Tratamiento de datos

La dependencia de la temperatura sobre las tasas metabólicas fue descrita con las energías de activación para CR y GPP (Ea, Jmol^-1). La energía de activación proviene de la pendiente de la ecuación de Arrhenius y relaciona el logaritmo neperiano de las tasas metabólicas (mmol O₂ g^-1 dia^-1) con 1 / kT, donde k es la constante de Boltzmann (8.62 x 10^-5eV K^-1) y T corresponde a la temperatura (Kelvin).

La tasa relativa de aumento de las tasas metabólicas esperada para un aumento de la temperatura de 10ºC fue descrita con el coeficiente Q₁₀ y calculada usando la siguiente ecuación (Raven & Geider 1988):

Donde R es la constante de gas (8.314472 mol^-1 K^-1), T la temperatura absoluta medida a lo largo del intervalo donde se ha medido Q₁₀ (K), y E_a la energía de activación (J mol^-1), derivada de la pendiente de la ecuación de Arrhenius.

3.9. Tratamiento de datos

Para la evaluación de la significación estadística de las diferencias encontradas entre las distintas variables entre condiciones experimentales se ajustó un modelo lineal de efectos mixtos (lmer) en el paquete lme4, utilizando el software estadístico R (R Development Core Team 2014). Todos los datos de la misma tasa metabólica se combinaron en un solo análisis para mirar la relación entre su logaritmo neperiano y 1 / kT. La pendiente de esta relación representa la inversa de la energía de activación.

Para calcular esta energía de activación se consideraron sólo los datos comprendidos en la parte lineal de esta relación. Para tener en cuenta la pseudoreplicación espacial y la autocorrelación, los sensores y los días del año se trataron como variables aleatorias. En todos los análisis de efectos mixtos se utilizó un enfoque de arriba hacia abajo, comenzando con el modelo más complejo, para determinar la importancia de cada una de las variables y se eliminaron sucesivamente variables no significativas hasta llegar al modelo deseado. Se consideraron significativas las diferencias con un p-Valor < 0.05.

18 4. RESULTADOS

4.1. Condiciones ambientales

La temperatura dentro de los tanques fue regulada por el sistema de IKS-Aquastar, que mantuvo las plantas a las 5 temperaturas seleccionadas (Tabla A1 del anexo). La iluminación al nivel de los testigos fue de 240 μmols m^-2s^-1, con un fotoperiodo de 13 horas de luz en primavera y 16 horas de luz en verano, y una salinidad de 38 psu medida in situ. Los promedios de alcalinidad iniciales en verano fueron 2468.64 µeq para el experimento con Cymodocea nodosa, 2476.85 µeq para el experimento con Halimeda incrassata y 2458.29 µeq para el experimento con la combinación de las dos especies. Los datos de oxígeno muestran una tendencia clara de respiración durante la noche (disminuye la concentración de oxígeno) y producción durante el día (aumenta la concentración de oxígeno) (Fig. A1 del anexo), concentración que varía en función de la temperatura.

En general los pesos secos de las plantas no presentan diferencias significativas entre distintos tanques (ANOVA, p-Valor < 0.05) por lo que dentro de todos los testigos se encuentra un peso similar de macrófitos (Tabla A1 del anexo). Esto no fue así en el experimento con Cymodocea nodosa en verano donde se observan diferencias significativas entre el peso de las plantas en los distintos tanques (ANOVA, p-Valor >

0.05).

4.2. pCO₂ (µatm) y DOC (mmol dia^-1)

La pCO₂ (µatm) muestra una relación con la concentración de oxígeno, relación que se observa en Cymodocea nodosa y no en Halimeda incrassata ya que es una alga calcificadora (Figs. A2, A3 y A4 del anexo). Los datos de pCO₂ muestran también variabilidad en función del momento del día, durante la noche pCO2 aumenta mientras que disminuyen durante el día (Fig. A5 del anexo). Esta relación también se observa mejor en el experimento con Cymodocea nodosa. En el experimento con Halimeda incrassata se puede observar una alta producción de CO₂ durante el primer día de incubación, producción que es más alta a temperaturas más altas (Fig. A5 del anexo).

