Componentes abióticos de un ecosistema acuático

Lab. Ecología I
Componentes Abióticos de Ecosistemas Acuáticos
Componentes abióticos de
un ecosistema acuático
Prof. María Mercedes Castillo**
Introducción
En los ecosistemas acuáticos, al igual que en los terrestres, los componentes
abióticos ejercen una gran influencia sobre los componentes bióticos y sobre el
funcionamiento de los ecosistemas. En los ecosistemas acuáticos, las características
físicas (luz, temperatura, turbulencia) y químicas (salinidad, pH, oxígeno, nutrientes) del
medio acuático pueden afectar los ciclos vitales de los organismos, así como su
distribución espacial y temporal en los ecosistemas. A diferencia de los ambientes
terrestres, la presencia del medio acuático influye marcadamente sobre la disponibilidad
de luz y de gases como el oxígeno, y sobre la distribución del calor en el cuerpo de
agua. El agua absorbe diferencialmente las distintas longitudes de onda de la radiación
solar y por lo tanto afecta la distribución vertical de la luz y del calor en la columna de
agua. En los ambientes acuáticos, la disponibilidad de oxígeno está determinada por la
lenta difusión del gas desde la atmósfera y por los procesos de fotosíntesis y
respiración. Por estar los organismos inmersos en el medio acuático, variaciones en el
pH o en la salinidad del agua pueden afectar directamente la fisiología de los
organismos acuáticos, y tener repercusiones sobre los procesos de fotosíntesis y
respiración. Por lo tanto, el conocimiento de las variables físicas y químicas del medio
acuático, así como de su variación espacial y temporal, son necesarios para
comprender el funcionamiento de los ecosistemas. A continuación se describen
algunas variables fisicoquímicas relevantes para ecosistemas acuáticos lénticos (lagos
y embalses):
Luz
La energía solar es un factor clave en el funcionamiento de los ecosistemas
acuáticos ya que influye sobre la tasa de fotosíntesis de los organismos acuáticos y la
estructura vertical de las masas de agua. Además, la luz influye sobre las actividades de
los organismos (depredación, orientación) y algunos tipos de radiación pueden tener
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efectos dañinos sobre los organismos como la radiación ultravioleta. Incluso, algunas
reacciones químicas (fotooxidación de compuestos orgánicos) están influenciadas por la
luz solar. Por estas razones es importante conocer la distribución de la luz en el agua y
los factores que la afectan.
La luz solar que logra penetrar en el agua (una buena proporción es reflejada)
es absorbida y dispersada a medida que aumenta la profundidad lo cual afecta la
distribución vertical de los organismos autótrofos y su producción. La absorción de
energía solar por el agua y su disipación en forma de calor influye sobre la distribución
vertical de la temperatura en un cuerpo de agua. El viento juega un papel importante en
la distribución del calor y por lo tanto en los procesos que conllevan a la estratificación
térmica de un lago.
¿Cómo es la distribución vertical de luz en una columna de agua?
A medida que la luz va penetrando en un lago, una fracción es absorbida y otra
es dispersada de manera que la cantidad de luz va disminuyendo a medida que
aumenta la profundidad y su composición se va
% Luz
modificando. La presencia de material disuelto
suspendido (sedimentos, organismos) puede
afectar los procesos de absorción y dispersión
de la luz. En aguas con poco material
profundidad
(sales, materia orgánica) y de material
suspendido, las ondas largas (rojo, infrarrojo) se
absorben en los primeros estratos mientras que
las ondas cortas (azul, verde) alcanzan mayores
profundidades. En aguas con alta turbidez, la penetración de radiación de longitudes de
onda cortas pueden verse reducida considerablemente. La disminución de la intensidad
de luz con al profundidad por efecto de la dispersión y la absorción se denomina
atenuación de la luz.
La cantidad de luz que penetra en un cuerpo de agua afecta la distribución de los
organismos autótrofos y su producción. En lagos donde la penetración de luz es mayor,
los autótrofos se pueden distribuir en mayor profundidad que en sistemas con una
turbidez elevada. En los estratos superficiales de los lagos donde la cantidad de luz es
**
Modificado en Enero 2006 para adaptarlo a la práctica ne el Embalse de la USB
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apropiada para llevar a cabo la fotosíntesis, la producción (P) es mayor que la
respiración (R). Dicha zona se denomina trofogénica (hay una producción neta de
alimento). En los estratos inferiores, donde la luz es escasa (< 1 %), la respiración es
Luz incidente %
mayor que la producción. Esta zona
se denomina trofolítica ya que el
Zona
trofogénica
(P>R)
consumo de alimento es mayor que
la producción.
