Procesos biogeoquímicos en un ecosistema marino costero de intercambio restringido. El puerto de Mahón

Abstract

[cat] Mahón és un dels majors ports en el Mediterrani Occidental. Emplaçat en un clima típicament mediterrani està episòdicament pertorbat per precipitacions torrencials i/o tempestes. Protegit dels corrents costaners i amb règim micromareal, la renovació de l'aigua a Mahón és generalment baixa i, en conseqüència, els impactes de les activitats humanes en la seva part interior tenen conseqüències ambientals en tot l'estuari. De forma característica, es genera un gradient de nutrients i metalls entre la zona interior del port i el mar. Aquestes característiques han ofert una bona oportunitat per avaluar els diferents processos biogeoquímics que allí ocorren i els factors que els modifiquen i/o controlen. En el present treball, es va dur a terme una caracterització biogeoquímica dels dos principals compartiments ambientals de l'ecosistema; els sediments i la columna d'aigua. També es van caracteritzar i avaluar les diferents fonts de nutrients i/o metalls (aigües subterrànies, torrents, etc), i a través d'enfocaments experimentals es va avaluar com afecten aquestes als processos biogeoquímics i en conseqüència al funcionament ecològic de l'ecosistema. Els resultats d'aquesta tesi revelen una seqüència d'estats biogeoquímics en l'estuari de Maó que resulten de la interacció entre el vessament, altres forçaments no periòdics (vents, les oscil·lacions del nivell del mar) i les variacions en la renovació de l'aigua. Algunes variables i factors mostren una relació amb l'estacionalitat. Per exemple, el vessament es mostra com un motor important de la circulació durant l'hivern i de l'afluència de nutrients. Per contra, durant l'estiu, l’afluència d'aigua dolça és menyspreable i la renovació de l'aigua es basa en impulsos forçament atmosfèrics. Malgrat totes les variacions estacionals i/o episòdiques, la concentració dels nutrients inorgànics mostra un gradient persistent durant tot l'any des de l'interior cap a l'exterior de l'estuari. El nitrogen inorgànic dissolt i el fosfat inorgànic presenten concentracions elevades a l'interior de l'estuari durant gairebé tot l'any. Això reflecteix la importància de les aportacions terrestres en aquesta zona, suggerint la superposició de dues fonts de nutrients principals; una de més permanent associada amb aportacions antropogènics i una altra, de més efímera, relacionada a esdeveniments episòdics. D'aquesta manera es pot dir que les variacions que ocorren entre les fonts i els processos biogeoquímics interns determinen el balanç de nutrients de l'estuari. En conseqüència, a causa de les variacions de les concentracions de nutrients i als canvis en les seves relacions molars, la composició del fitoplàncton i la seva productivitat varia. Això es veu reflectit en les variacions espaciotemporals de la Chl a, que en general mostra una marcada variació temporal, típica d'aquest tipus d'ecosistemes costaners impactats antròpicament. Conèixer aquests canvis en la biomassa i composició del fitoplàncton que coexisteix en l'estuari, ha permès comprendre els processos que poden estar regulant la producció primària. Així, el fitoplàncton de Maó mostra una successió fitoplanctònica particular, dominada per la presència d'espècies mótiles durant tot l'any, sent els dinoflagel·lats i els coccolitoforis els taxons predominants durant tot l'any. L'avaluació de l'activitat de la fosfatasa alcalina en el fitoplàncton, suggereix l'existència d'estrès per la poca disponibilitat de fosfat. Aquesta limitació ocorre tant a l'estiu com a la tardor, a pesar que les concentracions de fosfat en l'estuari són lleugerament superiors a la mitjana del Mediterrani i similars a les d’altres zones costaneres. Els bioassaigs realitzats en aquest treball mostren que l'activitat de la fosfatasa alcalina persisteix tot i que concentracions de fosfat en el mitjà són elevades. Aquests resultats suggereixen que, en el cas d'algunes espècies de dinoflagel·lats, l'activitat d'aquest