Fitoplancton de aguas continentales: biología y ecología

Fitoplancton de aguas
continentales:
biología y ecología
Docentes:
Dra. Sylvia Bonilla
Dr. Luis Aubriot, Dra. Carla Kruk, Dra. Gissell Lacerot,
MsC Leticia Vidal
Docentes invitados:
Dra. Dermot Antoniades y Dra. Claudia Piccini

CLASE 1, Lunes 29 DE MAÑANA
Presentación, modalidad del curso.
Cronograma, grupos de trabajo, modo de evaluación, informes y
examen
Qué es el fitoplancton? Características generales.
Definiciones, rangos de tamaños. Fito límnico.
Problemática. Cianobacterias en un mundo cambiante (intro breve).
Son organismos muy antiguos pero que siguen siendo exitosos.
Ejemplo especial en el fito: alcanzan los tres niveles de organización.
Qué pasa con el cambio climático y la eutrofización?
Origen y evolución de los principales grupos fitoplanctónicos. Líneas
evolutivas.
Línea roja y verde. Cuáles son las diferencias entre los principales
grupos? Cuáles son las convergencias (morfológicas y fisiológicas)?
Que implicancias tiene para el fito que hayan varias líneas

d 9.00 – 12.30 h 14.00 – 17.30 h
l 29 Presentación, modalidad del curso.
Qué es el fitoplancton? Características generales.
Problemática. Cianobacterias en un mundo
cambiante (intro breve). Origen y evolución de los
principales grupos fitoplanctónicos. Líneas
evolutivas.
Fitoplancton: factores condicionantes.
m
30
Bonilla
Cyanobacteria: grupos, distribución, toxicidad,
floraciones eco-estrategias. Métodos de prevención
y control de floraciones tóxicas. Bonilla
m 1 Salida de campo 7.00 h Maldonado Salida de campo –Regreso
j 2 Clase práctica EN LABORATORIO
Inicio de experimentos (zooplancton: Ceriodaphnia-
Lacerot-Bonilla y nutrientes limitantes: Anabaena-
Bonilla)
Análisis químicos I (Laguna-Aubriot) Observación de
muestras en microscopio I (Synedra-Kruk-Vidal)
v 3 Aspectos fisiológicos: luz, producción primaria;
Nutrientes C, N, P, Si (concepto de nutriente
limitante). La hipótesis GRH (growth rate
hypothesis) y el fitoplancton. Aubriot
s 4 ESTUDIANTES: seguimiento de los experimentos
nutrientes limitantes (Anabaena-Bonilla)
d 5 ESTUDIANTES: seguimiento de los experimentos
nutrientes limitantes (Anabena-Florencia Sarthou)
CRONOGRAMA SEMANA I
14:15- 15:15 Taller 1: Metodologías para el estudio de
fitoplancton (muestreo, análisis de muestras):
1. muestreo, fijación y conservación Kruk
2. principios de la determinación de clorofila Aubriot
15:30 – 17:00 Taller 2: Planteamiento de hipótesis y objetivos
para el trabajo en el campo y laboratorio. Bonilla
14:00 – 14:45 Seminario especial (30 min + 15 min
discusión): Fitoplancton como herramienta para aplicar un índice
de integridad biológica en ambientes acuáticos amazónicos. Palma
15:00- 17:30 Taller 3: Preparación de la salida de campo y
experimentos.
Clase práctica
Análisis químicos I (Laguna-Aubriot)
Observación de muestras en microscopio I (Synedra-Kruk-Vidal)
Planillado y análisis de datos (todos los grupos)
Aspectos fisiológicos: Tipos y papel de los pigmentos 1 h Bonilla
Clase práctica
Fin de los experimentos de zooplancton (Ceriodaphnia-Lacerot)
Seguimiento de los experimentos de nutrientes limitantes
(Anabaena-Bonilla)
Conteo al microscopio (Synedra-Kruk-Vidal)
Análisis químicos II (Laguna-Aubriot)
Análisis de clorofila por extracción (Synedra-Bonilla)
Análisis de datos (todos los grupos)