El DOC en los experimentos de los macrófitos por separado aumenta con la temperatura. Este aumento es mayor para Cymodocea nodosa, 0.0091 mmol día^-1 ºC^-1 (R² = 0.8929) con un máximo de 0.12 ± 0.02 mmol día^-1 a 31ºC (Fig A6. del anexo),

19 que para Halimeda incrassata que aumenta 0.003 mmol día^-1 ºC^-1 (R² = 0.5052), con un máximo de 0.07 ± 0.01 mmol día^-1 a 33ºC (Fig A6. del anexo). El experimento con una combinación de las dos especies presenta valores de DOC más altos (0.28 ± 0.01 mmol día^-1) a 29.5ºC que luego disminuyen al aumentar la temperatura.

4.3. Tasas metabólicas

4.3.1. Cymodocea nodosa

Las tasas metabólicas medidas a cinco temperaturas en dos estaciones distintas presentan variaciones. En el experimento con la fanerógama marina Cymodocea nodosa (Fig. 15) CR aumenta de 0.10 ± 0.01 mmol g^-1 dia^-1 a temperatura in situ (17ºC) a 0.16 ± 0.02 mmol g^-1 dia^-1 a 23ºC en el experimento de primavera (Fig. 15, Tabla 1). CR también aumenta de 0.31 ± 0.03 mmol g^-1 dia^-1 a temperatura in situ (25ºC) a 0.48 ± 0.08 mmol g^-1 dia^-1 a 31.1ºC en el experimento de verano (Fig. 15, Tabla 1). GPP presenta un aumento insignificante con la temperatura en el experimento de primavera, mientras que en verano GPP aumenta hasta 1.05 ± 0.11 mmol g^-1 dia^-1 a 27.6ºC (temperatura óptima 28.2 ºC, Tabla 2) y baja a temperaturas más altas (Fig. 15, Tabla 1).

Figura 15: Tasas metabólicas (CR, GPP y NCP) en mmol g^-1 día^-1 correspondientes a los experimentos de primavera y verano con testigos de sedimento que contienen la fanerógama marina Cymodocea nodosa.

20 Tabla 1: Experimentos y macrofitos incubados junto con las temperaturas de incubación (ºC), las tasas de respiración (CR, en mmol g^-1 día ^-1 y mgC g^-1 día ^-1), las tasas de producción primaria bruta (GPP, mmol g^-1 día ^-1 y mgC g^-1 día ^-1), las tasas de producción primaria neta (NCP, mmol g^-1 día ^-1 y mgC g^-1 día ^-1) y su error estándar asociado (SE).

21 4.3.2. Halimeda incrassata

En primavera la macroalga invasora Halimeda incrassata no presenta variaciones en las tasas metabólicas en función de la temperatura (Fig. 16). En el experimento de verano CR aumenta de 0.09 ± 0.02 mmol g^-1 dia^-1 a temperatura in situ (27ºC) a 0.13 ± 0.01 mmol g^-1 dia^-1 a 33.1ºC (Fig. 16, Tabla 1). GPP también aumenta de 0.15 ± 0.04 mmol g^-1 dia^-1 a temperatura in situ a 0.20 ± 0.03 mmol g^-1 dia^-1 a 33.1ºC (Fig. 16, Tabla 1), mientras que NCP disminuye de 0.02 ± 0.01 mmol g^-1 dia^-1 a una tasa negativa de -0.01 ± 0.01 mmol g^-1 dia^-1 cuando se incuban las algas a temperaturas más altas (Fig. 16, Tabla 1).

4.3.3. Combinación de las dos especies

Las tasas metabólicas del experimento con una combinación de la especie autóctona Cymodocea nodosa colonizada por la especie invasora Halimeda incrassata (Fig. 17) en la estación de primavera no presentan variaciones. En el experimento de verano CR aumenta de 0.13 ± 0.01 mmol g^-1 dia^-1 a 25ºC (temperatura in situ) hasta

Figura 16: Tasas metabólicas (CR, GPP y NCP) en mmol g^-1 día^-1 correspondientes a los experimentos de primavera y verano con testigos de sedimento que contienen la macroalga invasora Halimeda incrassata.

22 0.21 ± 0.02 mmol g^-1 dia^-1 a 27.6ºC (temperatura óptima 27.9ºC, Tabla 2) y disminuye a 0.12 ± 0.06 mmol g^-1 dia^-1 en la máxima temperatura a la que se ha sometido (Fig.

