Fitoplancton

El fitoplancton son los componentes autótrofos (autoalimentados) de la comunidad de plancton y una parte clave de los ecosistemas oceánicos y de agua dulce. El nombre proviene de las palabras griegas φυτόν ( phyton ), que significa 'planta', y πλαγκτός ( planktos ), que significa 'vagabundo' o 'vagabundo'.

El fitoplancton obtiene su energía a través de la fotosíntesis, al igual que los árboles y otras plantas terrestres. Esto significa que el fitoplancton debe recibir la luz del sol, por lo que viven en las capas superficiales bien iluminadas (zona eufótica) de los océanos y lagos. En comparación con las plantas terrestres, el fitoplancton se distribuye en una superficie más grande, está expuesto a menos variaciones estacionales y tiene tasas de rotación notablemente más rápidas que los árboles (días frente a décadas). Como resultado, el fitoplancton responde rápidamente a escala global a las variaciones climáticas.

El fitoplancton forma la base de las redes alimentarias marinas y de agua dulce y es un actor clave en el ciclo global del carbono. Representan aproximadamente la mitad de la actividad fotosintética global y al menos la mitad de la producción de oxígeno, a pesar de que representan solo alrededor del 1% de la biomasa vegetal global. El fitoplancton es muy diverso, desde bacterias fotosintéticas hasta algas parecidas a plantas y cocolitóforos blindados. Los grupos importantes de fitoplancton incluyen las diatomeas, las cianobacterias y los dinoflagelados, aunque están representados muchos otros grupos.

La mayoría del fitoplancton es demasiado pequeño para ser visto individualmente a simple vista. Sin embargo, cuando están presentes en cantidades suficientemente altas, algunas variedades pueden notarse como manchas de color en la superficie del agua debido a la presencia de clorofila dentro de sus células y pigmentos accesorios (como ficobiliproteínas o xantofilas) en algunas especies.

Visión de conjunto

Los científicos estiman que la mitad de la fijación de carbono fotosintético global y el 50-80% de la producción de oxígeno en la Tierra proviene del océano. La mayor parte de esta producción proviene del fitoplancton marino: algas flotantes, algas marinas y algunas bacterias fotosintéticas llamadas cianobacterias. Una especie particular de bacteria, Prochlorococcus, es el organismo fotosintético más pequeño de la Tierra. Pero esta diminuta bacteria produce hasta el 20% de todo el oxígeno de la biosfera global. Ese es un porcentaje más alto que todas las selvas tropicales en tierra combinadas.

Calcular el porcentaje exacto de oxígeno producido en el océano es difícil porque las cantidades cambian constantemente. Los científicos pueden usar imágenes satelitales en color del océano para rastrear el plancton fotosintético y estimar la cantidad de fotosíntesis que se produce en el océano. Pero las imágenes satelitales no pueden contar toda la historia. La cantidad de plancton cambia estacionalmente y en respuesta a los cambios en la carga de nutrientes del agua, la temperatura y otros factores. Los estudios han demostrado que la cantidad de oxígeno en lugares específicos varía con la hora del día y con las mareas.

Tipos

El fitoplancton son bacterias y protistas microscópicos fotosintetizadores que habitan en la capa superior iluminada por el sol de casi todos los océanos y masas de agua dulce de la Tierra. Al igual que las plantas terrestres, el fitoplancton es un agente de producción primaria en el agua. Crean compuestos orgánicos a partir del dióxido de carbono disuelto en el agua, un proceso que sustenta la red alimentaria acuática. El fitoplancton forma la base de la red alimentaria marina y es un actor crucial en el ciclo del carbono de la Tierra.

• Cianobacterias, diatomeas, dinoflagelados, algas verdes y cocolitóforos (de izquierda a derecha).
  Algunos tipos de fitoplancton (no a escala)

"La fotosíntesis marina está dominada por microalgas, que junto con las cianobacterias, se denominan colectivamente fitoplancton". El fitoplancton es extremadamente diverso, y varía desde bacterias fotosintéticas (cianobacterias), hasta diatomeas parecidas a plantas y cocolitóforos blindados.

