CO2 and UVR on marine microbial plankton assemblages : interactive effects on phytoplankton and bacterioplankton metabolism

Abstract

INTRODUCCIÓN:

La radiación ultravioleta solar 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, por lo que por ejemplo, la UVB tiene ya suficiente energía como para destruir enlaces químicos de moléculas biológicas, resultando altamente dañina. Por otro lado, la radiación UVC emitida por el sol es absorbida por el oxígeno molecular (O2) y el ozono (O3) presentes en la estratosfera (10-45 km sobre la superficie terrestre). El primero retiene principalmente la radiación UVC, mientras que el último es particularmente importante absorbiendo la radiación UVB. El efecto de la radiación UV sobre el fitoplancton marino es uno de los principales temas de interés a nivel ecológico y fisiológico debido a que el fitoplancton contribuye potencialmente al ciclo global del carbono, y a que como fotoautótrofos utilizan la energía de la luz para convertir el carbono inorgánico en compuestos orgánicos. De la radiación UV que alcanza la superficie terrestre, la radiación UVB es dañina independientemente del aumento observado con la disminución del espesor de la capa de ozono estratosférico. La degradación de la capa de ozono es especialmente dramática en las regiones polares debido principalmente a las bajas temperaturas e intensidades solares. Sin embargo, ésta no sólo afecta a las regiones polares sino que también ha sido detectada en latitudes medias (Hough y Derwent 1990). El grosor de la capa de ozono sobre Europa ha descendido significativamente desde el comienzo de 1980, con una tendencia del 5% por década (medidas del mes de Marzo correspondientes a los mínimos valores) (PNUMA 2010). A pesar de que la producción y venta de sustancias destructoras del ozono ha disminuido significativamente desde el veto del protocolo de Montreal, existen grandes incertidumbres sobre el tiempo que conllevará su recuperación y la manera en la que el cambio climático pudiera afectarle (Weatherhead and Andersen 2006). Por otro lado, la radiación UVA solar, debido principalmente a que presenta una irradiancia muy superior a la UVB, también es responsable de procesos inhibitorios, siendo incluso más perjudicial que la radiación UVB en el medio natural (Cullen et al. 1992; Helbling et al. 2001). Sin embargo, a diferencia de esta última, la radiación UVA desarrolla un papel especialmente importante activando numerosos procesos de reparación que contrarrestan los efectos negativos producidos por la radiación UVB (Quesada et al. 1995; Quesada y Vincent 1997). La cantidad de radiación UV incidente varía dependiendo de numerosos factores como la cantidad de nubes, los aerosoles, la polución y el albedo de la superficie terrestre, y su transmisión en el medio acuático es afectada por variaciones en los compuestos orgánicos disueltos y las partículas en suspensión. Además el cambio global afecta la penetración de radiación UVB y UVA en aguas superficiales mediante cambios en la concentración de ozono estratosférico, la cubierta de nubes y cambios en la materia orgánica disuelta coloreada (CDOM) (revisión en Zepp et al. 2007). La radiación UV repercute sobre el intercambio físico-químico de CO2 entre la atmósfera y el océano así como sobre la actividad biológica de los organismos del plancton, afectando significativamente los ciclos biogeoquímicos. Se ha demostrado que la exposición a radiación UV disminuye la producción primaria en muchos océanos, lagos y estuarios (Banaszak and Neale 2001; Neale et al. 2009; Sobrino et al. 2009). Se ha descrito que esta disminución puede ser de hasta un 30% (gC m-2 d-1) y varía dependiendo de la sensibilidad del fitoplancton a la radiación UV, entre otros factores. Sin embargo, sorprendentemente, existen pocas medidas de producción primaria que incluyen el espectro completo de radiación ya que la mayoría utilizan materiales opacos a la radiación UV (i.e. vidrio, poliestireno, policarbonato). Además entre los estudios que cuantifican el efecto de la radiación UV sobre la producción primaria, el número de los que analizan el efecto en aguas oceánicas es escaso y la mayoría se ciñen a estudios puntuales circunscritos principalmente a aguas costeras, principalmente polares, o a estudios en laboratorio con espectros artificiales. En estos últimos, la interacción con factores medioambientales potencialmente efectivos sobre la respuesta del fitoplancton a la radiación UV, tales como la mezcla vertical o la aclimatación a la historia de luz previa, queda totalmente eliminada. Por otro lado, la estructura de tamaños y la composición taxonómica, son claves determinantes del papel ecológico y biogeoquímico del fitoplancton, y ambos pueden ser alterados por la radiación UV y los procesos presentes y futuros de cambio global.