17, Tabla 1). GPP aumenta hasta 0.42 ± 0.00 mmol g^-1 dia^-1 a 27.6ºC y disminuye a mayores temperaturas (Fig. 17, Tabla 1). NCP disminuye al aumentar la temperatura de 0.02 ± 0.01 mmol g^-1 dia^-1 a una tasa negativa de -0.03 ± 0.02 mmol g^-1 dia^-1 cuando se someten los macrófitos a temperaturas más altas (Fig. 17, tabla 2).

4.3.4. Óptimos de temperatura para las distintas tasas metabólicas

Se han calculado las temperaturas óptimas para los casos en que la relación entre la tasa metabólica y la temperatura seguía una función parabólica, con un ajuste significativo (p-Valor < 0.05). Las temperaturas óptimas calculadas (Tabla 2) son mayores para la respiración que para la producción. Estas temperaturas óptimas varían en función de la especie. En el experimento de verano, la temperatura óptima para la respiración fue de 28.8ºC en Cymodocea nodosa, mientras que ésta disminuyó cuando la planta se encontraba en compañía de la alga invasora Halimeda incrassata

Figura 17: Tasas metabólicas (CR, GPP y NCP) en mmol g^-1 día^-1 correspondientes a los experimentos de primavera y verano con testigos de sedimento que contienen la fanerógama marina Cymodocea nodosa juntamente con la macroalga invasora Halimeda incrassata.

23 a 27ºC. Lo mismo ocurrió para las temperaturas óptimas de GPP y NCP, que se vieron reducidas con la presencia del alga invasora (Tabla 2).

4.4. Energía de activación

La energía de activación, la energía mínima que necesita un sistema para poder iniciar un determinado proceso, cambia en cada uno de los experimentos. En conjunto, las energías de activación tienden a ser mayores en verano que en primavera, siendo las calculadas para CR más altas que las calculadas para GPP (Tabla 3).

4.4.1. Primavera

En primavera, la energía de activación calculada para CR es más alta en el experimento con Cymodocea nodosa (0.86 ± 0.24 eV, Tabla 3) que las calculadas en los experimentos con Halimeda incrassata y con la combinación de las dos especies (-0.29 ± 0.63 y 0.10 ± 0.36 eV respectivamente, Tabla 3). Al contrario que las calculadas para GPP, que son más altas en los experimentos con Halimeda incrassata y con la combinación de las dos especies (0.32 ± 0.26 y 0.29 ± 0.26 eV respectivamente, Tabla 3) que para el experimento con Cymodocea nodosa (0.23 ± 0.26 eV, Tabla 3). Para los experimentos que contienen Halimeda incrassata, las energías de activación para la GPP son mayores que para las tasas de respiración.

Los resultados del modelo que ajusta el logaritmo neperiano de la tasa de

Tabla 2: Temperaturas óptimas (ºC) para las tasas metabólicas (mmol g^-1 día^-1) y (mmol m^-2 día^-2) en los distintos experimentos y en las distintas estaciones.

24 pendiente entre especies (Figura 18 y Tabla A2 del anexo, p-valor < 0.01). Por lo tanto, la energía de activación, que se obtiene de la menos pendiente de la relación en la ecuación de Arrhenius, es diferente para cada una de las especies.

Los valores de Q₁₀ calculados para CR son de 3.60 ± 1.28 en el experimento con Cymodocea nodosa (Tabla 3) y bajan en los experimentos con Halimeda incratassa y con la combinación de las dos especies (0.65 ± 0.61 y 1.16 ± 0.63 respectivamente, Tabla 3). Para GPP los valores de Q₁₀ son similares en los tres experimentos (1.40 ± 0.55 para Cymodocea nodosa, 1.60 ± 0.62 para Halimeda incrassata y 1.54 ± 0.60 para la combinación de las dos especies, Tabla 3).

4.4.2. Verano

En verano, las energías de activación calculadas tanto para CR como para GPP son más altas en el experimento con Halimeda incrassata (0.62 ± 0.18 y 0.53 ± 0.27 eV respectivamente, Tabla 3), seguidas por las calculadas en el experimento con el conjunto de las dos especies (0.60 ± 0.18 y 0.51 ± 0.27 eV respectvamente, Tabla 3) y finalmente las calculadas en el experimento con Cymodocea nodosa (0.58 ± 0.18 y 0.48 ± 0.27 eV respectivamente, Tabla 3).

