Efectos de las variaciones de salinidad sobre angiospermas marinas y su aplicación a los vertidos de plantas desalinizadoras.
Effects of salinity variations on seagrasses and its application to desalination discharges.
Yolanda Fernández Torquemada
Efectos de las variaciones de salinidad sobre angiospermas marinas y su aplicación a los vertidos de plantas
desalinizadoras
Yolanda Fernández Torquemada 2012
TESIS DOCTORAL
Departamento de Ciencias del Mar y Biología Aplicada Departament de Ciéncies del Mar i Biologia Aplicada
Departament de Ciències del Mar i Biologia Aplicada Departamento de Ciencias del Mar y Biología Aplicada
Efectos de las variaciones de salinidad sobre angiospermas marinas y su aplicación a los vertidos de
plantas desalinizadoras
Effects of salinity variations on seagrasses and its application to desalination discharges
Memoria presentada para optar al grado de Doctora, mención Doctor Internacional, en la Universidad de Alicante por
YOLANDA FERNÁNDEZ TORQUEMADA
ALICANTE, 2012
Departament de Ciències del Mar i Biologia Aplicada Departamento de Ciencias del Mar y Biología Aplicada
TESIS DOCTORAL
Efectos de las variaciones de salinidad sobre angiospermas marinas y su aplicación a los vertidos de plantas
desalinizadoras
Effects of salinity variations on seagrasses and its application to desalination discharges
Yolanda Fernández Torquemada Julio 2012
VoBo Director de la Tesis Doctoral
Dr. José Luis Sánchez Lizaso
Departament de Ciències del Mar i Biologia Aplicada Departamento de Ciencias del Mar y Biología Aplicada
TESIS DOCTORAL
Efectos de las variaciones de salinidad sobre angiospermas marinas y su aplicación a los vertidos de plantas
desalinizadoras
Effects of salinity variations on seagrasses and its application to desalination discharges
Yolanda Fernández Torquemada Julio 2012
VoBo Director del Departamento de Ciencias del Mar y Biología Aplicada
Dr. José Luis Sánchez Lizaso
Departament de Ciències del Mar i Biologia Aplicada Departamento de Ciencias del Mar y Biología Aplicada
El Doctor JOSÉ LUIS SÁNCHEZ LIZASO, Profesor Titular del Área de Zoología de la Universidad de Alicante,
CERTIFICA:
Que la memoria de Tesis Doctoral titulada “Efectos de las variaciones de salinidad sobre angiospermas marinas y su aplicación a los vertidos de plantas desalinizadoras”, presentada por YOLANDA FERNÁNDEZ TORQUEMADA, ha sido realizada bajo su dirección en el Laboratorio de Biología Marina (Departamento de Ciencias del Mar y Biología Aplicada) de la Universidad de Alicante.
Y para que conste a los efectos oportunos, firma en Alicante a 14 de junio del año dos mil doce.
Fdo.: Dr. José Luis Sánchez Lizaso
Agradecimientos Acknowledgements
Y. Fernández Torquemada i
AGRADECIMIENTOS
El que finalmente haya podido acabar esta tesis, y no haya sido al revés, se lo debo a muchísimas personas, que de una u otra forma han colaborado o han hecho que este proceso fuera más sencillo y ameno.
Para empezar, está mi director de tesis, José Luis, que durante todos estos años ha confiado en mí, ha sabido encauzar este trabajo, y a la autora del mismo, y me ha dado la oportunidad de dispersarme “un poco” en multitud de proyectos y congresos, que han hecho que esta tesis se retrasará “otro poco”, pero que resultara, creo yo, algo más extensa y completa.
Y luego… me temo que voy a tener que ordenar los agradecimientos también por capítulos…
Para empezar, los experimentos con Posidonia en mesocosmos no habrían sido posibles sin la ayuda de Marta, que colaboró en la recolección de las plantas y el montaje de los experimentos. También me ayudaron buceando, limpiando tanques, llevando agua, sacos de sal, etc., Ludi, Eva, José Miguel, Angela, Cris, Francisco, Yoana, Mercedes,… Además, tengo que agradecer a Mundomar que nos prestará sus instalaciones y la colaboración de sus trabajadores. Y al “salt-team” (Olga Invers, Juanma Ruiz, Javier Romero, Esperanza Gacia y José Luis Buceta, entre otros) porque sus ideas y opiniones sirvieron para mejorar este trabajo.
Los experimentos con C. nodosa y Z. noltii fueron posibles gracias a mi madre, que me esperaba en la playa mientras recogía las plantas, guardándome las llaves del coche, y asegurándose que salía sana y salva del agua. También, colaboraron un montón de desconocidos que sin ningún interés me ayudaron a cargar con mis botellitas (5-8 L) de agua de mar, hasta que el Acuario de Santa Pola y sus empleados, me proporcionaron dicha agua de una forma mucho más cómoda.
El capítulo de Halophila johnsonii lo realicé en el Center of Marine Sciences de Wilmington, bajo la dirección de Mike Durako, y con la ayuda de todo su laboratorio.
Amanda me echó un cable con el Hansatech, Bob preparando el sedimento y los
Acknowledgements Agradecimientos
ii Y. Fernández Torquemada
acuarios, Jennifer recogiendo las plantas, y John, Ron, Brooke y Craig, además de hacer de taxistas, me hicieron la estancia mucho más agradable.
Siguiendo con las estancias, a Cristina Buia le tengo que agradecer que me acogiera en Ischia, donde tuve la suerte de iniciarme con el PAM, gracias a Maurizzio Lorenti y a las plantas que me ayudaron a recoger Bruno y Gabrielle Procaccini. Giuseppe di Carlo y Rossanna me corrigeron el inglés de algunos de los papers que aparecen en esta tesis.
Tampoco me olvido de los cafés, que religiosamente nos preparaba la “signora” y en los que pude coincidir con Cristina Gambi, Francesco Patti, Anna, Karin, Giulia, Mauro, Alessio, Raffaella, Ivan, Valeria, Stefania, Monia,...
En Melbourne (Florida), Beth Irlandi me hizo hueco en su laboratorio, y en su casa en pleno huracán Francis, y me permitió seguir trabajando con Halophila johnsonii, con la ayuda de Nancy, Elesha y Jamie.
Volviendo al trabajo en España, Yoli y Loya me ayudaron con los muestreos de la desalinizadora de San Pedro del Pinatar, y Fernando, Carlos y José Miguel con los de Jávea. A José Miguel le tengo que agradecer, también, que me ayudará a recoger los frutos de Posidonia con los que realice el capítulo 3, y prácticamente todo el capítulo de la desalinizadora de Alicante, ya que me ayudó con el diseño y la instalación de las primeras parcelas permanentes, y me acompañó al mar durante los primeros años, incluso aquel día en pleno invierno en el que las nevadas montañas de Alicante hacían plantearse si merecía la pena bucear y dejar de admirar esos bellos paisajes… (y ya de paso, aprovecho para dar las gracias al inventor del traje seco).
El capítulo de la desalinizadora de Alicante ha sido el más extenso, en el tiempo, en los datos conseguidos, pero también por la gente que de algún u otro modo ha participado en el: Marta (otra vez), Aurora, Aitor, Elena, Yoana, Loya, José Antonio, Candela, Lute, Santi, Rubén, Cristina, Yoli, Just, Víctor, Carlos, Tito, Andrés,… Gracias, también, a la Marina de Alicante, y a todos sus marineros por su amabilidad durante estos años, además de por dejarnos un hueco donde amarrar la zodiac, y permitirnos usar el resto de sus instalaciones, incluida esa ducha con agua calentita, que tan bien sentaba después de bucear.