HIPÓTESIS Y OBJETIVOS:

La hipótesis que se plantea para este estudio es que la radiación UV produce un descenso significativo de la producción primaria en aguas superficiales que se extiende por la columna de agua dependiendo del grado de fotoinhibición en superficie, la profundidad de la capa de mezcla y la velocidad de mezcla. La fotoinhibición en superficie estará delimitada por el estado nutricional del fitoplancton su capacidad e historial de fotoaclimatación y su capacidad de fotoprotección y reparación celular. También se espera que el fitoplancton de aguas oceánicas pobres en nutrientes y muy estratificadas sea más sensible a la radiación UV que el fitoplancton costero, normalmente expuesto a una mayor mezcla vertical y aporte de nutrientes.

Para el presente proyecto se propone como objetivo general testar el efecto de la radiación UV solar sobre la producción primaria y estado fisiológico de diferentes comunidades fitoplanctónicas naturales, incluyendo comunidades oceánicas.

Entre los objetivos específicos se incluyen: 1. Estimar los parámetros fotosintéticos del fitoplancton a partir de curvas fotosíntesis irradiancia en presencia y ausencia de radiación UV a partir de incubaciones in situ e incubaciones en cubierta con trazadores radiactivos. 2. Analizar la contribución de diferentes clases de tamaño de fitoplancton (20, 2 y 0.2 ?m) a la inhibición de la producción primaria. 3. Obtener perfiles verticales de eficiencia fotosintética (?PSII) en la columna de agua a partir de medidas realizadas con un Fast Repetition Rate Fluorometer (FRRF), que permitan validar los resultados obtenidos a partir de las incubaciones estáticas. 4. Determinar la contribución de los factores medioambientales potencialmente efectivos sobre la respuesta del fitoplancton a la radiación UV. Concretamente se incidirá en el efecto de la mezcla vertical, la historia previa de luz, la concentración de nutrientes del medio, la presencia y ausencia de moléculas fotoprotectoras y la composición taxonómica. Este último objetivo se llevará a cabo en colaboración con otros investigadores especialistas en las diferentes áreas de estudio.

PLAN DE TRABAJO:

Los objetivos propuestos se alcanzarán mediante el desarrollo del siguiente plan de trabajo.

Zona de trabajo:

La fase experimental del presente trabajo se llevará a cabo en aguas del océano Atlántico tropical y subtropical así como en aguas costeras de la Ría de Vigo. Las campañas oceanográficas en las que se realizará este trabajo se enmarcan en los siguientes proyectos vigentes o en fase de revisión en el grupo de investigación financiados por el Plan Nacional de Ciencia y Tecnología o por el plan autonómico de investigación de la Xunta de Galicia:

- Expedición de circunnavegación Malaspina 2010: Cambio Global y exploración de la biodiversidad del océano global (CSD2008-00077).

- Implicaciones ecológicas de la diversidad pigmentaria de las diatomeas de las costas de Galicia (ECODI).

- Response of coastal Ecosystems to allochtonous Inputs of Matter in the context of Anthropogenic Global Environmental change (REIMAGE) (enviado Micinn convocatoria 2011)

Diseño experimental:

