articles+ search results

Ecología, Ecology, Estequiometría, Stoichiometry, Plantas, Plants, and Ciències Experimentals

Todo en la tierra es química. Esta afirmación tiene profundas implicaciones para las interacciones ecológicas. Los organismos vivos promueven y controlan flujos de materia y energía entre la atmosfera, hidrosfera y litosfera; modificando la composición química de la tierra de muchas maneras diferentes. La estequiometría ecológica estudia el balance y el papel de múltiples elementos químicos en las interacciones ecológicas y nos ayuda a entender patrones y procesos en la naturaleza. Representa el enlace entre la biogeoquímica y el funcionamiento de los ecosistemas, permitiéndonos describir procesos a todos los niveles de organización biológica, desde estructuras sub-celulares a ecosistemas. En esta Tesis he usado la estequiometría ecológica para describir procesos a nivel de organismo y ecosistema en tres condiciones ambientales terrestres diferentes. La estequiometría de los autótrofos se establece cuando estos usan luz para fijar carbono (C) y simultáneamente asimilan nutrientes. Las plantas son capaces de almacenar nutrientes en la vacuola intracelular y en diferentes órganos, lo que hace que su estequiometría sea muy flexible (baja homeostasis) y se adapten a diferentes ambientes, incluyendo condiciones del suelo limitantes para el desarrollo de las plantas. También, la interacción planta suelo se puede explorar a través de la estequiometría foliar, ya que se ha demostrado en todos los ecosistemas terrestres que el N:P foliar esta correlacionado positivamente con el N:P del suelo, sugiriendo que es un buen indicador de la disponibilidad de nutrientes. Las adaptaciones de las plantas a condiciones limitantes de nutrientes en el suelo son comunes en todos los ecosistemas terrestres, como es la fijación de nitrógeno, la asociación con micorrizas, producción de fosfatasas o la reabsorción de nutrientes desde las hojas senescentes para el reciclado interno de nutrientes. La composición elemental de las especies es afectada por esas interacciones abióticas y bióticas, y el intercambio de elementos químicos entre las especies y el espacio abiótico determinaran la composición elemental de las diferentes partes del ecosistema. En el Capítulo 2 exploramos el efecto biótico de la composición de las comunidades sobre la composición química foliar de distintas especies vegetales, a través del nicho biogeoquímico de cada especie. Encontramos que cada especie presenta su propio nicho biogeoquímico y fueron capaces de reajustar su composición química foliar en respuesta a las diferentes condiciones bióticas. Concluimos que las plantas pueden reajustar su composición elemental foliar cuando crecen en comunidades con diferente composición de plantas, a través del desplazamiento del nicho biogeoquímico, sugiriendo un uso diferencial de los recursos cuando los patrones de coexistencia cambian. En el Capítulo 3 hemos explorado el cambio en la composición química del sistema planta-suelo debido a la expansión de arbustos en los pastizales subalpinos del Pirineo. Esta expansión representa la transición desde pastizales puros a matorrales. Los pastizales son un ecosistema dominado por especies de ciclo de vida corto, rápido intercambio de nutrientes entre los compartimientos planta-suelo, altas concentraciones de nitrógeno (N), fósforo (P) y potasio (K) en el sistema planta-suelo, con alta productividad pero capacidad limitada de acumulación de biomasa. En cambio, los matorrales se caracterizan por ser un ecosistema dominado por especies de ciclo de vida largo, con estrategias más conservativas, con un intercambio de nutrientes más lento (relación de C:nutrientes altos en la biomasa aérea y baja concentración de N y P en el sistema planta-suelo) y mayor almacenamiento de nutrientes en la biomasa aérea de las plantas. La matorralización incrementa la dependencia de la adquisición de nutrientes como el N a través de micorrizas desde los pastizales puros a matorrales. Todos los cambios en el almacenamiento y composición elemental del sistema planta-suelo a lo largo de la sucesión desde pastizales a matorrales sugiere una desaceleración del ciclo biogeoquímico en las áreas montañosas donde la expansión de arbustos está presente. En el Capítulo 4, describimos la distribución de C y los nutrientes más importantes para el desarrollo de las plantas (N, P, K) en el sistema planta-suelo de bosques tropicales maduros en suelos pobres de la Guyana Francesa. También estudiamos el proceso de reabsorción de nutrientes desde las hojas senescentes, un mecanismo de nutrición de las plantas para evitar la perdida de nutrientes poco estudiado en este ecosistema. Nuestros resultados muestran que el P es el elemento más escaso presente en hojas, hojarasca y suelo. Las eficiencias de reabsorción de K y P fueron más altas que la de N y la estacionalidad solo afecto la reabsorción de K. La reabsorción de P fue la única que mostró una correlación, aunque débil, con el P en el suelo (total y disponible). Las relaciones entre la reabsorción de nutrientes y los rasgos funcionales de las especies (tasa de crecimiento, densidad de madera, diámetro a la altura del pecho y el área foliar específica) fueron débiles y variaron dependiendo del nutriente, en tanto que la relación filogenética no explica la variabilidad en las eficiencias de reabsorción de nutrientes de las especies. Nuestros resultados sugieren que la alta reabsorción de K y P desde las hojas senescentes es una estrategia adaptativa de las especies que les permite lidiar con la escasez de estos nutrientes en el suelo. Asimismo, el nivel de inmovilización de los nutrientes en los compuestos foliares (N > P > K) parece determinar significativamente el proceso de reabsorción. Concluimos que la reabsorción de nutrientes desde las hojas senescentes es un proceso clave de las plantas para la conservación de nutrientes en los bosques tropicales de la Guyana Francesa, especialmente para K y P, elementos que presentan una disponibilidad baja en el suelo, y esta depende principalmente del material parental y del proceso de lixiviación. En resumen, en esta Tesis hemos demostrado como la composición elemental del sistema planta-suelo refleja procesos e interacciones ecológicas, como son las interacciones intra e inter específica entre plantas (Capítulo 2), procesos fisiológicos poco estudiados en las plantas como la reabsorción de nutrientes (Capítulo 4) y la importancia de los estudios de estequiometría para describir cambios a nivel de ecosistema y predecir escenarios futuros (Capítulo 3). Estos estudios aportan nuevos conocimientos en el campo de la estequiometría ecológica y resaltan la importancia de este enfoque en los estudios ecológicos.