En los dos casos (GPP y CR) los resultados del modelo muestran diferencias significativas en la pendiente entre especies, por lo tanto, las energías de activación son diferentes para cada especie (Figura 18 y Tabla A2 del anexo, p-valor < 0.01).

Los valores de Q₁₀ no presentan mucha variación. En los tres experimentos los valores obtenidos para CR son mayores que los obtenidos para la GPP y, a diferencia de los experimentos de primavera, Q₁₀ es más alta en el experimento con la macroalga invasora (Tabla 3).

25

Estación Planta Tasa

metabólica Ea (eV) SE R2 Q10 SE

Primavera Cymodocea nodosa CR 0.86 0.24 0.90 3.60 1.28

GPP 0.23 0.26 0.94 1.40 0.55

Halimeda incrassata CR -0.29 0.63 0.90 0.65 0.61

GPP 0.32 0.26 0.94 1.60 0.62

Cymodocea + Halimeda

CR 0.10 0.36 0.90 1.16 0.63

GPP 0.29 0.26 0.94 1.54 0.60

Verano

Cymodocea nodosa CR 0.58 0.18 0.82 2.38 0.65

GPP 0.48 0.27 0.92 2.03 0.80

Halimeda incrassata CR 0.62 0.18 0.82 2.51 0.69

GPP 0.53 0.27 0.92 2.20 0.87

Cymodocea + Halimeda

CR 0.60 0.18 0.82 2.44 0.67

GPP 0.51 0.27 0.92 2.12 0.84

Figura 18: Resultado de los modelos de efectos mixtos que muestran el efecto de la temperatura (1 / kT) sobre a) respiración bentónica en primavera, b) producción primaria bruta bentónica en primavera, c) respiración bentónica en verano, y d) producción primaria bruta bentónica en verano. Los puntos en amarillo representan los datos de Cymodocea nodosa, los puntos en rojo representan los datos de Halimeda incrassata y los puntos en azul representan los datos de la combinación de las dos especies. Las líneas representan la relación entre los logaritmos neperianos de las tasas metabólicas y la inversa de la temperatura (1 / kT).

Tabla 3: Energías de activación y sus errores estándar (calculados usando error de propagación). Ea se calcula a partir de la ecuación ajustada de Arrhenius entre el logaritmo neperiano de la tasa metabólica (CR y GPP) y la inversa de la temperatura de incubación (1/kT). También aparecen los valores de Q10 de las comunidades con su error estándar (SE).

26 5. DISCUSIÓN

Los resultados del presente estudio respaldan la hipótesis de que el calentamiento modifica las tasas metabólicas de los macrófitos estudiados, produciendo un aumento de la producción primaria y de la respiración, resultados apreciados básicamente en verano.

La concentración de oxígeno muestra un claro patrón diurno, con una disminución de la concentración durante la noche, debido a la respiración y un aumento de la concentración durante el día, debido a la producción primaria (Fig. A1 del anexo). Los sensores captan las variaciones de oxígeno causadas por el metabolismo de estos macrófitos, por lo tanto su uso es apropiado para estimar las tasas de metabolismo en estas comunidades bentónicas. En el experimento con Halimeda incrassata en primavera no se observa esta tendencia, aquí la concentración de oxígeno disminuye a medida que pasan las 48 horas de incubación. Esto puede ser debido a que esta macroalga en primavera no está activa, solo hay respiración de su comunidad microbiana asociada y por lo tanto hay un consumo de oxígeno.