Se muestrearán comunidades fitoplanctónicas de la capa superficial de mezcla en diferentes estaciones del Atlántico subtropical y tropical y de aguas costeras de la zona de ría y plataforma de la Ría de Vigo. Estas se expondrán a diferentes irradiancias mediante el uso de filtros neutros, y a radiación fotosintéticamente activa excluyendo la radiación UV (PAR, 400-750 nm) o incluyendo la radiación UV. Las incubaciones se llevarán a cabo en cilindros de plexiglass transparentes a la radiación UV que serán forrados con filtro opaco al UV (Lee 226 UV. 95% de transmitancia (T) a 700 nm y 50% a 400 nm) o con filtro transparente a la radiación UV (Ultraphan 295. 95% de T a 700 nm y 50% a 295 nm). Las muestras se dispensarán en botellas de Teflón de 33 mL transparentes a la radiación UV que se colocarán bien en incubadores en cubierta o en tejado, con condiciones de temperatura similares a las de las profundidades muestreadas, o en incubaciones in situ en la columna de agua. La asimilación de carbono inorgánico y su posterior conversión a carbono orgánico se cuantificará a partir de la adición de un volumen conocido de H14CO3. Las muestras se incubarán durante 2-3 horas y posteriormente se filtrarán a través de filtros de policarbonato de 20, 2 y 0.2 um para caracterizar la respuesta de las diferentes clases de tamaño a la radiación UV. Los filtros se acidificarán durante la noche para eliminar todo el carbono marcado no incorporado y la actividad de las muestras se detectará en un contador de centelleo. Adicionalmente, se muestreará la totalidad de la capa de mezcla con un fluorómetro FRRF con la finalidad de evaluar el impacto real del espectro completo de radiación sobre el funcionamiento de la capa productiva oceánica. Los valores de eficiencia fotosintética obtenidos con el FRRF servirán como medida indirecta de la producción primaria en la columna de agua mezclada.

Entre otras medidas complementarias se realizarán: 1. Medidas de radiación incidente PAR, UVA y UVB y perfiles verticales en la columna de agua mediante un espectroradiómetro hiperespectral Satlantic y sensores Biospherical. 2. Perfiles verticales de temperatura, salinidad y densidad de la columna de agua. 3. Análisis de la absorbancia particulada tanto del material vivo como del material detrítico a partir de muestras recolectadas en filtros GFF y posteriormente extraídas en metanol. 4. Cuantificación de pigmentos fotosintéticos y fotoprotectores, con especial relevancia sobre aquellos implicados en el ciclo protector de las xantofilas (Sobrino et al. 2005) 5. Análisis de sustancias fotoprotectoras “tipo micosporinas” (mycosporine-like aminoacids, MAAs (Figueroa et al. 2003). 6. Análisis de nutrientes (nitrato, fosfato y silicato), carbono inorgánico y orgánico disuelto. 7. Determinación taxonómica de las especies de fitoplancton predominante.

INTRODUCIÓN:

A radiación ultravioleta solar divídese, dependendo da lonxitude de onda, en tres bandas coñecidas como UVA (320-400 nm), UVB (280-320 nm) e UVC (200-280 nm). a radiación é mais enerxética canto menor sexa a lonxitude de onda, polo que por exemplo, a UVB posúe xa suficiente enerxía como para destruír enlaces químicos de moléculas biolóxicas, resultando altamente daniña. Por outra banda, a radiación UVC emitida polo sol é absorbida polo osíxeno molecular (O2) e o ozono (O3) presentes na estratosfera. O primeiro reten principalmente a radiación UVC, mentres que o último é particularmente importante absorbendo a radiación UVB. O efecto da radiación UV sobre o fitoplancto mariño é un dos principais temas de interese a nivel ecolóxico e fisiolóxico debido a que o fitoplancto contribúe potencialmente ao ciclo global do carbono, e a que como fotoautótrofos empregan a enerxía da luz para converter o carbono inorgánico en compostos orgánicos. Da radiación UV que acada a superficie terrestre, a radiación UVB é daniña independentemente do aumento observado coa diminución do grosor da capa de ozono estratosférico. A degradación da capa de ozono é especialmente dramática nas rexións polares por mor principalmente das baixas temperaturas e intensidades solares. Sen embargo, esta non so afecta as rexións polares senón que tamén foi detectada en latitudes medias (Hough e Derwent 1990). O grosor da capa de ozono sobre Europa descendeu significativamente dende comezos do 1980, cunha tendencia do 5% por década (PNUMA 2010). A pesar de que a produción e venta de sustancias destrutoras do ozono diminuíu dende o veto do protocolo de Montreal, existen grandes incertidumes sobre o tempo que conlevará a súa recuperación e o xeito en que o cambio climático puidera afectarlle (Weatherhead e Andersen 2006). Por outro lado, a radiación UVA solar, debido principalmente a que presenta unha irradiancia moi superior a UVB, tamén é responsable de procesos inhibitorios, sendo incluso mais prexudicial que a radiación UVB no medio natural (Cullen et al. 1992; Helbling et al. 2001). Sen embargo, a diferenza desta última, a radiación UVA desenrola un papel especialmente importante activando numerosos procesos de reparación que contrarrestan os efectos negativos producidos pola radiación UVB (Quesada et al. 1995; Quesada e Vincent 1997). A cantidade de radiación UV incidente varía dependendo de numerosos factores como a cantidade de nubes, os aerosois, a polución e o albedo da superficie terrestre, e a súa transmisión no medio acuático é afectada por variacións nos compostos orgánicos disoltos e as partículas en suspensión. Ademais o cambio global afecta a penetración da radiación UVB e UVA en augas superficiais mediante cambios na concentración de ozono estratosférico, a cuberta de nubes e cambios na materia orgánica disolta coloreada (CDOM) (revisión en Zepp et al. 2007). A radiación UV repercute sobre o intercambio físico-químico do CO2 entre a atmosfera e o océano así como na actividade biolóxica dos organismos do plancto, afectando significativamente aos ciclos bioxeoquímicos. Demostrouse que a exposición a radiación UV diminúe a produción primaria en moitos océanos, lagos e estuarios (Banaszak e Neale 2001; Neale et al. 2009; Sobrino et al. 2009). Describiuse que esta diminución pode ser de ata un 30% (gC m-2 d-1) e varia dependendo da sensibilidade do fitoplancto a radiación UV, entre outros factores. Sen embargo, sorprendentemente, existen poucas medidas de produción primaria que teñan en conta o espectro completo da radiación xa que a maioría empregan materiais opacos a radiación UV (i.e. vidro, polistireno, policarbonato). Ademais entre os estudos que cuantifican o efecto da radiación UV sobre a produción primaria, o número dos que analizan o efecto en augas oceánicas é escaso e a maioría ciñense a estudos puntuais circunscritos principalmente a augas costeiras, principalmente polares, ou a estudos de laboratorio con espectros artificiais. Nestes últimos, a iteración con factores medioambientais potencialmente efectivos sobre a resposta do fitoplancto a radiación UV, tales como a mestura vertical ou a aclimatación a historia de luz previa, queda totalmente eliminada. Por outra banda, a estrutura de tamaños e a composición taxonómica, son claves para determinantes no papel ecolóxico e bioxeoquímico do fitoplancto, e ámbolos dous poden ser alterados pola radiación UV e os procesos presentes e futuros de cambio global.

HIPÓTESES E OBXECTIVOS:

A hipótese que se plantexa para este estudo é que a radiación UV produce un descenso significativo da produción primaria en augas superficiais que se estende pola columna de auga dependendo do grao de fotoinhibición en superficie, a profundidade da capa de mestura e a velocidade de mestura. A fotoinhibición en superficie estará delimitada polo estado nutricional do fitoplancto, súa capacidade e historial de fotoaclimatación e a súa capacidade de fotoprotección e reparación celular. Tamén se espera que o fitoplancto de augas oceánicas pobres en nutrientes e moi estratificadas sexa mais sensible a radiación UV que o fitoplancto costeiro, normalmente exposto a unha maior mestura vertical e aporte de nutrientes. Para o presente proxecto proponse como obxectivo xeral testar o efecto da radiación UV solar sobre a produción primaria e estado fisiolóxico de diferentes comunidades fitoplanctonicas naturais, incluíndo comunidades oceánicas.

Entre os obxectivos específicos inclúense: 1. Estimar os parámetros fotosintéticos do fitoplancto a partires de curvas fotosíntese irradiancia en presenza e ausencia de radiación UV a partir de incubacións in situ e incubacións en cuberta con trazadores radiactivos. 2. Analizar a contribución de diferentes clases de tamaño de fitoplancto (20, 2 y 0.2 um) a inhibición da produción primaria. 3. Obter perfís verticais de eficiencia fotosintética (OPSII) na columna de auga a partir de medidas realizadas con un Fast Repetition Rate Fluorometer (FRRF), que permitan validar os resultados obtidos coas incubacións estáticas. 4. Determinar a contribución dos factores medioambientais potencialmente efectivos sobre a resposta do fitoplancto a radiación UV. Concretamente incidirase no efecto da mestura vertical, a historia previa de luz e ausencia de moléculas fotoprotectoras e a composición taxonómica. Este derradeiro obxectivo levarase a cabo en colaboración con outros investigadores especialistas nas diferentes áreas de estudos.