d 9.00 – 12.30 h 14.00 – 17.30 h
l 6 La importancia de la forma y el tamaño.
Mecanismos evolutivos y adaptativos de regulación.
Peculiaridades del picoplancton Kruk
m 7 Depredación: tipos de depredadores y preferencias
alimentarias. Respuestas y defensas del
fitoplancton. El zooplancton como factor
estructurador del fitoplancton. Cascada trófica,
controles top-down y bottom-up. Lacerot
m 8 Estructura y proceso de ensamblaje comunitario.
Estrategias de vida, eco-estrategiasy grupos
funcionales. Aplicaciones a predicción de
floraciones. Kruk
j 9 Competencia o co-existencia? Paradoja del
plancton. Mutualismo, Facilitación, Parasitismo
Neutralidad Emergente. Flexibilidad adaptativa y
coexistencia de especies. Aubriot & Kruk
v10 Seminario: Presentación final de estudiantes y
discusión general de los resultados. Cada grupo
presentará sus resultados en formato de seminario.
Deberán entregar además las planillas con todos los
datos para centralizar la información y distribuírla
entre todos
Aubriot, Kruk, Lacerot, Vidal
l 13 Examen y entrega de los informes
CRONOGRAMA SEMANA II
Clase práctica
Fin de los experimentos de nutrientes limitantes (Anabaena-Bonilla)
Análisis de datos (todos los grupos)
Taller 3:
14:00- 15:00 Análisis de datos Kruk
15:00-16:00 Bases para la escritura de manuscritosBonilla
16:00 -17:30 ESTUDIANTES: análisis de datos y preparación de
seminario (todos los grupos).
ESTUDIANTES: análisis de datos y preparación de seminario (todos
los grupos)
Conferencia 1
Filogenia. Métodos moleculares de estudio del fitoplancton Piccini
Conferencia 2
Cambios en escala geológica: cambio climático y fitoplancton
Antoniades
Seminario: Discusión general e integración de los resultados
obtenidos por los equipos.
Principales resultados, esquema del informe y futuro artículo
científico.
Aubriot, Kruk, Lacerot, Vidal

1- Clases teóricas: expositivas y participativas (trabajos en grupos: análisis
de artículos o datos)
2- Actividades prácticas: salida de campo, análisis de laboratorio,
experimentos, taller final (trabajo en grupos)
3- Informe escrito final con formato de artículo científico (trabajo en
grupo)
4- Examen escrito individual
Grupos de trabajo:
1- Synedra
2- Ceriodaphnia
3- Laguna
4- Anabaena
Horarios:
9.00 – 12-30 h y 14.00 a 17.30 h
salida de campo: 7.00 a 15.00 h
Modalidad del curso
EVALUACIÓN
Informe final escrito (grupal) 55%
Examen final individual escrito 30%
Trabajo
campo
individual en laboratorio y 10%
Asistencia y puntualidad 5%

Niveles
de organización:
I-Molecular y
bioquímico
II-Organísmico
III-Comunitario
diversidad
Ej. sistemas
1 2 3 4
Lago eutrófico: Río turbio:
Grupos 1 y 2 Grupos 3 y 4
Tiempo de
respuesta

Qué es el fitoplancton?
Larson

Cuáles son los principales problemas en
la vida de un fitoplanctonte?
Zeu/Zmix
Ganancias recursos (luz, nutrientes)
Pérdidas depredación, sedimentación

Limitación por recursos
Menos nutrientes
Combinación de factores abióticos
ideal
Lagos
eutróficos
Lagos
mesotróficos
Lagos someros
hipereutróficos
Lagos oligotróficos profundos
Limitación energética
Menor irradiancia, mayor
mezcla, mayor turbidez
Estratificación de verano Mezcla de invierno
desierto
Modificado de Reynolds 2006

Fitoplancton: clases de tamaño
picoplancton
(0,2-2 µm)
nanoplancton
(2-20 µm)
microplancton
(20-200 µm)
mesoplancton
(200 µm –2000 µm)
Tomado de Reynolds 1996

Fitoplancton: niveles de
organización
células, colonias y
filamentos

Fitoplancton: niveles de organización
100 µm
El nivel de organización unicelular es el
más exitoso en el fitoplancton
Closterium (clorofita) y diatomea
pennada
100 µm
Ceratium hirundinella
(dinoflagelado)

