Respuestas fisiológicas y metabólicas de macroalgas expuestas a estrés osmótico por hipersalinidad: mecanismos de tolerancia y herramientas de biomonitoreo
- Autores: Pamela T. Muñoz Muñoz
- Directores de la Tesis: Claudio Saez Avaria (dir. tes.), José Luis Sánchez Lizaso (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat d'Alacant / Universidad de Alicante ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Nelso P. Navarro (presid.), Yolanda Fernández Torquemada (secret.), Céline Lavergne (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencias del Mar y Biología Aplicada por la Universidad de Alicante
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RUA
- Resumen
- español
La hipersalinidad puede causar estrés osmótico asociado a la deshidratación y a la gradual acumulación de iones en el medio intracelular, lo cual es capaz de inducir a un estrés y daño oxidativo debido a la sobreproducción de especies reactivas de oxígeno (ROS). Esto puede generar una reducción en el desempeño fotosintético e inducir la síntesis de moléculas antioxidantes como ascorbato (ASC) y glutatión (GSH), así como la expresión de genes que codifican para proteínas antioxidantes y para enzimas relativas a tolerancia salina.
Naturalmente, el aumento de salinidad en el medio ambiente marino puede ser observado en los periodos de bajamar del intermareal, cuando eventos de evaporación y desecación producen hipersalinidad. Asimismo, el exceso de sales en el medio marino se genera por efectos antrópicos, como en el caso de desalinización de agua de mar para obtener agua dulce. Este proceso, realizado por plantas de desalación, genera un efluente residual de salmuera, generalmente, descartada hacia el medio submareal, lo cual podría provocar un estrés osmótico en las comunidades bentónicas marinas. El objetivo de esta Tesis fue determinar mecanismos de tolerancia a nivel fisiológico y metabólico de macroalgas para tolerar hipersalinidad, así como también evaluar su potencial uso como herramientas de biotecnología ambiental para el monitoreo de salmueras de desalación.
Primero, se evaluó la exposición a hipersalinidad de dos poblaciones de la macroalga verde intermareal Ulva compressa, provenientes del intermareal de una localidad contaminada (Ventanas) y una no contaminada (Cachagua). Los resultados mostraron que aumento de la salinidad causó perturbaciones a nivel fisiológico y metabólico en ambas poblaciones. Pero la población de proveniente Ventanas mostró un metabolismo deprimido, observado por un menor rendimiento fotosintético, mayor estrés y daño oxidativo y la sobreexpresión de genes que codifican para enzimas antioxidantes. Esto confirmaría que el largo historial de exposición a diferentes contaminantes de la población intervendría en las respuestas de estrés salino, causando respuestas de tolerancia interpoblacional de las especies de macroalgas.
Segundo, se analizó la exposición a la descarga de salmuera de la macroalga parda Ectocarpus a través de experimentos de trasplantes en sitios cercanos a la tubería de descarga (10 y 30 m) de una planta de desalación de agua de mar en Antofagasta, Chile. Los resultados evidenciaron la disminución de la actividad fotosintética, el aumento del estrés y daño oxidativo, la acumulación de ASC, y un decrecimiento de glutatión. También se promovió la sobreexpresión de enzimas relativas a tolerancia salina y enzimas antioxidantes. Este estudio aportó con información para entender los mecanismos de tolerancia frente al estrés salino e identificó biomarcadores celulares para monitorear la salmuera de desalación.
Tercero, a través de experimentos de laboratorio con la macroalga parda Dyctiota kunthii, proveniente del Pacífico Norte de Chile, en Antofagasta y otro experimento sobre la especie Dictyota dichotoma del Mar Mediterráneo de España, de Alicante, se compararon en ambas especies, las respuestas a la exposición a valores de hipersalinidades, similares a los encontrados en una descarga de salmuera. Los resultados mostraron un incremento de la producción primaria y requerimientos de luz en ambas especies en condiciones de hipersalinidad, a pesar de una alta acumulación de H2O2 en D. kunthii y el decrecimiento de la eficiencia fotosintética de D. dichotoma. Esto sugirió que ambas especies tendrían estrategias celulares distintas, las cuales se activarían en condiciones de hipersalinidad. Probablemente, estas respuestas estarían vinculadas a la historia de adaptación local de las especies. Cuarto, se evaluó el efecto de la salmuera a través de dos experimentos de trasplante cercanos a la tubería de descarga, el primero a través de la exposición de la especie D. kunthii a la salmuera de una planta de desalación de Antofagasta y otro experimento por medio de la exposición de D. dichotoma a la salmuera de una planta de desalación de Alicante. Los resultados mostraron que la exposición a salmuera causó mayores efectos negativos en D. kunthii identificados por la disminución de la producción primaria y los requerimientos de luz y el exceso de la disipación de energía a través de calor. Mientras que en D. dichotoma se observó un decrecimiento de la máxima fluorescencia, eficiencia fotosintética en los sitios influenciados por salmuera, mientras que la disminución de producción primaria e irradiancia de saturación solo se observó en el trasplante más cercano a la descarga de salmuera. El estrés oxidativo aumentó en ambas especies en los sitios impactados por la salmuera, pero en el caso de D. kunthii fue observado solo en el primer tiempo, volviendo a valores basales a los 7 días, mientras que en D. dichotoma el mayor estrés oxidativo se obtuvo al término del experimento. Este estudio, es un enfoque práctico que podría ser considerado para evaluar potencial impacto por salmuera de desalación.
