Componentes, procesos, luz y calor en un ecosistema acuático

Capítulo 2
Ecosistemas acuáticos
Contenido
Módulo 2
Componentes y procesos en un
ecosistema acuático
Módulo 3
La luz y el calor en el agua
Módulo 4
Fotosíntesis y respiración en el agua
Módulo 5
Factores ambientales relacionados con
los ecosistemas acuáticos
Módulo 6
Gases en el agua
Módulo 7
Nutrientes en el agua
Los cuerpos
Los cuerpos solo existen en el espacio.
Solo el presente en el tiempo cósmico.
Solo las relaciones dentro de la extensión de un eterno destino.
Solo asciende el acontecer inmediato en el devenir ilimitado.
Solo la fuerza del ser escalpelado en múltiples formas.
Solo las formas entrópicas del universo, duplicadas por el átomo.
Elvia María González Agudelo
Presentación
Los ecosistemas acuáticos tienen componentes y procesos. En este capítulo se estudiarán la estructura de
un cuerpo de agua y los procesos de producción y consumo en el mismo. También se abordará la base conceptual del funcionamiento de un ecosistema acuático.
En el agua fluye energía en dos formas: luz y calor. La luz induce su dinámica fotosintética, en tanto el calor
puede producir estratos térmicos. Se verá cómo penetra la luz en el agua y cómo puede atenuarse cuando
pasa a través de la masa de agua. También se vera cómo influye el calor sobre la densidad del agua y de qué
manera es capaz de inducir diferenciación en el biotopo.
Objetivos
1. Determinar los componentes y procesos en un ecosistema acuático como base de la estructura de un
ambiente acuático.
2. Relacionar algunos factores ambientales con la estructura y el funcionamiento de los lagos y ríos.
3. Analizar la relación entre las sustancias disueltas en el agua y su calidad para potenciar los usos de esta.
Preguntas básicas
1. ¿Cuáles son los componentes y procesos en un cuerpo de agua?
2. ¿Cómo se relacionan los factores meteorológicos con las aguas continentales?
3. ¿Cómo se contaminan los ríos y lagos?
Módulo 2
Componentes y procesos en un ecosistema acuático
Introducción
La ecología acuática estudia ecosistemas tales como un lago, una ciénaga, un embalse, una quebrada, un
río, etc. La hidrobiología sanitaria estudia los ecosistemas de agua dulce desde una perspectiva de calidad
del agua, tanto para sustentar la vida como para orientar los posibles usos que puede tener el recurso hídrico
sin poner en riesgo la estabilidad de un ecosistema acuático. En un ecosistema de estos se pueden encontrar
componentes y procesos. Por ejemplo, en un lago sus componentes son los seres vivos, el agua, la luz, el
calor, los gases y nutrientes disueltos, en tanto los principales procesos son la producción y el consumo de
materia orgánica.
Los procesos o componentes funcionales más importantes en un ecosistema son la
producción y el consumo de biomasa .
Mire en el mapa conceptual de la multimedia, en el botón LOS
ECOSISTEMAS ACUÁTICOS, la biografía de François-Alphonse Forel.
Capítulo 2. Ecosistemas acuáticos
Contenido
2.1 Ecología y ecosistemas
2.2 Componentes y procesos de los ecosistemas
2.1 Ecología y ecosistemas
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La ecología es la ciencia que estudia las relaciones entre los organismos vivos y su biotopo, y el
ecosistema es su objeto de estudio. La ecología acuática estudia ecosistemas tales como los lagos,
las ciénagas, los embalses, las quebradas, los ríos, etc.
El ecosistema es una unidad estructural y funcional donde ocurren las biocenosis o relaciones entre organismos consumidores y productores. Estas relaciones tienen lugar en los biotopos (Odum,
2000). La hidrobiología sanitaria estudia los ecosistemas de agua dulce desde una perspectiva de
calidad del agua, tanto para sustentar la vida como para orientar los posibles usos que puede tener
el recurso hídrico sin poner en riesgo la estabilidad de un ecosistema acuático.
