacteria Synechococcus y el picoeuca-riota Micromonas pusilla bajo una dinámica variable de suministro de nutrientes El picoplancton fotosintético (<2 μm de diámetro esférico equivalente), también conocido como picofitoplancton, domina la biomasa autotrófica y la producción primaria en grandes regiones del océano tropical y subtropical (Chisholm 1992), sin embargo suelen ser un compo-nente minoritario en regiones con un alto contenido en nutrientes, usualmente dominadas por grupos de mayor tamaño (Finkel et al. 2010; Marañón et al. 2015). Estudios previos sugieren que algunos grupos del picofitoplancton pueden contribuir significativamente a la producción nueva en estas regiones oceánicas (Richardson and Jackson 2007; Lomas and Moran 2011; Guidi et al. 2016). Sin embargo, nuestra comprensión de los mecanismos ecológicos subyacen-tes a los patrones de distribución espacial y temporal de los diferentes grupos de picofitoplanc-ton es muy limitada. De acuerdo con la teoría de la competición por recursos (Gause 1932; MacArthur 1972; Tilman 1980, 1982), la especie con el requisito más bajo para el recurso más limitado será la mejor competidora en un sistema en estado estacionario, es decir, cuando la condición de limitación de recursos se mantiene a lo largo del tiempo. Sin embargo, el resulta-do de la competencia podría cambiar si el sistema se desvía del estado estacionario, que es el escenario más habitual en el océano superficial. Margalef (1978) demostró que el aporte de energía externa a los ecosistemas de plancton determina la sucesión ecológica de dinoflagela-dos, cocolitóforos y diatomeas, reconociendo que estos tres grupos funcionales de fitoplanc-ton distintos responden de manera diferente a los regímenes variables de suministro de nu-trientes. Tanto experimentos de competición por nutrientes (Grover 1991; Cermeño et al. 2011) como modelado teórico (Tozzi et al. 2004) respaldan esta teoría en el plancton de gran tamaño. Con el fin de medir el efecto que tienen los nutrientes en estructura de la comunidad de picofitoplancton; dos cepas de picofitoplancton, la cianobacteria Synechococcus sp. y el picoeucariota Micromonas pusilla, fueron seleccionadas para realizar experimentos de compe-tición por nutriente en fotobiorreactores. Estos experimentos fueron diseñados para simular diferentes escenarios de suministro de nitratos que van desde el suministro continuo hasta el intermitente (0, 0.5, 1, 2, 3 pulsos de nitrato por día). Complementariamente también se reali-zaron experimentos para determinar experimentalmente las tasas de captación de nitrato, el crecimiento y la estequiometría del carbono y nitrógeno de ambas cepas. En el estado estacio-nario, es decir, el suministro continuo, M. pusilla fue superada por Synechococcus sp. Sin em-bargo, el cambio de régimen hacia condiciones de pulsos de nitrato (es decir, no estacionario) o el aumento de las tasas de dilución del cultivo, llevó a la exclusión de Synechococcus sp. La tasa de exclusión competitiva fue una función lineal de la frecuencia de los pulsos de nitrato. Posteriomente, utilizando los parámetros fisiológicos que describen la cinética de captación de nitratos de cada una de las cepas seleccionadas, se llevaron a cabo simulaciones de modelos fisiológicos del proceso competitivo para expandir teóricamente nuestros ensayos experimenta-les a un rango más amplio de condiciones ambientales. Las simulaciones de los modelos fueron consistentes con los resultados experimentales y nos permitieron identificar escenarios de su-ministro de nitratos que promovieron la coexistencia de las especies a lo largo del tiempo. Es-tos resultados demuestran que los regímenes de suministro de nutrientes contribuyen a regular la estructura de las comunidades de picofitoplancton y, presumiblemente, la magnitud de la exportación de C orgánico al océano profundo. 4.- Estimación del suministro vertical de la difusión turbulenta de nitratos en diferentes ambientes marinos La producción primaria en el océano esta sustentada por aportes externos de nutrientes a la capa fótica (la llamada producción nueva, principalmente nitrato) o por nitrógeno reminerali-zado dentro de la capa fótica (producción regenerada) (Dugdale et al. 1967). La eficiencia de la bomba de carbono puede ser medida en términos de f-ratio, definido como el porcentaje de la producción total que es producción nueva (Eppley and Peterson 1979). La difusión turbulenta de nitrato se ha considerado tradicionalmente uno de los principales mecanismos por los que se suministra nitrógeno al fitoplancton que habita en la superficie del océano, especialmente