Las tasas metabólicas son sensibles al aumento de la temperatura sobre todo en verano. En los estudios de estos macrófitos por separado, las tasas de respiración bentónica (CR) aumentan al aumentar 6ºC la temperatura (55% en Cymodocea nodosa y un 62% en Halimeda incratassa, en verano), mientras que en el experimento con una combinación de las dos especies se aprecia un óptimo de temperatura a 27.6ºC (Fig. 17, Tabla 1) con un aumento del 62% en CR al aumentar 2.5ºC la temperatura. En el caso de la producción primaria bruta (GPP), es importante observar que un aumento de 6ºC que lleva a temperaturas superiores a 30ºC (en verano) reduce GPP en las comunidades de fanerógamas dominantes (óptimo de temperatura a 28.2 ºC, Tabla 2), cosa que no pasa en comunidades con la macroalga invasora, donde GPP aumenta un 33% al aumentar 6ºC la temperatura. Este aumento de las tasas metabólicas con la temperatura respalda la teoría metabólica de la ecología (MTE) (Brown et al., 2004) que dice que con el aumento de la temperatura aumenta tanto CR como GPP, un aumento que se prevé que sea mayor para la respiración que para la producción. Este aumento de las tasas de respiración respecto a las de producción con el calentamiento también se ha observado en diversos experimentos (Lefevre et al. 1994; Müren et al., 2005; Vaquer-Sunyer et al., 2010).

27 Con el aumento de la temperatura las comunidades estudiadas tienden a pasar de una NCP positiva donde la comunidad es autotrófica y por lo tanto absorbe dióxido de carbono y libera oxígeno a una NCP negativa y por lo tanto heterotrófica. Esto se confirma con el aumento de pCO₂ a temperaturas más altas (Fig. A5 del anexo).

También aparece una fuerte correlación entre la concentración de DOC y la respiración de la comunidad, que se puede relacionar con un aumento de sustrato importante para mantener la respiración. Las consecuencias ecológicas de una disminución simultánea de la producción neta y un aumento de las tasas de respiración podría producir que estos ecosistemas se convirtiesen en heterótrofos netos con una tendencia a emitir CO₂ a la columna de agua y agotar la concentración de oxígeno, probablemente serían ecosistemas propensos a experimentar hipoxia.

Con los buceos de muestreo se pudo apreciar un efecto estacional sobre la presencia de la macroalga invasora en es Caló Fort. La presencia de Halimeda incrassata fue mayor en julio que en abril y esto se relaciona con una mayor actividad metabólica en verano. Esto también se observa en Florida (Davis & Fourqurean, 2001) donde Halimeda incratassa presenta mayores tasas de crecimiento en los meses más cálidos.

La temperatura óptima para Cymodocea nodosa fue más alta para CR que para GPP mientras que en Halimeda incrassata no se han podido calcular ya que a mayor temperatura las tasas metabólicas siguen aumentando. Esto sugiere que Halimeda incrassata tiene su umbral a temperaturas más altas y reafirma la idea de que esta macroalga no está activa en primavera donde las temperaturas del agua son más bajas. La temperatura del agua en regiones tropicales tiene menor variabilidad anual que en regiones subtropicales y templadas y Halimeda incrassata no parece haber desarrollado la flexibilidad fisiológica para aclimatarse a esta variabilidad estacional.

Esto sugiere la adaptación de cada especie a la temperatura del agua dentro de su rango de distribución (Collier et al., 2017). Las temperaturas óptimas más elevadas para CR que para GPP en Cymodocea nodosa se pueden comparar con las temperaturas óptimas para Cymodocea serrulata descritas para Collier et al., (2017) que parecen seguir estas mismas tendencias. Aun así, Cymodocea serrulata es una especie tropical y sus temperaturas óptimas alcanzan los 35ºC (Collier et al., 2017).

Las pendientes significativamente diferentes entre especies en el modelo que ajusta el logaritmo neperiano de las tasas metabólicas frente a la inversa de la temperatura, indican que las especies responden de manera diferente a los cambios

28 de temperatura. En general, y con excepción de los experimentos con Halimeda incrassata en primavera, las energías de activación (E_a) para CR son más altas que para GPP respaldando la teoría metabólica de la ecología (Brown et al., 2004). En verano la E_a tanto para la respiración como para la producción tiende a ser mayor en los experimentos con presencia de Halimeda incrassata, esto es así porque esta especie no supera su óptimo de temperatura de manera que puede seguir aumentando su metabolismo a medida que aumenta la temperatura.