GRUPOS ALGALES CON REPRESENTACIÓN EN EL FITOPLANCTON
Grupo filogenético Divisiones/Clases S. LÍMNICOS S. MARINOS
PROCARIOTAS Bacteria Cyanobacteria
Cyanob. con Clo-b
EUCARIOTAS ESTRAMENOPILOS Diatomeas
Chrysophyceae
Raphidophyceae
Eustigmatophyc.
Pelagophyceae
Silicoflagelados
Cryptophyta
DISCICRISTATA Euglenoideos
ALVEOLATA Dinoflagelados
VIRIDIPLANTAE Chlorophyceae
Importante Ausente o escaso
Prasinophyceae
Conjugatophyceae
Glaucophyta
Poco importante, o menor diversidad, o distribución

Fitoplancton : niveles de organización
Grupo filog. Divisiones/Clases Unicelular Colonial Filamentoso
Bacteria Cyanobacteria *
Cyanob. con Clo-b
ESTRAMENOPILA Diatomeas
Chrysophyceae
Cryptophyta
DISCICRISTATA Euglenoideos
ALVEOLATA Dinoflagelados
VIRIDIPLANTAE Chlorophyceae **
Prasinophyceae
Conjugatophyceae
Chromista: Cryptophyta + Estramenopila
“División del trabajo”:
*: diferenciación de células especializadas y vegetativas
(heterocistos y acinetes)
**: células reproductoras y vegetativas

Cuando
empezó
esta
historia?
La Tierra
en el
Precámbrico
G. Paselk, mural,
Natural History Museum
of the Smithsonian
Institute

Origen de las
cianobacterias y
algas eucariotas
Aparición de las
cianobacterias:
evento más
importante en la
evolución de la vida
en la tierra
Tomado de Graham&Wilcox 2000
presente
Cenozoico
Mesozoico
Paleozoico
Precámbrico
EUCARIOTAS MULTICELLULARES
CÉLULAS EUCARIOTAS
Surge FOTOSÍNTESIS
AERÓBICA, Cyanobacteria
Procariotas heterótrofos
Evolución orgánica
Evolución química
Formación de la Tierra
OXÍGENO
OXÍGENO originado por
FOTOSÍNTESIS
ATMÓSFERA SIN OXÍGENO
OXÍGENO ACUMULADO EN ATMÓSF.

Cianobacterias
1- Organismos muy antiguos pero que siguen siendo
exitosos. En particular: fitoplancton
2- Alcanzan los tres niveles de organización en el
fitoplancton
3- Floraciones: Qué pasa con el cambio climático y la
eutrofización?

Floraciones de cianobacterias: un
fenómeno muy antiguo
Fosiles de 47 millones de años
Lago Messel,
Alemania:
Mortalidad
masiva de
mamíferos
Propalaeotherium
Ca 1000 años atrás, general Zhu Ge-Ling:
muertes de soldados que bebieron agua de un río
“verde” en el sur de China.
Estructura de sedimentos
sugiere floraciones de
cianobacterias
(W. von Koenigswald)
2004 ScienceDaily 306, p. 1469,
doi: 10.1126/science.306.5701.1469a
1878, Australia, George Francis: mortalidad de animales domésticos en
aguas con “grumos pastosos y verdes”.
Chorus & Bartram 1999

Floraciones de cianobacterias: también un
fenómeno natural
Lago Whitemere,
Inglaterra Z m=14 m,
area= 22.5 ha
- Estratificación
- N/P baja
-CO 2 baja
Anabaena
circinalis,
Microcystis
100
860
6540
Years BP
210 Pb/ 14 C dates
Kilinic & Moss 2002 Fresh Biol 47, McGowan et al 1999 Limnol Oceanog 44

Porcentaje de la biomasa
total fitoplactónica (%)
Eutrofización, cambio climático y
cianobacterias
Tomado de Watson et al 1997

Eutrofización, cambio climático y
cianobacterias
Tomado de Wagner & Adrian 2009

Eutrofización, cambio climático y
cianobacterias
Factores derivados del cambio climático:
+ temperatura + estabilidad de la columna de agua +
estratificación (duración)
Por encima de 3 semanas de estratificación: cianobacterias
Tomado de Wagner & Adrian 2009

