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Estructura Vertical y el Fitoplancton
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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.
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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
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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
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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
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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».
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La Pnueva es el componente que limita el suplemento de alimento para el bentos, zooplancton, peces y remoción de CO2 atmosférico.
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PP Bruta (produccion total)
Materia organica usada por el fitoplancton como fuente
de energia 70 – 90%
10-30 % PP Neta
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Como se absorbe la luz? Todo el fitoplancton tiene clorofila a
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Pigmentos Accesorios
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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
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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
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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?
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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
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Que limita la producción?
• Nutrientes
• Luz - Intensidad - Calidad espectral
• Temperatura
• Pastoreo por zooplancton
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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
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Nutrientes
• N, P, Si, Fe
• Nitrogeno es en general el limitante
• Formas de N inorgánico disponible: - Nitrato (NO3
-) - Amonio (NH4
+) - Nitrito (NO2
-)
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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PP se satura a altas irradiancias
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Aclimatación a diferentes niveles de luz
Irradiance
1 0
PI
Pmax
Fotoinhibicion a mayores niveles de luz
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Diatomeas mas adaptadas a bajas condiciones de luz
Altos Bajos Nutrientes
Bajos Altos Intensidad de Luz
Reducido Amplio Espectro
Baja Alta Temperatura
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El fitoplancton tambien se aclimata a la calidad espectral de la luz
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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.
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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
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Curvas dependientes de la temperatura varian entre especies pero comparten un limite superior
Temperature oC
Grow
th ra
te
Upper limit (Eppley 1972)
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Diatomeas crecen mas rapido a bajas temperaturas
Temperature oC
Divi
sions
per
day
Diatomes Flageladas
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Diatomeas son las más adaptadas a temperaturas bajas Altos Bajos Nutrientes
Bajos Altos Intensidad de Luz
Reducido Amplio Espectro
Baja Alta Temperatura
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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
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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
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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
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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
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Profundidad Crítica
Respiración Fotosíntesis
Prof
undi
dad
Prof. Crítica, Zcr Producción P. Neta= 0 P-R = 0
Que factor va a determinar Zcr?
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Si Prof. Crítica > capa de mezcla, P>R, PPN>0
Respiración Fotosíntesis
Prof
undi
dad
Capa de Mezcla
Zcr
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Respiración Fotosíntesis
Prof
undi
dad
Capa de Mezcla
Zcr
Se Prof. Crítica < capa de mezcla, P<R, PPN<0
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PP controlada por la evolución estacional de la capa de mezcla
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Necesidad de que Zcr>Zm para que PPN>0
Depth (m)
Plankton 0-100 m
(# per L)
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Fitoplancton Zooplancton
Nutrientes
Aum
ento
rela
tivo Mezcla Mezcla
Estratificación
Luz Temperaturea
Ciclo anual en el Atlántico Norte
Bloom Primavera
Mini- Bloom Otoño
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Surface distribution of chlorophyll a using SeaWiFS data sets: Note physical forcing effects: Coastal, Equator, North Atlantic
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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.
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Ciclo estacional cambia con la latitud
Lalli & Parsons
Nutrients
[Nut
rient
es]
Luz
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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
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En otras regiones
Lalli & Parsons