importante en regiones del oceáno que están permanentemente estratifi-cadas, como es el caso de as regiones tropicales y subtropicales (Lipschultz et al. 2002) y zonas templadas durante la estratificación en verano (Rippeth et al. 2005; Bendtsen and Richardson 2018). Cuantificar la difusión de nitrato requiere de medidas de difusividad vertical (Kz) que pueden ser inferidas de observaciones microestructura. Sin embargo, esta aproximación expe-rimental presenta dificultades metodológicas por las cuales se ha limitado nuestro conocimien-to sobre la magnitud y la variabilidad geográfica de este proceso y muchas veces se ha usado una constante para estimarlo (Capone et al. 2005). En este capitulo, se han utilizado un gran conjunto de observaciones de turbulencia de microestructura recogidas en diferentes ambien-tes marinos para construir un modelo de predicción y obtener la primera climatología de la difusión de nitrato en la zona eufótica usando un modelo MFP (multivariable fractional polynomial). El objetivo de este modelo será 1) Hacer la estimación global del suministro de nutrientes por difusión por turbulencia en regiones tropicales y subtropicales, y 2) predecir el cambio de la relación cianobacteria/picoeucariotas en un escenario de cambio global (2100 mantiendo el incremento actual de emisiones). Debido a la alta correlación entre las variables y nuestro interés por usar variables que fuesen fácilmente medibles, se seleccionó el gradiente de nitrato en la nutriclina, la concentración de clorofila superficial y la temperatura supercial como representantes de cada uno de los clusters que formaban los datos. Un modelo que incluía tres predictores (temperatura superficial, gradiente vertical de nitrato y clorofila-a superficial) ex-plica el 57% de la varianza en el flujo difusivo de nitrato. Este modelo se aplicó a los datos climatológicos para predecir la difusión de nitratos en el océano global. La difusión media de nitrato para regiones oligotróficas entre 40ºN-40ºS (~20 Tmol N y-1) fue comparable a la suma de las estimaciones globales de fijación de nitrógeno, flujos fluviales y deposición atmosférica, y por lo tanto representa la principal entrada de nitrógeno nuevo en estas regiones. Finalmente, estimamos que con la disminución del suministro de nitrato debido al cambio global, la pro-porción de cianobacterias a picoeucariotas aumentará un 8% en un océano futuro, provocando implicaciones importantes, dada la contribución de las células más pequeñas a la bomba de carbono biológica. Conclusiones 1. La temperatura y el suministro de nitrato fueron más relevantes que la luz para predecir la biomasa integrada en la capa fótica de la mayoría de los subgrupos de picoplancton, excep-to en el caso del Prochlorococcus y los procariotas de bajo ácido nucleico (LNA), para los cuales la irradiancia también jugó un papel significativo. 2. El suministro de nitrato fue el único factor que permitió la distinción entre los nichos ecoló-gicos de todos los subgrupos de picoplancton autotrófico y heterótrofo. 3. Prochlorococcus y los procariotas LNA fueron más abundantes en aguas cálidas donde el suministro de nitrato era bajo, Synechococcus y las bacterias de alto contenido en ácido nu-cleico (HNA) prevalecieron en ambientes más fríos caracterizados por niveles intermedios o altos de suministro de nitrato y, finalmente, el nicho de los picoeucariotas se definió por ba-jas temperaturas y elevado suministro de nitrato. 4. La dinámica de suministro de nitrato controló el resultado de la competencia entre la ciano-bacteria Synechococcus y el picoeucariota Micromonas pusilla. 5. En condiciones de limitación por nitrato Synechococcus superó a Micromonas pusilla, revir-tiéndose el resultado de la competición en condiciones de pulsos de nitrato. 6. La tasa de exclusión competitiva de Synechoccocus fue una función lineal de la frecuencia de pulsos de nitrato, lo que demuestra la existencia de una ventana de oportunidad para la coexistencia de ambas especies. 7. Un modelo que incluyó tres predictores (temperatura superficial, gradiente vertical de nitra-to y clorofila-a) explicó el 57% de la varianza en el flujo difusivo de nitrato. 8. El promedio de la difusión de nitrato para regiones oligotróficas entre 40ºN-40ºS (~20 Tmol N y-1) fue comparable a la suma de las estimaciones globales de fijación de nitrógeno, transporte fluvial y deposición atmosférica. 9. La disminución prevista del suministro de nitrato en las zonas tropicales y subtropicales como resultado del cambio global (~20%), produciría un aumento en el ratio de la biomasa de cianobacterias y picoeucariotas del 8%.