A la gente del departamento, tanto a los que siguen, como a los que pasaron por el, y que no he nombrado antes, pero que también me han acompañado durante estos años,
Agradecimientos Acknowledgements
Y. Fernández Torquemada iii
en los muestreos, en el laboratorio, o en el café de primera hora,… Gracias a Alfonso, Paqui, Pablo, Carmen, Damián, Celia, Sonia, Bea, Maite, Noé, Arechavala, Tocho, Esther, Kilian, Vicky, Julia, las dos Anas, Agustín, José Vicente, Rosa,…
Los símbolos que aparecen en los pie de página para separar las distintas secciones son de uso libre y cortesía de Integration and Application Network (ian.umces.edu/symbols/).
Además, el hecho de que a lo largo de la tesis aparezca algún que otro mapita medianamente decente, se lo debo a Juan Peña, a quien nunca olvidaré.
Evidentemente la financiación ha sido imprescindible para la realización de esta tesis.
Así, tengo que agradecer a la Generalitat Valenciana la concesión de una beca FPI, junto con varias ayudas para estancias cortas, que me permitieron ampliar mis conocimientos sobre las angiospermas marinas en el extranjero. Posteriormente, el contrato con la Universidad de Alicante, que fue fundamental para continuar con estos trabajos, vino principalmente del proyecto: “Estudio de vigilancia ambiental para el vertido de la desaladora del Canal de Alicante”, financiado por la Mancomunidad de Canales del Taibilla, aunque también se participó en otros proyectos financiados por la Mancomunidad (los relativos a las desalinizadoras de San Pedro del Pinatar) así como en proyectos financiados por el CEDEX, ACSegura, Pridesa, Acciona, AMJASA, Ferrovial- Agromán, Cadagua, Necso, Infilco y Acuamed, que han permitido la adquisición del material y la realización de los muestreos necesarios para la elaboración de esta tesis.
Por último, el que yo haya empezado y acabado este trabajo se lo debo a muchas otras personas, que aunque no aparezcan aquí nombradas, han influido en su realización durante todos estos años... a ellos también les quiero dar las gracias. A mis amigos y familia, a Lute, y en especial a mi madre, por su paciencia y cariño.
¡Muchísimas gracias a todos!
Acknowledgements Agradecimientos
iv Y. Fernández Torquemada
Acrónimos Acronyms
Y. Fernández Torquemada v
A
BREVIATURAS Y SÍMBOLOSα: Eficiencia fotosintética a irradianza subsaturada AGUA: Actuaciones para la Gestión y Utilización del Agua ANOVA: Analysis of variance
ATPasa: Adenosin trifosfatasa
BACI: Before-After Control-Impact BOD: Biological oxygen demand CID: Carbono inorgánico disuelto
CM: Cuadrados medios
CT: Conductivity and temperature device CTD: Conductivity, temperature and depth device DBO: Demanda biológica de oxígeno
dF: Degrees of freedom
DFFF: Densidad de flujo fotónico fotosintético
DI: Des ionized
DIC: Dissolved inorganic carbon
DO: Dissolved oxygen
DW: Dry weight
EDAR: Estación depuradora de aguas residuales EPA: Environmental Protection Agency FI: Fotosíntesis vs irradianza
Fmáx: Tasa fotosintética a irradianza saturada gl: Grados de libertad
GPS: Global Positioning System
GeoEAS: Geostatistical Environmental Assessment Software Ic: Irradianza de compensación (compensation point)
Acronyms Acrónimos
vi Y. Fernández Torquemada
Ik: Intensidad de saturación lumínica (light-saturation photosynthesis point)
IDAM: Instalación desalinizadora de agua marina
λ: Longitud de onda
MS: Means squares
ns: non significant (no significativo)
OI: Ósmosis inversa
PAR: Photosynthetically Active Radiation PI: Photosynthesis versus irradiance Pmax: Light-saturated gross photosynthesis
PS: Peso seco
Psu: Practical salinity units
PVA: Programa de vigilancia ambiental RFA: Radiación Fotosintéticamente Activa
RO: Reverse osmosis
SCUBA: Self-contained underwater breathing apparatus
SE: Standard error
SNK: Student-Newman-Keuls
SWRO: Sea water reverse osmosis
T: Temperature
USA: United States of America
UNEP: United Nations Environment Programme
UNESCO: United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization Ups: Unidades prácticas de salinidad
Índice Contents
Y. Fernández Torquemada vii
Í
NDICEIntroducción general……….……….………...…………..……… 1
1. La salinidad en el medio marino………...………… 3
2. Incremento de la salinidad asociado a los vertidos de desalinizadoras………... 6
3. Tolerancia a la salinidad de las angiospermas marinas.……….…... 8
4. Justificación, objetivo general y estructura de la tesis………...……... 11
PARTE I. TOLERANCIA A LA SALINIDAD DE ANGIOSPERMAS MARINAS EN CONDICIONES CONTROLADAS PART I. SALINITY TOLERANCE OF SEAGRASSES UNDER EXPERIMENTAL CONTROLLED CONDITIONS Chapter 1. Effects of salinity on leaf growth and survival of the Mediterranean seagrass Posidonia oceanica (L.) Delile…………..………. 17
Abstract……….…… 19
1. Introduction………...……… 21
2. Material and methods………..……..………… 22
2.1. Plant material and experimental conditions………..………… 22
2.2. Determination of plant growth and survival………..…...……… 23
2.3. Statistical analysis………...………….. 23
3. Results.………..……… 24
4. Discussion……….……… 27
Chapter 2. Efecto de la estratificación en la salinidad y de una posible interacción entre el pH y la salinidad en el crecimiento de Posidonia oceanica...…………..………… 31
Resumen...……….… 33
1. Introducción………... 35
2. Material y métodos………..……….. 36
2.1. Recolección de las plantas y condiciones experimentales………..………..… 36
2.2. Interacción de la salinidad y el pH………..……….…..…...……… 37
2.3. Efecto de la estratificación de la salinidad………...………. 37
2.4. Análisis estadístico………...………...………….. 38
3. Resultados...………..… 39
4. Discusión………... 43
Contents Índice
viii Y. Fernández Torquemada Chapter 3. Effects of salinity on seed germination and early seedling growth of the
Mediterranean seagrass Posidonia oceanica (L.) Delile …………..………..… 47
Abstract……….… 49
1. Introduction………... 51
2. Material and methods………..……….. 52
2.1. Fruit collection and seed extraction………..………… 53
2.2. Seed germination experiment………...………..…...……… 53
2.3. Seedling growth experiment………...…………... 54
2.4. Statistical analyses………...………….. 54
3. Results.………..……… 55
3.1. Effects of hypersalinity on seed germination and early seedling development..…….. 55
3.2. Effects of salinity on seedling development………...………….. 58
4. Discussion……….…… 61
Chapter 4. Responses of two Mediterranean seagrasses to experimental changes in salinity……… 65
Abstract………. 67
1. Introduction………...… 69
2. Material and methods………..…………..…… 71
2.1. Plant material ……… 71
2.2. Experimental design………..………... 72
2.3. Statistical analyses.……… 75
3. Results.……….. 75
4. Discussion………. 83
4.1. Effects of salinity on shoot growth rate and survival of C. nodosa and Z. noltii……….. 83
