El carbono orgánico en nuestros océanos

¿Cómo se produce, transforma y acumula el carbono orgánico en nuestros océanos? Eva Ortega Retuerta, investigadora postdoctoral Marie Curie en el Laboratorio de Oceanografía Microbiana de Banyuls, Francia (CNRS LOMIC, UMR7621), experta en el ciclo de carbono y el bucle microbiano en sistemas acuáticos, nos explica la importancia fundamental de las partículas exopoliméricas transparentes, o TEP, en muchos procesos biogeoquímicos. 

700 gigatoneladas de carbono orgánico se acumulan en el océano; una cantidad equivalente a la del CO2 que hay en nuestra atmósfera. La cantidad es tal que, si tan sólo un uno por ciento de este depósito de carbono se oxidase, ya aportaría más CO2 que aquel que producen los combustibles fósiles en todo un año. Por esta y otras razones, más nos vale conocer lo mejor posible cómo se produce, se transforma y se acumula el carbono orgánico en nuestros océanos. Por suerte, y de momento, a escala global, nuestro amado océano actúa como sumidero de CO2 atmosférico. La formación de carbono orgánico a través de la fotosíntesis y su acumulación en el océano es un proceso fundamental de secuestro de CO2 que se conoce como la bomba biológica de carbono.

Pero, ¿a qué nos referimos cuando hablamos de carbono orgánico? Quizá nuestra mente etimológica nos lleve a pensar en “orgánico= que proviene de organismos”, y nuestros ojos macroscópicos nos lleven a concluir que “organismos + mar= peces”. Nada más alejado: El conjunto de carbono que forman los peces es ínfimo comparado a aquel formado por células microbianas: Algas microscópicas, bacterias y arqueas componen más del 90% del carbono vivo en el mar. Pero, de nuevo, el carbono orgánico que forman los microorganismos es irrisorio (menos del 1%) comparado con el conjunto de carbono orgánico “no vivo”, o los miles de compuestos como proteínas, carbohidratos, ácidos húmicos o fúlvicos, que viajan y se acumulan en el océano.

¿Y cómo medimos el carbono orgánico de los océanos? La diversidad de compuestos que forman el conjunto de materia orgánica en el océano es tal que no se conoce su composición exacta, ya que la mayoría de estos compuestos se encuentran a una concentración tan baja que no es posible detectarlos. Así, los científicos que queremos conocer mejor el ciclo del carbono en el océano bien analizamos unos pocos compuestos concretos que sabemos medir y cuya concentración nos lo permite, o bien estudiamos algunas de las propiedades de la materia orgánica como su tamaño, su biodisponibilidad (esto es, si los organismos pueden o no utilizar estos compuestos) o la capacidad que tienen de absorber la luz solar.

Partículas marinas TEP

De los miles de compuestos que forman la materia orgánica en los océanos, yo me he interesado en el estudio de unos llamados partículas exopoliméricas transparentes, o TEP (Figura 1). Estas partículas, formadas principalmente por polisacáridos, fueron descubiertas hace ya más de 25 años cuando un grupo de investigadores de la Universidad de Santa Bárbara (California) observaban que las microalgas que estudiaban en cultivos en el laboratorio o en las aguas de la costa Californiana se agregaban entre sí, pero no sabían qué era el “pegamento” que las unía para formar los agregados. Esto les llevó a visualizar por primera vez las TEP en el microscopio tras teñir sus microalgas con Azul de Alcián (un colorante específico de polisacáridos); de ahí el adjetivo “transparente” que siempre las acompaña.

A partir de entonces, las TEP se han descrito tanto en lagos y ríos como en el mar, en aguas costeras y abiertas, en la superficie y en el océano profundo; y se ha demostrado que estas partículas tienen una importancia fundamental en muchos procesos biogeoquímicos. Por ejemplo, debido a su naturaleza adherente, las TEP tienen el potencial de agregar otras partículas presentes en el agua. Éstas, al agregarse, incrementan su densidad, y eso facilita que sedimenten en la columna de agua. Por tanto, la presencia de TEP facilitaría la exportación de carbono al interior del océano a través de la bomba biológica de carbono. Sin embargo, cuando las TEP no están adheridas a otras partículas, no sólo no sedimentarían, dado que las TEP en sí son poco densas, sino que podrían flotar en el agua y acumularse en la capa superficial del océano. Este último proceso afectaría al intercambio de gases y otros compuestos entre la atmósfera y el océano.

Figura 1. Imagen vista desde el microscopio, de partículas exopoliméricas transparentes, teñidas con Azul de Alcián, en una muestra de agua de la costa catalana. En marrón se observan partículas algales e inorgánicas.