La transparencia del agua se
profundidad
puede medir con el disco de Secchi,
el cual es un disco blanco y negro
Zona trofolítica
(R>P)
que se sumerge en el agua hasta
que desaparece. La profundidad a la
cual esto sucede se denomina
profundidad del disco de Secchi. Esta medición permite comparar de una forma
rápida y sencilla la transparencia de los cuerpos de agua. Por ejemplo, el Lago de
Valencia, cuya profundidad máxima es de 40 m puede presentar una profundidad de
disco de Secchi de 1.25 m, mientras que el embalse de Agua Fría (cerca del Jarillo)
presenta una profundidad de disco de Secchi de 10 m y su profundidad es de 11m.
Esto significa que: (1) Agua Fría es más transparente que el Lago de Valencia; (2) la luz
en el embalse de Agua Fría penetra a mayores profundidades que en el lago de
Valencia, y (3) la zona trofogénica es más amplia en Agua Fría que en el Lago de
Valencia.
Temperatura
La distribución vertical de temperatura
La principal fuente de calor en los lagos es la radiación solar. En los estratos
superficiales (<2 m) de un lago o embalse se absorbe más de la mitad de la radiación
que incide sobre la superficie del agua, ya que cerca del 50% de la radiación se
encuentra en los rangos del rojo e infrarrojo. La distribución del calor absorbido en la
columna de agua de un lago o embalse depende de la acción del viento, de los
movimientos de masas de agua, y de la morfometría de la cubeta del lago (Wetzel,
2001).
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Dado que una buena cantidad de radiación solar en las porciones del rojo e
infrarrojo es absorbida en los estratos superficiales, estas masas de agua pueden
presentar una mayor temperatura que las masas de agua de los estratos inferiores.
El
agua caliente presenta una densidad menor que el agua fría de manera que tiende a
flotar sobre ésta. Así, tenemos agua caliente, menos densa, flotando sobre agua fría
más densa, lo cual ocurre en los lagos. La diferencia en densidad no permite que la
masa de agua caliente superficial se mezcla con la masa de agua fría del fondo. Este
fenómeno se denomina estratificación térmica.
En los lagos estratificados, la masa de agua
Temperatura
Epilimnio
superior se denomina epilimnio y la inferior
hipolimnio. La masa de agua donde ocurre
profundidad
la transición y que exhibe una marcada
Metalimnio
discontinuidad térmica se denomina
metalimnio y el gradiente térmico entre el
Hipolimnio
epilimnio y el hipolimnio se conoce como
termoclina. La termoclina es el plano
donde ocurre el máximo gradiente vertical
de temperatura, asumiéndose que la
Distribución vertical de la temperatura en
un lago estratificado
discontinuidad térmica debe ser de más de
1ºC..
Bajo ciertas condiciones meteorológicas
temperatura
particulares como fuertes vientos o
pueden mezclarse: la masa de agua
superior se mezcla con la inferior. Cuando
esto ocurre se dice que el lago está
circulando o que se encuentra en período
Profundidad
disminución de la temperatura, los lagos
de mezcla. Durante el período de
circulación toda la columna de agua
presenta una temperatura similar.
Los períodos de estratificación y mezcla
Distribución vertical de la temperatura en
un lago en circulación
pueden influir sobre procesos como la
producción primaria y secundaria de un lago, ya que afectan la distribución de los
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nutrientes (nitrógeno, fósforo, sílice, entre otros), del oxígeno y la transparencia del
agua. Durante el periodo de estratificación generalmente se observan diferencias en el
pH, la conductancia específica y las concentraciones de oxígeno y nutrientes entre las
masas de agua superficiales y de fondo, mientras que durante el periodo de mezcla
estas variables presentan valores similares.
Oxígeno
La concentración de oxígeno disuelto en el agua es afectada por factores físicos como
la temperatura, presión, turbulencia y por factores biológicos como la fotosíntesis y la
respiración.