4.2. Interactions of salinity with other factors on Cymodocea nodosa………..….. 85
Chapter 5. Effects of salinity and possible interactions with temperature, and pH on growth and photosynthesis of Halophila johnsonii ………..…… 89
Abstract……….… 91
1. Introduction………...… 93
2. Material and methods………..………..… 94
Índice Contents
Y. Fernández Torquemada ix
2.1. Plant material ………..……….. 94
2.2. Growth experiment………...…. 95
2.3. Photosynthetic experiments……….………..…… 96
2.4. Statistical analyses.……… 97
3. Results.……….…. 98
4. Discussion………. 106
PARTE II.EFECTOS DE LOS VERTIDOS DE PLANTAS DESALINIZADORAS PART II.EFFECTS OF DESALINATION BRINE DISCHARGES Chapter 6. Medidas de atenuación del posible impacto ambiental del vertido de las desalinizadoras de osmosis inversa: el ejemplo de Jávea (Alicante)……….……. 113
Resumen……… 115
1. Introducción………...………… 117
2. Material y métodos………..………..…… 118
2.1. Situación y descripción de la planta desalinizadora………..……… 118
2.2. Campañas de muestreo y vigilancia ambiental……….…… 119
2.2. Representación espacial y análisis de datos………..… 120
3. Resultados……….… 121
4. Discusión……….……….….… 123
Conclusión……….……… 125
Chapter 7. Monitoring the brine discharge from a desalination plant in the Mediterranean….… 127 Abstract.……… 129
1. Introduction………...……… 131
2. Material and methods………..………..…… 132
2.1. Situation and description of the desalination plant.………..……… 132
2.2. Monitoring of the effluent dispersion (on time and space)..……….… 134
2.3. Monitoring of the biological communities...………..…... 135
2.4. Statistical analysis and spatial representation of data.………...… 135
3. Results and discussion……….……….……….…… 136
3.1. Monitoring of the brine effluent behaviour (on time and space).……….……… 136
3.2. Monitoring of the biological communities...………...…….. 139
Contents Índice
x Y. Fernández Torquemada
Conclusion……….……… 139
Chapter 8. Resultados del plan de vigilancia del vertido de la planta desalinizadora de agua marina por OI de Alicante………..……… 141
Resumen……… 143
1. Introducción………...……… 145
2. Material y métodos………..………..…… 146
2.1. Descripción de la planta desalinizadora y del área de estudio………..……… 146
2.2. Seguimiento de las comunidades biológicas………. 149
2.3. Control de las condiciones físico-químicas del área de estudio...………. 150
2.4. Representación espacial y análisis de datos……….. 151
3. Resultados………. 153
3.1. Condiciones físico-químicas del área de estudio y comportamiento del vertido…….. 153
3.2. Evolución de la superficie de la pradera de Posidonia oceanica..………. 162
3.3. Dinámica de la pradera de Posidonia oceanica………....………. 166
3.4. Características de los haces……….……….. 168
3.5. Crecimiento foliar………..……….……….. 170
3.6. Comunidades de equinodermos.………….……….. 171
4. Discusión……….……….. 173
Discusión general………...……… 179
1. Tolerancia a los factores ambientales……….……... 181
2. Óptimos y rangos de tolerancia a la salinidad en angiospermas marinas... 183
3. Efectos de las variaciones de salinidad sobre angiospermas marinas... 187
4. Interacción entre la salinidad y otros factores... 191
4.1. Interacciones de la salinidad con el pH………...………..……… 192
4.2. Interacción con la temperatura………. 193
5. Estudios in situ: Comportamiento de los vertidos de desalinizadoras y su posible afección a angiospermas marinas... 194
5.1. Características y comportamiento de los vertidos estudiados.………..……… 194
5.2. Efectos de los vertidos en los organismos marinos..………. 196
6. Recomendaciones sobre los vertidos procedentes de desalinizadoras……….. 197
Índice Contents
Y. Fernández Torquemada xi
Conclusiones………...… 203 Bibliografía……….… 209
Contents Índice
xii Y. Fernández Torquemada
I NTRODUCCIÓN GENERAL
I NTRODUCTION
Introducción Introduction
Y. Fernández Torquemada 3
1. La salinidad en el medio marino
La salinidad es una medida de la concentración de sales inorgánicas disueltas, expresada generalmente en gramos por kilogramo o litro de agua de mar (Kalle, 1971;
Suckow et al., 1995; Tait y Dipper, 1998). Actualmente, se mide como un ratio de conductividades, por lo que se puede considerar como adimensional, no obstante nos referimos a ella en ups o unidades prácticas de salinidad (UNESCO, 1981; Suckow et al., 1995).
Figura 1. Salinidad (ups) media superficial oceánica (Tomado de Suckow et al., 1995).
A nivel mundial la salinidad del agua de mar puede presentar algunas variaciones según la latitud (Fig. 1) o la profundidad (Kalle, 1971; Kirst, 1989; Suckow et al., 1995). En aguas profundas, la salinidad es mucho más estable y depende de la salinidad existente cuando se formó dicha masa de agua (Hopkins, 1989). Mientras que la salinidad en aguas superficiales depende principalmente del balance hídrico evaporación-precipitación (Rostek et
Introduction Introducción
4 Y. Fernández Torquemada
al., 1993; Suckow et al., 1995). En aguas abiertas oscila poco, pero esta oscilación es más importante en zonas cerradas o áreas costeras con circulación restringida, en las que pueden dominar las entradas de agua dulce (Ej.: Mar Báltico, Mar Negro, estuarios, etc.) o la evaporación (Ej.: Shark Bay en Australia, Mar Rojo, Mar Muerto, Mar Menor, etc.). Así por ejemplo, en la zona occidental del Mar Mediterráneo se ha observado que la salinidad oscila generalmente entre 36 y 38 ups (Terrados, 1991; Ruiz et al., 2009), mientras que la cuenca oriental del Mediterráneo es más salina, alcanzando valores de entre 39.5 y 41 ups (Einav et al., 2002; Einav y Lokiec, 2003). En mares más cerrados, como el Mar Rojo la salinidad puede llegar a ser de 40-41 ups (Einav et al., 2002; Oren et al., 2004), mientras que en el Mar Menor actualmente oscila entre 42 y 47 ups (Terrados, 1991; Dassenakis et al., 2010).
Además, existen casos excepcionales, como el Mar Muerto, en el que se alcanzan salinidades de 340 g L-1 y en el que sólo sobreviven algunos microorganismos halófilos (Oren et al., 2004).
A pesar de esta variabilidad local, la salinidad puede ser considerada como un parámetro relativamente estable en aguas abiertas u oceánicas, pudiendo fluctuar de forma natural, como ya se ha comentado, en ambientes más cerrados o resguardados, como determinados estuarios, bahías o lagunas costeras, entre otros. En mar abierto se ha observado que, en general, las variaciones temporales de este parámetro suelen ser, como máximo, de 2 a 4 ups (Kalle, 1971; Kirst, 1989; Tait y Dipper, 1998), y principalmente están relacionadas con cambios estacionales o meteorológicos, como fuertes precipitaciones o la circulación de las grandes masas de agua (Suckow et al., 1995; Ralph, 1998; Höpner, 1999).
