Temperature effects on marine heterotrophic bacteria of a temperate coastal system

Abstract

Las bacterias heterotróficas marinas juegan papeles clave en los ciclos biogeoquímicos de los océanos (Strom 2008; Falkowski et al. 2008), especialmente en el ciclo del carbono (McCarren et al. 2010), ya que mediante su metabolismo participan en la incorporación de carbono orgánico disuelto y la remineralización y respiración de carbono. Las bacterias son los organismos vivos más pequeños, pero el grupo de procariotas más abundante, que representa por ello, una parte importante de la biomasa de los océanos (Gasol, del Giorgio y Duarte 1997). Así mismo, las bacterias son organismos unicelulares ectotérmicos cuyo metabolismo (tasas de crecimiento, producción y respiración) y propiedades fisiológicas (tamaño, biomasa) están fuertemente determinados por la temperatura (Pomeroy y Wiebe 2001; Atkinson, Ciotti y Montagnes 2003). Dentro del marco del calentamiento global, las últimas proyecciones del IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) estiman un aumento de la temperatura de la superficie de los océanos de entre 2 y 6ºC para finales de este siglo (Collins et al. 2013), con previsibles consecuencias para los organismos marinos. El calentamiento de la superficie oceánica puede provocar además otras alteraciones físico-químicas como el incremento de la estratificación o el cambio de intensidad de corrientes marinas (Gruber 2011; Doney et al. 2012). Dichas alteraciones y la respuesta a ellas de los organismos marinos representan una prioridad en los estudios oceanográficos, en un esfuerzo por prever la dinámica del océano en el futuro. El efecto directo del calentamiento de los océanos en las bacterias marinas puede incluir incrementos de las tasas metabólicas (Brown et al. 2004), reducción de los tamaños celulares (Atkinson, Ciotti y Montagnes 2003), así como cambios en las abundancias y en los patrones de distribución (Vezzulli et al. 2012). Estos cambios pueden tener consecuencias para los ciclos biogeoquímicos al reforzar o debilitar el “loop” microbiano (Doney 2006), pero esta respuesta puede variar de unas zonas a otras dependiendo del acceso o no a nutrientes y a fuentes de carbono orgánico (Bijma et al 2013). No existe una respuesta uniforme al calentamiento dependiendo de las características intrínsecas de cada zona y en particular, el Océano Atlántico Norte presenta un ciclo estacional característico, con periodos de mezcla y estratificación de la columna de agua, por lo que representa un adecuado modelo de estudio para analizar la respuesta a los incrementos de temperatura en diferentes escenarios oceanográficos. Considerando la importancia de las bacteria heterotróficas marinas en los ciclos biogeoquímicos y las proyecciones de calentamiento global en el futuro próximo, la presente tesis doctoral tiene, por lo tanto, como objetivo general evaluar la respuesta de dichas bacterias a la temperatura en el sistema templado del Atlántico Norte, atendiendo al estudio de diferentes variables y con diferentes aproximaciones en cada uno de los cuatro capítulos presentados. Esta tesis está enmarcada dentro del proyecto COMITE (“COastal MIcrobial plankton and TEmperature”; CTM2010-15840) del Ministerio de Economía y Competitividad y las muestras utilizadas provienen de una estación estudiada mensualmente por parte del Instituto Español de Oceanografía (IEO) a 15.7 km de la ciudad de referencia de Xixón/Gijón, dentro del programa RADIALES de series temporales del IEO. En el primer capítulo (“More, smaller bacteria in response to ocean’s warming?”), se analiza por primera vez en esta zona de estudio una serie temporal de 10 años de muestreos mensuales con los siguientes objetivos específicos: Analizar los patrones estacionales y a largo plazo de abundancia, tamaño y biomasa de bacterias heterotróficas marinas Investigar la relación potencial entre temperatura y abundancia, tamaños celulares, biomasa y composición (en sentido amplio) de la comunidad bacteriana Mediante este análisis, se observó que la abundancia media bacteriana en la capa de mezcla durante el periodo de estudio (2002-2012) ha incrementado a una tasa de un 3% por año, y que los tamaños celulares han disminuido a una tasa de 1% por año, asociado a un incremento medio de la temperatura de 0.05ºC por año. Este valor se traduce en una reducción del tamaño celular del 1.74% ºC-1 para la población de bacterias de bajo contenido en ácidos nucleicos (LNA) y del 4.10% ºC-1 para las de alto contenido (HNA). La población de bacterias de LNA se relaciona además con las Alphaproteobacteria del grupo SAR11, características de ambientes oligotróficos. En el segundo capítulo (“Temperature dependences of growth rates and carrying capacities of marine bacteria depart from metabolic thoeretical predictions”), se estudiaron las respuestas de las tasas de crecimiento y capacidad de carga en incubaciones con modificación de la temperatura con los siguientes objetivos específicos: Caracterizar la dependencia a la temperatura de las tasas de crecimiento y capacidad de carga en cuatro grupos fisiológicos de bacterias durante un ciclo estacional completo Comprobar las