Figura 1.1. Dinoflagel·lades de la costa catalana. a. Alexandrium minutum. b. Dinophysis sacculus. c. Gymnodinium cf. pulchellum. d. Gyrodinium corsicum.

    La caracterització general d'una proliferació d'algues és difícil. Per exemple l'escala i el patró de les proliferacions són molt variables. Algunes són localitzades, ara com en ports, badies i estuaris; mentre que d'altres s'extenen al llarg de molts quilòmetres. Algunes proliferacions són anualment recurrents, mentre que d'altres proliferen d'una manera aparentment arbitrària. La durada és molt variable, algunes duren pocs dies, d'altres duren mesos. Quant a les densitats a què atenyen les proliferacions també són variables, cosa que en condiciona els efectes, l'interés i la mateixa qualificació. D'altra banda, hi ha espècies no tòxiques que poden ser nocives quan s'acumulen en nombre suficient (milions per litre), produeixen discoloracions en l'aigua, provoquen ombra a la vegetació submergida, trenquen la dinàmica de la cadena alimentària i poden produir depleció d'oxigen. A l'altre extrem, hi ha les espècies tòxiques que poden ser una part molt petita de la fracció del fitoplàncton total i ser encara nocives. Per exemple, les concentracions d'organismes associats a la toxicitat de DSP (enverinament diarreic per consum de mol·luscs bivalves) poden ser de cent cèl·lules per litre.

En la tesi s’utlitzarà el terme marea roja, proliferació i proliferació massiva en relació a desenvolupaments de dinoflagel·lades.

Importància sòcio-econòmica de les proliferacions de microalgues marines

De les aproximadament 5.000 espècies del fitoplàncton marí descrites fins el present (Sournia et al., 1991),unes 300 poden donar lloc a altes densitats cel·lulars que tenyeixen l'aigua, però només 40 espècies tenen la capacitat de produir potents toxines que poden anar mitjançant el consum del peix i el marisc cap als humans. A causa de la toxicitat associada en algunes espècies, els fenòmens de les proliferacions massives creen seriosos problemes econòmics i de salut en àrees localitzades. Les proliferacions d'algues nocives (HAB) tenen freqüentment conseqüències d'abast notable i de forta repercusió sòcio-econòmica, per exemple mortalitat en peixos, acumulació de toxines en els òrgans dels mol·luscs bivalves (musclos, ostres) que filtren el plàncton, i transtorns digestius i toxicitat en l'home que els consumeix (Shumway, 1990, Smayda i Shimizu, 1993).Entre els organsimes potencialment tòxics s'inclou en els productors de PSP (enverinament paralitzant per consum de mol·luscs bivalves), DSP (enverinament diarrèic per consum de mol·luscs bivalves), NSP (enverinament neurotòxic per consum de mol·luscs bivalves) i ASP (enverinament amnèsic per consum de mol·luscs bivalves). Els musclos, ostres i altres bivalves filtradors no són generalment sensibles als efectes de les toxines i les acumulen en els teixits cel·lulars. Les depuracions d'aquests organismes només serveixen per netejar els bivalves dels bacteris i les partícules que es troben en el seu sistema digestiu. Així, la depuració de curta durada no elimina les toxines. D'altra banda, les toxines són termoestables, és a dir, que no es destrueixen amb la calor. La prevenció d'incidents de toxicitat està regulada per la llei i es prohibeix la comercialització del producte quan presenta risc. Altres efectes associats a les proliferacions massives són la depleció de l'oxigen dissolt i condicions d'estrès diverses que per a la fauna poden comportar mortalitats en llocs particulars com badies confinades, poc barrejades o estratificades i en àrees costaneres en general.