enzim no està controlada per la concentració de fosfat en el mitjà, i que en determinades espècies la fosfatasa alcalina podria indicar un ús selectiu de fòsfor orgànic, o una resposta metabòlica lenta als canvis en les formes de fòsfor, en lloc d'estrès fisiològic per la baixa disponibilitat de fòsfor. A causa de les aportacions d'origen antropogènic que rep, existeix una deterioració en les condicions ambientals en les quals es troba l'aigua de Maó. Aquesta pèrdua de qualitat no només es deriva de l'elevada concentració de nutrients, sinó que a més existeix una important aportació de metalls traça que poden jugar un paper important en la colimitació de la producció primària. D'aquí deriva la importància d'avaluar el contingut i la font de metalls traça en les aigües superficials a Maó. Els resultats del present treball mostren que la majoria dels metalls traça dissolts en les aigües del port exhibeixen, igual que els nutrients, un marcat gradient de concentració (interior - exterior). En general, les concentracions de metalls en les aigües del port són més elevades que en aigües obertes. En particular, alguns metalls com a Cu, Fe i Pb hi presenten concentracions especialment altes en comparació amb altres zones costaneres del Mediterrani. D'altra banda, la concentració d'alguns metalls com el Cu i Zn, hi mostra un augment durant l'estiu, coincidint amb la temporada turística alta. El turisme massiu porta com a conseqüència l'augment de la població i del tràfic marítim, generant aquest últim la resuspensió dels sediments superficials en la part interior del port. En avaluar la concentració de metalls en els sediments superficials de Maó, s'hi observa que les concentracions d'alguns metalls com a Cu, Hg, Pb i Zn són majors en comparació amb altres llocs costaners del Mediterrani. L'avaluació dels fluxos de metalls, mitjançant un balanç de masses, ha permès destriar quin és la font més import a Maó. El resultat d'aquest balanç revela que, en comparació amb altres fonts putatives com el vessament, la deposició atmosfèrica i/o la descàrrega submarina d'aigua subterrània, els sediments són la principal font dels metalls que es troben en la columna d'aigua. Això suggereix la importància de la resuspensió dels sediments produïda pel tràfic de vaixells de gran importància a l'interior del port. El fet que diversos metalls que es troben en la columna d'aigua provinguin dels sediments, està sustentat per les bones correlacions entre les concentracions dels metalls i els isòtops de Ra (223Ra i 224Ra) en les aigües superficials de l'estuari. Maó ha estat i segueix sent un port comercial i turísticament actiu, amb diverses activitats portuàries. La datació per isòtops dels nuclis de sediments obtinguts en el port, ha proporcionat informació sobre les variacions en els metalls des de l'any 1890 fins al present. Aquest registre històric mostra que el contingut de metalls en el sediment de Maó és el resultat de les diverses activitats industrials desenvolupades en aquesta zona (tèxtil, joiera, sabateria, electrònica, làctics, la implantació de centrals termoelèctriques, la utilització de la gasolina amb plom, entre altres). A partir de 1978, la construcció d'un sistema de recollida d'aigües urbanes i el seu abocament mitjançant un emissari amb sortida al mar, fora del port, va permetre la reducció de la concentració de metalls en les aigües del port. Juntament amb això, els resultats del factor d'enriquiment (EF) i de l'índex de geoacumulació (Igeo) assenyalen que els sediments profunds de Maó estan enriquits en alguns metalls i les seves concentracions s'han anat estabilitzant cap als anys més recents. Això suggereix que qualsevol alteració física significativa de l'ambient sedimentari pot provocar la resuspensió de quantitats significatives d'alguns metalls traça. En general, els resultats d'aquesta tesi aporten gran informació per a la comprensió del funcionament d'aquest tipus d'ecosistemes i deixen en evidència la particularitat i importància dels processos biogeoquímics que allà es desenvolupen.