Ecología

El fitoplancton obtiene energía a través del proceso de fotosíntesis y, por lo tanto, debe vivir en la capa superficial bien iluminada (denominada zona eufótica) de un océano, mar, lago u otra masa de agua. El fitoplancton representa aproximadamente la mitad de toda la actividad fotosintética en la Tierra. Su fijación de energía acumulada en compuestos de carbono (producción primaria) es la base de la gran mayoría de las redes alimentarias oceánicas y también de muchas de agua dulce (la quimiosíntesis es una excepción notable).

Si bien casi todas las especies de fitoplancton son fotoautótrofas obligadas, hay algunas que son mixotróficas y otras especies no pigmentadas que en realidad son heterótrofas (estas últimas a menudo se consideran zooplancton). De estos, los más conocidos son los géneros de dinoflagelados como Noctiluca y Dinophysis, que obtienen carbono orgánico al ingerir otros organismos o material detrítico.

El fitoplancton vive en la zona fótica del océano, donde es posible la fotosíntesis. Durante la fotosíntesis, asimilan dióxido de carbono y liberan oxígeno. Si la radiación solar es demasiado alta, el fitoplancton puede ser víctima de la fotodegradación. Las especies de fitoplancton presentan una gran variedad de pigmentos fotosintéticos que les permiten absorber diferentes longitudes de onda de la luz submarina variable. Esto implica que diferentes especies pueden usar la longitud de onda de la luz de manera diferente y la luz no es un único recurso ecológico sino una multitud de recursos dependiendo de su composición espectral. Así se descubrió que los cambios en el espectro de la luz por sí solos pueden alterar las comunidades naturales de fitoplancton incluso si se dispone de la misma intensidad.Para el crecimiento, las células de fitoplancton también dependen de los nutrientes, que ingresan al océano a través de los ríos, la meteorización continental y el agua de deshielo de los glaciares en los polos. El fitoplancton libera carbono orgánico disuelto (DOC) en el océano. Dado que el fitoplancton es la base de las redes alimentarias marinas, sirve como presa para el zooplancton, las larvas de peces y otros organismos heterótrofos. También pueden ser degradados por bacterias o por lisis viral. Aunque algunas células de fitoplancton, como los dinoflagelados, pueden migrar verticalmente, aún son incapaces de moverse activamente contra las corrientes, por lo que se hunden lentamente y finalmente fertilizan el lecho marino con células muertas y detritos.

El fitoplancton depende de manera crucial de los minerales. Se trata principalmente de macronutrientes como el nitrato, el fosfato o el ácido silícico, cuya disponibilidad se rige por el equilibrio entre la llamada bomba biológica y el afloramiento de aguas profundas ricas en nutrientes. La composición de nutrientes del fitoplancton impulsa y es impulsada por la relación Redfield de macronutrientes generalmente disponibles en la superficie de los océanos. Sin embargo, en grandes áreas de los océanos, como el Océano Austral, el fitoplancton está limitado por la falta del micronutriente hierro. Esto ha llevado a algunos científicos a recomendar la fertilización con hierro como un medio para contrarrestar la acumulación de dióxido de carbono (CO ₂ ) producido por el hombre en la atmósfera.Los experimentos a gran escala han agregado hierro (generalmente en forma de sales como el sulfato de hierro) a los océanos para promover el crecimiento del fitoplancton y atraer el CO ₂ atmosférico al océano. La controversia sobre la manipulación del ecosistema y la eficiencia de la fertilización con hierro ha retrasado tales experimentos.

El fitoplancton depende de las vitaminas B para sobrevivir. Se han identificado áreas en el océano que tienen una gran falta de algunas vitaminas B y, en consecuencia, de fitoplancton.