La solubilidad del oxígeno varía inversamente con la temperatura. A mayor
temperatura, menor solubilidad de oxígeno. Existe una relación directa entre la
solubilidad de los gases y presión atmosférica, por lo tanto la altitud a la cual se ubica
un cuerpo de agua puede afectar la cantidad de oxígeno disuelto. La presión
hidrostática ejercida por la masas de agua también puede afectar la solubilidad del
oxígeno. La turbulencia favorece el intercambio de gases entre el agua y la atmósfera
de manera que a mayor turbulencia, se incrementa la exposición del agua al aire, y se
incrementa la concentración de oxígeno en el agua. En relación a los procesos
biológicos, la fotosíntesis genera oxígeno mientras que la respiración consume oxígeno,
por la tanto las tasas de fotosíntesis y
producción así como la distribución de
Temperatura
Oxígeno disuelto
los organismos en la columna de agua
pueden afectar la distribución vertical del
oxígeno.
La interacción de procesos
físicos y biológicos determinan la
concentración de oxígeno en lagos y
P
r
o
f
u
n
d
i
d
a
d
CurvaOrtógrada
ríos. En los lagos, la concentración de
oxígeno varía dependiendo de su estado
LAGOOLIGOTROFICO
trófico (niveles de nutrientes y de
productividad primaria), si está
estratificado o circulando, su ubicación
geográfica, su morfometría y las condiciones meteorológicas. En sistemas con baja
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producción biológica (sistemas oligotróficos) la distribución vertical de la temperatura
está determinada principalmente por factores físicos (temperatura y turbulencia).
En lagos estratificados, que presentan condiciones de oligotrofia, la
concentración de oxígeno disuelto en el epilimnio es ligeramente menor que en el
hipolimnio, ya que la temperatura en los estratos superiores es mayor que en los
estratos inferiores. Esta distribución vertical de oxígeno característica de un lago
oligotrófico se representa a través de una curva que se denomina ortógrada.
En lagos y embalses que reciben muchos nutrientes, y por lo tanto la
productividad biológica es elevada, la concentración de oxígeno está determinada
principalmente por procesos biológicos. En un lago eutrófico durante el período de
estratificación, la concentración de oxígeno tiende a ser elevada en los estratos
superiores, donde se desarrolla la fotosíntesis con mayor intensidad.
Sin embargo, esta productividad
Temperatura
tan alta, generan gran cantidad
Oxígeno disuelto
de detrito (materia orgánica
particulada muerta) que se va
sedimentando y
descomponiendo. Este proceso
de descomposición consume
oxígeno, y por ello el hipolimnio
de un lago con una producción
P
r
o
f
u
n
d
i
d
a
d
Curva
Clinógrada
alta puede tener baja
concentración de oxígeno o
LAGOEUTROFICO
incluso ser anóxico (sin oxígeno).
Este tipo de curva se denomina
clinógrada de oxígeno.
En ambos tipos de lagos, el periodo de circulación está acompañado por una
distribución homogénea de oxígeno en toda la columna de agua.
La distribución vertical de oxígeno proporciona información sobre la condición
trófica del lago (oligotrofía vs. eutrofía) y sobre la distribución de los organismos
planctónicos, bentónicos y de los peces. Igualmente ejerce gran influencia sobre los
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procesos de descomposición de materia orgánica y la presencia de reacciones químicas
(reacciones redox).
Objetivos de la práctica
El objetivo general de esta práctica es familiarizar al estudiante con la
determinación e interpretación de algunas características físicas y químicas en sistemas
acuáticos. Dado que los embalses presentan un componente vertical asociado a la
profundidad y uno horizontal en el eje río-dique es importante conocer las variaciones
de los parámetros físicos y químicos en ambos componentes. Para ellos se visitará un
embalse y se realizarán mediciones de temperatura, trasparencia y oxígeno en varias
profundidades y en varios puntos del embalse, y además se colectarán muestras de
agua para medir pH y conductividad. La finalidad de estas determinaciones es que el
estudiante determine si el embalse se encuentra en estado de estratificación o de
mezcla y como varían las condiciones abióticas en el eje horizontal del embalse.