El fenomen de les proliferacions d'algues en un sentit estricte és un fenomen completament natural que ha passat al llarg de la història. La primera referència escrita d'una proliferació massiva apareix a la Biblia: "... totes les aigues del riu es varen tornar sang, i els peixos que hi havia en el riu varen morir, i el riu va començar a fer pudor, i els egipcis no varen poder beure aigua del riu" (Èxode 7: 20-21). En aquest cas, s'interpreta que una alga (o un altre organisme) formadora de proliferacions es va concentrar tant que va generar condicions anòxiques, cosa que va provocar una mort indiscriminada de peixos i invertebrats. En les dues dècades passades els impactes en l'economia i la sanitat pública d'aquests fenòmens han incrementat aparentment en freqüència, intensitat i distribució geogràfica. El tema de l'increment global ha estat un tòpic recurrent de discussió en totes les conferències internacionals de proliferacions massives d'algues nocives (Hallegraef, 1993).S'han donat quatre principals explicacions per a aquest "aparent" increment en les proliferacions d'algues: increment de l’estudi i coneixement de les espècies, increment en la utilització de les aigües costaneres per l'aqüicultura, estimulació de les proliferacions de fitoplàncton per l'eutrofització humana deguda a accions directes o indirectes (i/o condicions climatològiques poc usuals), increment en la dispersió geogràfica de les espècies degut, per exemple, al transport dels cists de resistència en l'aigua de llast dels vaixells o associat amb la translocació dels estocs de mol·luscos d'una àrea a una altra.

Són necessaris molts factors físics, químics i biològics en bona combinació per donar lloc al desenvolupament i persistència de les proliferacions de les dinoflagel·lades. Com a fonamentals podem citar: suficient llum i temperatura, nutrients, adequada permanència espacial i temporal del medi en relació a la taxa de divisió dels organismes que es concreta en una estabilitat suficient horitzontal i vertical de la massa d'aigua. Tant en aigua dolça (Reynolds i Walsby, 1975)com en marina (Eppley i Harrison, 1975) s'ha donat importància al paper de l'estabilitat vertical i horitzontal de la columna d'aigua com a factor per a l'establiment i la persistència de les poblacions formadores de proliferacions.

En les nostres latituds, la llum i la temperatura en aigües superficials són factors menys limitants que trobar condicions de concentració alta de nodriment i poca turbulència, que és una situació inestable, si no hi ha un subministrament seguit dels elements necessaris. En la zona costanera, els estuaris i llacunes presenten una alta productivitat. El mateix passa amb altres zones semitancades, com els ports comercials. Moltes d'aquestes àrees mostren signes d'eutrofització a causa de les grans descàrregues de nutrients de rius o a vessaments residuals, i sovint s’hi desenvolupen proliferacions massives de fitoplàncton. Quant a l'estabilitat de les masses d'aigua, és en la zona costanera, on les badies, estuaris, llacunes litorals i ports són molt importants. Aquestes mateixes zones que presenten alta productivitat deguda a la combinació d’elevats aports continentals i el confinament de l'aigua marina. Per exemple, les masses d'aigua en els estuaris estan delimitades per masses de terra que les envolten, estabilitzades per estructures de densitat i que amb unes circumstàncies meteorològiques escaients poden tenir llargues persistències. Són zones que poden rebre força aportacions terrestres d'origen antropogènic com ara aigües residuals riques en nitrogen i fósfor junt amb restes de fertilitzants d’origen agrícola, etc, i on el creixement del fitoplàncton s'hi pot veure estimulat. Alhora poden ser zones importants per a activitats econòmiques com l'aqüicultura. El fenomen de proliferacions massives de dinoflagel·lades és corrent als estuaris, i fins i tot, que una part d’elles siguin proliferacions tòxiques. El confinament de l'aigua que es dóna a causa de les obres costaneres, com per exemple la construcció de ports, afavoreix també les proliferacions de dinoflagel·lades, que en molts casos tenen un caràcter permanent per efecte de la conservació de cists de resistència i/o a la poca dilució de les poblacions.

Sembla que el fet diferencial de les zones que poden afavorir la formació de proliferacions massives és que tinguin permanències de l'aigua superiors a una setmana, escala de temps en què els processos biològics, per exemple, el creixement, esdevenen importants. L'estabilitat de l'aigua en aquestes zones va molt lligada a processos d'escala petita, en contra de processos d'escala mitjana-gran com poden ser fronts, convergències i surgències. Les visions dels fenòmens d’aflorament d’aigües profundes associats a les marees roges en el cas de les costes de Galicia, per exemple, no poden ser aplicades en una zona com la nostra. El Mediterrani no té grans estructures físiques, ni marees ni surgències comparables en intensitat i efectivitat amb aquells associats als principals corrents oceànics que actuen sobre els marges accidentats dels continents. En el Mediterrani, tot i reconeixent l’importància que poden tenir fenòmens de gran escala (com ara la fertilització hivernal per barreja vertical al trencament de la picnoclina) o d’escala mitjana (com els fenòmens de front costaner que s’associarien a les marees roges de Noctiluca scintillans o de Gyrodinium impudicum per exemple), s'ha de donar importància a les visions d'escala petita lligades als aports del continent en zones confinades afectades pel baix intercanvi que permet un mar sense grans marees.