Metabolòmica, Metabolomics, Stoichiometry, Estequiometria, Canvi climàtic, Climate change, and Ciències Experimentals

La metabolòmica ha permès importants avanços en les ciències biològiques. Un nombre creixent d'estudis ecològics han aplicat un enfoc metabolòmic per respondre a preguntes ecològiques (ecometabolòmica) durant els últims anys. El treball desenvolupat al llarg d'aquesta tesi doctoral significa un pas més en el camp de la ecometabolòmica. En el primer capítol d'aquesta tesi doctoral, hem fet l'adaptació del protocol per dur a terme la metabolòmica en estudis ecològics. En ell es descriuen en detall els procediments per al camp i de laboratori per realitzar anàlisis de metabolòmica mitjançant la Ressonància Magnètica Nuclear (RMN) especroscòpica i cromatografia líquida amb espectrometria de masses (HPLC-MS), juntament amb l'anàlisi de l'estequiometria. Aquesta millora ens ha permès combinar l'estudi d'estequiometria ecològica i metabolòmica en un sol protocol i donar una visió general del que està passant amb els organismes. En el segon i tercer capítols s’ha aplicat el protocol sobre la part aèria i arrels en l’estudi dels efectes de factors relacionats amb el canvi climàtic (sequera, escalfament, els factors de risc). Els resultats confirmen la variació metabolòmica entre la part aèria i les arrels, en les diferents estacions de l’any i en diferents tractaments d'aigua. L'anàlisi ecometabolomic simultània entre la part aèria i les arrels ha proporcionat una visió completa de tota la planta, incloent la resposta dels diferents òrgans als canvis ambientals, la resposta global fenotípica i els mecanismes metabòlics subjacents a aquestes respostes. En el quart capítol es descriu la metabolòmica de fulles d’alzina (Quercus ilex) simulant un atac dels herbívors. El perfils de RMN de les fulles del Quercus ilex canvien després de la ferida. Es va observar, un marcat augment en els metabòlits secundaris rics en carboni, del quercitol i del àcid quínic, que estan relacionats amb la via metabòlica de l'àcid shiquímic. Els resultats també confirmen que l'àcid quínic i el quercitol són presents en gran contingut en el gènere Quercus i estan involucrats en els mecanismes contra factors biòtics. Finalment, el cinquè capítol estudia les relacions entre els microorganismes epífitics i la planta. L’estudi mostra que els microorganismes que viuen a la filosfera de la fulla juguen un paper important, existeixen microorganismes dins dels òrgans de la planta i les relacions que hi ha entre l’estructura i les funcions del metabolisme intern i extern de la planta. Aquests resultats aporten un major coneixement de les relacions específiques entre les plantes i les comunitats microbianes que viuen sobre i dins d'ells.