2.2 Componentes y procesos de los ecosistemas
En un ecosistema se pueden encontrar componentes y procesos. En un lago, por ejemplo, sus componentes son el agua, la luz, el calor, los gases y nutrientes disueltos, además de los seres vivos. Los
procesos o componentes funcionales más importantes en este tipo de ecosistema son la producción
y el consumo de biomasa.
Mire en el mapa conceptual de la multimedia, en el botón
COMPONENTES Y PROCESOS, la biografía de Pietro Angelo Secchi.
En la figura 2.1 se muestra un esquema simplificado de un lago. Allí se pueden observar dos zonas:
una de aguas abiertas, o zona limnética, que se caracteriza por su exposición al viento y a la radiación solar, y otra asociada a la orilla, o zona litoral. Esta zona está expuesta a la acción de las olas
y a la vegetación semiacuática.
Biotopo acuático
Zona limnética
Zona fótica
Zona afótica
Litoral
Sublitoral
Béntica
Trofogénica
Zona de
compensación
Trofolítica
Zona profunda
Sedimento
Figura 2.1. Zonas ecológicas de un lago.
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Módulo 2. Componentes y procesos en un ecosistema acúatico
La luz en un componente abiótico del ecosistema, que penetra en el agua formando dos zonas:
una fótica y otra afótica. En la zona fótica hay luz disponible para la fotosíntesis, mientras que en la
afótica y en el fondo del lago no hay luz suficiente.
En la zona fótica ocurren procesos de producción de biomasa y es conocida como “zona trofogénica”. En la “zona de compensación” el proceso de producción y de consumo o respiración es igual,
mientras que en la “zona trofolítica” predomina el proceso de respiración.
La zona litoral o de borde del lago es muy activa en cuanto a los procesos de producción y consumo
y suele dividirse en litoral, sublitoral y béntica. En la “litoral” o “zona de corte” del espejo de agua se
adaptan organismos a la variación en el nivel del agua y hay un amplio número de formas de vida,
en la “sublitoral” dominan las plantas acuáticas sumergidas y en la “béntica” se desarrollan formas
de vida representadas por bacterias, hongos e invertebrados acuáticos.
Los componentes vivos y no vivos de un ecosistema tal como un lago interactúan entre sí a través
de dos procesos fundamentales: la producción y la respiración. Durante el día, en la zona fótica la
tasa de producción (dP) en el tiempo (dt) es más alta que la de respiración (dR). En resumen, puede
decirse entonces que se tienen tres zonas de producción y consumo, así:
▪▪ Zona trofogénica: dP/dt > dR/dt.
▪▪ Zona de compensación: dP/dt = dR/dt.
▪▪ Zona trofolítica: dP/dt < dR/dt.
En las relaciones de producción y respiración, la zona trofogénica subsidia a la zona trofolítica; sin
embargo, en esta última se liberan minerales que son potencialmente reutilizados en la trofogénica.
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Módulo 3
La luz y el calor en el agua
Introducción
La luz y el calor son dos componentes físicos que inciden sobre el funcionamiento de los ecosistemas acuáticos. La principal fuente de luz es la solar, que activa el proceso de la fotosíntesis. Sin embargo, solo una
fracción del espectro electromagnético puede ser utilizada por los sistemas biológicos fotosensibles para
poner en marcha la fotosíntesis. La temperatura es la medida del calor en el agua. Este componente o factor
físico puede incidir sobre la estructura de un ecosistema.
La luz y el calor son dos factores físicos
que inciden sobre la estructura y el funcionamiento de los cuerpos de agua .
Mire en el mapa conceptual de la multimedia, en el botón
LUZ Y CALOR, las biografías de Albert Einstein y Max Planck.
Capítulo 2. Ecosistemas acuáticos
Contenido
3.1 La luz en el agua
3.2 El calor en el agua
3.1 La luz en el agua
La luz es un componente físico fundamental para la vida en el agua. La principal fuente de luz es la
energía solar, que activa el proceso de la fotosíntesis. Sin embargo, solo una fracción del espectro
electromagnético puede ser utilizada por los sistemas biológicos fotosensibles para poner en marcha
la fotosíntesis. La mayoría de los fotosistemas operan con longitudes de onda entre 400 y 700 nm
(Strasburger, 1991).
