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El calentamiento global y la acidificación de los océanos, reducen la capacidad del fitoplancton calcáreo para absorber CO2 de la atmósfera

10 Diciembre 2016

[resumen.cl] Las microalgas calcáreas son importantes reguladores de la concentración de CO2 en la atmósfera. Investigadores advierten de los impactos negativos del rápido calentamiento y acidificación de los océanos en estos organismos marinos, y consecuentemente en el proceso regulatorio del clima global. 

Los océanos, al absorber más de un cuarto del dióxido de carbono (CO2) emitido el último siglo por las actividades antropogénicas, han ido cambiando sus características químicas, resultando en la disminución del pH, la denominada “acidificación de los océanos”.

El CO2 disuelto en el agua incrementa también de concentración del ion hidrógeno en el agua, descendiendo así el pH.  Estimaciones indican que entre 1751 y 1994 el pH de la superficie de los océanos ha disminuido desde 8.179 hasta 8.104, lo que representa un cambio de -.075.

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Cambio en el pH de la superficie marina causado por el incremento en CO2 antropogénico entre los años 1700s y los 1990s. Fuente: Global Ocean Data Analysis Proyect y World Ocean Atlas.

Se ha reportado que esta disminución del pH tendrá consecuencias negativas para los organismos marinos, especialmente aquellos que que usan carbonato cálcico, la calcita o aragonita, para construir sus cubiertas celulares o esqueletos.

En condiciones normales la calcita y la aragonita son estables en las aguas superficiales debido a que el ion carbonato se encuentra en concentraciones sobresaturadas. No obstante, mientras el pH baja, lo hace también la concentración de este ion, y cuando el carbonato pasa a estar en insaturación, las estructuras celulares construidas con carbonato cálcico se vuelven vulnerables a la disolución.

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Ejemplo de las diferentes categorías morfológicas. (a) Cocolito normal  (b) Cocolito malformado. Fuente: (Milner et al., 2016)

Investigaciones han detectado que la reducción de la calcificación y el incremento de la disolución de estructuras celulares en un escenario con elevadas concentraciones de CO2, podría afectar a los cocolitofóridos, los foraminíferos, los corales, los equinodermos, los crustáceos y los moluscos, entre otros organismos.

Además, el aumento progresivo en las temperaturas promedio globales de la atmósfera, aumenta también la temperatura superficial del mar. De acuerdo a proyecciones de emisiones de gases invernadero del IPCC (Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático) se pronostica para las próximas décadas, una agudización de los riesgos planteados por el calentamiento y la acidificación de los mares.

Recientemente, investigadores del Instituto de Ciencia Ambiental y Tecnología de la Universidad Autónoma de Barcelona (ICTA-UAB), de la Universidad de Cambridge y de la Asociación de Biología Marina del Reino Unido, advirtieron de los negativos impactos de un rápido calentamiento de los océanos y su acidificación en los cocolitofóridos. Estos son organismos calcáreos integrantes del fitoplancton marino, y consecuentemente implicados en el proceso regulatorio de las concentraciones de dióxido de carbono en (CO2) la atmósfera.

En un estudio publicado en la revista Limnology & Oceanography and Biogeosciences, se reporta que el aumento de la temperatura superficial del mar, puede exacerbar los impactos de la acidificación de los océanos en el fitoplancton calcáreo, obstaculizando su éxito evolutivo y desempeño fisiológico. Además, estos cambios contribuirán a maximizar la concentración de CO2 atmosférico.

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Alteraciones en la morfología de los cocolitos en cultivo con incremento de temperaturas y acidificación. Fuente: Universidad Autónoma de Barcelona.

El plancton en el ciclo del carbono.

El plancton (del griego, errantes) incluye organismos heterótrofos como animales, protistas y bacterias (comúnmente denominado zooplancton) y organismos autótrofos como vegetales, otros unicelulares y bacterias (denominado fitoplancton). Los organismos que más abundan en el fitoplancton son las cianobacterias y las diatomeas, que son la base de la trama trófica marina.

El fitoplancton marino, además de absorber una significativa proporción del carbono de la atmósfera, produce el 50 % del oxígeno molecular necesario para la vida terrestre. El fitoplancton se desarrolla en condiciones de luz solar y nutrientes abundantes. Estos organismos elaboran su alimento a través de fotosíntesis, es decir, convirtiendo materia inorgánica en materia orgánica con la energía de la luz. Cabe destacar que la vida en la Tierra se mantiene gracias a la fotosíntesis que realizan algas en agua salada y dulce, en conjunto con las plantas en los continentes, ya que tienen la capacidad de liberar oxígeno y sintetizar materia orgánica que queda disponible para su utilización por otros organismos a través de los flujos de materia y energía.

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Este diagrama del ciclo rápido del carbono muestra el movimiento del carbono entre la tierra, la atmósfera y los océanos. Los números amarillos son flujos naturales, los números rojos son contribuciones humanas al sistema, en gigatoneladas de carbono por año. Los números blancos indican el carbono almacenado. Diagrama adaptado de DOE, Biological and Environmental Research Information System, EE.UU., traducido por Resumen.

Emiliania huxleyi y los cocolitofóridos en un escenario de acidificación global.

