Los protistas mixotróficos en la estructura trófica planctónica de lagos Norpatagónicos

Abstract

En ambientes lacustres con una alta relación luz:nutrientes, como son los lagos andinos norpatagónicos, los protistas mixotróficos dominan la producción primaria y conectan la producción microbiana con el zooplancton y los niveles tróficos superiores. La mixotrofía representa en estos ambientes una ventaja para los protistas al poder utilizar no sólo el recurso lumínico sino también al alimentarse del picoplancton que capta la mayor parte de los nutrientes disueltos. La presente Tesis Doctoral tuvo como pregunta central determinar el papel de los protistas mixotróficos en la red trófica planctónica de los lagos andinos norpatagónicos frente a cambios ambientales que afectan la disponibilidad de sus recursos (luz, nutrientes y presas) y la presencia de depredadores. Por lo tanto, el objetivo general fue analizar y modelar algunas de las interacciones que ocurren entre los protistas mixótrofos con variables bióticas y abióticas en lagos andinos norpatagónicos. Para abordar estos estudios, se combinaron experimentos de campo y de laboratorio con formulaciones matemáticas e inferencia bayesiana, procurando modelar las estrategias nutricionales de los mixótrofos frente a distintas variables bióticas y abióticas. La Tesis fue organizada en cinco capítulos. En el primer capítulo se presentan y se introducen los conceptos teóricos enfocándolos hacia la pregunta de esta Tesis; asimismo se presentan el objetivo general, los objetivos específicos, y las hipótesis. En particular, se tratan aspectos relacionados con la ventaja de la mixotrofía como estrategia en ambientes pobres en nutrientes, los vínculos con niveles tróficos superiores y la importancia de modelar las interacciones con formulaciones matemáticas y el empleo de estos modelos en ecología. Los protistas mixotróficos pueden ser clasificados en mixótrofos constitutivos (CM) que tienen una capacidad fotosintética innata y mixótrofos no constitutivos (NCM) que la adquieren de sus presas. Esta diferencia entre grupos funcionales podría verse reflejada en el equilibrio fototrofia-fagotrofia frente a distintas condiciones de luz subacuática (irradiancia). En el segundo capítulo se analiza y modela el efecto de la luz sobre el balance fototrofía:fagotrofía de un CM (el nanoflagelado Chrysochromulina parva) y un NCM (el ciliado Ophrydium naumanni). Se desarrollaron modelos para la fototrofia y fagotrofia de estos protistas mixotróficos en función de la irradiancia. Los modelos propuestos se ajustaron con datos de producción primaria y bacterivoría provenientes de experimentos de laboratorio y de campo. La capacidad predictiva de estos modelos se evaluó con la técnica de validación cruzada. Tanto para la fototrofia como para la fagotrofia se obtuvieron respuestas no monotónicas en función a la irradiancia en ambos tipos de mixótrofos. Cuando los modelos fueron ajustados con los datos experimentales, se observó que los valores máximos de fototrofia y fagotrofia se encontraron a irradiancias intermedias coincidiendo con el nivel de luz al que se encuentran los picos profundos de clorofila en estos lagos. La combinación de los modelos con los datos experimentales reveló diferencias en el balance fototrofía:fagotrofía entre ambos grupos funcionales de mixótrofos. En el caso de los CM la fototrofía y la fagotrofía se encuentran acopladas a lo largo del gradiente lumínico. Por el contrario, el ciliado como representante de un NCM mostró un fuerte desacople de las dos funciones a irradiancias medias y altas. En el tercer capítulo de esta Tesis, se analizó y modeló el efecto de las arcillas glaciares en la bacterivoría de los nanoflagelados mixótrofos (MNF) teniendo en cuenta su doble efecto: atenuación del ambiente lumínico e interferencia directa en la fagotrofía. Se desarrolló un modelo de fagotrofía incluyendo un factor de interferencia por partículas no comestibles (arcillas). Se