Los efectos del calentamiento antropogénico en la población mundial de fitoplancton es un área de investigación activa. Se espera que los cambios en la estratificación vertical de la columna de agua, la tasa de reacciones biológicas dependientes de la temperatura y el suministro atmosférico de nutrientes tengan efectos importantes en la productividad futura del fitoplancton.

Los efectos de la acidificación oceánica antropogénica sobre el crecimiento del fitoplancton y la estructura de la comunidad también han recibido una atención considerable. El fitoplancton, como los cocolitóforos, contiene paredes celulares de carbonato de calcio que son sensibles a la acidificación de los océanos. Debido a sus cortos tiempos de generación, la evidencia sugiere que parte del fitoplancton puede adaptarse a los cambios en el pH inducidos por el aumento de dióxido de carbono en escalas de tiempo rápidas (meses a años).

El fitoplancton sirve como base de la red alimenticia acuática, brindando una función ecológica esencial para toda la vida acuática. Bajo condiciones futuras de calentamiento antropogénico y acidificación de los océanos, los cambios en la mortalidad del fitoplancton debido a cambios en las tasas de pastoreo del zooplancton pueden ser significativos. Una de las muchas cadenas alimenticias en el océano, notable debido a la pequeña cantidad de eslabones, es la del fitoplancton que sustenta al krill (un crustáceo similar a un pequeño camarón), que a su vez sustenta a las ballenas barbadas.

Los ciclos de El Niño-Oscilación del Sur (ENOS) en el área del Pacífico Ecuatorial pueden afectar el fitoplancton. Los cambios bioquímicos y físicos durante los ciclos ENSO modifican la estructura de la comunidad de fitoplancton. Además, pueden ocurrir cambios en la estructura del fitoplancton, como una reducción significativa en la biomasa y la densidad del fitoplancton, particularmente durante las fases de El Niño. Debido a que el fitoplancton es sensible a los cambios ambientales, se utiliza como indicador de las condiciones y la salud ecológicas de los estuarios y las costas. Para estudiar estos eventos, se utilizan observaciones satelitales del color del océano para observar estos cambios. Las imágenes de satélite ayudan a tener una mejor visión de su distribución global.

Diversidad

El término fitoplancton abarca todos los microorganismos fotoautótrofos en las redes alimentarias acuáticas. Sin embargo, a diferencia de las comunidades terrestres, donde la mayoría de los autótrofos son plantas, el fitoplancton es un grupo diverso que incorpora procariotas eucariotas y procariotas eubacterianas y arqueobacterianas. Hay alrededor de 5.000 especies conocidas de fitoplancton marino. No está claro cómo evolucionó tal diversidad a pesar de la escasez de recursos (restringiendo la diferenciación de nichos).

En términos numéricos, los grupos de fitoplancton más importantes incluyen las diatomeas, las cianobacterias y los dinoflagelados, aunque están representados muchos otros grupos de algas. Un grupo, los cocolitofóridos, es responsable (en parte) de la liberación de cantidades significativas de sulfuro de dimetilo (DMS) a la atmósfera. El DMS se oxida para formar sulfato que, en áreas donde las concentraciones de partículas de aerosol ambiental son bajas, puede contribuir a la población de núcleos de condensación de nubes, lo que en su mayoría conduce a una mayor cobertura de nubes y albedo de nubes según la llamada Hipótesis CLAW.Diferentes tipos de fitoplancton soportan diferentes niveles tróficos dentro de diferentes ecosistemas. En regiones oceánicas oligotróficas como el Mar de los Sargazos o el Giro del Pacífico Sur, el fitoplancton está dominado por células de tamaño pequeño, llamadas picoplancton y nanoplancton (también conocidas como picoflagelados y nanoflagelados), compuestas principalmente por cianobacterias ( Prochlorococcus, Synechococcus ) y picoeucariotas como como Micromonas. Dentro de ecosistemas más productivos, dominados por afloramientos o aportes terrestres elevados, los dinoflagelados más grandes son el fitoplancton más dominante y reflejan una porción mayor de la biomasa.

