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Influencia recíproca Influencia recíproca (feedback) entre la (feedback) entre la
mineralización del carbono mineralización del carbono bentónico y la estructura de bentónico y la estructura de
la comunidadla comunidad
Basado en el artículo de:
Daniel DupliseaEcological Modelling, 110,19-43
-1998-
Índice• INTRODUCCIÓN• ESTRUCTURA DEL MODELO
-Carbono-Sulfuro-Feedback positivos-Bacterias-Meiofauna-Macrofauna
• ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD• SIMULACIONES• CONCLUSIONES
INTRODUCCIÓN
1- Descripción del sistema:• Comunidad bentónica,
animal, marina, costera y de clima templado.
• Medio ambiente de sedimentación química a costa de esta comunidad.
-Feedback-
¿Qué es un sistema bentónico?
• Está en relación a seres y procesos que habitualmente se desarrollan en el fondo del mar.
• Características similares a sistemas terrestres.
- Permanente estructura química.- Superficies duras.- Organismos sedentarios.- Capacidad de almacenamiento
químico.
¿En qué consiste la sedimentación?
• Proceso de acumulación de los productos y desechos metabólicos en cada zona química, constituyendo un perfil de estratos caracterizado por los organismos presentes.
O2
NO3-
Mn+2
Fe+3
SO4-2
FERMENTACIÓN
C oxig
C anox
Interrelación entre las capas• La función de una
capa es esencial para la otra.
• Grandes metazoos mezclan las capas.
• Relaciones tróficas entre ellos.
ESTRUCTURA DEL MODELO
1. Tipo de comunidad bentónica
OC
AOC
SUL
ANBA
FABA
ARBA
MEIO
MACRO
Para aerób
CARBONO• OC Carbono oxigénico o C de
superficie compuesto por partículas detríticas.
O O O OOC
RIP
Hacia AOC por interconversión
• AOC Carbono anoxigénico. Compartimento profundo de C que es reserva de alimento para anaerobios.
O OAOC
RIP Enterramiento de CHacia OC por
interconversión
SULFURO
• SUL Sulfuro resultante de las rutas de oxidación anaeróbica obtenido a partir de SO4
-2, según la reacción 5H2 + 2SO4-2
2H2S + 2H2O + 2OH-
SULANBA Aerobias
Enterramiento de SUL Oxidación
Por reacción química
con el O2
Dos feedback positivos1. Acumulación de sulfuro2. Bioturbación
ANBA SUL Aerobios
RIPsedimentación
OCO2 limitado
AOC
+
• Proceso en relación a la oxigenación de los sedimentos.
MACRO Agitación de capas
OC
SUL
Organismos aerobios
Cuantificadores en los procesos de feedback
• Usaremos dos parámetros, que son B y T.
Toxicidad(T)= cTox. Log (SUL+1)Influye en:
RIP aerobios Interconversión de C
Interconversión de C
Bioturbación(B)= cBt. Log (MACR+1) Influye en:
~
Surface production
AOC
OCtoAOC
Sedimentation
CarbonBurial
CBurialRate
pollution
OC
?
MaNatMort
?
MePredOC
BacterialAOCConsumption
?
MeNatMort
FaunalOCConsump
Productivity MultiplierSurface Input
?
MaPredOC
Day
FBaPredAOCAnBaPredAOC
AOCtoOC
ArBaPredOC
FBaPredOC
?
Toxicity
?~
MaBioturbation
ArBaMort
FBaMort
AnBaMort
MaFaeces
MeFaeces
CARBONO
Interconversión• El intercambio entre los dos compartimentos se
haya como un simple intercambio proporcional en que influye B y T
Cij = Ki ·CEij .B .T
Cij Movimiento de C de un compartimento a otro (ML-2·T-
1)Ki Cantidad de C en i (ML-2)
CEij Tasa intercambio (T-1)B Relación directa para el paso AOCOCT Relación directa para el paso OCAOC
?
Sulphide Burial
?