Además de las fluctuaciones naturales, algunas actividades antrópicas pueden influir en los cambios de la salinidad del medio, como el vertido de instalaciones desalinizadoras (Lattemann y Höpner, 2003), los emisarios de aguas residuales (Pergent-Martini, 1994) o la regulación de las aguas superficiales (Adams y Bate, 1994; Johnson, 1997; Kamermans et al., 1999; Doering et al., 2002). De este modo, se han detectado aumentos en la salinidad de muchos estuarios y lagunas costeras, que han visto restringidos sus aportes de aguas fluviales debido a determinadas obras de canalización y a la construcción de embalses (Montague y Ley, 1993; Wortmann et al., 1997; Doering y Chamberlain, 1998; Sklar et al., 2002;
Thorhaug et al., 2006), pero también se ha dado el caso en el que sistemas cerrados han sido abiertos al mar, provocando reducciones en sus valores de salinidad inicial (Terrados, 1991).
Actualmente el desarrollo de la industria desalinizadora conlleva el vertido de importantes volúmenes de aguas de rechazo hiperhalinas en el medio marino, lo que potencialmente puede
Introducción Introduction
Y. Fernández Torquemada 5
afectar a las comunidades marinas allí presentes (Gacia y Ballesteros, 2001; Jibril e Ibrahim, 2001; Purnama et al., 2003). A estas actividades se han de añadir las predicciones sobre el cambio climático global, con cambios en la temperatura que provocará un incremento del deshielo y de la evaporación, así como una disminución de precipitaciones y cambios en la circulación marina, que pueden modificar la salinidad en determinadas zonas costeras (Edwards, 1995; Short y Neckles, 1999).
La importancia de la salinidad en el ambiente marino es múltiple, por un lado su concentración influye en la solubilidad de gases como el oxígeno y el CO2 en el agua (Beer, 1989), pero también en propiedades como la densidad, la viscosidad o en el punto de fusión y congelación de la misma (Kalle, 1971). Estos procesos físicos pueden llegar a afectar de formas muy diferentes a los sistemas biológicos, pero sin duda los cambios en las condiciones osmóticas son los más críticos para la distribución, abundancia y supervivencia de los organismos marinos (Gessner y Schramm, 1971; Tait y Dipper, 1998).
Las variaciones de salinidad afectan directamente a los mecanismos de osmoregulación o ajuste osmótico (Kirst, 1989). En general, los seres vivos necesitan tener una concentración interna de sales determinada y poco variable. Al tener membranas semipermeables se van a ver influidos, en mayor o menor grado, por la concentración de sales del medio en el que viven. Comúnmente se pueden dar dos tipos de estrategias en función de la capacidad de regulación osmótica. Se conocen como organismos osmoconformadores aquellos que no pueden mantener su concentración interna de sales distinta a la del medio en el que viven (Chen y Chia, 1997; Santos y Moreira, 1999), por lo que suelen ser muy sensibles a pequeños cambios en la salinidad externa. Mientras que los organismos osmorreguladores tienen la capacidad de mantener sus concentraciones osmóticas e iónicas dentro de ciertos límites e independientemente de las concentraciones del medio externo (Schmidt-Nielsen, 1997), lo que consiguen de diversas maneras (acumulación de sales orgánicas en los tejidos, absorción de grandes cantidades de agua, excreción selectiva de iones, etc.). Estos organismos tienen tolerancia variable a los cambios de salinidad, debido a que los procesos de osmorregulación tienen un coste energético elevado (Kirschner, 1991;
Withers, 1992; Schmidt-Nielsen, 1997; Futuyma, 1998), lo que se manifiesta en menores tasas de crecimiento y una mayor mortalidad a partir de ciertos límites que dependen de cada especie (Kinne, 1971; Prosser, 1991; Tait y Dipper, 1998).
Los conocimientos actuales sobre los límites de tolerancia a la salinidad de especies marinas se han basado principalmente sobre aquellas especies que viven en condiciones
Introduction Introducción
6 Y. Fernández Torquemada
naturales en ambientes de salinidad variable (estuarios, lagunas costeras, etc.), en los que la salinidad es un factor de gran importancia para comprender sus patrones de distribución y fluctuaciones poblacionales (Kirst, 1989; Dunton, 1990; Adams y Talbot, 1992; Hillman et al., 1995; Kamermans et al., 1999). Sin embargo para la gran mayoría de especies que viven en mar abierto, y que naturalmente no están sometidas a cambios de salinidad, este tipo de estudios no se ha realizado.
2. Incremento de la salinidad asociado a los vertidos de desalinizadoras
La desalinización de agua marina es una de las soluciones más empleadas ante la elevada demanda de recursos hídricos existente en algunas zonas áridas costeras (Medina San Juan, 1999, 2001; UNEP, 2008; UNESCO, 2008; Lattemann y Höpner, 2008). España se encuentra actualmente entre los cinco países más importantes del mundo en cuanto a su capacidad de producción de agua desalada, con más de 950 instalaciones de desalación en funcionamiento, que equivalen a una capacidad de producción superior a 1,500,000 m3día-1, de la que aproximadamente el 80 % proviene de agua de mar (Medina San Juan, 2001;
Palomar y Losada, 2010). Además, con la aplicación del Programa AGUA (Actuaciones para la Gestión y Utilización del Agua, 2004-2008) por parte del Ministerio de Medio Ambiente, entre otras actuaciones, en estos últimos años se ha promovido la construcción de nuevas plantas desalinizadoras o la ampliación de las ya existentes (Baltanás García, 2005; Meerganz von Medeazza, 2005; Palomar y Losada, 2010).
Existen diversas técnicas de desalación (destilación por efecto múltiple, destilación súbita por efecto flash, compresión térmica de vapor, electrodiálisis, etc.) pero en la actualidad la de ósmosis inversa (OI) se está convirtiendo en la más extendida en países no pertenecientes al Oriente Medio, debido a sus bajos costes de inversión, su gran adaptabilidad, así como a su menor consumo de energía y de espacio (Morton et al., 1996; Medina San Juan, 1999; Valero et al., 2001; Lattemann y Höpner, 2008). La ósmosis inversa se basa en la separación de las sales del agua, normalmente de procedencia marina o salobre, al hacerla pasar a través de una membrana semipermeable ayudándose para ello de altas presiones (mayores a 70 bares). Como producto final se obtiene un agua potable de buena calidad (Valero et al., 2001), al mismo tiempo que un producto secundario, el agua de rechazo, del que de momento no se puede obtener ningún beneficio económico y que suele ser vertido directamente al medio marino (Jibril e Ibrahim, 2001). Del total de este vertido
Introducción Introduction
Y. Fernández Torquemada 7
aproximadamente el 98.5 % corresponde a una salmuera de elevada salinidad (generalmente entre 46 y 90 g L-1) y el resto al agua de lavado de filtros (cargada en arenas y materia orgánica), productos de limpieza y otros aditivos que se utilizan a lo largo de todo el proceso de desalación, como determinados floculantes, antiincrustantes, anticorrosivos, biocidas, y otros compuestos que se emplean para bajar el pH o limpiar las membranas (Höpner y Windelberg, 1996; Gacia y Ballesteros, 2001; Höpner y Lattemann, 2002; Lattemann y Höpner, 2003, 2008).
