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Estructura Vertical y el Fitoplancton

El Fitoplancton • El Fitoplancton es el principal Productor Primario del ambiente

pelágico

22612622 66126 OOHOHCOHCO ++⇔+

• A partir de la FOTOSINTESIS convierte materia inorgánica (CO2, nitratos, fosfatos, …) en materia orgánica (carbohidratos, lípidos, proteínas)

Nutrientes

• El término PRODUCCION PRIMARIA viene porque la producción fotosintética es la base de toda la productividad de los ecosistemas acuáticos.

Fotosíntesis

Dióxido de Carbono (C,N) + Agua (H, O) + Nutrientes (N,P) + Luz

Oxigeno (O) + Materia Orgánica (C,H,),N,P)

Proteínas Grasas Carbohidratos Ácidos nucleicos

Respiración

Dióxido de Carbono (C,N) + Agua (H, O) + Nutrientes (N,P) + Luz

Oxigeno (O) + Materia Orgánica (C,H,),N,P)

Proteínas Grasas Carbohidratos Ácidos nucleicos

Definiciones de Producción Primaria

Producción Primaria Bruta, PPB = La cantidad total de carbono asimilado por la fotosíntesis.

Unidades: [Masa/Area/Tiempo). Ej. g C L-1 dia-1 Respiración, R = tasa de CO2 perdida por metabolismo.

Producción Primaria Neta, PPN = PPB menos la materia

orgánica respirada), esto es, PPB – R.

Es necesario que PPB > R para que ocurra un crecimiento neto de la comunidad de fitoplancton

En función de la forma de los nutrientes asimilados: PPB o PPN Nueva y Regenerada

PRODUCCION NUEVA

NO3-

PRODUCCION REGENERADA

NH4+

PRODUCCION PRIMARIA TOTAL

Zona

Euf

otic

a

Producción exportada (Sedimentación) • Pnueva representa la Capacidad de

Soporte del ecosistema • Pnueva representa la capacidad máxima

de producción de un ecosistema o la producción «capturable».

La Pnueva es el componente que limita el suplemento de alimento para el bentos, zooplancton, peces y remoción de CO2 atmosférico.

PP Bruta (produccion total)

Materia organica usada por el fitoplancton como fuente

de energia 70 – 90%

10-30 % PP Neta

Como se absorbe la luz? Todo el fitoplancton tiene clorofila a

Pigmentos Accesorios

Aguas Tropicales

Estructura Tropical Típica, ETT

TERMOCLINA NUTRICLINA

MAXIMO PROFUNDO DE CLOROFILA, MPC

Iluminada Pobre en nutrientes

Poca o sin luz Rica en nutrientes

MAXIMO EN PRODUCTIVIDAD, MPP

Causa del MPC Y MPP

1. Hundimiento de diatomeas 2. Cambios en la tasa de hundimiento debido a los cambios en niveles de luz o

nutrientes 3. Pastoreo por zooplancton 4. Disminución con la profundidad de la tasa de mezcla vertical.

* En Mann & Lazier, 1996

Como en cualquier juego, la vida en el medio planctónico requiere una estrategia …

Muchas especies de fitoplancton tratan de dominar el ambiente planctónico. Como logran coexistir?

Los 4 principales jugadores Diatomeas

• Grandes (2-200 µm)

• Con frústulas de sílica

Dinoglagelados

• Grandes (5 – 2000 µm)

• Presentan mobilidad

• Pequeñas (< 1 µm) o Grandes (0.5 a 4 mm)

• Fijadores de Nitrógeno atmosférico

Cianobacterias

Cocolitofóridos

• Pequeñas (2 - 25 µm)

• Placas de CaCO3

Que limita la producción?

• Nutrientes

• Luz - Intensidad - Calidad espectral

• Temperatura

• Pastoreo por zooplancton

El ambiente está variando en espacio y tiempo. Diferentes espécies van a crecer bajo diferentes condiciones.

Alto Bajo Nutrientes

Baja Alta Intensidad de Luz

Reducido Amplio Espectro de Luz

Baja Alta Temperatura

Nutrientes

• N, P, Si, Fe

• Nitrogeno es en general el limitante

• Formas de N inorgánico disponible: - Nitrato (NO3

-) - Amonio (NH4

+) - Nitrito (NO2

-)

Tasas de crecimiento varian con [nutrientes] µ = Tasa de crecimiento específico (d-1)

Ks

µmax/2

µmax

N = [Nutriente]

Ecuación de Michaelis-Menten

µ(N) =µmaxNKs + N

Los parametros µmax y Ks son especificos de la espécie y van a determinar las condiciones que el fitoplancton tiene para competir bajo diferentes condiciones

Ks

µmax/2

µmax

N = [Nutriente]

Ecuación de Michaelis-Menten

µ(N) =µmaxNKs + N

Celulas más pequeñas tienden a presentar mayores tasas de crecimiento máximo

r

r

Asumimos que la celula es una esfera:

Area superficial:

A = 4πr 2

V =43

πr 3

AV

=3r

Volumen:

Razon superficie/volumen:

Cuanto menor la celula mayor será su razón superficie/volumen y sera mas eficiente para asimilar los nutrientes.