PAUSA

Sistemas de alveolos
corticales por debajo de
membrana celular
Filogenia de consenso para
algas eucariotas
Flagelos
diferentes, uno
con pelos
tripartitos
huecos:
estramenopilo
Crestas
mitocondriales
discoides

Cuán antiguos son los grupos de algas?
Registro fósil más
antiguo
Bangiomorpha:
1.2 billones de años
Tomado de:
South & Whittick 1987,
Graham & Wilcox 2009

Origen de las algas eucariotas
•Origen del plasto endosimbiosis
Endosimbiosis primaria, secundaria y terciaria
•Diferentes tipos de endosimbiosis consecuencias en
la diversificación filética de los principales grupos algales
Tomado de Falkowski et al 2004

CLOROPLASTOS con dos membranas
RIBOSOMAS
ALMIDÓN
intraplastidial
Consecuencias de la
endosimbiosis primaria:
Tilacoides en bandas
TILACOIDES
(en grana)
Solo en algunos
grupos de algas
verdes
DOBLE MEMBRANA
del cloroplasto
ADN
membranas
tilacoides
grana
stroma

Endosimbiosis secundaria:
euglenoides, dinoflagelados
y cromistas
N
NM: nucleomorfo
Gymnochlora, Chlorarachniophyta (protista
pigmentado, relac. con amebas)
Procariota fotosintetizador
Eucariota fagótrofo
Eucariota
fotosintetizador
Plástido primario
2 Nd eucariota
fagótrofo
2 nd Eucariota
fotosintetizador
Plástido
secundario;
con 4
membranas
Tomado de Graham&Wilcox 2000

PLASTO
TERCIARIO:
Reducción del
Endosimbionte,
Cloroplasto 4
membranas
Endosimbiosis 3ra
Endosimbiosis 2nda
cyanobacteria
Endosimbiosis terciaria
DINOFLAGELADOS
Endosimbiosis primaria
Tres líneas de dinoflagelados con
plastos terciarios:
(i) Karlodinium micrum, Karenia
brevis, K. mikimotoi plasto
haptophyta-derivado
(ii) Dinophysis spp plasto
plasto cryptophyta-derivado
(iii) Peridinium balticum y P.
foliaceum plasto heterocontaderivado
(Bodyl 2005)
Tomado de Graham&Wilcox 2000

euglenoides, dinoflagelados y cromistas
Endosimbiosis
secundaria
EUGLENOIDEOS
Reducción del
Endosimbionte, pérdida de 1 membrana:
Cloroplasto 3 membranas
Tomado de Graham&Wilcox 2000 Variaciones en la endosimbiosis secundaria:

ORIGEN DE LAS ALGAS EUCARIOTAS
DOS GRANDES LÍNEAS EVOLUTIVAS:
LÍNEA VERDE Algas verdes (Chlorophyta)
•Clorofila-b
•Reservas de polímeros de glucosa (paramilon o almidón)
LÍNEA ROJA Algas rojas
Euglenoides, algunos dinoflagelados
Euglenoides, Dinoflagelados, Cromistas
Gran diversificación:
•Clorofila-c (Clo-c 2, Clo-c 1 y c 3), fucoxantina, ficobilinas (en Cryptophyceae)
•Reservas variadas y otras variaciones

Discicristata
Alveolata
Líneas
evolutivas,
fitoplancton
eucariota
Genoma nuclear:
“mosaico de
genes”
Tomado de:
Falkowski et al 2004
Science 305,
Green 2010
Photosynt Rev
HETEROCONTAS
(estramenopilo)=
diatomeas +
Haptophyceae,
Chrysophyceae

CONSECUENCIAS DEL ORIGEN POLIFILÉTICO
Requerimientos estequiométricos:
Composición química diferente:
% del peso
seco
C N P
Cyanobacteria 46 - 49 8 - 11 0.7 - 1
Chrysophyceae 3 - 5 2
Chlorophyta 49 - 56 2 - 7 1.2 - 3
Tomado de Reynolds 1984
Macronutrientes (C:N:P)
reflejan ancestro heterótrofo hospedante
Micronutrientes reflejan el plástido adquirido
% del peso seco Proteínas Carbohidr. Lípidos
Cyanobacteria 58 ± 9.4 6.4 ± 2.7 18 ± 7.3
Chlorophyta 44 ±19.8 13.3 ± 6.3 25 ±
16.7
Estudio comparativo de un grupo de especies
de clorofitas y cianobacterias (Tomado de
Becker 2006)