Toxicity H2SUncoverRate
SUL
H2SInput
?
H2S Oxidation
?~
MaBioturbation
SulphideBurialRate
CoeffToxicity
AnBaResp
SULFURO
BACTERIAS
• ARBA Bacterias aerobias obligadas que reducen O2
• FABA Bacterias facultativas. Pueden oxidar C oxigénica o anoxigénicamente (respirando NO3
-2)• ANBABacterias anaerobias obligadas que reducen
SO4-2
OC y/o AOC BACTERIAS
Respiración
Muerte Natural
Depredación
• El crecimiento de cada población bacteriana se modeló como una simple respuesta numérica logística tipo Leslie donde la K es igual a la abundancia de recurso de alimento (Xi).
dXj/dt = Xi·1/oj·T·(1-Xj/Xi) - Rj·Xj- Zj·Xj- Cj
Alimentación Respiración
MuerteNatural
Depredación
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EJEMPLO EXCLUSIVO PARA ANAEROBIASAnBa(t) = AnBa(t - dt) + AOC*(1/AnBaTo)*T*(1(AnBa/(AOC)))- AnBa*AnBaTasaResp- AnBa*(1/AnBaTo) - MeioPredAnBa* dt
Algunos parámetros a tener en cuenta
oj (AnBaTo) Es el tiempo de renovación. Se define como BIOMASA/PRODUCCIÓN (t)
Afecta a todos los procesos biológicos de la bacteria.
Rj (AnBaTasaResp) Tasa de respiración. Dependiente del tiempo de renovación y la Tª.
TR Tasa de resistencia a toxicidad. T se tiene en cuenta si T/TR>1
Bacterias aerobias
Bacterias facultativas
Bacterias anaerobias
MEIOFAUNA
• Organismos con un tamaño entre 5-500 m.• Forman parte de la fauna aeróbica.
BacteriasOC MEIOFAUNA
Respiración
Muerte Natural
Depredación
HECES
ECUACIÓN DE WEIGERT !!!!!• Es una ecuación usada por Pace et al. (1984) y Chardy y Dauvin
(1992) con múltiples variables.• Determina el crecimiento de MACR y MEIO
dXj/dt = [Pij·Ij·Xj·Fij·ij]·cE- Rj·Xj- Zj·Xj-Hj·Xi- Cjk
Alimentación Respiración Muerte Heces Depred
Pij=Preferencia sobre la presaIj= Ingestión específica Fij= Parámetro relacionado con la biomasa de la presa (contiene
otros parámetros que omito!!!) ij= Eficiencia de asimilacióncE= Término de competencia intraespecíficaHj=Tasa producción de heces
• Dos modificaciones a la ecuación:Término logísticoTasa de respiración
dXj/dt = [Rj·Xj·Fij·ij]·[1-Xj/Kj]- Rj·Xj- Zj·Xj-Hj·Xi- Cjk
Alimentación Respiración Muerte
HecesDepredación
Rj= Se introdujo como una forma de reducir la parametrización del modelo.
-Es proporcional a la ingestión.-Al ser dependiente de la Tª permite variaciones
estacionales.
Kj (capacidad portadora)= Forma parte de un término logístico que estabiliza el modelo, independientemente del lugar.
MeTasaResp
Factor Tª
MEIOMePredComida
MeTo
?
MePredArBa
?
MeMort
MeTasaMort ?
Toxicidad
PredMe
ArBa FBaOC
?
MacrPredMe
MeTasaResp
?
MeResp
MeToxResis
AnBa
?
MePredFBa
?
MePredOC
?
MeioPredAnBa
MeHeces
Macrofauna
• Se trata de invertebrados de tamaño >500m, que también forman parte de la fauna aeróbica.
ARBAFABAMEIO
OC
MACROFAUNA
Respiración
Muerte Natural
Depredación
Heces
dXj/dt = [R[Rjj·X·Xjj·F·Fijij··ijij]·[1-X]·[1-Xjj/K/Kjj]]- - RRjj·X·Xjj- - ZZjj·X·Xjj--HHjj·X·Xii- - CCjkjk
AlimentaciónAlimentación RespiraciónRespiración MuerteMuerte Heces Heces DepredaciónDepredación
MEIO
MACR
?