Estrategias de crecimiento

A principios del siglo XX, Alfred C. Redfield descubrió la similitud de la composición elemental del fitoplancton con los principales nutrientes disueltos en las profundidades del océano. Redfield propuso que la proporción de carbono a nitrógeno a fósforo (106:16:1) en el océano estaba controlada por los requisitos del fitoplancton, ya que el fitoplancton posteriormente libera nitrógeno y fósforo a medida que se remineraliza. Esta llamada "proporción de Redfield" al describir la estequiometría del fitoplancton y el agua de mar se ha convertido en un principio fundamental para comprender la ecología marina, la biogeoquímica y la evolución del fitoplancton. Sin embargo, la proporción de Redfield no es un valor universal y puede divergir debido a los cambios en la entrega de nutrientes exógenos.y metabolismos microbianos en el océano, como la fijación de nitrógeno, la desnitrificación y el anammox.

La estequiometría dinámica que se muestra en las algas unicelulares refleja su capacidad para almacenar nutrientes en un depósito interno, cambiar entre enzimas con diversos requisitos de nutrientes y alterar la composición de osmolitos. Los diferentes componentes celulares tienen sus propias características estequiométricas únicas, por ejemplo, la maquinaria de adquisición de recursos (luz o nutrientes) como las proteínas y la clorofila contienen una alta concentración de nitrógeno pero baja en fósforo. Mientras tanto, la maquinaria de crecimiento como el ARN ribosómico contiene altas concentraciones de nitrógeno y fósforo.

Según la asignación de recursos, el fitoplancton se clasifica en tres estrategias de crecimiento diferentes, a saber, superviviente, floreciente y generalista. El fitoplancton de supervivencia tiene una alta proporción de N:P (>30) y contiene una gran cantidad de maquinaria de adquisición de recursos para sostener el crecimiento con recursos escasos. El fitoplancton Bloomer tiene una relación N:P baja (<10), contiene una alta proporción de maquinaria de crecimiento y está adaptado al crecimiento exponencial. El fitoplancton generalista tiene una relación N:P similar a la de Redfield y contiene una maquinaria de crecimiento y adquisición de recursos relativamente igual.

Factores que afectan la abundancia

El estudio NAAMES fue un programa de investigación científica de cinco años realizado entre 2015 y 2019 por científicos de la Universidad Estatal de Oregón y la NASA para investigar aspectos de la dinámica del fitoplancton en los ecosistemas oceánicos y cómo dicha dinámica influye en los aerosoles atmosféricos, las nubes y el clima (NAAMES significa el Estudio de Aerosoles y Ecosistemas Marinos del Atlántico Norte). El estudio se centró en la región subártica del Océano Atlántico Norte, que es el sitio de una de las floraciones recurrentes de fitoplancton más grandes de la Tierra. La larga historia de investigación en este lugar, así como la relativa facilidad de acceso, hicieron del Atlántico Norte un lugar ideal para probar las hipótesis científicas predominantes en un esfuerzo por comprender mejor el papel de las emisiones de aerosoles de fitoplancton en el presupuesto energético de la Tierra.

NAAMES fue diseñado para enfocarse en fases específicas del ciclo anual del fitoplancton: mínimo, clímax y la disminución y aumento intermedios de la biomasa, con el fin de resolver los debates sobre el momento de la formación de las floraciones y los patrones que impulsan la recreación de las floraciones anuales. El proyecto NAAMES también investigó la cantidad, el tamaño y la composición de los aerosoles generados por la producción primaria para comprender cómo los ciclos de floración del fitoplancton afectan la formación de nubes y el clima.