En el cas del Mediterrani, les badies del delta de l'Ebre i l'Albufera de València, a Espanya, les llacunes costaners de sudest de França, el llac de Tunis, la badia de Kastela a Croacia, i la badia Ixmir a Turquia són exemples d'ambients amb les condicions adequades per a les proliferacions massives de dinoflagel·lades (UNEP, 1989 UNEP/FAO, 1990). Cal comentar a part el cas del mar Adriàtic ja que la part nord menys profunda, rep una gran descàrrega de nutrients del riu Po i està afectada recurrentment per grans proliferacions de dinoflagel·lades i diatomees. Així doncs, es a través de l'estudi de totes aquestes zones que es pot arribar a entendre els fenòmens de proliferacions massives a la Mediterrania, i per extensió a tots els mars de característiques semblants.

En el cas concret de la costa catalana, seguidament s'exposen exemples de proliferacions de dinoflagel·lades i d'ambients on es donen les condicions adequades.

La majoria de les proliferacions que causen discoloracions de l'aigua registrades en la costa catalana són reduïdes en espai i temps. Són fenòmens locals, en ambients semiconfinats com els ports, que duren normalment entre 2 i 3 setmanes però també se’n donen algunes de gran abast que poden afectar a molts km de la costa. Així discoloracions reduïdes degudes a les dinoflagel·lades són produïdes per: Peridinium quinquecorne, Glenodinium foliaceum, Heterocapsa triquetra, Prorocentrum triestinum, Prorocentrum minimum. Discoloracions més extenses són les provocades per Noctiluca scintillans i Gyrodinium impudicum. Les mares roges de Noctiluca scintillans es detecten periòdicament a la costa catalana, cada dos o tres anys i és considera com un fenomen extensiu (més de 100 km). Aquestes proliferacions tenen origen en les aigües de la plataforma continental i són transportades més tard cap a la costa. Mentre que les proliferacions de N. scintillans són conegudes des de fa molt de temps (López i Arté, 1971), les de G. impudicum varen ser detectades recentement (Delgado, comm. personal). L’episodi més evident va ser a l’estiu del 1992 en què una marea roja extensa de G. impudicum formava bandes paral·leles a la costa i s’acumulava en molts ports tenyint-los de color vermellós.

Un cas particular és l'ocurrència de l'Alexandrium taylori, de la qual se’n parla extensament al llarg de la tesi. La dinoflagel·lada està present en moltes cales de la Costa Brava durant els mesos d’estiu, però en algunes d’elles fa proliferacions massives i recurrents. Així, l'A. taylori fa una taca de color marronós a la platja de la Fosca (Palamós) durant els dos mesos d'estiu (juliol i agost). Els registres del monitoratge assenyalen que la proliferació és recurrent des de 1994, però hi ha informació local que descriu el fenòmen des dels anys 80.

Encara que les discoloracions de dinoflagel·lades es donin en la majoria dels casos durant l'estació més càlida, hi ha proliferacions de dinoflagel·lades durant l'hivern, com és el cas de la Gyrodinium corsicum, durant els mesos de desembre-març (des de 1995). La proliferació de la G. corsicum a la badia dels Alfacs ha anat acompanyada per mortalitat de peixos d'aqüicultura (Sparus aurata), mol·luscs (Mitylus galloprovincialis) i fauna salvatge. Aquest ha estat el primer registre a la nostra costa de mortalitat de peix associada a una proliferació de dinoflagel·lades.

Mecanismes de formació de les proliferacions massives de dinoflagel·lades: importància del creixement.