En el caso de la desalación de agua de mar por OI el vertido es de mayor densidad que el medio receptor y formará una capa hipersalina sobre el fondo que difícilmente se mezclará con el resto de la columna de agua, pudiendo afectar a las comunidades bentónicas, habituadas a salinidades estables y más bajas (Gacia y Ballesteros, 2001; Jibril e Ibrahim, 2001; Purnama et al., 2003). Normalmente se forma un gradiente de salinidad desde el punto de vertido hasta cierta distancia en la que se dará la total dilución, con salinidades normales y propias de la zona receptora (Fernández-Torquemada et al., 2005 a, 2009). La extensión y magnitud de este impacto dependerá de las características de la instalación desalinizadora, de su sistema de captación y del tipo de vertido, pero también de la naturaleza física (batimetría, hidrodinamismo, etc.) y de la tolerancia de las comunidades presentes en el ambiente marino receptor (Ahmed et al., 2000; Einav et al., 2002).
Además, en vertidos procedentes de desalinizadoras que utilizan otro tipo de técnicas, o en los que se realizan acompañados de otros residuos industriales o urbanos, la salmuera puede contener otros compuestos tóxicos o dañinos (Lattemann y Höpner, 2003, 2008;
UNEP, 2008). Así, se han detectado elevadas concentraciones de metales pesados (mercurio, cadmio, cobre, níquel, zinc y hierro) debidas a la corrosión de los materiales empleados en desalinizadoras que emplean la destilación térmica (Chesher, 1975; Oldfield y Tood, 1996;
Sadiq, 2002). También se han observado proliferaciones de algas e incrementos del herbivorismo en zonas afectadas por vertidos con altas concentraciones de nitratos (Tomasko et al., 1999; Gacia et al., 2007).
En el caso del incremento de salinidad asociado al vertido, se trata de un impacto potencial del que se ha estudiado relativamente poco (Höpner y Windelberg, 1996; Morton et al., 1996), siendo dicho desconocimiento aún mayor en el Mar Mediterráneo (Castriota et al., 2001; Raventos et al., 2006; Gacia et al., 2007; del-Pilar-Ruso et al., 2007, 2008, 2009).
Además, en algunos de los trabajos realizados se han obtenido unos resultados un tanto dispares. Así, en el caso de un emisario que vierte a 50 metros de profundidad en Ustica
Introduction Introducción
8 Y. Fernández Torquemada
(Italia) se ha comprobado la total desaparición de la macrofauna (principalmente moluscos, crustáceos y poliquetos) tanto en el punto de vertido como en los 50 m que lo rodean, apareciendo cierta recuperación a partir de los 200 m de distancia (Castriota et al., 2001).
Otros efectos negativos de estos efluentes hiperhalinos se han constatado en la infauna de fondos blandos próxima a los vertidos de las desalinizadoras de Alicante, San Pedro del Pinatar (Murcia) y Gran Canaria (del-Pilar-Ruso et al., 2007, 2008, 2009; Riera et al., 2011, 2012). Sin embargo, también existen numerosos trabajos que sugieren que los efectos de estos vertidos son prácticamente insignificantes o inexistentes (Morton et al., 1996; Pérez Talavera y Quesada Ruiz, 2001; Tsiourtis, 2001; Raventos et al., 2006). Las diferencias en las características de los vertidos (caudal, dilución, zona de influencia), podrían explicar, en parte, estas discrepancias.
Por otro lado, a la hora de destacar los ecosistemas marinos que puedan verse afectados de una forma significativa por los vertidos de desalinizadoras, hay que tener en cuenta tanto a especies protegidas, como a especies que cuenten con un importante papel estructural, es decir, que conformen un hábitat insustituible para muchas otras especies. Así, en el Mar Mediterráneo destacan por su gran importancia los céspedes de las macroalgas del género Cystoseira, las formaciones de vermétidos (principalmente Dendropoma petraeum), el coralígeno, los fondos de maërl y las praderas de angiospermas marinas (Ruiz, 2005).
3. Tolerancia a la salinidad de las angiospermas marinas
Se conocen aproximadamente unas 60 especies de angiospermas marinas (Larkum et al., 2006), monocotiledóneas que han evolucionado de vegetales terrestres adaptándose a vivir totalmente sumergidas y en un medio salino como es el mar (den Hartog, 1970; Kuo y den Hartog, 2000). Mediante análisis filogenéticos se ha podido establecer que la vuelta al medio marino se ha producido en al menos tres ocasiones y de forma independiente (Les et al., 1997;
Larkum et al., 2006; Wissler et al., 2011). Como resultado de dicha evolución paralela, ya en el Cretácico se originaron las cuatro familias actuales: Posidoniaceae, Zosteraceae, Hydrocharicateae y Cymodoceaceae (Fig. 2) (den Hartog, 1970; Larkum et al., 1989; Kuo y den Hartog, 2000). Tres de ellas (Posidoniaceae, Zosteraceae y Cymodoceaceae) constituidas únicamente por especies de vida marina, mientras que la cuarta familia (Hydrocharitaceae) engloba tres géneros marinos y catorce de agua dulce (Kuo y den Hartog, 2000; den Hartog y Kuo, 2006).
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Figura 2. División de las actuales familias y géneros de angiospermas marinas según su origen. Las letras indican los tres clados distintos asociados a las tres vías de retorno al medio marino (modificado de Les et al., 1997 y Kuo y den Hartog, 2006).
El retorno al medio marino ha hecho que la tolerancia a la salinidad se haya convertido en un requerimiento esencial para las angiospermas marinas, que han tenido que sufrir una serie de cambios morfológicos y fisiológicos, entre los que destacan los siguientes:
- El desarrollo de peciolos en las hojas más adultas que, además de envolver los meristemos basales de las hojas más jóvenes protegiéndolos de la salinidad exterior, mantienen una solución con un determinado gradiente osmótico que permite el crecimiento celular (Tyerman et al., 1984; Tyerman, 1989; Arai et al., 1991).
- La posesión de determinadas estructuras, como las invaginaciones de la membrana plasmática, y de numerosas mitocondrias de gran tamaño, que parecen actuar en la excreción de las sales y en la regulación del turgor celular (Jagels, 1973, 1983; Arai et al., 1991; Pak et al., 1995; Fukuhara et al., 1996; Ralph, 1998; Fernández et al., 1999). Del mismo modo actuaría la elasticidad de la pared celular, que puede ser relativamente rígida en las zonas más maduras de las plantas, ayudando a mantener la estructura celular (Arai et al., 1991;
Touchette, 2007). Sin embargo, dicha rigidez se pierde en los meristemos de crecimiento para que no interfiera en la división celular (Arai et al., 1991).
Introduction Introducción
10 Y. Fernández Torquemada
- El incremento de la actividad de determinadas enzimas (ATPasa de la membrana plasmática, pirofosfatasa, etc.) que intervienen en el transporte y la excreción de iones, especialmente en las membranas plasmáticas de las células epidérmicas maduras (Beer, 1989;
Pak et al., 1995; Fukuhara et al., 1996; Fernández et al., 1999; Muramatsu et al., 2002;
Touchette, 2007).
- La regulación del volumen citoplasmático al acumular determinados solutos, como determinados carbohidratos solubles (sacarosa, mio-inositol, glucosa, fructosa), ácidos orgánicos o compuestos nitrogenados (principalmente aminoácidos: prolina, alanina, glutamato, etc.), que actúan como moléculas osmorreguladoras (Pulich, 1986; van Diggelen et al., 1987; Tyerman, 1989; Adams y Bate, 1994; Short y Neckles, 1999; Murphy et al., 2003;
Touchette, 2007; Sandoval-Gil et al., 2012).