Factores que afectan la productividad

El fitoplancton es el mediador clave de la bomba biológica. Comprender la respuesta del fitoplancton a las condiciones ambientales cambiantes es un requisito previo para predecir las futuras concentraciones atmosféricas de CO ₂. La temperatura, la radiación y las concentraciones de nutrientes, junto con el CO ₂, son los principales factores ambientales que influyen en la fisiología y la estequiometría del fitoplancton. La estequiometría o composición elemental del fitoplancton es de suma importancia para los productores secundarios como copépodos, peces y camarones, porque determina la calidad nutricional e influye en el flujo de energía a través de las cadenas alimentarias marinas.El cambio climático puede reestructurar en gran medida las comunidades de fitoplancton, lo que provocará consecuencias en cascada para las redes alimentarias marinas, alterando así la cantidad de carbono transportado al interior del océano.

El diagrama de la derecha ofrece una descripción general de los diversos factores ambientales que, en conjunto, afectan la productividad del fitoplancton. Se espera que todos estos factores experimenten cambios significativos en el futuro océano debido al cambio global. Las simulaciones del calentamiento global predicen el aumento de la temperatura oceánica; cambios dramáticos en la estratificación oceánica, la circulación y cambios en la cubierta de nubes y el hielo marino, lo que resulta en un mayor suministro de luz a la superficie del océano. Además, se prevé que la reducción del suministro de nutrientes coincida con la acidificación y el calentamiento de los océanos, debido a la mayor estratificación de la columna de agua y la reducción de la mezcla de nutrientes desde las aguas profundas hasta la superficie.

Papel del fitoplancton

En el diagrama de la derecha, los compartimentos influenciados por el fitoplancton incluyen la composición del gas atmosférico, los nutrientes inorgánicos y los flujos de elementos traza, así como la transferencia y el ciclo de la materia orgánica a través de procesos biológicos. El carbono fijado fotosintéticamente se recicla y reutiliza rápidamente en la superficie del océano, mientras que una cierta fracción de esta biomasa se exporta como partículas que se hunden a las profundidades del océano, donde está sujeta a procesos de transformación continuos, por ejemplo, remineralización.

Cambios antropogénicos

El fitoplancton marino realiza la mitad de la fijación fotosintética global de CO ₂ (producción primaria global neta de ~50 Pg C por año) y la mitad de la producción de oxígeno a pesar de que solo representa el ~1% de la biomasa vegetal global. En comparación con las plantas terrestres, el fitoplancton marino se distribuye en una superficie más grande, está expuesto a menos variaciones estacionales y tiene tasas de rotación notablemente más rápidas que los árboles (días frente a décadas).Por lo tanto, el fitoplancton responde rápidamente a escala global a las variaciones climáticas. Estas características son importantes cuando se evalúan las contribuciones del fitoplancton a la fijación de carbono y se pronostica cómo puede cambiar esta producción en respuesta a las perturbaciones. La predicción de los efectos del cambio climático en la productividad primaria es complicada por los ciclos de floración del fitoplancton que se ven afectados tanto por el control de abajo hacia arriba (por ejemplo, la disponibilidad de nutrientes esenciales y la mezcla vertical) como por el control de arriba hacia abajo (por ejemplo, pastoreo y virus). Los aumentos de la radiación solar, la temperatura y los aportes de agua dulce a las aguas superficiales fortalecen la estratificación de los océanos y, en consecuencia, reducen el transporte de nutrientes de las aguas profundas a las aguas superficiales, lo que reduce la productividad primaria. Por el contrario, el aumento de CO₂ niveles pueden aumentar la producción primaria de fitoplancton, pero solo cuando los nutrientes no son limitantes.

Algunos estudios indican que la densidad global global de fitoplancton oceánico ha disminuido en el siglo pasado, pero estas conclusiones han sido cuestionadas debido a la disponibilidad limitada de datos de fitoplancton a largo plazo, las diferencias metodológicas en la generación de datos y la gran variabilidad anual y decenal en la producción de fitoplancton. Además, otros estudios sugieren un aumento global en la producción de fitoplancton oceánico y cambios en regiones específicas o grupos de fitoplancton específicos. El índice global de hielo marino está disminuyendo, lo que lleva a una mayor penetración de la luz y potencialmente a una mayor producción primaria; sin embargo, existen predicciones contradictorias sobre los efectos de los patrones de mezcla variables y los cambios en el suministro de nutrientes y las tendencias de productividad en las zonas polares.