microanàlisi de raigs-X, estèquiometria, mar mediterrània, biogeoquímica, ecologia marina, and fitoplàncton

Els organismes vius estan composats d'elements químics, principalment C, H, O, N, P i S. L'estudi d'aquests elements essencials és una eina molt útil que permet moure'ns entre diferents nivells d'organització biològica, estudiant relacions entre elements (estequiometria), així com estimant fluxos i balanços de massa entre i des d'orgànuls i cèl·lules fins a conques senceres o tota la biosfera. L'objectiu d'aquesta tesi consisteix en establir les relacions entre aquests elements tant a l'interior com a l'exterior de les cèl·lules del fitoplàncton de la Mar Catalana (Mar Mediterrània Occidental).S'han reunit dades oceanogràfiques de 28 campanyes realitzades a la Mar Catalana entre 1982 i 2003, fent un total de 1361 estacions. Amb aquestes dades s'ha fet un control de qualitat per cada una de les variables (nutrients inorgànics, oxigen dissolt i clorofil·la a). La diferència més important en les metodologies d'anàlisi de nutrients al llarg dels anys és la congelació de mostres. En primer lloc es descriuen els rangs de concentració de nutrients, oxigen dissolt i clorofil·la a a la Mar Catalana obtinguts en aplicar els controls de qualitat. Amb l'excepció del fosfat i l'oxigen dissolt, s'han definir rangs específics per l'hivern, degut a que les concentracions son excepcionalment altes en superfície com a conseqüència de la barreja amb aigües profundes. S'ha calculat la concentració mitjana en les diferents masses d'aigua i s'ha estudiat l'estequiometria entre els nutrients i l'oxigen utilitzat per a la remineralització. A 500 m, on pràcticament tota la matèria orgànica s'ha remineralitzat, l'estequiometria és (-O2) : C : N : P : Si = 190 : 127 : 23 : 1 : 21.S'han trobat diferències significatives al comparar els perfils mitjans de concentració obtinguts després d'aplicar els controls de qualitat, entre les estacions de la plataforma continental (menys de 200 m de fons) i les estacions de mar obert (més de 200 m de fons): fosfat, nitrat + nitrit, silicat i oxigen dissolt són menors a la plataforma, mentre que la clorofil·la a i el nitrit són superiors. També s'han trobat variacions estacionals a la capa superficial (0 - 100 m) i a la capa intermèdia (200 - 600 m). Analitzada la tendència al llarg dels anys (1982 - 2003) s'ha trobat un increment de la concentració de silicat, nitrat + nitrit i nitrit a l'aigua superficial, un increment de nitrat + nitrit, silicat, densitat, oxigen dissolt i disminució de l'AOU a l'aigua intermèdia i un increment de fosfat i nitrat + nitrit a la capa profunda. Per estudiar l'estequiometria dels organismes s'ha modificat la metodologia per microanàlisi de raigs - X en microscopi electrònic de rastreig (SEM - EDS), i s'ha creat un nou suport per a SEM. A mes s'ha portat a terme una intercalibració entre dos microscopis (SEM i STEM - EDS) trobant que els resultats dels anàlisis elementals quantitatius i qualitatius de C i N són comparables. Aplicant aquesta metodologia s'han quantificat els principals elements que constitueixen cèl·lules individuals de fitoplàncton de la Mar Catalana. Els resultats indiquen que les dinoflagel·lades contenen més C, P, S, Na, Cl i K que les diatomees per unitat de volum, mentre que les concentracions de N, O i Mg són equivalents. Com a conseqüència, l'estequiometria C:N:P també és diferent (162:21:1 en dinoflagel·lades i 129:38:1 en diatomees).Finalment al comparar l'estequiometria entre els nutrients a l'aigua i la dels organismes, s'observa que l'estacionalitat en la concentració de nutrients inorgànics, oxigen dissolt i AOU a la capa intermèdia es correspon amb la successió en la composició química i en espècies del fitoplàncton de la capa superficial, i d'acord amb la definició de la relació de Redfield es constata que l'estequiometria dels organismes és igual a la de les capes profundes de la Mar Catalana.Aquesta tesi és el primer treball que defineix rangs de concentració de nutrients inorgànics, oxigen dissolt i clorofil·la a a la Mar Catalana, utilitzant més de 100000 dades. També s'han descrit per primer cop variacions estacionals en la concentració de nutrients en capes intermèdies a la Mar Mediterrània, i tendències al llarg dels anys en la concentració de silicat i nitrit en capes superficials i d'oxigen dissolt en capes intermèdies. També és el primer treball en què s'analitza la composició elemental en cèl·lules individuals del fitoplàncton marí, provinents directament del mar, i se'n calcula l'estequiometria C:N:Si:P:S per cada organisme.Per concloure, els resultats de la tesi permeten assentar una base sòlida i esbossar la trajectòria de l'impacte del canvi global en el cicle biogeoquímic de la Mar Catalana, així com identificar alguns processos rellevants d'aquest canvi.