Actividades
Esta práctica se va a realizar en el Embalse de la Universidad Simón Bolívar. Este
embalse está alimentado por una escorrentía estacional proveniente de la micro-cuenca
aledaña y de agua que se bombea de pozos ubicadas en los alrededores. Se van a
establecer tres estaciones de muestreo: una en el centro del embalse, y dos en cada
una de las entradas de agua. En la estación del embalse se va a realizar las siguientes
actividades:
(1) Medición de profundidad
(2) Medición de transparencia
(3) Perfil de Temperatura y oxígeno disuelto
(4) Toma de muestras de agua para medir pH, conductividad y nutrientes
En las estaciones de bombeo se colectará agua suficiente (1 litro) para las
determinaciones químicas.
Copia la planilla anexa en su cuaderno de campo, donde deberá realizar las
anotaciones.
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(0) Ubicación del Embalse y la estación
Realice un diagrama esquemático del embalse en su cuaderno de campo, indicando en
él los elementos del paisaje mas relevantes. Utilizando el GPS ubique estos puntos con
sus coordenadas (los extremos del dique, la línea de costa, etc.). Una vez en la estación
de muestreo, determine sus coordenadas geográficas y regístrelas en su cuaderno de
campo.
(1) Medición de profundidad
Una vez que el bote esté anclado, mida la profundidad en la estación de
muestreo y anote este valor en su cuaderno de campo
(2) Medición de transparencia
Las mediciones de transparencia se realizarán empleando un Disco de Secchi.
El disco de Secchi es un disco blanco y negro de 20 cm de diámetro el cual está
suspendido en una cuerda marcada cada 10 cm. La transparencia estimada a través
del Disco de Secchi es el promedio entre las profundidades donde el disco desaparece
al descenderlo en la columna de agua y donde el disco reaparece al subirlo lentamente.
Esta medición es función de la luz reflejada por el disco y la luz que es absorbida y
dispersada por las partículas y material disuelto en el agua.
Para medir la transparencia con el Disco de Secchi:
(1) Colóquese en el lado sombreado del bote
(2) Baje el Disco de Secchi hasta la profundidad donde el disco desaparece. Tome
nota de esa profundidad. Baje un poco más el disco y luego súbalo lentamente y
hasta donde el disco vuelve a ser visible. Anote esta profundidad. La transparencia
medida con el Disco de Secchi es el promedio de las profundidades donde el disco
de Secchi desaparece y vuelve a hacerse visible.
(3) Registre estos valores en la planilla de campo
(3) Mediciones de temperatura y oxígeno
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El perfil de temperatura y oxígeno disuelto se realizarán simultáneamente empleando un
oxigenómetro.
Procedimiento:
1) Calibre el oxigenómetro contra el oxígeno del aire empelando la altitud donde se
encuentra el embalse. Una vez calibrado, proceda a medir la temperatura en la
superficie del agua (~10 cm) y luego mida la concentración de oxígeno disuelto (OD)
en mg L-1 y el porcentaje de saturación de oxigeno (OD,%). El porcentaje de
saturación es la concentración del gas expresada como porcentaje de la
concentración indicada para las condiciones de equilibrio a una temperatura y
presión dadas (Ley de Henry).
2) Mida la temperatura y el oxígeno disuelto (concentración y % saturación) en
intervalos de 1 metro hasta una profundidad de 1 m sobre el fondo. Registre los
valores en la planilla de campo.
(4) Conductancia específica y pH.
Como se mencionó anteriormente el pH y la conductancia pueden variar con la
profundidad por ello vamos a medir estos parámetros en la superficie y en el fondo del
embalse.
Toma de muestras de agua
Tome 1 L de agua de la superficie y 1 L del fondo en cada estación de muestreo. Para
colectar las muestras del fondo se empleará la botella de Van Dorn.
Conductancia especifica
La conductancia es una medida de la capacidad del agua para transmitir
electricidad y es proporcional a la concentración de iones que se encuentran disueltos
en el agua. Para medir conductividad emplearemos un conductímetro. La unidad de
conductividad es el mho (inverso de ohm: unidad de resistencia) o el Siemen (S)
equivalente al mho. Ambas unidades son expresadas por centímetro( mhos/cm o S/cm)
Medición de Conductancia
(1) Coloque 100 ml de cada muestra de agua en un beaker.
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(2) Antes de introducir el electrodo en la muestra lávelo varias veces con agua
destilada.
(3) Coloque el electrodo en la muestra de agua, asegúrese que esté sumergido
adecuadamente.
(4) Espere hasta que la medición se estabilice.
