Persistence, niche differentation and ecological similarity in two cryptic rotifer species

La interacción entre especies competidoras y los procesos que intervienen y determinan el resultado de las dinámicas competitivas (i.e., coexistencia o exclusión) son temas fundamentales de estudio en ecología. La teoría establece que para que dos especies puedan persistir en el mismo hábitat y evitar la exclusión competitiva éstas deben tener diferentes requerimientos ecológicos (i.e., diferenciación de nicho). Sin embargo, la existencia de especies ecológicamente similares en simpatría pone en cuestión esta necesidad y ha abierto un debate en la comunidad científica. Este debate se ha visto intensificado por el descubrimiento en las últimas décadas de un gran número de especies crípticas (i.e., especies filogenéticamente próximas y con un alto grado de similitud morfológica) presentes en los mismos hábitats. En un principio se espera que las especies crípticas presenten un gran solapamiento de nicho ecológico, tanto por su similitud morfológica como por el hecho de que al ser filogenéticamente próximas sus nichos hayan retenido aspectos ancestrales a lo largo del tiempo (i.e., retención de nicho). Como consecuencia, el estudio de los procesos que permiten la persistencia de especies simpátricas ecológicamente similares es un tema de gran relevancia. La búsqueda de mecanismos –basados en particiones sutiles de nicho o no dependientes de una partición de nicho– que permitan la coexistencia estable de especies ecológicamente similares ha puesto de relieve la función de las fluctuaciones. Un ambiente fluctuante puede ocasionar que la exclusión competitiva se vea repetidamente desplazada, si la variación continua de las condiciones favorece a cada competidor en momentos distintos. Esto ha llevado a la formulación de mecanismos de coexistencia basados en fluctuaciones tales como el ‘efecto de almacenamiento’ (‘storage effect’) que permiten explicar la persistencia de especies sin una marcada diferenciación de nicho. Más recientemente, se han propuesto mecanismos basados en compromisos (‘trade-offs’) entre rasgos de la historia vital relacionados con la reproducción sexual y que permiten, al menos en teoría, la coexistencia de especies sin ningún tipo de diferenciación ecológica. El complejo de especies crípticas Brachionus plicatilis constituye un buen modelo para explorar las implicaciones ecológicas y evolutivas de la persistencia en la misma localidad de especies ecológicamente similares. B. plicatilis y B. manjavacas, dos de las especies pertenecientes a este complejo, son virtualmente idénticas tanto en tamaño como en forma y, pese a que se espera que presenten un alto grado de solapamiento ecológico, estas especies cohabitan frecuentemente en lagos y lagunas de la península ibérica. Estos cuerpos de agua son salobres y están sujetos a importantes fluctuaciones ambientales de temperatura y salinidad, dos de los factores ecológicos abióticos más relevantes para estos rotíferos. Se sabe que estas dos especies presentan diferencias en sus preferencias de salinidad; B. plicatilis tiende a encontrarse en lagunas de salinidad baja, mientras que B. manjavacas suele estar presente en lagunas de salinidad alta. Se ha sugerido que la persistencia en simpatría de estas especies de rotíferos puede estar mediada por estas diferencias. Sin embargo, los rangos de salinidad en los que pueden crecer ambas especies solapan, lo que indica que en su persistencia deben de estar involucrados también otros factores. Otra característica de los hábitats de estas especies es que son ambientes con baja heterogeneidad espacial pero marcada heterogeneidad temporal. Las lagunas tienden a sufrir un fuerte estiaje que puede llevar a su desecación o a que alcancen valores de salinidad muy altos. Por tanto, las poblaciones de B. plicatilis y B. manjavacas dependen de la producción de huevos diapáusicos (i.e., formas de resistencia) para su supervivencia durante los periodos adversos. Estos rotíferos son partenogenéticos cíclicos que combinan en su ciclo vital la reproducción asexual con episodios de reproducción sexual, cuyo resultado son los huevos diapáusicos. La presente tesis aborda la cuestión de cómo especies evolutivamente cercanas, y que por tanto cabe esperar tengan requerimientos ecológicos