Estequiometria, Zooplàncton, Limnologia, Bioquímica, Crustacis, and Ciències Experimentals i Matemàtiques

The aim of this thesis was to describe the life history variability of the assemblage of crustacean zooplankton in Lake Redon, with special emphasis in their life-cycles, ecological characteristics and their trophic relationships.The end of the ice-covered period was the key limnological feature characterising the timing of the life-cycles in the three species (the calanoid copepod Diaptomus cyaneus, the cyclopid copepod Cyclops abyssorum and the cladoceran Daphnia pulicaria). Comparison of the stoichiometric composition of the three species and those of seston revealed that Daphnia had a higher phosphorus proportion than seston, and the two copepods a higher carbon and nitrogen than Daphnia and seston. It is suggested that Daphnia was limited by phosphorus availability. However, Daphnia abundance was negatively correlated with Cyclops biomass, suggesting that predation of the latter on the former might also be a relevant factor.In the three species, reproduction was the main cause of elemental variability, whereas growth had little influence. Females of the three species lost from 32 to 48% of their initial individual C and H content during reproduction, which corresponded to a similar decrease in their lipid and carbohydrate content. N content did not change in any of the three species; nor did protein and chitin content. Daphnia and Diaptomus lost 35% and 56%, respectively, of their initial P content during reproduction, while Cyclops' P content did not change. Variability in the elemental composition of these species is thought to be general of food-independent reproduction species.Inter-species differences in amino acid composition were three-fold larger than intra-specific variation (75.3 and 24.7%, respectively). The two copepods had a more similar composition to each other than the cladoceran irrespective of their seasonal and ontogenic changes.Although the three species found had distinct isotopic signatures, being the two copepods one trophic level above the cladoceran, there were high intra-specific isotopic variations. Daphnia delta-13C and delta-15N shifted from an enriched to a more depleted signal. Cyclops copepodites also presented an isotopic shift which was different for carbon and nitrogen. The nitrogen isotopic fractionation of between Cyclops and Daphnia was directly related with their amino acid differentiation, which is interpreted as an evidence of Cyclops amino acid limitation.