Un dels punts necessaris per entendre el fenomen de les proliferacions massives és el coneixement dels mecanismes que intervenen en la formació. En principi, una alta biomassa només es pot acumular quan les taxes del creixement net de fitoplàncton són majors que les de dispersió. Les espècies de marees roges han estat considerades comunament com a organismes de creixement lent, per tant, les elevades densitats trobades eren considerades com el resultat de poca dilució, llarga vida, baixa pressió de depredació i (o) una acumulació física. Es raona freqüentment que els càlculs de balanç de massa mostren que els fluxos de nutrient in situ són sovint més baixos que el necessaris per produir les poblacions observades d'organismes. Llavors aquestes proliferacions només poden reflectir acumulacions físiques. La revisió de la literatura que descriu proliferacions mostra clarament que hi ha força excepcions per invalidar aquest mecanisme general de formació de les proliferacions d'algues. De fet és obvi que, un fenomen d'acumulació d'organismes comporta en general alguna cosa més que un simple comportament passiu de partícula neutra arrossegada pel medi.

Una manera sencilla de presentar el problema és expressar la dinàmica que modularia la densitat de població en forma d'equació (Smayda, 1995)amb termes que incrementarien la densitat i termes que actuarien en el sentit de disminuir-la:

densitat de població = taxa de creixement cel·lular + reclutació de cèl·lules (acumulació física, migració) - rentat - mortalitat - sedimentació - depredació

 

Per produir una proliferació massiva, els termes positius han de ser superiors a tots el termes que influeixen en les pèrdues.

En concret, un d'aquests termes positius poc avaluats ha estat la taxa de creixement. La taxa de creixement cel·lular de les dinoflagel·lades ha estat estimada amb valors baixos, ja que, en la literatura generalment se suggeria que el temps de duplicació en dinoflagel·lades era d’uns 3 dies. Amb aquest concepte s'ha valorat la dinàmica de la població donant importància als altres paràmetres, sobretot a condicions externes o que envolten les proliferacions. Així, s'ha donat importància a situacions hidrogràfiques que poguessin conduir a la concentració d'organismes i afavorir l'aparició d'altes densitats cel·lulars com ara cèl·lules de convecció, fronts hidrogràfics, ones internes, termoclines, picnoclines, etc, donant per fet que les taxes de divisió dels organismes eren baixes i més o menys constants.

Contràriament a la visió que les dinoflagel·lades són intrínsecament lentes, la literatura recent comença a suggerir que hi ha algunes dinoflagel·lades que són capaces d'un creixement ràpid (vegeu la taula 2.1, pàg. 19), no necessàriament sostingut, i que els fenòmens de proliferacions massives poden ser produïts o ajudats per un període de creixement cel·lular ràpid independent del control físic o de la depredació. Així, la visió de la proliferació com acumulació física de les lentes dinoflagel·lades ha de ser revisada, o al menys, matitzada.

El problema per distingir la importància relativa de les capacitats del propi organisme o de les condicions físiques en la gènesi de proliferacions massives, ha estat la manca de mesures de la taxa de creixement in situ (al camp). Aquesta tesi dóna una visió del creixement cel·lular en les proliferacions de dinoflagel·lades com un terme bàsic que intervé en la formació i manteniment de les poblacions i que s'ha de mesurar. La mesura de la taxa de creixement s'ha fet al camp en situacions reals de proliferacions uni o multiespecífiques, i en diverses fases de les mateixes. Pensem que les dades obtingudes en aquest sentit tenen un valor notable per si mateixes.

Les mesures de creixement cel·lular soles no expliquen la regulació de la dinàmica del creixement de població. El fet de restringir les anàlisis, com s'ha fet tradicionalment, oblida la resolució dels altres processos coexistens. Pensem que per entendre els processos que governen les proliferacions massives és necessaria una visió multidisciplinar. Lluny de pretendre estudiar tots els processos que intervindrien en l'equació, el fet de conèixer la magnitud de la taxa de creixement dins de l'equació general de densitat de població ens ha portat a valorar els altres termes, amb un grau menys de llibertat. Així, per exemple, dins de la reclutació cel·lular i a part del component físic, el comportament mòbil és un aspecte important com a factor de concentració cel·lular en les capes il·luminades en la columna d'aigua i per tant s'ha de conèixer en quin factor pot contribuir en les proliferacions. Dins dels altres mecanismes que intervenen en la dinàmica de la població, el coneixement sobre els cicles de vida dels organismes, en relació a les formes de resistència que presenten les dinoflagel·lades (cists de resistència i cists temporals) ha mostrat que aporta informació sobre els possibles mecanismes d'aparició, formació i manteniment d'altes densitats en quan estan influenciades per les densitats inicials o els inòculs (els cists de resistència). També els efectes de la depredació o la hidrografia han estat considerats en alguns llocs concrets com es veurà al llarg de la memòria.