[eng] Mahon is one of the largest ports in the Western Mediterranean. Located in a typically Mediterranean climate is inconsistently disturbed by torrential rains and/or storms. As it is protected by coastal currents and has a microtidal regime, the renewal of water in Mahon is generally low and, accordingly, the impacts of human activities on its inner part have environmental consequences throughout the estuary. A characteristic gradient of nutrients and metals between the inner harbor area and the sea is generated. These features have provided a good opportunity to evaluate the different biogeochemical processes that are taking place there and the factors that modify and/or control them. In the present work, we carried out a biogeochemical characterization of the two main environmental compartments of the ecosystem; the sediment and the water column. The different sources of nutrients and/or metals (groundwater, torrents, etc) were also evaluated and characterized, and, by means of experimental approaches, it was assessed how these different sources affected the biogeochemical processes and, consequently, the ecological functioning of the ecosystem. The results of this thesis reveal a sequence of biogeochemical states in the estuary of Mahon that result from the interaction between the runoff, other non-recurrent forcings (winds, the oscillations of the sea level), and the variations in water renewal. Some variables and factors show a relationship with the seasonality. For example, the runoff is shown to be an important engine of the movement during the winter and nutrient influx. On the contrary, during the summer, the influx of freshwater is negligible and the renewal of water is based on atmospheric forcing impulses. Despite all seasonal and/or episodic variations, the concentration of inorganic nutrients shows a persistent gradient throughout the year from the inside toward the outside of the estuary. The dissolved inorganic nitrogen and inorganic phosphate present high concentrations in the interior of the estuary during almost the entire year. This reflects the importance of the land contributions in this area, suggesting the overlap of two sources of major nutrients; a more permanent one associated with anthropogenic inputs and another, more ephemeral, related to episodic events. Therefore, we can say that the variations that occur between the sources and internal biogeochemical processes determine the nutrient balance of the estuary. Accordingly, due to variations in nutrient concentrations and changes in their molar relationships, phytoplankton composition and productivity vary. This is reflected in the space-temporal variations of chl a, which in general show a marked seasonal variation, typical of this type of anthropically-impacted coastal ecosystems. The comprehension of these changes in biomass and composition of the phytoplankton that co-exist in the estuary, has allowed us to understand the processes that regulate primary production in it. Thus, the phytoplankton of Mahon shows a particular phytoplankton succession, dominated by the presence of motile species during the whole year, being the dinoflagellates and the coccolithphorids the predominant taxa throughout the year. The evaluation of the activity of alkaline phosphatase in the phytoplankton, suggests the existence of stress due to the poor availability of phosphate. This limitation occurs both in the summer and the autumn, despite that phosphate concentrations in the estuary are slightly higher than the average for the Mediterranean and like other coastal areas. The Bioassays performed in this paper show that the activity of the alkaline phosphatase persists even when phosphate concentrations in the environment are high. These results suggest that, in the case of some species of dinoflagellates, the activity of this enzyme is not controlled by the phosphate concentration in the environment. Besides, the results suggest that in certain species the alkaline phosphatase could indicate a selective use of organic phosphorus, or a slow metabolic response to changes in the phosphorus forms instead of physiological stress by the low availability of phosphorus. Due to the contributions of anthropogenic origin that the estuary receives, the environmental conditions of water in Mahon are deteriorating. This loss of quality derives not only from the high concentration of nutrients, but there is also an important contribution of trace metals, which can play an important role in the colimitation of primary production. Hence it is of high importance to assess the content and the source of trace metals in surface waters in Mahon. The results of this work show that the majority of the trace metals dissolved in the waters of the port exhibit, like the nutrients, a marked concentration gradient (inside - outside). In general, metal concentrations in the port are higher than in open waters. In particular, some metals as Cu, Fe and Pb show especially high concentrations in comparison to other coastal areas of the Mediterranean. On the other hand, the concentration of some metals such as Cu and Zn increase during the summer, coinciding with the high tourist season. Mass tourism brings as a consequence the increase of population and maritime traffic, generating the latter resuspension of surface sediments in the inner part of the harbor. When metal concentration in the superficial sediments of Mahon was evaluated, it was noted that the concentrations of some metals such as Cu, Hg, Pb and Zn were higher in comparison to other coastal places of the Mediterranean. The evaluation of metal flows, by means of a mass balance, has allowed discerning what the main source in Mahon is. The result of this evaluation reveals that, in comparison with other putative sources as the runoff, atmospheric deposition and/or submarine discharge of underground water, sediments are the main source of the metals found in the water column. This highlights the importance of resuspension of sediment produced by the traffic of ships with deep drafts in the interior of the port. The fact that several of the metals that were located in the water column come from sediments was supported by good correlations between metal concentrations and Ra isotopes (223Ra and 224Ra) in the surface waters of the estuary. Mahon has been and still is a commercial and touristically active port, with various port activities. Isotopes dating of sediment cores obtained in the port, have provided information on the changes in the metals from 1890 until the present. This historical record shows that metal content in the sediment of Mahon is the result of the various industrial activities developed in this area (textiles, jewelry, shoemaking, electronics, dairy products, the introduction of thermoelectric plants, the use of leaded gasoline, among others). Since 1978, the construction of a system for the collection of urban waters and their discharge by an emissary with exit to the sea, outside the port, led to the reduction in metal concentration in the waters of the port. Coupled with this, the results of the enrichment factor (EF) and the geoaccumulation index (Igeo) indicate that deep sediments in Mahon are enriched in some metals and that their concentrations have stabilized during the most recent years. This suggests that any significant physical alteration of the sedimentary environment can cause resuspension of significant quantities of some trace metals. In general, the results of this thesis provide great information for the understanding of the functioning of this type of ecosystem and evidence the particularity and importance of the biogeochemical processes that take place there.