realizaron series de experimentos para cuantificar el efecto de la atenuación lumínica, la interferencia y finalmente el efecto conjunto de ambos factores. Se utilizó inferencia bayesiana para calibrar los parámetros del modelo a partir de información previa y los experimentos de bacterivoría in situ. Finalmente, se evaluó la capacidad predictiva de nuestro modelo con experimentos independientes de la calibración. Estos experimentos de bacterivoría se realizaron en el lago proglaciar turbio (lago Frías) durante primavera y verano, lo que permitió analizar diferentes condiciones de luz y concentraciones de arcillas. Tanto los experimentos como el modelo mostraron un decaimiento exponencial de la bacterivoría frente al incremento en la concentración de arcilla. El modelo también demostró que el efecto no monotónico de la luz sobre la bacterivoría se reduce a medida que aumenta la concentración de arcilla. Por otra parte, nuestro modelo predijo con éxito el efecto combinado de la disponibilidad de luz y la interferencia directa por partículas sobre la bacterivoría, cuando se compararon los datos ajustados del modelo con los experimentos independientes del lago Frías. En el cuarto capítulo se analizan los efectos del pastoreo y el reciclado de nutrientes por parte de dos especies contrastantes de zooplancton (el cladócero Diaphanosoma chilense y el copépodo Boeckella gibbosa) sobre el bucle microbiano y, en particular, sobre los MNF. En las redes tróficas planctónicas, el zooplancton actúa como sumidero de nutrientes al incorporarlos a su biomasa a través de la depredación, y como fuente al liberar nutrientes disueltos con la excreción. En este sentido, los cladóceros y los copépodos tendrían diferentes efectos en el bucle microbiano al alimentarse de presas de diferentes tamaños y liberar distintas cantidades de fósforo (P). Se realizaron experimentos de incubación in situ en el lago Los Cántaros, evaluando por separado los efectos del pastoreo y el reciclado de nutrientes y utilizando la comunidad microbiana natural y los dos zoopláncteres mencionados. Luego, se desarrolló un modelo de dinámica del plancton en función del P que fue parametrizado con los resultados de nuestro experimento y con información previa utilizando un enfoque bayesiano. Se encontró que D. chilense se alimentó principalmente de picoplancton y mostró una baja tasa de liberación de P, mientras que B. gibbosa consumió nanoflagelados y algas y liberó mayores cantidades de P. En consecuencia, D. chilense redujo el contenido de P de los MNF mientras que B. gibbosa lo aumentó. De manera independiente se realizó un experimento de excreción de los zoopláncteres que se utilizó para verificar la capacidad predictiva del modelo. El modelo desarrollado permitió estimar tasas de excreción de P del zooplancton, así como el contenido de P de los compartimentos del bucle microbiano a partir de su biomasa y la concentración de P disuelto y particulado. Nuestros resultados ubican a los MNF como un compartimento altamente sensible a estructuras zooplanctónicas contrastantes, en especial respecto a la adquisición y almacenamiento de nutrientes limitantes, como el P. Finalmente, en el quinto capítulo se incluyen las conclusiones finales de la Tesis. La conclusión final señala que los mixótrofos se ven afectados por una combinación de factores ambientales, bióticos y abióticos, como cambios en la luz, la presencia de partículas no comestibles y distintas estructuras del zooplancton. Por otra parte, la respuesta a estos efectos puede encontrarse en el balance entre sus estrategias nutricionales, su abundancia o su contenido de nutrientes esenciales como el fósforo. Los modelos mecanicistas formulados en esta Tesis permitieron la evaluación de dinámicas del plancton frente a estas condiciones variables por lo cual consideramos que esta Tesis aportaría al desarrollo de la teoría cuantitativa sobre las interacciones de los mixótrofos en la red trófica planctónica.