CONSECUENCIAS DEL ORIGEN
POLIFILÉTICO
Capacidades fisiológicas diferentes:
Ribulosa 1, 5 bifosfato, carboxilasa
Como CARBOXILASA:
RUBISCO + CO 2 + H 2O 2 Ac.Fosfoglicérido
Como OXIGENASA:
RUBISCO + O2 1 Ac.Fosfoglicérido + fosfoglicolato
RUBISCO: quién tiene mayor afinidad por CO 2?
Constantes de saturación media (K) de la Rubisco:
•Plantas K m=10 µmol
•Algas Eucariotas (variable entre grupos) K m=45-70µmol
•Cyanobacteria K m= 80-300µmol

CONSECUENCIAS DEL ORIGEN POLIFILÉTICO
Gran diversidad a nivel celular:
1. Cubiertas celulares
2. Plastos: membranas, disposición de tilacoides,
pirenoide; forma y número
3. Tipo de reserva: ubicación y compuestos
(variadas formas de almidón o lípidos)
4. Flagelos: número y tipo; con o sin pelos,
escamas, membranas
5. Pigmentos: clorofilas, carotenoides
(carotenos y xantofilas) y ficobilinas
6. Otros metabolitos, ej.: toxinas

Consecuencias del origen polifilético:
diferencias en la tasa de crecimiento, reproducción y duración
de los ciclos de vida
Ejemplo: tasas de crecimiento vegetativo (división celular)
calculadas para organismos teóricos con tamaño similar (1µm 3 ):
Dinoflagelados 1.41 µmax d -1
Diatomeas 2.92 µmax d -1
División celular
Reproducción y ciclos de vida
Tomado de Irwin et al 2006 y Banse 1976

División celular
Tres tipos de cariocinesis según la membrana
nuclear permanezca:
• INTACTA (“CERRADA”)
• PERFORADA
• ABIERTA (membrana desaparece)
Membrana intacta en
Núcleos “mesocariontes”
DINOFLAGELADOS,
EUGLENOPHYCEAE,
CRYPTOPHYCEAE)
con cromosomas
condensados siempre

Reproducción y Ciclos de vida
La reproducción sexual falta en algunos grupos
Involucra dos procesos:
1- SINGAMIA: plasmogamia y cariogamia
2- MEIOSIS
Cómo es la singamia y dónde ocurre la meiosis gran diversidad en algas
Singamia:
ISOGAMIA
ANISOGAMIA (morfológica y/o
fisiológica)
OOGAMIA
AUTOGAMIA
Meiosis (frecuentes en
fitoplancton):
CIGÓTICA
GAMÉTICA

Principales grupos
• Cyanobacteria
• Euglenophyta – Discicristata
• Cryptophyta
• Ochrophyta – Estramenopilas
- Chrysophyceae
- Diatomeas
• Dinoflagelados – Alveolata
• Chlorophyta - Viridiplantae
CHROMISTA

Pared celular (4 capas) tipo Gram -
(mureína, peptidoglucano)
vaina
plasmalema
tilacoides
ficobilisomas
Cyanobacteria
Vesículas de gas
Cuerpos poliédricos
(carboxisoma)
AND fibrilar
Cianoficina (reserva)
• Organismos procariotas
• Pared celular verdadera
• NO tienen flagelos
• Vacuolas de gas y fijación de N 2
vacuola
Cyanobacteria (ex-
Prochlorophyta)
Tilacoides apilados
Cuerpos poliédricos
(carboxisoma)

Filogenia
Tomado de Graham et al 2009
Cyanobacteria
No hay
representantes
en el plancton

Euglenophyta- Discicristata
Solamente 1/3 del grupo tiene cloroplastos
Mixotrofía y heterotrofía: común
Unicelulares
Cubierta celular:
película proteica interna, o tecas
Clorofila a, b
Sust. de reserva: Paramilon, en el citoplasma
Flagelos: 2 (uno corto o atrofiado)
Con pelos fibrilares simples.