[spa] Mahón es uno de los mayores puertos en el Mediterráneo Occidental. Emplazado en un clima típicamente mediterráneo está episódicamente perturbado por precipitaciones torrenciales y/o tormentas. Protegido de las corrientes costeras y con régimen micromareal, la renovación del agua en Mahón es generalmente baja y, en consecuencia, los impactos de las actividades humanas en su parte interior tienen consecuencias ambientales en todo el estuario. De forma característica, se genera un gradiente de nutrientes y metales entre la zona interior del puerto y el mar. Estas características han ofrecido una buena oportunidad para evaluar los diferentes procesos biogeoquímicos que allí ocurren y los factores que los modifican y/o controlan. En el presente trabajo se llevó a cabo una caracterización biogeoquímica de los dos principales compartimentos ambientales del ecosistema; los sedimentos y la columna de agua. También se caracterizaron y evaluaron las diferentes fuentes de nutrientes y/o metales (aguas subterráneas, torrentes, etc), y a través de enfoques experimentales se evalúo cómo afectan éstas a los procesos biogeoquímicos y en consecuencia al funcionamiento ecológico del ecosistema. Los resultados de esta tesis revelan una secuencia de estados biogeoquímicos en el estuario de Mahón que resultan de la interacción entre la escorrentía, otros forzamientos no periódicos (vientos, las oscilaciones del nivel del mar) y las variaciones en la renovación del agua. Algunas variables y factores muestran una relación con la estacionalidad. Por ejemplo, la escorrentía se muestra como un motor importante de la circulación durante el invierno y de la afluencia de nutrientes. Por el contrario, durante el verano, la afluencia de agua dulce es despreciable y la renovación del agua se basa en impulsos de forzamiento atmosférico. A pesar de todas variaciones estacionales y/o episódicas, la concentración de los nutrientes inorgánicos muestra un gradiente persistente durante todo el año desde el interior hacia el exterior del estuario. El nitrógeno inorgánico disuelto y fosfato inorgánico presenta concentraciones elevadas en el interior del estuario durante casi todo el año. Esto refleja la importancia de los aportes terrestres en esta zona, sugiriendo la superposición de dos fuentes de nutrientes principales; una más permanente asociada a aportes antropogénicos y otra, más efímera, relacionada a eventos episódicos. De este modo se puede decir que las variaciones que ocurren entre las fuentes y los procesos biogeoquímicos internos determinan el balance de nutrientes del estuario. En consecuencia, debido a las variaciones de las concentraciones de nutrientes y a los cambios en sus relaciones molares, la composición del fitoplancton y su productividad varía. Esto se ve reflejado en las variaciones espacio-temporales de la Chl a, que en general muestra una marcada variación temporal, típica de este tipo de ecosistemas costeros impactados antrópicamente. Conocer estos cambios en la biomasa y composición del fitoplancton que co-existe en el estuario, ha permitido comprender los procesos que pueden estar regulando la producción primaria. Así, el fitoplancton en Mahón muestra una sucesión particular, dominada por la presencia de especies motiles durante todo el año, siendo los dinoflagelados y los cocolitoforidos los taxones predominantes durante todo el año. La evaluación de la actividad de la fosfatasa alcalina en el fitoplancton, sugiere la existencia de estrés por la poca disponibilidad de fosfato. Esta limitación ocurre tanto en verano como en otoño, a pesar de que las concentraciones de fosfato en el estuario son ligeramente superiores a la media del Mediterráneo y similares otras zonas costeras. Los bioensayos realizados en este trabajo muestran que la actividad de la fosfatasa alcalina persiste aun cuando concentraciones de fosfato en el medio son elevadas. Esos resultados sugieren que, en el caso de algunas especies de dinoflagelados, la actividad de esta enzima no está controlada por la concentración de fosfato