Los cocolitofóridos son microalgas marinas unicelulares pertenecientes al grupo del picoplancton marino (menor a 2 micrones). Se reconocen por placas distintivas de carbonato de calcio denominadas cocolitos. Los cocolitofóridos son exclusivamente marinos y se encuentran en grandes abundancias en la zona fótica del océano. Una de las especies más conocidas de este grupo es Emiliania huxleyi, que presenta una distribución global desde las zonas subárticas hasta los trópicos. Sus cocolitos son incoloros y transparentes, pero se forman de calcita que refracta la luz con mucha eficiencia en la columna de agua. Esto, y las grandes concentraciones producidas por la deposición de sus cocolitos hacen que los afloramientos de esta especie sean visibles desde el espacio.

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Bajo ciertas condiciones, Emiliania huxleyi puede formar masivas floraciones las cuales pueden ser detectadas por sensores satelitales. Las floraciones, que asemejan nubes blancas en el agua, reflejan la luz desde billones de cocolitos flotando en la columna de agua. Imagen: Landsat 24 de julio de 1999, costa del Reino Unido. Fuente: Plymouth Marine Laboratory

Los cocolitos de Emiliania huxleyi, se preservan bien en el tiempo y son utilizados como microfósiles. Esta especie produce además un grupo de compuestos químicos que son muy resistentes a la descomposición. Estos compuestos, denominados alquenonas se pueden encontrar en los sedimentos marinos mucho después de que las partes blandas del organismo se hayan descompuesto. Las alquenonas son empleadas para determinar la temperatura superficial del mar en el momento en que el organismo se encontraba con vida, sirviendo así como indicadores de temperaturas en el pasado.

De esta forma, los cocolitos son muy importantes para resolver cuestiones de estratigrafía y constituyen indicadores sensibles a los cambios de temperatura y salinidad de los océanos. Estos cambios pueden determinarse mediante análisis cuantitativos de la composición del picoplancton calcáreo.

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Rol de los cocolitofóridos en los ciclos biogeoquímicos en el océano. A través de la producción de sus cocolitos de carbonato de calcio (CaCO3), los cocolitofóridos juegan un rol clave en el ciclo global del carbono. Aunque viven principalmente en la zona fótica de la superficie del océano global, los cocolitofóridos participan activamente en el intercambio de gases como el dióxido de carbono (CO2) y el Dimetilsulfuro (DMS) entre el agua marina y la atmósfera y en el transporte de materia orgánica y carbono a la zonas oceánicas profundas y los sedimentos. Ellos son los principales actores del proceso “bomba de carbonato” (B) el cual, a través de reacciones de calcificación, es una fuente a corto plazo de CO2 atmosférico. Mediante el efecto de de sedimentación de sus cocolitos, la denominada “nieve marina” los cocolitofóridos son también el principal conductor de la “bomba de carbono orgánico” (A), la cual remueve el CO2 desde la atmósfera. Por lo tanto, las bombas de carbono orgánico y de carbonato están fuertemente acopladas a través de la biomineralización de los cocolitoforidos. Fuente: “Evolution of primary producers in the sea. Cap. 12. Origin and Evolution of Coccolithophores: From Coastal Hunters to Oceanic Farmers”. Figura inspirada de (Rost & Riebessel, 2004). Traducida por Resumen.

Los cocolitofóridos juegan un rol fundamental en el ciclo biogeoquímico y en la regulación del clima global “formando la base de las tramas tróficas marinas y a través de la calcificación y la fotosíntesis, los cocolitofóridos regulan los niveles de CO2 en la atmósfera y el océano” señaló la Dra. Patrizia Ziveri, investigadora del ICREA y la ICTA-UAB y autora del estudio Ocean warming modulates the effects of acidification on Emiliania huxleyi calcification and sinking al portal ScienceDaily. La autora explicó que los efectos de la acidificación -y en particular del calentamiento- son raramente considerados para el organismo en sí mismo, y existe un escaso conocimiento sobre cómo el calentamiento y la acidificación combinados, pueden afectar el desempeño fisiológico y los procesos evolutivos de los cocolitofóridos.

Los objetivos del estudio fueron investigar mediante cultivos en el Mar Mediterráneo y el Pacífico Norte, no solamente como las temperaturas afectan el impacto en la acidificación en los cocolitofóridos, sino también en su comportamiento y morfogénesis, indicó la autora.

Usando un microscopio electrónico de barrido (SEM) los investigadores mostraron que existirá un incremento en el porcentaje de malformaciones y cocolitos incompletos en un océano más caliente y ácido. Esto afectará los procesos evolutivos de estos organismos, así como su rol en la regulación del carbono atmosférico.

Debido a que los cocolitofóridos necesitan estar en la zona fótica del océano para realizar fotosíntesis, es importante estudiar si la acidificación y el calentamiento global afecta su tasa de inmersión (hundimiento). Los investigadores mostraron que incremento en la temperatura llevará a un incremento en la tasa de inmersión de estos organismos. Por lo tanto, una mayor tasa de hundimiento de estos cocolitofóridos tendrá consecuencias en el ciclo futuro del carbono, en los niveles atmosféricos de CO2 y por lo tanto en la dinámica del clima global.

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