Aunque no todas las especies se han adaptado en el mismo grado a las distintas salinidades que se dan en su medio de forma natural. Determinadas especies son capaces de vivir en zonas estuáricas o intermareales, con grandes y frecuentes fluctuaciones de salinidad, como por ejemplo, algunos representantes de los géneros Zostera, Cymodocea, Halodule y Halophila (Larkum et al., 2006). Mientras que otras, consideradas como estenohalinas (Posidonia oceanica, Syringodium filiforme, etc.), habitan ambientes costeros u oceánicos, mucho más estables, y donde apenas sufren variaciones de salinidad (den Hartog, 1970). En cualquier caso, y como ya se ha podido comprobar en diversos trabajos, si algunas de estas especies son expuestas a salinidades extremas o subóptimas se pueden producir alteraciones negativas en los siguientes procesos:
- En la respiración y la fotosíntesis. Generalmente, se da una disminución en la fotosíntesis y un aumento en la respiración ante estas situaciones de estrés (Gessner y Hammer, 1960; Ogata y Matsui, 1968; Biebl y McRoy, 1971; Koch et al., 2007 a; Touchette, 2007; Pagès et al., 2010; Marín-Guirao et al., 2011). En ocasiones, también se ha detectado una alteración en la estructura y número de los cloroplastos y una disminución en la concentración de los pigmentos fotosintéticos (McMillan y Moseley, 1967; Biebl y McRoy, 1971; Kerr y Strother, 1985; Dawes et al., 1987; Jagels y Barnabas, 1989; Ralph, 1998;
Benjamin et al., 1999; Touchette, 2007; Trevathan et al., 2011).
- En el metabolismo de las plantas. Las salinidades extremas pueden provocar la reducción o supresión del metabolismo de determinadas proteínas y alterar la actividad enzimática. Así, se ha comprobado una disminución en la concentración de aminas (Pulich,
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Y. Fernández Torquemada 11
1986; Rout y Shawn, 1998; van Katwijk et al., 1999), un descenso en la actividad asimiladora del nitrógeno (Short y Neckles, 1999), un incremento en la actividad Sacarosa-P-sintasa (Touchette y Burkholder, 2000) y una disminución en las reservas de carbono, debido al ya mencionado incremento en la respiración (Kraemer et al., 1999).
- En el crecimiento debido a los cambios metabólicos citados y, además, al deteriorar los meristemos encargados del mismo (McMillan y Moseley, 1967; Walker, 1985; Walker y McComb, 1990). La variación de salinidad, dependiendo de la magnitud de la misma, puede provocar graves daños en la estructura celular de las plantas, así como necrosis en sus tejidos (McMillan y Moseley, 1967; Biebl y McRoy, 1971; Adams y Bate, 1994; Ruiz et al., 2009;
Pagès et al., 2010).
- En la morfología de las plantas, al darse una reducción en la formación de nuevas hojas y en el tamaño de las mismas, y por lo tanto, en la biomasa foliar y cobertura (McMillan, 1978; Walker y McComb, 1990; Montague y Ley, 1993; Benjamin et al., 1999;
Kamermans et al., 1999; Short y Neckles, 1999; van Katwijk et al., 1999; Irlandi et al., 2002).
- En la reproducción sexual, al influir en la formación de inflorescencias (Ramage y Schiel, 1998), en la fructificación y en la germinación de las semillas producidas (Caye y Meinesz, 1986; Hootsmans et al., 1987; Caye et al., 1992; Brenchley y Probert, 1998).
- Y por lo tanto, y como consecuencia de todo lo anterior, en la supervivencia de las plantas (Wortmann et al., 1997; Vermaat et al., 2000). Además, las variaciones de salinidad pueden hacer que las angiospermas sean más vulnerables ante determinados patógenos o enfermedades (Burdick et al., 1993).
4. Justificación, objetivo general y estructura de la tesis
Las praderas de angiospermas marinas se consideran uno de los hábitats con mayor importancia ecológica y económica presentes en la zona infralitoral de todos los mares, exceptuando las zonas polares (Costanza et al., 1997; Short y Coles, 2001; Spalding et al.
2003; Short et al., 2007), pero son ecosistemas frágiles y por lo tanto se encuentran en regresión debido a diversas actividades antrópicas (Durako, 1994; Marbà et al., 1996; Short y Wyllie-Echevarria, 1996). A los impactos tradicionales y mejor conocidos, habría que añadir los que se pueden originar por nuevas actividades humanas actualmente en expansión, como
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12 Y. Fernández Torquemada
la desalinización (Chesher, 1975; Höpner y Windelberg, 1996; Lattemann y Höpner, 2003).
En general, las angiospermas marinas, exceptuando las adaptadas a vivir en zonas estuáricas o intermareales con grandes fluctuaciones en su salinidad, no toleran grandes variaciones en este factor, que puede provocar desde reducciones en el crecimiento hasta la mortalidad de estas especies (McMillan y Moseley, 1967; Walker y McComb, 1990; Short y Neckles, 1999;
Vermaat et al., 2000).
En cualquier caso, los límites de tolerancia encontrados, y los efectos ante los cambios de salinidad, tanto en magnitud como en el instante en el que los primeros síntomas aparecen, varían considerablemente entre las diferentes especies de angiospermas marinas (Tyerman, 1989), lo que justifica la importancia de realizar estudios específicos para cada una de ellas.
Precisamente, el objetivo general de esta tesis doctoral es aportar nuevos conocimientos sobre los efectos de las variaciones de salinidad, principalmente incrementos de la misma, en cuatro especies de angiospermas marinas, de las que hasta el momento de la realización de estos trabajos se desconocía su tolerancia frente a la salinidad. A su vez, se pretenden estudiar los efectos “in situ” de varios vertidos hipersalinos de plantas desalinizadoras.
Con el fin de cumplir dichos objetivos, esta tesis se ha organizado en dos bloques repartidos en ocho capítulos con formato de artículo científico:
I. Un primero, que consta de 5 artículos, y en el que se presentan una serie de experimentos realizados en condiciones controladas, donde se estudió la tolerancia de cuatro especies de angiospermas marinas a variaciones de salinidad y a su posible interacción con otros factores como el pH, la temperatura, la estacionalidad o el origen de las poblaciones de estudio.
II. Un segundo que consta de otros 3 artículos, en los que se estudian vertidos reales de desalinizadoras y sus posibles afecciones en el medio marino, centrándonos en sus efectos sobre la pradera de Posidonia oceanica y en la comunidad de equinodermos asociada.
Los objetivos específicos de cada capítulo son descritos a continuación:
Experimentos sobre la tolerancia a la salinidad de Posidonia oceanica (Capítulos 1-3) Inicialmente, se realizaron experimentos de corta duración (15 d) en mesocosmos (300 L) bajo condiciones controladas, para estimar los efectos de las variaciones de salinidad (25- 57 ups) en el crecimiento foliar y la supervivencia de haces ortotropos de Posidonia oceanica,
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Y. Fernández Torquemada 13
comprobando si las plantas afectadas podían recuperar su vitalidad al devolverlas a una salinidad normal. Además, se estudió una posible afección sobre los meristemos de crecimiento al estratificar la salinidad, o si se producía una interacción al variar la salinidad junto al pH del medio. Posteriormente, se realizaron dos ensayos independientes para investigar los efectos de las variaciones de salinidad en la germinación, desarrollo y supervivencia de las semillas y plántulas una vez germinadas, también bajo condiciones controladas de laboratorio.