en el medio y que en determinadas especies la fosfatasa alcalina podría indicar un uso selectivo de fósforo orgánico, o una respuesta metabólica lenta a los cambios en las formas de fósforo, en lugar de estrés fisiológico por la baja disponibilidad de fósforo. Debido a los aportes de origen antropogénico que recibe, existe un deterioro en las condiciones ambientales en las que se encuentra el agua de Mahón. Esta pérdida de calidad no sólo se deriva de la elevada concentración de nutrientes. Además, existe un importante aporte de metales traza, que pueden jugar un papel importante en la colimitación de la producción primaria. De aquí deriva la importancia de evaluar el contenido y la fuente de metales traza en las aguas superficiales en Mahón. Los resultados del presente trabajo muestran que la mayoría de los metales traza disueltos en las aguas del puerto exhiben, al igual que los nutrientes, un marcado gradiente de concentración (interior - exterior). En general, las concentraciones son más elevadas que en aguas abiertas. En particular, algunos metales como Cu, Fe y Pb presentan concentraciones especialmente altas en comparación con otras zonas costeras del Mediterráneo. Por otra parte, la concentración de algunos metales como el Cu y Zn, muestra un aumento durante el verano, coincidiendo con la temporada turística alta. El turismo masivo trae como consecuencia el aumento de la población y del tráfico marítimo, generando este último la resuspensión de los sedimentos superficiales en la parte interior del puerto. Al evaluar la concentración de metales en los sedimentos superficiales de Mahón, se observa que las concentraciones de Cu, Hg, Pb y Zn son mayores en comparación a otros lugares costeros del Mediterráneo. La evaluación de los flujos de metales, mediante un balance de masas, ha permitido discernir cuál es la fuente más importe en Mahón. El resultado de este balance revela que, en comparación con otras fuentes putativas como la escorrentía, la deposición atmosférica y/o la descarga submarina de agua subterránea, los sedimentos son la principal fuente de los metales que se encuentran en la columna de agua. Esto sugiere la importancia de la resuspensión de los sedimentos producida por el tráfico de barcos de gran calado en el interior del puerto. El hecho de que varios de los metales que se encuentran en la columna de agua provengan de los sedimentos está sustentado por las buenas correlaciones entre las concentraciones de estos y los isotopos de Ra (223Ra y 224Ra) en las aguas superficiales del estuario. Mahón ha sido y sigue siendo un puerto comercial y turísticamente activo, con diversas actividades portuarias. La datación por isotopos de los núcleos de sedimentos obtenidos en el puerto, han proporcionado información sobre las variaciones en los metales desde el año 1890 hasta el presente. Este registro histórico muestra que el contenido de metales en el sedimento de Mahón es el resultado de las diversas actividades industriales desarrolladas en esta zona (textil, joyera, zapatería, electrónica, lácteos, la implantación de centrales termoeléctricas, la utilización de la gasolina con plomo, entre otras). A partir de 1978, la construcción de un sistema de recogida de aguas urbanas y su vertido mediante un emisario con salida al mar, fuera del puerto, permitió la reducción de la concentración de metales en las aguas del puerto. Aunado a esto, los resultados del factor de enriquecimiento (EF) y del índice de geoacumulación (Igeo) señalan que los sedimentos profundos de Mahón están enriquecidos en algunos metales y sus concentraciones se han ido estabilizando hacia los años más recientes. Esto sugiere que cualquier alteración física significativa del ambiente sedimentario puede provocar la resuspensión de cantidades significativas de algunos metales traza. En general, los resultados de esta tesis aportan gran información para la comprensión del funcionamiento de este tipo de ecosistemas y dejan en evidencia la particularidad e importancia de los procesos biogeoquímicos que allí se desarrollan.