Euglenophyta
FLAGELO grueso
Con mastigonemas
Mitocondria
Con crestas en disco
DISCICRISTATA
ESTIGMA
FOTORECEPTOR
Cloroplasto
C/3 membranas, ER
no contectada con
núcleo
película
reservorio

Euglenophyta - película
Patrón helicoidal
Película proteica “plegable”:
se puede contraer y extender
(en algunos)
Red de microtúbulos
Microtúbulos
(tubulina)
Membrana
plasmática
Película
proteica

• Cyanobacteria
Principales grupos
• Euglenophyta – Discicristata
• Cryptophyta
• Ochrophyta – Estramenopilas
- Chrysophyceae
- Diatomeas
• Dinoflagelados – Alveolata
• Chlorophyta - Viridiplantae
CHROMISTA

Ochrophyta
Estramenopilo: pelos flagelares tripartitas
Tomado de Graham et al 2009

Crypto = del griego, escondido
vestíbulo
Periplasto
Ejectisoma
grande
Núcleo
Cryptophyta
Flagelos con pelos
Poro
Ejectisoma
pequeño
RE
PLASTO,
RE -núcleo
almidón
Nucleomorfo
Pirenoide
- Generalmente unicelulares, desnudas
(periplasto)
- 2 flagelos desiguales subapicales
(c/mastigonema)
- Nucleomorfo
- Reserva en el citoplasma
- Ejectisomas
M: mitocondrión, Gu: vestíbulo,
CV: vacuola, Rs: raíces flagelares
Cloroplasto con
tilacoides pareados y
lumen

Ochrophyta
Estramenopilo: pelos flagelares tripartitas
Pelos flagelares huecos = mastigonema
Pelos flagelares huecos tripartitas = estramenopilo
3- ZONA TERMINAL ESTRAMENOPILO
2- ZONA MEDIA
1- ZONA BASAL
FLAGELO
Pelos flagelares:
efecto hidrodinámico
debido a su posición 90°.
Actúan como “paletas”.
Ej. Ochromonas

Bacillariophyceae - Ochrophyta –
Heterokonta (stramenopile) - Chromista
Frústulo 95% sílice : cuarzita (SiO 2
nH2O), trazas de: Al, Mg, I, titanio; fina
capa de Aa y azúcares
EPIVALVA
cinturas
conectivas
HIPOVALVA
nódulo
central
rafe
nódulo
polar
Cuando se produce una nueva valva?

Bacillariophyceae - Ochrophyta –
Heterokonta (stramenopile) - Chromista
Jurásico (200 -150 ma), cálido sistemas someros, humedales
“Ur-diatomeas”
Diatomeas céntricas
Pennadas (140-65 ma.)
Pennadas: RAFE (65 – 56 ma.), grupo monofilético
Tomado de Graham et al 2009
Sims et al 2006

tricocistos
Dinophyta-Alveolata
núcleo
• Unicelulares o coloniales
• 2 flagelos heterocontas
• Pared: placas celulósicas
• La mayoría:heterótrofos
• Mixotrofia: fagotrofía
• Toxicidad desarrollada
Teca: placas celulósicas por debajo
de la membrana plasmática en
vesícula (AMFIESMA)
Plasto
Peridinium sp.

Dinoflagelados: pared celular
Placas celulósicas en vesícula
Poro de tricocisto
microtúbulos
Ceratium sp.
Diversas vesículas:
SIN placas (a, b, c): desnudos
CON placas (d, e, f): tecados
Tomado de Graham & Wilcox 2000

Ciclos de vida en el fitoplancton
ejemplo: CICLO
MONOBIÓNTICO
DIPLOIDE
En:
diatomeas

Cloroplasto
(2 membr.)
Nucleo
Pirenoide
C/reserva
Chlorophyta – Viridiplantae
Flagelos: 2 IGUALES, APICALES, LISOS
Cloroplasto en
copa, tilacoides
apilados grana
Almidón
Pared verdadera
Pared: matriz
fibrilar celulósica
embebida en
material amorfo
(2 a 7 capas)
Chlamydomonas sp.