predicciones de la Teoría Metabólica de la Ecología (Brown et al. 2004) con las tasas de crecimiento y capacidad de carga de las bacterias heterotróficas. Se observó que la dependencia a la temperatura de las tasas de crecimiento, estudiada como energías de activación (E), fue mayor en los grupos más activos: HNA, bacterias con membranas viables (live) y bacterias con respiración activa (CTC+). Estas energías de activación siguieron un ciclo estacional, con valores mayores durante los meses más fríos de invierno pero en los que la columna de agua estaba mezclada. El máximo valor observado coincidió con la energía de activación pronosticada por la Teoría Metabólica de la Ecología para heterótrofos (0.65 eV) sólo durante los meses de abril y mayo, coincidentes con el “bloom” de fitoplancton de primavera. Las capacidades de carga, sin embargo, no mostraron una respuesta coherente con la MTE, ni siguieron un patrón estacional y en general, la respuesta a la temperatura fue débil. En el tercer capítulo (“Experimental warming decreases the average size and nucleic acid content of marine bacterial communities”) se exploró la norma de Atkinson (1994) que establece que existe una relación inversa entre tamaño y temperatura para organismos ectotérmicos y que por lo tanto puede convertirse en una de las respuestas universales al calentamiento global en este tipo de organismos (Daufresne, Lengfellner y Sommer 2009), incluyendo las bacterias. Mediante este capítulo se perseguía: Investigar la reducción individual de tamaños celulares con el incremento de temperatura de acuerdo con la regla de Atkinson (1994). Explorar la relación de los tamaños celulares y el contenido en ácidos nucleicos en bacterias marinas En este capítulo, se utilizaron incubaciones e incrementos de temperatura experimentales para demostrar que los tamaños y la cantidad en ácidos nucleicos en las poblaciones de HNA y LNA disminuyeron de media un 0.4% por ºC y siguieron un ciclo estacional similar al descrito para las tasas de crecimiento en el capítulo anterior. Los valores de reducción fueron menores que los observados en la serie temporal debido a la diferencia de aproximaciones, pero en los dos estudios la disminución fue mayor en el grupo de HNA y la disminución fue más severa en los meses comprendidos entre finales de invierno y principios de verano. Finalmente, en el cuarto capítulo (“Weak shift to heterotrophy of microbial carbon fluxes with experiemntal warming”) se analizaron durante cuatro experimentos en periodos estacionales representativos el ciclo del carbono microbiano, con los siguientes objetivos específicos: Evaluar el papel de las bacterias heterotróficas marinas en el balance de carbono del sistema de estudio Investigar el efecto del calentamiento en la respiración y en la producción primaria y bacteriana, así como en el balance metabólico total del sistema. Se analizaron tasas de fijación de carbono por parte del fitoplancton, incorporación de aminoácidos de bacterias y tasas de respiración en incubaciones calentadas 2 y 4ºC. Los tiempos iniciales de cada periodo estacional desvelaron que el sistema de estudio se encuentra en un estado metabólico balanceado, donde se equilibra de forma estacional la fijación de CO2 y la respiración. Al incrementar la temperatura, en el experimento de invierno el balance metabólico permaneció autotrófico a pesar del calentamiento pero en los meses de verano y otoño, el balance se volvió más heterotrófico. Se observó además, que la demanda de carbono de las bacterias (la suma de la producción bacteriana y la respiración bacteriana) era mayor que la producción primaria disuelta, indicando un acoplamiento débil de las bacterias al fitoplancton. Considerando de forma conjunta los cuatro capítulos, las bacterias heterotróficas de este sistema templado fueron sensibles a los incrementos de temperatura pero las respuestas estuvieron sujetas a los cambios estacionales de estratificación y mezcla por los que pasa anualmente el sistema. De forma recurrente, se observó que la respuesta al incremento de temperatura era mayor durante los meses de invierno, cuando no existe limitación de nutrientes ni de materia orgánica, originada principalmente durante el “bloom” de fitoplancton de primavera. Durante estos meses de invierno-primavera y finales de otoño se observaron incrementos en las tasas de crecimiento y disminución de tamaños, así como incrementos en la producción bacteriana, aunque no así en la respiración bacteriana. Por el contario, durante los meses de estratificación, la respuesta a los incrementos de temperatura fue débil. Por lo tanto, las bacterias del sistema están limitadas por temperatura durante el invierno y sustrato durante el verano. Este sustrato proviene principalmente (aunque no exclusivamente) del fitoplancton, que también responde tanto a la temperatura como a la limitación de nutrientes, con un ciclo de energías de activación similar al de las bacterias. En el marco del calentamiento global, es la interacción entre el aumento de temperatura y la presencia de sustratos lo que determinará en el futuro el incremento del metabolismo y la presencia de bacterias en el sistema Cantábrico central.