¿Y de dónde salen estas partículas? Pues, como una gran parte de los compuestos orgánicos que encontramos en el océano, son producidas por los microorganismos. De hecho, las TEP se han descrito tradicionalmente cuando se han estudiado proliferaciones o “blooms” de fitoplancton. Pero ni todas las especies microbianas producen la misma cantidad de TEP, ni las TEP se producen siempre en la misma cantidad, sino que existen muchos factores fisiológicos y ambientales que afectan a la tasa de generación de TEP. Por ejemplo, el fitoplancton que vive en el hielo libera TEP como agente crioprotector. El fitoplancton y las bacterias también los liberan para protegerse de la radiación ultravioleta o como consecuencia de una infección viral. También mecanismos físicos como cambios en la química (por ejemplo, la presencia de cationes de Calcio) o la turbulencia del agua afectan a la formación de TEP.

Dados los múltiples parámetros que afectan a las TEP, su presencia y dinámica en los océanos no es aún fácil de predecir. Por lo tanto, disponer de herramientas como observatorios oceanográficos y microbianos es fundamental para poder seguir de cerca cómo varía la abundancia de estas partículas en el tiempo, si siguen patrones cíclicos que podamos predecir, o cómo factores como el cambio climático afectarían a sus dinámicas a largo plazo.

Cambios en la concentración de TEP

En un estudio publicado recientemente en la revista científica Science of the total Environment, hemos seguido la variación de la concentración de TEP durante tres años en una estación costera del mar Mediterráneo, el observatorio microbiano de la Bahía de Blanes. Ahí nos hicimos la siguiente pregunta: ¿Los TEP, como compuestos ricos en carbono que son, siguen dinámicas temporales similares al resto de compuestos de carbono orgánico? ¿O bien están acoplados a las variaciones de organismos como fitoplancton o bacterias, dado que son ellos los que las producen? Midiendo una vez al mes las TEP y muchos otros parámetros físico-químicos y biológicos durante tres años, la respuesta fue que ni una cosa ni la otra.

Pudimos observar que las TEP presentaban máximos de concentración a principios de verano, en los meses de junio y julio (Figura 2), mientras que los máximos de actividad del fitoplancton se presentan a finales de invierno y los máximos de carbono orgánico total se encuentran en agosto-septiembre. ¿Qué explicaba entonces estos máximos a principios de verano? La coincidencia de una serie de factores. Por un lado, durante los años de estudio, es a finales de verano cuando se observan máximos de diatomeas y dinoflagelados, grupos específicos de fitoplancton conocidos por producir grandes cantidades de TEP. Por otro lado, es en los meses de verano cuando la columna de agua está estratificada. Esto dificulta la exportación de TEP a aguas profundas, pero además esto hace que los microorganismos agoten nutrientes como nitrógeno y fósforo, esenciales para la fotosíntesis, pero cuyo aporte desde las aguas profundas se ve impedido con la estratificación. Dado que las TEP son partículas ricas en carbono, los microorganismos liberarían TEP como una forma de deshacerse de este “exceso de carbono”.

Figura 2. Cambios en la concentración de TEP (círculos negros) y clorofila (como indicador de la presencia y actividad del fitoplancton, círculos blancos) durante tres años en la Bahía de Blanes.

Por último, hemos observado que, coincidiendo con estos máximos de TEP, la actividad de ciertas enzimas producidas por las bacterias, también aumenta. Este hecho explica en parte por qué los máximos de TEP no continúan hasta finales de verano, pero también abre nuevas preguntas sobre las consecuencias ecológicas, o sobre la diversidad funcional de los microorganismos marinos, derivadas de la acumulación de TEP en el océano.

 

Artículo de Referencia: Eva Ortega-Retuerta, Cèlia Marrasé, Ana Muñoz-Fernández, M. Montserrat Sala, Rafel Simó, Josep M. Gasol. Seasonal dynamics of transparent exopolymer particles (TEP) and their drivers in the coastal NW Mediterranean Sea, Science of The Total Environment, Volumes 631–632, 1 August 2018, Pages 180-190, ISSN 0048-9697

 

Más sobre Eva Ortega:

Eva Ortega Retuerta es investigadora postdoctoral Marie Curie en el Laboratorio de Oceanografía Microbiana de Banyuls, Francia (CNRS LOMIC, UMR7621). Experta en el ciclo de carbono y el bucle microbiano en sistemas acuáticos, actualmente estudia el funcionamiento de la bomba de carbono microbiana en el océano (proyecto CARAMBA , H2020-MSCA-IF-2015-703991).

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