In freshwater systems with high light:nutrient ratios, such as North Patagonian Andean lakes, mixotrophic protists dominate primary production and connect microbial production with zooplankton and higher trophic levels. Mixotrophy represents an advantage for protists in these environments since they can use both, light and feeding on picoplankton which uptakes most of the dissolved nutrients. This PhD Thesis aimed to determine the role of mixotrophic protists in the planktonic food web of north Patagonian Andean lakes facing environmental changes that affect the availability of their resources (light, nutrients and prey) and the presence of predators. Therefore, the main goal was to analyse and model some interactions between mixotrophic protists and biotic and abiotic variables in north Patagonian Andean lakes. To assess this, field and laboratory experiments were combined with mathematical formulations and Bayesian inference to model the nutritional strategies of mixotrophs affected by different biotic and abiotic variables. This PhD Thesis was organized into five chapters. In the first chapter, the theoretical concepts are presented followed by the general and specific objectives and the main hypotheses. In particular, we discussed aspects related to the advantage of mixotrophy as a strategy in oligotrophic environments, the links with higher trophic levels, the importance of modelling interactions with mathematical formulations and the use of these models in ecology. Mixotrophic protists can be classified into constitutive mixotrophs (CM) that have an innate photosynthetic capacity and non-constitutive mixotrophs (NCM) that acquire it from their prey. This difference between functional groups could be reflected in the phototrophy:phagotrophy balance under different underwater light conditions (irradiance). In the second chapter, I analysed and modelled the effect of light on the phototrophy:phagotrophy balance of a CM (the nanoflagellate Chrysochromulina parva) and a NCM (the ciliate Ophrydium naumanni). Models for phototrophy and phagotrophy of these mixotrophic protists were developed as a function of irradiance. The proposed models were adjusted with primary production and bacterivory data from laboratory and field experiments. The predictive accuracy of these models was evaluated using the cross-validation technique. For both phototrophy and phagotrophy, non-monotonic responses were obtained as a function of irradiance in both functional types of mixotrophs. When the models were adjusted with the experimental data, it was observed that the maximum values of phototrophy and phagotrophy were found at intermediate irradiances, matching the light level at the deep chlorophyll maximum in these lakes. The models fitted with the experimental data revealed differences in the phototrophy:phagotrophy balance between both mixotrophic functional groups. In the case of the CM, phototrophy and phagotrophy were coupled along the light gradient. In contrast, the NCM ciliate showed a strong decoupling of both functions at intermediate and high irradiances. In the third chapter, I analysed and modelled the effect of glacial clay on the bacterivory of mixotrophic nanoflagellates (MNF) considering their double effect: light attenuation and direct interference in phagotrophy. For this purpose, I develop a phagotrophy model including an interference factor for non-edible particles (glacial clay). Then, different experiments were carried out to quantify the effect of light attenuation, interference and their joint effect. I applied Bayesian inference to calibrate the model parameters using prior information and the in situ bacterivory experiments. Finally, the predictive accuracy of our model was evaluated with independent experiments. These bacterivory experiments were carried out in the turbid proglacial lake (Frías) during spring and summer, which allowed us to analyse different light conditions and clay concentrations. Both the experiments and the model showed an exponential decay of the bacterivory with the increase in the glacial clay concentration. The model also showed that the non-monotonic effect of light on bacterivory is reduced as clay concentration increases. Moreover, our model successfully predicted the combined effect of light availability and direct particle interference on bacterivory in the independent experiments from Lake Frías. In the fourth chapter, I analysed and modelled the effects of grazing and nutrient recycling of two contrasting species of zooplankton (the cladoceran Diaphanosoma chilense and the copepod Boeckella gibbosa) on the microbial loop and, in particular, on MNF. In planktonic food webs, zooplankton act as a sink for nutrients by incorporating them into their biomass through predation, and as a source by releasing dissolved nutrients through excretion. In this sense, cladocerans and copepods would have different effects on the microbial loop by feeding on prey of different sizes and releasing different amounts of phosphorus (P). In situ incubation experiments were carried out in Lake Los Cántaros where the effects of grazing and nutrient recycling were assessed separately using the natural microbial community and the two zooplankters mentioned above. Then, a model of plankton dynamics as a function of P was developed and parameterized with the results of our incubation experiments and prior information using a Bayesian approach. We found that D. chilense fed mainly on picoplankton and showed low P release, while B. gibbosa consumed nanoflagellates and algae and showed high P release. Consequently, D. chilense reduced the P quota of the MNF while B. gibbosa increased it. Excretion experiments of the two zooplankters were carried out independently and used to test the predictive accuracy of the model. The developed model estimated zooplankton P excretion rates, as well as the P quota of the microbial loop compartments from their biomass and the concentration of dissolved and particulate P. Our results place MNF as a highly sensitive compartment to different zooplanktonic structures, especially regarding their acquisition and storage of limiting nutrients, such as P. Finally, in the fifth chapter, I included the final conclusions of the Thesis. The final conclusion indicates that mixotrophs are affected by a combination of environmental factors both, abiotic and biotic, such as changes in light, the presence of inedible particles and different zooplanktonic structures. On the other hand, the response of mixotrophs to these effects can be found in the balance between their nutritional strategies, their abundance and their nutrient quota. The mechanistic models formulated in this Thesis allowed the evaluation of plankton dynamics in these variable conditions, contributing to the development of quantitative theory on the interactions of mixotrophic protists in the planktonic food web.