Como conclusión, con esta Tesis se demostró que todas especies de macroalgas utilizadas en este trabajo tuvieron diferentes estrategias celulares de tolerancia para enfrentar la condición de hipersalinidad, y que estas respuestas estarían vinculadas con el tipo de experimentación (sales artificiales o salmuera), especie-especificidad y la historia de adaptación local de cada especie. La relevancia de esta Tesis doctoral es demostrar que la perspectiva interdisciplinar favorece el entendimiento de los mecanismos de tolerancia hacia la hipersalinidad y, para este fin, existen herramientas metodológicas transversales provenientes de la fisiología, bioquímica y molecular que pueden ser aplicadas a nivel internacional y que son viables para incorporar en el sistema de monitoreo ambiental de impacto por salmuera.
- English
Hypersalinity can cause osmotic stress associated with dehydration and gradual accumulation of intracellular ions, which may induce damage and oxidative stress due to overproduction of reactive oxygen species. This can lead to a reduction of photosynthetic performance and induce synthesis of antioxidant molecules such as ascorbate (ASC) and glutathione (GSH), and genes encoding for antioxidant enzymes and for enzymes related to salinity tolerance.
Naturally, evaporation and desiccation events produced during intertidal low tide periods increase the salinity in the marine environment. Also, excess of salts in the marine environment is generated by anthropic effects, such as desalination of seawater to obtain fresh water. This process carried out by desalination plants generates a residual effluent of brine, generally discarded to the subtidal medium, causing osmotic stress in marine benthic communities. The aim of this Thesis was to determine tolerance mechanisms at physiological and metabolic level of macroalgae to tolerate hypersalinity, as well as to evaluate their potential use as environmental biotechnology tools for monitoring desalination brines.
First, this Thesis evaluated the exposition to hypersalinity of two populations of intertidal green macroalga Ulva compressa from a contaminated (Ventanas) and not contaminated (Cachagua) locality. The results showed that hypersalinity had an impact on both populations, but in the case of Ventanas population, it showed a depressed metabolism, which can be observed through a lower photosynthetic activity and a higher oxidative stress and damage, with a higher expression of antioxidant enzyme genes, which is a consequence of continuous exposure to different pollutants, interfering in the responses to interpopulation tolerance saline XVI stress of macroalgal species.
Second, the exposure to the brine discharge of the brown macroalgae Ectocarpus was analyzed through transplanting experiments in sites nearby the discharge pipe (10 and 30 m) of a seawater desalination plant in Antofagasta, Chile. The results showed a decrease in photosynthetic activity, increase of oxidative stress and damage, accumulation of ASC, and a decrease of GSH. It also was promoted the up-regulation of enzymes related to salinity tolerance and antioxidant enzymes. This study provided information to understand the tolerance mechanisms against salt stress and identified cellular biomarkers to monitor desalination brine.
Third, through laboratory experiments with the brown macroalgae Dyctiota kunthii from the North Pacific of Chile, in Antofagasta, and another experiment with Dictyota dichotoma from the Mediterranean Sea of Spain, in Alicante, the responses of exposition to hypersalinities with similar values of a bine discharge were compared in both species. The results showed an increase in primary productivity in both species under hypersalinity conditions, despite a high accumulation of H2O2 in D. kunthii, and a decrease in the photosynthetic efficiency of D. dichotoma. This suggested that both species would have different cellular strategies, which would be activated under hypersalinity conditions. The responses would probably be linked to the local adaptation history of the species.
Fourth, the effect of brine was determined through two transplanting experiments nearby the discharge pipe, the first one exposing D. kunthii species to the brine from the Antofagasta desalination plant and the another one exposing D.
dichotoma to the brine from the desalination plant in Alicante. The results showed that exposure to brine at the impacted sites caused in D. kunthii a decrease in primary productivity and light requirements, and an increase in photosynthetic XVII efficiency and dissipation through heat. In D. dichotoma it was observed a decrease in maximum fluorescence, photosynthetic efficiency and maximal no photochemical quenching in impacted sites, while decrease of primary production and saturation irradiance was only observed at the site closest to the brine discharge. Oxidative stress increased in both species at the impacted sites, but in the case of D. kunthii it was observed only at the first time, while in D. dichotoma at the end of the experiment. This study is a practical approach that could be considered to evaluate the potential impact of desalination brine.
In conclusion, this Thesis demonstrated that all macroalgae species used in this work had different cellular tolerance strategies to face the condition of hypersalinity, and also that these responses would be linked to the type of experimentation, the species-specificity and the history of local adaptation of each species. The relevance of this doctoral Thesis is to demonstrate that the interdisciplinary perspective favors the understanding of tolerance mechanisms to hypersalinity and, for this purpose, there are cross-sectional methodological tools from physiology, biochemistry, and molecular that can be applied internationally and are feasible to incorporate into the brine impact environmental monitoring system
- español