Objectius i contingut d'aquesta tesi

L'objectiu principal d'aquesta memòria ha estat donar una visió del creixement cel·lular en les proliferacions de dinoflagel·lades com un terme bàsic que intervé en la formació i manteniment de les poblacions i que s'ha de mesurar. Un dels principals problemes de la mesura de la taxa de creixement in situ és trobar una metodologia que permeti aquesta mesura. S'ha utilitzat la tècnica de mesura in situ de la taxa de creixement de poblacions de dinoflagel·lades a partir de dues metodologies: el cicle cel·lular i les caixes d'incubació permeables. El cicle cel·lular in situ dels organismes proposa una taxa de divisió potencial, atès que no es tenen en compte les possibles pèrdues. Les incubacions in situ amb caixes permeables indiquen una taxa neta de creixement que prové de l'increment en densitat cel·lular de les poblacions. La comparança entre les dues taxes ens dóna informació sobre les possibles pèrdues que pateix la població, com per exemple la mort cel·lular.

S'han aplicat les dues metodologies en diverses situacions reals al camp ,de proliferacions de dinoflagel·lades, en diverses espècies, tòxiques i no tòxiques, en espècies coexistents dins de la mateixa comunitat, en la mateixa espècie en dos ambients diferents i extrems (un d'oligotròfic i l'altre de mesotròfic) i en escales temporals i espacials diferents en la mateixa proliferació.

Quan, tot i conèixer la taxa de creixement in situ, no s'entén la dinàmica de la població s'han estudiat les possibles adaptacions o comportament dels organismes. L'estudi de les adaptacions específiques en dinoflagel·lades ha contribuït a entendre la dinàmica de la població en alguns casos conrets. Dins d'aquestes adaptacions s'ha fet un seguiment en el cicle biològic d'una dinoflagel·lada en relació a formes de resistència com a part important de les recurrències i manteniment de les proliferacions massives. S'han descrit adaptacions específiques de diverses dinoflagel·lades com les migracions verticals diàries, els tactismes i la formació d'agregats com aspectes importants de factors de concentració cel·lular.

En concret, la memòria es divideix en dues parts importants: l'estudi del creixement in situ dels organismes i les adaptacions específiques. Cada una de les parts de la tesi té una introducció pròpia. Els casos estudiats s'han estructurat com a treballs científics; hi ha doncs, a cada capítol, un resum, una introducció, material i mètodes, resultats i discussió. Part dels capítols ja han estat publicats encara que han estat lleugerament modificats per formar part de la memòria. L'altra part conté informació nova encara no totalment explotada.

Introduint la primera part de la tesi, al capítol 2 s'exposa el concepte de taxa de creixement, el model de creixement in situ per cicle cel·lular i la taxa neta per increment en nombre cel·lular. Es dedica gran part del capítol a explicar la metodologia de la mesura de la taxa de creixement per cicle cel·lular pel fet que es basa en la mesura del DNA cel·lular per dues tècniques: per microcitometria i per citometria de flux. Les tècniques han requerit posar a punt un protocol de mesura quasi específic per als diferents organismes que s'han estudiat.

Els capítols seguents es basen en l'aplicació de la metodologia. En el capítol 2.1 es presenta la informació sobre el cicle cel·lular de dinoflagel·lades (Gymnodinium catenatum, G. cf. pulchellum, Prorocentrum micans, P.lima, P.triestinum, Scrippsiella trochoidea, Heterocapsa niei, Alexandrium minutum) com informació prèvia a l'aplicació del model de taxa de creixement. Es presenta també la tècnica de citometria de flux per a la mesura del cicle cel·lular.

