Uniendo el procesado terrestre y acuático de la materia orgánica en ecosistemas fluviales

Abstract

La descomposición de la materia orgánica es uno de los principales procesos que controlan los flujos de materia y energía en los ecosistemas de ríos y arroyos. Aun así, el conocimiento actual sobre el papel que realiza este proceso ecológico en el funcionamiento de los ríos de regiones áridas y semiáridas sigue siendo bastante escaso. Los ríos de regiones áridas se caracterizan por un gran dinamismo hidrológico, marcado por la sucesión de eventos hidrológicos extremos como sequías en verano y avenidas en épocas de lluvia. Este gran dinamismo espacio-temporal en la hidrología de estos ríos, provoca que el procesado de la materia orgánica en estos sistemas esté totalmente supeditado a la interacción entre sistemas o fases terrestres y acuáticas. Así, durante las épocas de sequía, la materia orgánica queda acumulada en medios terrestres como, cauces secos o llanuras de inundación, expuestas a diversas factores bióticos y abióticos que pueden alterar su composición química. Posteriormente, con la llegada de las lluvias, dicha materia orgánica entra por escorrentía o avenidas a la columna de agua, donde empieza su fase de descomposición acuática. Por tanto, la presente tesis está dirigida a analizar como dicha interacción entre sistemas terrestres y acuáticos modula el procesado y descomposición de la materia orgánica, especialmente, en ríos de regiones áridas. Para llevar a cabo este objetivo, se han realizado diversos trabajos de investigación en los que se han empleado tanto experimentos en campo, realizados “in situ” en varias llanuras de inundación y ríos europeos, como experimentos de microcosmos bajo condiciones ambientales naturales, pero también experimentos en con tratamientos de laboratorio. A lo largo de todos los trabajos, se hicieron estimas de descomposición de la materia orgánica mediante estimas de pérdida de masa, análisis de la actividad microbiana descomponedora y de invertebrados acuáticos detritívoros, así como de la composición química de la materia orgánica. Destacando en este último apartado el uso de técnicas punteras de análisis químico de la materia orgánica disuelta y particulada como la espectrometría de masas de resonancia ión-ciclotrón transformada de Fourier (FT-ICR-MS) o la espectrometría infrarroja transformada de Fourier (FTIR), respectivamente. Los resultados de esta tesis demuestran, la importancia de la fase terrestre como una fase activa de alteración química de la materia orgánica acumulada tanto en cauces secos, como en suelos de llanuras de inundación. Durante esta fase, las condiciones ambientales modulan la biodegradabilidad final de la materia orgánica mediante la estimulación de procesos abióticos como la fotodegradación o el lixiviado por lluvias, o bien de procesos bióticos como la actividad microbiana llevada a cabo por hongos terrestres. Los cambios producidos sobre la materia orgánica durante la fase terrestre controlan su posterior descomposición acuática en estos ríos y así los flujos de materia y energía en estos sistemas. Concretamente, nuestros resultados destacan que la exposición de la materia orgánica a condiciones ambientales extremas, típicas de zonas áridas, como radiación solar intensa, altas temperaturas o suelos empobrecidos en nutrientes, puede reducir severamente la biodegradabilidad de la materia orgánica y con ello, la capacidad de las comunidades acuáticas de los ríos para procesarla. Por tanto, la presente tesis destaca las diferencias en el funcionamiento ecológico y en los flujos de materia orgánica en los ríos de regiones áridas respecto a ríos de regiones de carácter templado. Los descubrimientos destacados a lo largo de esta tesis contribuyen a mejorar el conocimiento sobre los ríos de regiones áridas, y por ello, podrían ser utilizados para mejorar su gestión ambiental, lo cual resulta completamente necesario en vista a la actual expansión de las zonas áridas en el planeta. The decomposition of organic matter is an essential ecosystem process in fluvial ecosystems as it can support heterotrophic food webs and allows the cycling of carbon and nutrients. However, the role of this process in the ecosystem functioning of rivers in arid and semiarid regions is still poorly understood. Arid rivers are highly hydrodynamic systems, characterized by the succession of extreme hydrological fluctuations, ranging from severe drought in summer to floods events during the rainy period. During periods of summer low flow, organic matter remains accumulated on dry riverbeds and floodplain soils, where it is exposed to abiotic and biotic factors which can alter its chemical composition. Then, eventual floods or storm events transport organic matter into the water column, where the aquatic decomposition starts. Therefore, in these fluvial ecosystems, the OM processing is modulated by terrestrial and aquatic interactions lead by flow fluctuations. This dissertation aims to analyse how terrestrial-aquatic interactions control OM processing in fluvial ecosystems, with especial emphasis to arid rivers. The methodological approach used for that included field experiments developed “in situ” in different European floodplains and rivers, experiments developed in outdoor microcosms, or combining laboratory and field experiments. Along this dissertation, we measured organic matter decomposition through mass loss estimations, we analysed the activity of microbial decomposers and detritivores, and also the chemical composition of organic matter. In this regard, it is worth noting the employment of novel techniques for the chemical characterization of dissolved and particulate organic matter such as Fourier-transform ion-cyclotron mass spectrometry (FT-ICR-MS) and Fourier-transform infrared spectrometry (FTIR), respectively. Results of this dissertation highlights that terrestrial phases, or periods of organic matter accumulation on floodplain soils and dry riverbeds, are not static, but active periods of chemical alteration of organic matter. During this period, environmental conditions shape the biodegradability of organic matter by favouring specific abiotic processes, such as photodegradation or rain leaching, or conversely biotic processes like the microbial activity of terrestrial fungi. In the end, changes occurred in OM during the terrestrial phase control its later aquatic decomposition in the river, thus altering energy and nutrient fluxes in the system. Specifically, our results underpin that the exposure of organic matter under hard environmental conditions typical in arid systems, such as intense solar radiation, high temperatures or low soil nutrient content, can exert an overwhelming negative effect on organic matter biodegradability and consequently slows down its processing in the river. Therefore, this dissertation highlights differences in the ecological functioning and organic matter fluxes in arid and temperate rivers. Present findings allow us to advance in the understanding of freshwater ecosystems of arid regions, as well as contributing to the improvement of the environmental management of these systems, giving greater deliberation to the ongoing expansion of arid lands worldwide.