Los valores de Q₁₀ cercanos a 2 en todos los casos indican que las tasas metabólicas responden a la temperatura (Berges et al., 2002). Los valores experimentales de Q₁₀ calculados para CR fueron mayores que para GPP en todos los experimentos menos en los experimentos con solo Halimeda incrassata y con el conjunto de las dos especies en primavera, que además presentan valores de Q₁₀ calculados para la respiración inferiores a dos. Esto se puede relacionar con el hecho de que la macroalga invasora no se encuentra activa en primavera. El hecho de que las Q₁₀ calculadas para CR sean mayores que las calculadas para GPP en la mayoría de los experimentos apoya los valores más altos de Q₁₀ en CR que en GPP previstos por la teoría metabólica de la ecología (MTE, Brown et al., 2004).

Cuando la macroalga invasora se encuentra activa (verano), los valores de Q₁₀ tanto para la respiración como para la producción son de 2.51 y 2.20 respectivamente.

Estos resultados se pueden comparar con los valores de Q₁₀ para CR y GPP de la macroalga Caulerpa prolifera, una macroalga que se encuentra en las comunidades autóctonas de Portocolom (Mallorca). Los valores de Q₁₀, calculados a partir de medidas continuas de las concentraciones de oxígeno disuelto integrando casi un año de muestreo, para CR y GPP fueron de 1.46 y 2.17 respectivamente (Vaquer-Sunyer et al., 2012). También se ha estimado el coeficiente Q₁₀ para la respiración de Caulerpa prolifera en el Mar Menor, que varía entre 1.41 y 2.6 (Terrados & Ros, 1992).

Las respuestas de las plantas al estrés térmico depende de la capacidad de tolerancia (umbral térmico) de cada especie o incluso de cada individuo dentro de la misma especie, ya que la plasticidad fenotípica puede determinar la tolerancia fisiológica de los diferentes tipos de plantas (Sandoval-Gil et al., 2014). Por otro lado, la capacidad de aclimatarse al estrés y superarlo con consecuencias mínimas sobre la vitalidad (o fitness) dependerá de la intensidad y la duración del estrés. En este caso hemos visto que en primavera al someter a la macroalga invasora Halimeda incrassata a temperaturas superiores a las que se encuentran en el medio natural no produce

29 efectos sobre sus tasas metabólicas. Por otro lado, en verano, cuando se produce un estrés más severo, Cymodocea nodosa disminuye su producción por encima de 28ºC, Halimeda incrassata sigue aumentando su respiración y su producción a temperaturas más altas y al estudiar conjuntamente las dos especies se producen disminuciones en sus tasas metabólicas por encima de 28ºC.

A pesar de que un aumento de la temperatura que llega hasta 33ºC produce un aumento en el metabolismo de Halimeda incrassata se sabe que la temperatura es un factor limitante para su supervivencia. No se encuentran estudios de temperaturas óptimas calculadas para tasas metabólicas en la especie Halimeda incrassata pero si para especies de este mismo género como Halimeda macroalba o Halimeda cylindracea. En este caso Sinutok et al., (2011) encontró una alta producción de O₂ después de una exposición a corto plazo a 32ºC, mientras que una exposición a largo plazo a la misma temperatura produjo una disminución del metabolismo en estas especies. Por lo tanto, aunque la exposición a corto plazo a temperaturas elevadas (32ºC) puede aumentar las tasas metabólicas en estas especies, se encontró que 32ºC es un límite superior para su supervivencia. Esto pasa en periodos de tiempo largos, superiores a los de nuestras incubaciones.

Halimeda incrassata es una macroalga calcificadora, por lo tanto, si el aumento de la temperatura afecta al rendimiento fotosintético de este macrófito, podría afectar a su calcificación. Se ha observado que el calentamiento y la acidificación del océano son factores determinantes para la calcificación e inhibición de la fotosíntesis en Halimeda (Sinutok et al., 2012). El proceso de la calcificación representa una fuente

Halimeda incrassata es una macroalga calcificadora, por lo tanto, si el aumento de la temperatura afecta al rendimiento fotosintético de este macrófito, podría afectar a su calcificación. Se ha observado que el calentamiento y la acidificación del océano son factores determinantes para la calcificación e inhibición de la fotosíntesis en Halimeda (Sinutok et al., 2012). El proceso de la calcificación representa una fuente

In document Efectos del aumento de la temperatura sobre el metabolismo de praderas de Cymodocea nodosa afectadas por la macroalga invasora Halimeda incrassata (sider 22-0)