(5) Tome nota del valor en el cuaderno de campo
pH
El pH es afectado por procesos que generen o consuman los iones H+, ya que
pH= -log[H+]. La disolución de CO2 en el agua, forma ácido carbónico y tiende a
disminuir el pH del agua:
H2O + CO2
H2CO2
H+ + HCO3
mientras que aquellos procesos que remueven CO2 o liberen HCO3 (disolución de
carbonatos) tienden a elevar el pH.
Medición de pH
Para determinar pH se empleará un pHmetro.
Algunas recomendaciones para la
determinación de pH:
(1) Las muestras y los buffers deben estar a temperatura ambiente cuando se vayan a
realizar las mediciones.
(2) Trate cuidadosamente a los electrodos ya que son bastante frágiles.
(3) Para medir pH, coloque 100 ml de cada muestra de agua en un beaker.
(4) Antes de introducir el electrodo en la muestra
lávelo varias veces con agua
destilada.
(5) Coloque el electrodo en la muestra de agua, asegúrese que esté sumergido
adecuadamente.
(6) Espere hasta que la medición se estabilice.
(7) Tome nota del valor en el cuaderno de campo
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PLANILLA DE CAMPO
ESTACION:
TEMP AIRE (oC):
FECHA:
PROFUNDIDAD (m):
HORA:
TRANSPARENCIA (m):
COORDENADAS:
REGISTRADO POR:
PROF
TEMPERATURA CONDUCTANCIA
(oC)
(uS/cm)
pH
O.D.
(mg/l)
O.D.
(%)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
OBSERVACIONES DE LA ESTACIÓN:
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REPORTE
Introducción:
El reporte debe incluir una introducción muy breve (máximo 300 palabras) donde
se indica la importancia de realizar estudios de los factores abióticos de un cuerpo de
agua.
Materiales y métodos:
Brevemente describa las actividades realizadas en la práctica, sin mencionar los
detalles que se encuentran en la guía (cuantas estaciones se muestrearon, donde se
ubicaron, qué se determinó y cómo)
Resultados y discusión de resultados:
En el reporte debe incluir los resultados de sus mediciones (en tablas o gráficos) y las
respuestas a las preguntas que se plantean a continuación, y cualquier otro aspecto que
considere relevante.
Transparencia
Compare los valores de Secchi con otros cuerpos de agua (consulte la literatura)
Son similares o diferentes? Sugiera a una explicación.
Temperatura y oxígeno
Grafique las mediciones de temperatura y oxígeno en un mismo gráfico o en dos
gráficos del siguiente tipo:
Profundidad
Temp /OD
¿Se encuentra el embalse mezclado o estratificado? Generalmente se asume que
la termoclina se ubica donde existe un cambio en la temperatura >1ºC por metro de
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profundidad. También considere las diferencias en oxígeno, pH y conductividad
entre superficie y fondo.
De estar el embalse estratificado: A qué profundidad se ubica la termoclina?¿Cuál
es el espesor del epiliminio y del hipolimnio (en metros)?
¿Cómo es la curva de oxígeno? Coinciden los perfiles de oxígeno disuelto y de
temperatura? ¿Por qué?
Basándose en la distribución de oxígeno disuelto:
¿Qué puede inferir sobre la distribución del plancton y los peces? Encontrará
organismos bentónicos en el fondo? ¿Por qué? (asuma que los peces necesitan
más de 2 mg/L de oxígeno disuelto y los macroinvertebrados más de 1 mg/L)
Compare los con cuerpos de agua similares (consulte la bibliografía) Establezca
semejanzas y diferencias
Conductancia específica y pH
Compare los valores de conductancia específica y pH entre las muestras de superficie y
fondo. Son los valores parecidos o diferentes? En caso de ser diferentes, dónde son
más elevados los valores? Sugiera brevemente una explicación.
Referencias
Cole, G.A. 1983. Textbook of Limnology. 3ra ed. Waveland, Prospect Heights
Hutchinson, G.E. 1957. A treatise on Limnology. Vol. 1: Geography, Physics and
Chemistry. Wiley. New York.
Lampert, W. y U. Sommer. 1997. Limnoecology, Oxford University Press, New York.
Margalef, R. 1984. Limnología. Omega. Barcelona, España.
Wetzel, R.G. 2000. Limnology. 3da ed. Academic Press.
Wetzel, R.G. and G.E. Likens. 1990. Limnological Analyses. Segunda Edición.
Springer- Verlag.
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