PAO, GAO, EBPR, SBR, Fósforo, Fosfatos, Polifosfatos, Glucógeno, PHA, VFA, Metabolismo, Modelo metabólico, Cambio metabólico, Recuperación de fósoro, PAO Tipo I, PAO Tipo II, Corto plazo, Largo plazo, Estequiometría, Cinética, Monod, and TECNOLOGIA DEL MEDIO AMBIENTE

[EN] Phosphorus is very important in life because it plays an essential role in biological processes. The main use of phosphorus is in the fertilizer industry in the form of phosphates. These phosphates come mainly from phosphate rocks which might be exhausted in 50-100 years. The overexploitation of phosphate rocks has resulted in decreased quality of reserves, and it has raised the cost of extraction, processing and shipping. Moreover, phosphorus coming from wastewater, phosphate rock dissolution, and soil with an excessive supply of fertilizer, is deposited on the surface water bodies causing a serious pollution problem called eutrophication. One of the systems most used to reduced phosphorus levels in the wastewater is the enhanced biological phosphorus removal (EBPR). This process involves capturing biologically, alternating between anaerobic oxic/anoxic conditions, the wastewater phosphorus through the phosphorus accumulating organisms (PAOs). However, one of the main problems of this process is that the glycogen accumulating organisms (GAOs) compete with PAOs for volatile fatty acids (VFA). Even though there have been many studies on the factors affecting competition between PAOs and GAOs, there are still many unanswered questions regarding the metabolism of PAOs when they lack energy reserves in the form of intracellular polyphosphates (poly-P) and its effect on the population dynamics of PAOs and GAOs in an activated sludge system. Therefore, the main goal of this dissertation is to study short- and long-term the metabolic behavior of the PAOs to different levels of poly-P; to analyze the population dynamics of microorganisms involved in the process EBPR; to model mathematically that metabolic behavior; and finally, to evaluate the possible recovery of phosphorus by extracting poly-P present in the PAOs. In the short- and long-term study was observed a metabolic shift correlates with the content in poly-P so that under low contents of poly-P the PAOs are able to behave as GAOs but without a significant development of the GAO population. Although, in both studies was observed the same metabolic behavior, from the microbiological point of view were observed some differences. In the short-term, the PAO Type II clearly showed the metabolic shift, while long-term were the PAO Type I. From the experiments performed, necessary expressions (stoichiometric and kinetic) were developed to include new behaviors observed (metabolic rate) in metabolic models existing today. Monod type expressions were developed and implemented on the model of the PAOs to represent the change between the typical stoichiometric parameters of PAO and GAO metabolism. The model was calibrated and validated showing the ability to correctly represent the metabolic change of PAOs under low concentrations of poly-P. When was observed that with low concentrations of poly-P the PAOs have the ability to change its metabolism, without the process was deteriorated by the development of the GAO population, two operating strategies were evaluated to obtain a stream rich in phosphorus to allow later retrieval. The strategies studied differed in the level of extraction of the poly-P from PAOs. In the first strategy, it was extracted less than 40 % of poly-P, while the second strategy, it came to extract more than 90 % of poly-P. The second strategy showed a higher extraction efficiency, achieving recover up to 81 % of the phosphorus present in the wastewater. As a result, of work performed four articles were generated, three of them published in journals of particular importance (2 in the journal Water Research and 1 in the journal Chemical Engineering Journal) constituting the main body of this thesis.

PAO, GAO, EBPR, SBR, Fósforo, Fosfatos, Polifosfatos, Glucógeno, PHA, VFA, Metabolismo, Modelo metabólico, Cambio metabólico, Recuperación de fósoro, PAO Tipo I, PAO Tipo II, Corto plazo, Largo plazo, Estequiometría, Cinética, Monod, and TECNOLOGIA DEL MEDIO AMBIENTE