PLAN DE TRABALLO:

Os obxectivos propostos alcanzaranse mediante o desenrolo do seguinte plan de traballo.

Zona de traballo:

A fase experimental do presente traballo levarase a cabo en augas do océano Atlántico tropical e subtropical, así como en augas costeiras da Ría de Vigo. As campañas oceanográficas nas que se realizará este traballo enmárcanse nos seguintes proxectos vixentes ou en fase de revisión no grupo de investigación financiados polo Plan Nacional de Ciencia y Tecnología ou polo plan autonómico de investigación da Xunta de Galicia:

- Expedición de circunnavegación Malaspina 2010: Cambio Global y exploración de la biodiversidad del océano global (CSD2008-00077).

- Implicaciones ecológicas de la diversidad pigmentaria de las diatomeas de las costas de Galicia (ECODI).

- Response of coastal Ecosystems to allochtonous Inputs of Matter in the context of Anthropogenic Global Environmental change (REIMAGE) (enviado Micinn convocatoria 2011)

Deseño experimental:

Realizaranse mostraxes de comunidades fitoplanctonicas da capa superficial de mestura en diferentes estacións do Atlántico subtropical e tropical e de augas costeiras da zona da Ría de Vigo. Estas comunidades exporanse a diferentes irradiancias mediante o emprego de filtros neutros, e a radiación fotosintéticamente activa excluíndo a radiación UV (PAR 400-750 nm) ou incluíndo a radiación UV. As incubacións levaranse a cabo en cilindros de plexiglás transparentes a radiación UV que serán forrados con filtro opaco a UV (Lee 226 UV. 95% de transmitancia (T) a 700 nm e 50% a 400 nm) ou con filtro transparente a radiación UV (Ultraphan 295. 95% de T a 700 nm e 50% a 295 nm). As mostras dispensaranse en botellas de Teflón de 33 mL transparentes a radiación UV e serán colocadas en incubadores ben en cuberta ou en tellado, con condicións de temperatura similares a das profundidades mostrexadas, ou en incubacións in situ na columna de auga. A asimilación do carbono inorgánico e a súa posterior conversión a carbono orgánico cuantificarase a partir da adición dun volume coñecido de H14CO3. As mostras incubaranse durante 2-3 horas e posteriormente filtraranse ao través de filtros de policarbonato de 20, 2 e 0.2 um para caracterizar a resposta das diferentes clases de tamaño a radiación UV. Os filtros acidificaranse durante a noite para eliminar todo o carbono marcado non incorporado e a actividade das mostras detectarase nun contador de centelleo. A súa vez, mostrarase a totalidade da capa de mestura con un fluorómetro FRRF coa finalidade de evaluar o impacto real do espectro completo da radiación sobre o funcionamento da capa produtiva oceánica. Os valores de eficiencia fotosintética obtidos co FRRF servirán como medida indirecta da produción primaria na columna de auga.

Entre outras medidas complementarias realizaranse: 1. Medidas de radiación incidente PAR, UVA e UVB e perfís verticais na columna e auga mediante un espectrofotómetro hiperespectral Satlantic e sensores Biospherical. 2. perfís verticais de temperatura, salinidade e densidade da columna de auga. 3. Análise da absorbancia particulada tanto do material vivo como de material detrítico a partir de mostras recollidas en filtros GFF e posteriormente extraídas en metanol. 4. Cuantificación de pigmentos fotosintéticos e fotoprotectores, con especial relevancia sobre aqueles implicados no ciclo protector das xantofilas (Sobrino et al. 2005) 5. Análise de sustancias fotoprotectoras “tipo micosporinas” (mycosporine-like aminoacids, MAAs (Figueroa et al. 2003). 6. Análise de nutrientes (nitrato, fosfato e silicato), carbono inorgánico e orgánico disolto. 7. Determinación taxonómica das especies de fitoplancto predominantes.