Mire en el mapa conceptual de la multimedia, en el
botón LUZ Y CALOR, la biografía de Max Planck.
Según la ley de Lambert-Beer, la intensidad de la radiación en un medio Iz, por ejemplo el agua, es
igual a la intensidad de la radiación en la superficie del mismo, I0, multiplicada por e-kz, donde k es
el coeficiente de atenuación de la luz y z es la profundidad (Wetzel, 2001). El parámetro k es un
coeficiente experimental que depende de la absorción de la luz por parte del agua (kw), la absorción
de la luz por parte de las partículas disueltas (kd) y la absorción de la luz por parte de las partículas
no disueltas (kno-d). La ley de Lambert-Beer puede enunciarse entonces como
Iz = I0 * e -kz,
y el coeficiente de atenuación de la luz como
k = kw + kd + kno-d.
Así, la luz es un factor físico que depende de una fuente que se extiende en un lago desde I0 = 100%
hasta Iz = 1%. Esta zona se conoce como zona fótica. En la figura 3.1 se presenta el perfil teórico de
la luz en una columna de agua. De esta figura puede inducirse que después de cierta profundidad, la
luz que entra a la columna de agua es prácticamente cero.
Luz
Profundidad
38
Figura 3.1. Distribución de la luz en la columna de agua de un lago.
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Módulo 3. La luz y el calor en el agua
El coeficiente de atenuación de la luz (k) puede también determinarse en campo empleando un disco
Secchi, así:
k = 1,7/d,
donde d es la transparencia del agua medida con el disco Secchi.
Ejemplo 1
Si la transparencia del agua es de 20 cm, ¿cuál es el límite de la zona fótica?
Solución
Aplicando la ley de Labert-Beer, se tiene que:
Iz
I
I
= e -kz $ ln f z p = ln e -kz $ ln f z p = - kz,
I0
I0
I0
I
f Iz p
1
1
ln d 100 n
ln d 100 n
z=
$
$
* d $ 2, 7 * 20
-k
-k
- 1, 7
. 54, 18 cm.
0
z = 54,18 cm es el límite de la zona fótica (LZF), o sea que hasta 54,18 cm se extiende esta
zona.
De manera simple, el límite de la zona fótica se puede calcular así:
LZF = 2,7 * d,
donde d es la transparencia del agua medida con el disco Secchi.
Ejemplo 2
Para el mismo cuerpo de agua, determine la profundidad a la cual se atenuó el 50% y el 30% de la
luz incidente.
Solución
▪▪ Si se atenúa el 50% de la luz incidente, se tiene que:
I
ln f z p
I0
ln d 50 n
100
$
z=
* 20
-k
- 1.7
= 8, 15 cm.
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Capítulo 2. Ecosistemas acuáticos
▪▪ Si se atenúa el 30% de la luz, se tiene que:
ln d 70 n
100
$
z=
* 20
k
- 1.7
= 4, 19 cm.
3.2 El calor en el agua
La temperatura es la medida del calor en el agua. Este componente o factor físico puede incidir sobre
la estructura de un ecosistema. En las zonas templadas la estacionalidad climática induce cambios
en la estructura térmica de los cuerpos de agua (Roldán y Ramírez, 2008).
En invierno se presenta una estratificación inversa del agua, es decir, agua sólida en la superficie y
líquida en el fondo (figura 3.2).
Invierno
0
Profundidad (m)
40
I
ln f z p
I0
0
2
4
6
8
10
12
°C
Cubierta
de hielo
5
10
15
Sedimentos
Figura 3.2. Estratificación inversa de invierno.
Puesto que la temperatura atmosférica disminuye en invierno, el agua se condensa y cae nieve. La
capa superior de la columna de agua se congela y entonces la cubierta de hielo se hace más gruesa,
por lo cual no hay suficiente luz solar en el agua. Lo anterior afecta la fotosíntesis y esto, unido a la
baja temperatura, reduce la producción y el consumo de gases disueltos, es decir, se produce un
bajo metabolismo acuático. Los microorganimos y los macroorganismos permanecen en un estado
de aletargamiento en el fondo del cuerpo de agua.