Diferentes estrategias de uso de nutrientes

Diatomeas •Alto µmax •Alto Ks

Cocolitoforidos •Bajo µmax •Bajo Ks

Alta [Nutrientes] o variable Alta Mezcla, surgencias Promedio de Bajas irradiancias Alta turbulencia

Aguas permanente oligotroficas Condicientes de estratificación permanente Promedio de Altas irradiancias Baja turbulencia

Ks

µmax/2

µmax

µ(N) =µmaxNKs + N

Celulas grandes (diatomeas y dinoflagelados) más adaptadas a condiciones de altos nutrientes. Altos Bajos Nutrientes

Bajos Altos Intensidad de Luz

Reducido Amplio Espectro

Baja Alta Temperatura

Ley de Lambert Beer

Z

Z0

∆z

Ez

Ez = E0 expKd∆z

Ez = Irradiancia en la profundidad z

Unidades µmol de fotones m-2 s-1

PP se satura a altas irradiancias

Aclimatación a diferentes niveles de luz

Irradiance

1 0

PI

Pmax

Fotoinhibicion a mayores niveles de luz

Diatomeas mas adaptadas a bajas condiciones de luz

Altos Bajos Nutrientes

Bajos Altos Intensidad de Luz

Reducido Amplio Espectro

Baja Alta Temperatura

El fitoplancton tambien se aclimata a la calidad espectral de la luz

Cuando la capa de mezcla es somera, mas longitudes de onda están disponibles.

El plancton adaptado a baja luz maneja sus pigmentos accesórios para capturar mas luz.

Cocolitofóridos y Cianobacterias son mas adaptadas al amplio espectro de luz encontrado en capas de mezcla someras

Altos Bajos Nutrientes

Bajos Altos Intensidad de Luz

Reducido Amplio Espectro

Baja Alta Temperatura

Curvas dependientes de la temperatura varian entre especies pero comparten un limite superior

Temperature oC

Grow

th ra

te

Upper limit (Eppley 1972)

Diatomeas crecen mas rapido a bajas temperaturas

Temperature oC

Divi

sions

per

day

Diatomes Flageladas

Diatomeas son las más adaptadas a temperaturas bajas Altos Bajos Nutrientes

Bajos Altos Intensidad de Luz

Reducido Amplio Espectro

Baja Alta Temperatura

Profundidad de Compensación y Crítica Producción y Respiración

Prof

undi

dad

a b

c

d

e f

Límite Capa de Mezcla

Pc=Rc, Profundidad de Compensación (Zc)

Intensidad luminosa de compensación, Ic: intensidad en la que determinada célula tiene Pc=Rc.

Pc>Rc

Pc<Rc

Como calcular Zc

d

ceec K

IIZ )(log)(log 0 −=

Ic varia con la especie de fitoplancton Especies aclimatadas a sombra tienen MENOR Ic

Ic: 1 A 10 µE.m-2.s-1

Profundidad de Compensación y Crítica Producción y Respiración

Prof

undi

dad

a b

c

d

e f

Límite Capa de Mezcla

Pc>Rc

Pc<Rc

Incremento Neto de = Biomasa

Aabc > Aabef

IZ= Intensidad de luz promedio en la capa de mezcla.

Prof. Crítica, Zcr

Profundidad Critica

)1(0 ZK

dZ

deZK

II −−=

)1(0 crd ZK

cdcr e

IKIZ −−=

Si KdZcr >> 0, se simplifica a:

cdcr IK

IZ 0=

I0=luz en la superficie Z=profundidad Zcr=profundidad critica

Profundidad Crítica

Respiración Fotosíntesis

Prof

undi

dad

Prof. Crítica, Zcr Producción P. Neta= 0 P-R = 0

Que factor va a determinar Zcr?

Si Prof. Crítica > capa de mezcla, P>R, PPN>0

Respiración Fotosíntesis

Prof

undi

dad

Capa de Mezcla

Zcr

Respiración Fotosíntesis

Prof

undi

dad

Capa de Mezcla

Zcr

Se Prof. Crítica < capa de mezcla, P<R, PPN<0

PP controlada por la evolución estacional de la capa de mezcla

Necesidad de que Zcr>Zm para que PPN>0

Depth (m)

Plankton 0-100 m

(# per L)

Fitoplancton Zooplancton

Nutrientes

Aum

ento

rela

tivo Mezcla Mezcla

Estratificación

Luz Temperaturea

Ciclo anual en el Atlántico Norte

Bloom Primavera

Mini- Bloom Otoño

Surface distribution of chlorophyll a using SeaWiFS data sets: Note physical forcing effects: Coastal, Equator, North Atlantic

Limitación de nutrientes varia espacialmente

•Nitrato, fosfatos, silica, hierro son los elementos mas limitantes. •Silica es importante para el crecimiento de diatomeas. •La capa de mezcla es mas profunda en el Atlántico que en el Pacífico.

Ciclo estacional cambia con la latitud

Lalli & Parsons

Nutrients

[Nut

rient

es]

Luz

Invierno: Capa de mezcla profunda, Produccion para Primavera: Floracion primaveral Zooplancton – cresce en seguida

Invierno: Capa de mezcla mas somera, Producccion baja pero continua Primavera: Floracion primaveral Zooplancton – esperando para comer!

Floraciones primaverales en el Atlantico vs. Pacifico

En otras regiones

Lalli & Parsons