muy similares, son capaces de persistir n el mismo hábitat. El propósito principal es inferir mecanismos que puedan determinar el resultado de la dinámica competitiva, ya sea éste la coexistencia o la exclusión. Para ello, los objetivos en que se centra la tesis son: (1) caracterizar la diferenciación de nicho tanto biótico como abiótico de B. plicatilis y B. manjavacas; (2) explorar si estas especies difieren en rasgos relevantes de la historia vital relacionados con la reproducción sexual y la producción de huevos de diapausa; y (3) analizar las implicaciones de tales diferencias en el resultado de las dinámicas competitivas, así como en la persistencia de ambas especies en su hábitat natural. La coexistencia de especies crípticas que pertenecen a un mismo complejo ha sido explicada en muchas ocasiones por una diferenciación de nicho biótico. En los rotíferos las diferencias en el tamaño corporal se han relacionado con diferencias en el uso de los recursos y en la vulnerabilidad a la depredación que podrían permitir la coexistencia de estas especies. Sin embargo, este tipo de diferencias son improbables entre B. plicatilis y B. manjavacas debido a su gran similitud morfológica. El Capítulo 2 de esta tesis trata de esclarecer, mediante experimentos en el laboratorio, si la sutil diferencia en el tamaño corporal de estas dos especies se traduce en una diferenciación ecológica en aspectos bióticos. El estudio se centra en tres características ecológicas clave relacionadas con el tamaño corporal: (1) la respuesta funcional, que se determinó mediante las tasas de aclaramiento de ambas especies de rotíferos en dos dietas de microalgas que difieren en forma, tamaño y movilidad; (2) la tolerancia de neonatos a diferentes periodos de ayuno, que se analizó mediante la comparación de las tasas de crecimiento y de reproducción mediante análisis de tablas de vida; y, por último, (3) la vulnerabilidad a la depredación por copépodos, que se estimó en experimentos de depredación utilizando neonatos de las dos especies de rotífero como presa. No se encontraron diferencias importantes entre B. plicatilis y B. manjavacas en estas características. Estos resultados demuestran un gran solapamiento en las dimensiones del nicho biótico de estas dos especies. De acuerdo con la ‘hipótesis del límite de la similitud filogenética’ (‘phylogenetic limiting similarity hypothesis’), los rasgos ecológicos que influyen en la competencia se conservan a lo largo del linaje filogenético por lo que las especies cercanas tienden a ocupar nichos similares. La ausencia de diferencias en características del nicho biótico de B. plicatilis y B. manjavacas concuerda con esta hipótesis y sugiere que estos factores bióticos difícilmente explican la coexistencia de ambas especies en una misma laguna. Puesto que B. plicatilis y B. manjavacas muestran diferentes preferencias para los factores abióticos, el Capítulo 3 tiene como objetivo determinar si existe una diferenciación de nicho entre las dos especies en relación con la temperatura y salinidad. Para ello se llevaron a cabo experimentos de laboratorio donde se determinaron las tasas de crecimiento poblacional, los niveles de reproducción sexual, y los patrones de eclosión y viabilidad de los huevos diapáusicos de ambas especies bajo diferentes condiciones de salinidad y temperatura. Las especies presentaron diferencias en sus tasas de crecimiento poblacional y en su inversión en reproducción sexual en respuesta a la salinidad. El incremento de la salinidad tuvo un efecto negativo en ambos parámetros, y afectó en mayor medida a B. plicatilis. Sin embargo, a bajas salinidades, la eficacia de B. plicatilis fue mayor que la de B. manjavacas. Además, se encontró que los patrones de eclosión y viabilidad de los huevos de diapausa difieren entre las dos especies: B. plicatilis produce huevos diapáusicos que permanecen viables durante más tiempo y siguen un patrón de eclosión extendido en el tiempo, mientras que los huevos de B. manjavacas se empiezan a degradar antes y eclosionan más tempranamente y de forma sincrónica. Los resultados muestran que estas especies presentan diferentes compromisos entre rasgos de su historia vital, que permiten una diferenciación ecológica en relación con factores abióticos y que esta divergencia ecológica entre especies no está