En primavera, dado el incremento de temperatura, se produce el rompimiento de la capa de hielo y
el agua se mezcla (figura 3.3).
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Módulo 3. La luz y el calor en el agua
Primavera
0
Profundidad (m)
0
5
10
15
20
25
30
°C
5
41
10
15
Figura 3.3. Periodo de circulación de primavera.
De igual manera a como ocurre en invierno, se acumulan sedimentos en el fondo, y con esta mezcla
el sistema se vuelve altamente productivo dado que estos sedimentos se resuspenden, produciendo
el “florecimiento de primavera” y dando como resultado el desarrollo masivo de fitoplancton.
En verano, el agua se calienta y lleva al sistema a una estratificación térmica, química y biológica
(figura 3.4).
Verano
Profundidad (m)
0
0
5
10
Epilimnio
15
20
25
30
°C
Temperaturas altas:
agua cálida poco densa,
con actividad fotosintética
> O2
5
10
15
Hipolimnio
anaerobio < O2
Metalimnion, termoclina
Temperaturas bajas: aguas frías,
baja productividad
Figura 3.4. Estratificación de verano.
En esta estación veraniega, la columna de agua se estratifica y la temperatura disminuye con la profundidad. La distribución del calor produce tres capas definibles: epilimnion, metalimnion e hipolimnion. El epilimnion es la capa superior de la columna, mientras que el metalimnion es la capa media.
La “termoclina” es el punto de máxima inflexión en el metalimnion, que genera un plano imaginario
e impide el paso de sustancias disueltas desde y hacia el epilimnion. El CO2 que es generado en el
hipolimnion no puede ser tomado por las algas debido al impedimento que ofrece la termoclina al
intercambio de sustancias disueltas entre capas, induciéndose de esta manera un agotamiento del
oxígeno hipolimnético.
Cuando el viento supera la resistencia de la termoclina, esta se rompe y se genera una mezcla de las
diferentes capas de la columna de agua. En otoño, por la acción del viento el agua se mezcla nuevamente y se produce un segundo período de circulación (figura 3.5). Cuando se rompe la termoclina
se da el “florecimiento de otoño”, es decir, se supera la resistencia termal relativa que es la diferencia
de densidades de dos capas consecutivas.
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Capítulo 2. Ecosistemas acuáticos
Otoño
0
Profundidad (m)
0
42
5
10
15
20
25
30
°C
5
10
15
Figura 3.5. Periodo de circulación de otoño.
En las zonas tropicales, los cambios térmicos en el agua están inducidos por dos factores: las lluvias
y la variación nictemeral. Las épocas secas y la radiación diurna inducen perfiles clinógrados de temperatura, en tanto en la época de lluvia y en la noche se producen pefiles ortógrados de temperatura.
Así, en los lagos de las regiones tropicales los cortos periodos de estratificación se originan debido
a las variaciones de la temperatura entre el día y la noche (figura 3.6).
T °C
25
20
15
12 p. m.
6 a. m.
12 m.
t (hora)
Figura 3.6. Variaciones de la temperatura entre el día y la noche.
Profundidad (m)
Cuando la temperatura del agua es homogénea en la columna, el agua se mezcla. En la noche la
temperatura es baja y es homogénea, mientras que en el día la temperatura aumenta hasta alcanzar
el pico más alto y vuelve a descender. A este proceso se lo denomina “variación nictemeral”. La termoclina afecta directamente a los gases y sólidos disueltos en el agua (figuras 3.7 y 3.8) .
0
28
29
30
31
0,2
0,4
T° C
Termoclina
Hipolimnio
0,6
Figura 3.7. Perfil de la ciénaga de Cachimberos, ubicada en el municipio de Cimitarra en Santander (Colombia) (época seca).
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Profundidad (m)
Módulo 3. La luz y el calor en el agua
0
27
28
29
30
T° C
0,2
0,4
0,6
Figura 3.8. Perfil de la ciénaga de Cachimberos (época de lluvia)
En este perfil se nota que en la columna de agua hay estratificación durante la época seca y una
distribución aproximadamente ortógrada en época de lluvias.
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