En el capítol 2.2 s'exposa l'aplicació del mètode de model de creixement per cicle cel·lular en la dinoflagel·lada Dinophysis sacculus que prolifera a la badia dels Alfacs del delta de l'Ebre. El capítol està basat en l'article Garcés, E., Delgado,M. i Camp,J., (1997). La Dinophysis sacculus és l’espècie tòxica, major productora potencial de DSP (enverinament diarreic per consum de mol·luscs bivalves) en la costa catalana, que no es pot cultivar i de la qual se'n desconeix gran part de la seva biologia. En la tesi es descriu el cicle cel·lular i al llarg de l'elaboració de la tesi s'ha aportat informació nova referent al creixement i comportament d'aquesta espècie (Delgado et al., 1996).

En el capítol 2.3 s'exposa l'aplicació del mètode de model de creixement per cicle cel·lular en la dinoflagel·lada Ceratium furca en una campanya al mar català. C.furca és una espècie àmpliament distribuïda per tota la costa. Es descriu el cicle cel·lular de la dinoflagel·lada en un lloc oliogotròfic com pot ser el mar català i es comparen els resultats amb el cicle cel·lular descrit per a la mateixa espècie en un lloc mesotròfic com pot ser la badia dels Alfacs (resultats exposats àmpliament en el capítol 3.1).

En el capítol 2.4 s'exposa l'aplicació del mètode de model de creixement net en capses d'incubació permeables en la dinoflagel·lada Alexandrium minutum, la major causant de PSP (enverinament paralitzant per consum de mol·luscs bivalves) en la nostra àrea. El capítol està basat en l'article Garcés, E., Delgado, M., Vila, M. i Camp,J., (1997). S'ha descrit la migració de l'organisme paralel·lament a la tesi (Delgado et al., 1998). Es discuteix en el capítol com el creixement cel·lular o l'acumulació física dels organismes modulen el creixement de població i, per tant, les distribucions d'aquesta població.

La segona part de la tesi dedicada a les adaptacions específiques de diverses dinoflagel·lades s'introdueixen en el capítol 3.

En el capítol 3.1 es presenta l'estudi de la proliferació massiva del Gyrodinium corsicum a la badia dels Alfacs. La dinoflagel·lada és productora de proliferacions massives i ha estat associada a mortalitat de peixos. La Ceratium furca, com a espècie coexistent amb les proliferacions de G. corsicum, es va utilitzar per comparar dos comportaments diferents dins del grup de les dinoflagel·lades. Es va estimar el creixement i el comportament mòbil de les dues espècies per discutir els diferents mecanismes de permanència a la badia de les dues dinoflagel·lades.

En el capítol 3.2 es presenta el cicle de vida i creixement de l'Alexandrium taylori. Aquest capítol està basat en l'article Garcés, E., Delgado, M., Masó, M. i Camp, J. (1998). La dinoflagel·lada A. taylori produeix proliferacions recurrents en platges relativament obertes de la costa catalana i de les illes Balears durant el període més càlid de l'any (de juliol a agost). S'han descrit proliferacions recurrents des de 1994 a la Fosca (Costa Brava). En aquest capítol es presenta el cicle de vida i el creixement cel·lular com a part important per entendre la dinàmica de la població.

En el capítol 3.3 es presenten les diferents adaptacions biològiques de l'Alexandrium taylori com a factors importants per al manteniment perllongat d'altes densitats cel·lulars a la platja de la Fosca. Es presenta la migració vertical diària, els tactismes, i també la formació de cists temporals que intervenen en el mecanisme de creixement de població.

En el capítol 3.4 es presenten les distribucions a diferents escales temporals i espacials de l'Alexandrium taylori. Les distribucions de l'organisme ajuden a explicar la recurrència anual, l'aparició i el manteniment en llocs concrets de característiques especials. El coneixement global sobre l'Alexandrium taylori aporta informació que pot ser extensiva a d'altres dinoflagel·lades. Al llarg d'aquesta tesi s'ha desenvolupat també diversa informació en relació a l'Alexandrium taylori no directametn relacionada amb els temes principals com la variació morfològica específica (Delgado et al., 1997).