Experimentos sobre la tolerancia a la salinidad de Cymodocea nodosa y Zostera noltii (Capítulo 4)
Se estudió la tolerancia frente a cambios de salinidad y el posible rango de supervivencia de dos angiospermas marinas de crecimiento rápido del Mar Mediterráneo, Zostera noltii y Cymodocea nodosa. También se analizó la capacidad de C. nodosa para aclimatarse a incrementos graduales de la salinidad y cómo responde a un aumento rápido de la misma en combinación con otros factores, como incrementos en la temperatura, la estacionalidad y diferentes poblaciones de procedencia de las plantas. Para ello se realizaron varios experimentos de corta duración (10 d) en condiciones controladas, en los que se colocaron diez haces marcados en acuarios de 5 L, donde fueron expuestos a diferentes tratamientos de salinidad (2-72 ups).
Experimentos sobre la tolerancia a la salinidad de Halophila johnsonii (Capítulo 5) En este capítulo se estudió la respuesta de H. johnsonii a las variaciones de salinidad en diferentes experimentos controlados de laboratorio. Las tasas de crecimiento y mortalidad de esta especie se examinaron mediante exposiciones de corta duración (15 días), mientras que el comportamiento de la fotosíntesis frente a la irradianza (PI), y la respiración se investigaron para cambios de salinidad de menor duración (1-20 h), incluyendo en este caso el estudio de posibles interacciones con las variaciones de pH y temperatura.
Seguimiento del vertido de la desalinizadora de Jávea (Capítulo 6)
En este trabajo se exponen las medidas de atenuación propuestas para evitar el posible impacto del vertido de la desalinizadora de OI de Jávea (Alicante), junto con los resultados del posterior programa de vigilancia ambiental (PVA). Se describen las recomendaciones previas a la puesta en marcha de la desalinizadora, en al año 2002, con el fin de facilitar la
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14 Y. Fernández Torquemada
dilución del vertido de sus aguas de rechazo, evitando a las praderas de Posidonia oceanica y a la comunidad de equinodermos asociada, presentes en la zona.
Seguimiento del vertido provisional de la desalinizadora de San Pedro del Pinatar (Capítulo 7)
El objetivo de este estudio es presentar los resultados del PVA del vertido provisional de agua de rechazo de la desalinizadora de OI del Nuevo Canal de Cartagena en San Pedro del Pinatar (Murcia), así como cuantificar sus efectos potenciales en las comunidades más sensibles presentes en el área (praderas de Posidonia oceanica, arrecifes del vermétido Dendropoma petraeum y equinodermos). La planta desalinizadora comenzó a funcionar en mayo del año 2005, y al no haberse finalizado la construcción del emisario por donde se debían verter sus aguas de rechazo, éstas eran diluidas con agua de mar y vertidas de forma provisional en la línea de costa, a unos 2 m de profundidad, en una zona de alta calidad ambiental. Debido a las peculiaridades de este vertido provisional, el funcionamiento de esta desalinizadora se produjo de una forma progresiva, incrementándose el número de bastidores efectivos al mismo tiempo que la dilución de su salmuera, realizándose un PVA muy estricto.
Seguimiento del vertido de la desalinizadora de Alicante (Capítulo 8)
En este último capítulo se presentan los datos del seguimiento del vertido de la desalinizadora por OI de Alicante. En este caso, el vertido se realiza en costa en una zona degradada, con las praderas de Posidonia oceanica situadas a unos 2 km de distancia. Para detectar los posibles efectos sobre dichas praderas y sus comunidades de equinodermos asociadas, se ha realizado un estudio desde antes de la puesta en marcha de la desalinizadora (septiembre del 2003), hasta la actualidad.
Los últimos apartados de este documento son: la discusión general, donde se integran los resultados de los diferentes capítulos y las conclusiones más relevantes extraídas de cada uno de los trabajos.
PARTE I
TOLERANCIA A LA SALINIDAD DE ANGIOSPERMAS MARINAS EN CONDICIONES CONTROLADAS
PART I
SALINITY TOLERANCE OF SEAGRASSES UNDER
EXPERIMENTAL CONTROLLED CONDITIONS
Effects of salinity on leaf growth and survival of the
Mediterranean seagrass Posidonia oceanica
C HAPTER 1
Publicado en:
Fernández-Torquemada, Y., Sánchez-Lizaso, J.L. 2005. Effects of
salinity on leaf growth and survival of the Mediterranean seagrass
Posidonia oceanica (L.) Delile. Journal of Experimental Marine Biology
and Ecology 320, 57-63.
Capítulo 1 Chapter 1
Y. Fernández Torquemada 19
M
A
BSTRACTThe main aim of this study was to estimate the effects of salinity variation on the Mediterranean seagrass Posidonia oceanica (L.) Delile and its attached epiphytes. Leaf growth and survival of this plant were tested in several short-term (15 days) mesocosms experiments under controlled conditions between February 2001 and November 2001. Plants collected from shallow meadows at Alicante (SE Spain), with an ambient salinity of 36.8-38.0 psu, were placed in tanks of 300 L with an additional overhead light and exposed to different salinity treatments (ranging from 25 to 57 psu) during 15 days. To estimate the mortality and growth recuperation, in some experiments shoots were returned to control salinity (38 psu).
Leaf growth was measured in the laboratory where epiphytic fauna and flora were removed from leaves, with a razor blade, to determine their biomass.
Posidonia oceanica was negatively influenced by increased salinity. Shoots showed a significant decrease in growth and survival, whereas epiphyte biomass did not show a clear response because of their high variability. Maximum leaf growth occurred between 25 and 39 psu. In addition, plants suffered considerable mortality at salinities above 42 psu and below 29 psu, with 100 % mortality at 50 psu. In salinities between 39 and 46 psu, surviving plants were able to regain their original growth rate when returned to normal seawater salinity (38 psu). These results suggest that P. oceanica is one of the most sensitive seagrasses to salinity increments and it is more tolerant to salinity reductions (25.0-36.4 psu), perhaps due to the terrestrial origin of seagrasses.
Chapter 1 Capítulo 1
20 Y. Fernández Torquemada
R
ESUMENEl principal objetivo del presente estudio fue estimar los efectos de las variaciones de la salinidad sobre la angiosperma marina mediterránea Posidonia oceanica y sus epífitos. Se determinó el crecimiento foliar y la supervivencia de esta especie en varios experimentos cortos en mesocosmos, entre febrero y noviembre del 2001. Las plantas empleadas se recogieron de dos praderas someras en Alicante, con una salinidad ambiental de 36.8-38 ups, se colocaron en tanques de 300 L con luz artificial y se expusieron a los distintos tratamientos de salinidad (25-57 ups) durante 15 días. Para estimar la mortalidad y la recuperación del crecimiento, en algunos experimentos los haces se volvieron a traspasar a la salinidad control (38 ups). El crecimiento foliar se estimó en el laboratorio, donde también se separaron los epífitos con el fin de determinar su biomasa.