El efecto del cambio climático causado por el hombre en la biodiversidad del fitoplancton no se comprende bien. Si las emisiones de gases de efecto invernadero continúan aumentando a niveles altos para el año 2100, algunos modelos de fitoplancton predicen un aumento en la riqueza de especies, o el número de especies diferentes dentro de un área determinada. Este aumento en la diversidad del plancton se debe al calentamiento de las temperaturas oceánicas. Además de los cambios en la riqueza de especies, se espera que los lugares donde se distribuye el fitoplancton se desplacen hacia los polos de la Tierra. Dicho movimiento puede alterar los ecosistemas, porque el fitoplancton es consumido por el zooplancton, que a su vez sustenta la pesca. Este cambio en la ubicación del fitoplancton también puede disminuir la capacidad del fitoplancton para almacenar el carbono emitido por las actividades humanas.

Acuicultura

El fitoplancton es un alimento clave tanto en la acuicultura como en la maricultura. Ambos utilizan el fitoplancton como alimento para los animales que se crían. En la maricultura, el fitoplancton se produce de forma natural y se introduce en los recintos con la circulación normal del agua de mar. En la acuicultura, el fitoplancton debe obtenerse e introducirse directamente. El plancton puede recolectarse de un cuerpo de agua o cultivarse, aunque el primer método rara vez se usa. El fitoplancton se utiliza como alimento para la producción de rotíferos,que a su vez se utilizan para alimentar a otros organismos. El fitoplancton también se usa para alimentar muchas variedades de moluscos cultivados en acuicultura, incluidas las ostras perleras y las almejas gigantes. Un estudio de 2018 estimó el valor nutricional del fitoplancton natural en términos de carbohidratos, proteínas y lípidos en todo el océano mundial utilizando datos satelitales sobre el color del océano, y encontró que el valor calórico del fitoplancton varía considerablemente entre las diferentes regiones oceánicas y entre diferentes épocas del año. año.

La producción de fitoplancton en condiciones artificiales es en sí misma una forma de acuicultura. El fitoplancton se cultiva para una variedad de propósitos, incluido el alimento para otros organismos acuícolas, un suplemento nutricional para invertebrados cautivos en acuarios. Los tamaños de cultivo van desde cultivos de laboratorio a pequeña escala de menos de 1 litro hasta varias decenas de miles de litros para la acuicultura comercial.Independientemente del tamaño del cultivo, se deben proporcionar ciertas condiciones para el crecimiento eficiente del plancton. La mayoría del plancton cultivado es marino, y se puede usar agua de mar con una gravedad específica de 1,010 a 1,026 como medio de cultivo. Esta agua debe ser esterilizada, generalmente ya sea por altas temperaturas en un autoclave o por exposición a la radiación ultravioleta, para evitar la contaminación biológica del cultivo. Se añaden diversos fertilizantes al medio de cultivo para facilitar el crecimiento del plancton. Un cultivo debe airearse o agitarse de alguna manera para mantener el plancton suspendido, así como para proporcionar dióxido de carbono disuelto para la fotosíntesis. Además de la aireación constante, la mayoría de los cultivos se mezclan manualmente o se agitan con regularidad. Se debe proporcionar luz para el crecimiento del fitoplancton. La temperatura de color de la iluminación debe ser de aproximadamente 6500 K, pero se han utilizado con éxito valores desde 4000 K hasta más de 20 000 K. La duración de la exposición a la luz debe ser de aproximadamente 16 horas diarias; esta es la duración del día artificial más eficiente.