MaPredMe
MaTo
?
MAcrMortDepr
MaTasaMortPorPeces
?
MaPredArBa
?
MaMort
MaTasaMort
Factor Tª
?
MaPredOC
?~
MaBioturbación
?
Toxicidad
OC
ArBa
MaToxResis
?
MaResp
MaTasaResp
MaHeces
ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD• Consiste en la modificación (±10%) de
determinados parámetros de un sistema y la observación de los efectos globales a los que da lugar.
-cTox
-cBt
-TRMACR
-TRMEIO
-FABAo
MACR
MEIO
CO2
BACT
ANÁLISIS DE SENSIBILIDADANÁLISIS DE SENSIBILIDAD
SIMULACIONES• Dos tipos:
1. Simulación anual incorporando un régimen estacional de entrada de C y cambios en la Tª de un sistema de clima templado.
2. Estacionalidad excluida, representando diferentes valores de entrada de C.
Simulación anual
Representación del régimen de entrada de C y la Tª a lo largo del año
Representación de la biomasa de los tres sistemas orgánicos a lo largo del año
Representación de productos consumidos y producidos a lo largo del año
ProdCO2
RazónOC:AOC
Consum total de
O2
Consum O2 por
los organ
Simulación variando flujo de C
Representación del crecimiento de los organismos
Mineralización del C• El C mineralizado se contabiliza como el CO2
producido.
• La producción de CO2 por los aerobios es igual a su O2 consumido (C6H12O6+6O26CO2+6H2O)
• El CO2 producido (mineralización) por los anaerobios es el total – CO2 producido por aerobios.
• Con altas entradas de C, predominan sobre todo organismos y procesos anaeróbicos.
Representación de productos producidos y consumidos con diferentes entradas de C
RazónOC:AOC
Consum O2 y prod CO2 por aerobios
Consum total de
O2
ProdCO2
Conclusiones• Sistema bentónico: SUL-OC-AOCARBA -FABA -ANBA-MEIO-MACR
• OC:AOC es mayor cuando la sedimentación, porque AOC.
Respuesta de la biomasa a la entrada de C y Tª.
• El crecimiento exponencial de bacterias con C es debido sobre todo al crecimiento de anaerobias.
• MACR y MEIO presentan crecimiento logístico (asintótico) con un K que podría deberse a la limitación de O2
• Importancia de la mineralización por respiración anaerobia.
• La bioturbación (agitación de capas) la penetración de O2 en los sedimentos y se favorecen los organismos aerobios.
• El H2S crea un ambiente tóxico para aerobios, que favorece a anaerobios.
• La oxidación del H2S evita su toxicidad. A altos niveles de C, el oxígeno se dedica a esta oxidación.
Finalidad del modelo Es un intento por matematizar los
mecanismos controladores de la estructura de una comunidad bentónica, con un fuerte énfasis en cualidades reales del sistema.
BIBLIOGRAFÍA ÚTIL:
-Atlas,R ; Bartha,R. Ecología Microbiana y Microbiología Ambiental. Adison Wesley,2001.
-Anikouchine,W.A. y Sternberg, R.W. The World Ocean. Prentice Hall, 1973.
-Sieburch, J.M. Sea Microbes. Oxford University Press, 1979.
ALGUNAS PÁGINAS DE INTERÉS:
iado.criba.edu.org/ecología.htmQuímica marina- ecología del zooplancton- dinámica
biogeoquímica- microbiología marina.
danival.org/micromar_madre_micromar.htmlBiotopo marino- microorganismos marinos- distribución de
microorganismos en el mar- ciclos de materia en el mar- producción de materia orgánica.
www.int-res.comAquatic Microbial Ecology.
Users.aber.ac.uk/lyt1/shallow_marine_sedimentation.htm