Posidonia oceanica se vio afectada negativamente por la salinidad. Sus haces mostraron una reducción significativa en su crecimiento y en su supervivencia, mientras que la biomasa de epífitos no mostró una respuesta clara debido a su elevada variabilidad. El crecimiento máximo foliar se detectó entre 25 y 39 ups. Además, las plantas sufrieron una considerable mortalidad a salinidades mayores de 42 ups y menores de 29 ups, con un 100 % de mortalidad a 50 ups. En las salinidades comprendidas entre 39 y 46 ups, las plantas que sobrevivían fueron capaces de recuperar su crecimiento original cuando se devolvieron a la salinidad normal del agua de mar (38 ups). Estos resultados sugieren que Posidonia oceanica es una de las angiospermas marinas más sensibles a los incrementos de salinidad, y que es más tolerante a las reducciones de ésta (25-36.4 ups), quizás debido al origen terrestre de las angiospermas marinas.
Capítulo 1 Chapter 1
Y. Fernández Torquemada 21
1. Introduction
Desalination in Mediterranean countries is a steadily growing industry, where desalination by reverse osmosis (RO) has become the most extended method due to its reduced inversion costs and its lower energy and space consumption (Morton et al., 1996).
However, this activity causes environmental impacts, mainly from discharge of the brine produced (44-90 g L-1), and the chemicals (anti-scalant, antifouling, hydrochloric acid, sodium hexametaphosphate, etc.) used in desalination processes (Höpner and Windelberg, 1996; Pérez Talavera and Quesada Ruiz, 2001). The density difference between brine and seawater induces the formation of a stratified system, with the brine forming a bottom layer that can affect the benthic communities that depend upon stable salinity environments (Del Bene et al., 1994; Gacia and Ballesteros, 2001).
Although available information dealing with the impacts of desalination plant discharges are limited (Morton et al., 1996), the discharge of brine into the sea requires particular attention and scientific assessment of possible impacts on the marine environment.
Previous research has shown negative effects on echinoderms and bivalves (Castriota et al., 2001), and on seagrasses (Chesher, 1975) and macroalgae (Tomasko et al., 1999). On the other hand, some studies have not detected negative responses by the communities exposed to brine discharge (Pérez Talavera and Quesada Ruiz, 2001; Tsiourtis, 2001).
Posidonia oceanica (L.) Delile is an endemic seagrass of the Mediterranean Sea, where its meadows form one of the most important and productive ecosystems (Boudouresque and Meinesz, 1982). This species is very sensitive to environmental changes, and Posidonia habitat losses have been commonly attributed to several human activities (Ruiz, 2000).
Considering that salinity variations in the Mediterranean Sea are relative small, P. oceanica has been described as a stenobiotic seagrass (den Hartog, 1970; Phillips and Meñez, 1988), which may make this species susceptible to high salinity discharges from desalination plants.
Few experimental studies of seagrass tolerance to salinity variations are available. Most of these have focused on seagrass responses to decreased salinity (Drysdale and Barbour, 1975; Pinnerup, 1980; Benjamin et al., 1999; Hellblom and Björk, 1999; van Katwijk et al., 1999; Vermaat et al., 2000). Plant responses to salinity variations include a variety of changes at physiological and biochemical levels. When seagrasses are exposed to a change in salinity they suffer osmotic stress which is translated into alterations of their photosynthetic rate
Chapter 1 Capítulo 1
22 Y. Fernández Torquemada
(Biebl and McRoy, 1971; Kerr and Strother, 1985; Dawes et al., 1987, 1989), metabolism (van Katwijk et al., 1999), reproduction (Ramage and Schiel, 1998), growth (McMillan and Moseley, 1967; Walker, 1985; Walker and McComb, 1990) and survival (Vermaat et al., 2000).
The way that salt stress reduces plant growth is considered an adaptive feature for plant survival under stress conditions. The causes of this growth rate reduction under salinity stress can be a decrement on photosynthesis or on cell division (Zhu, 2001). Gessner and Hammer (1960) found that lower salinity induced a decrease in Posidonia oceanica photosynthetic rate.
This process appeared to be reversible when the exposure to low salinity was for a short time, but it has not been investigated the effects of increased salinity on this species.
In the present study, mesocosms experiments under controlled conditions were established to estimate the effects of salinity variations on survival and growth of the seagrass Posidonia oceanica in order to reduce the impact caused by new desalination plants.
2. Material and methods
2.1. Plant material and experimental conditions
Posidonia oceanica shoots were collected by SCUBA diving from two shallow meadows (4-8 m) at SE of Spain, Cala Estudiantes (Villajoyosa, Alicante) and Cala Palmeras (Cabo de las Huertas, Alicante) between February 2001 and November 2001.
Plants were kept submerged in a plastic container and immediately transported to the tanks located in the Marine Park Mundomar (Benidorm), where experiments were performed.
Ten shoots were marked using the modified Zieman method (1974) and placed in 300 L tanks, with an additional overhead fluorescent light, at different salinities for 15 days. All tanks were identical (0.5 m2) and randomly selected for each salinity treatment. Plants were placed into the salinity treatments without acclimation period, in order to simulate sudden increments in salinity associated with a brine discharge.
Thirteen short-term mesocosms experiments were performed with salinities ranging from 25 to 57 psu. For each experiment four different salinity treatments with three replicates (tanks) per treatment were used. In controls, treatment salinity was established at 38 psu
Capítulo 1 Chapter 1
Y. Fernández Torquemada 23
because this was the maximum salinity found in the area of plants collection (range 36.8 to 38.0 psu, average 37.4 psu).
The water used in the experiments was obtained from marine wells. Salinity treatments were made using natural salt produced by Santa Pola saltworks from concentrating seawater.
Salinity during experimental time was checked using a Crison GL 32 conductimeter (Crison Instruments, Barcelona, Spain).
Tank temperature during each experiment was constant, varying along the year between 13.6ºC in winter and 27ºC in summer. These values were similar to open water temperature in the area of plants collection (13.8-26.3ºC). Average light intensity was 50 µmolquantam-2 s-1 of PAR (Photosynthetically active radiation, λ = 400-700 nm), measured with a LiCor 193 SA spherical quantum sensor. The light regime was adjusted to 12:12 h (light:dark).
2.2. Determination of plant growth and survival
At the beginning of each experiment, all shoots were marked to estimate leaf growth (Fig. 1). After 15 days marked shoots were harvested. In the laboratory all leaves on each shoot were measured and leaf elongation was estimated as daily rates (cm2 shoot-1 day-1).
Previously to the processing of the leaves, epiphytes were removed with a razor blade, and weighed after desiccation at 80ºC for 48 h to estimate epiphyte dry mass (g dw cm-2).
At the end of some experiments, plants were transferred to normal salinity (38 psu) to determine if they were able to recover its growth. Mortality rates were estimated as the percentage of plants that did not grow when returned to normal salinity.
2.3. Statistical analysis
Growth rate was evaluated using a two-way analysis of variance (ANOVA) design after testing for homogeneity of variance by Cochran's test (Underwood, 1997). If significant differences were found, data were log-transformed. The design of the different experiments considered salinity a fixed factor, with four treatments (one as control) replicated in three tanks (random and nested within the salinity factor) and with ten Posidonia shoots (replicates). Thus, the linear model of sources of variance was defined as the following:
X ijn = + Salinity i + Tank (Salinity) j(i)+ Residual n(ij)