acoplada a una diferenciación morfológica. Con el propósito de estudiar con mayor profundidad la divergencia entre B. plicatilis y B. manjavacas en rasgos relacionados con la reproducción sexual, en el Capítulo 4 se realiza un estudio más detallado de los patrones de asignación reproductiva. En este capítulo se analizan los dos componentes del patrón de reproducción sexual (momento de inducción y cantidad de reproducción sexual). Para ello se realizaron bioensayos donde se estimó el umbral de densidad poblacional al que se induce la reproducción sexual, que es dependiente de la densidad en estos rotíferos. También se estimó la variación genética asociada a este rasgo. Además, se realizó un estudio comparativo mediante experimentos de tabla de vida de los rasgos de la historia vital de los tres tipos reproductivos de hembras que existen en el ciclo vital de estos rotíferos (hembras asexuales, hembras sexuales productoras de machos y hembras sexuales productoras de huevos de diapausa). Los resultados muestran diferencias dependientes de especie en los patrones de reproducción sexual. B. plicatilis tiene una asignación más temprana y mayor a la reproducción sexual que B. manjavacas. Además, la variabilidad genética en la propensión para reproducirse sexualmente fue mayor en B. plicatilis. Se observaron también diferencias entre las dos especies en los rasgos reproductivos de los tres tipos de hembras: las hembras sexuales productoras de machos de B. manjavacas producen sus descendientes antes y a una tasa diaria mayor que las correspondientes hembras de B. plicatilis; y las hembras productoras de huevos de diapausa de B. manjavacas invierten más recursos por huevo diapáusico que las hembras de B. plicatilis. Esta divergencia de estrategias entre especies que ocupan el mismo hábitat podría estar relacionada con su diferente tolerancia a la salinidad, que convierte el hábitat en más impredecible para B. plicatilis que para B. manjavacas. En su conjunto, el estudio comparativo realizado en los capítulos 3 y 4 muestra por primera vez la existencia de divergencias relevantes en rasgos de historia vital relacionados con la reproducción sexual y la diapausa en dos especies de rotíferos tan similares. Estas diferencias podrían estar mediando la persistencia de ambos competidores en ambientes con salinidad variable en el tiempo. Los resultados sugieren que B. plicatilis presenta características típicas de una especie oportunista. Así, esta especie podría aprovechar los periodos efímeros de baja salinidad para crecer e invertir de forma temprana en la estación de crecimiento en reproducción sexual y producir huevos de diapausa que se acumularían en el sedimento. Esta mayor inversión en diapausa de B. plicatilis podría provocar su exclusión competitiva a corto plazo de la columna de agua, pero podría permitir su persistencia a largo plazo con B. manjavacas mediante los huevos de diapausa producidos. Los resultados reseñados hasta aquí permiten elaborar predicciones sobre la dinámica conjunta de las dos especies cuando se les da la oportunidad de interaccionar. En el Capítulo 5 se estudian las dinámicas de competencia a largo plazo de ambas especies en sistemas experimentales. El efecto de las fluctuaciones en la salinidad se estudia comparando el resultado de las dinámicas competitivas en regímenes de salinidad constante y salinidad variable. Además, en el diseño experimental se simulan periodos desfavorables (p. ej., sequía), que se alternan con periodos favorables. Es decir, hay una alternancia de periodos de crecimiento poblacional activo en la columna de agua (estaciones de crecimiento) y periodos de diapausa. De esta forma se puede explorar la función de la inversión en diapausa en el resultado de la dinámica competitiva entre B. plicatilis y B. manjavacas. Los resultados indican que en regímenes de salinidad constante una u otra especie se extingue, dependiendo de si la salinidad es alta o baja. A salinidad constante alta B. plicatilis siempre es la especie excluida, mientras que a salinidad constante baja la excluida es B. manjavacas. Bajo regímenes de salinidad fluctuante, aunque también se da exclusión de una de las dos especies, la especie que resulta excluida varía para un mismo régimen. A pesar de que la persistencia conjunta de ambas especies no se consiguió en un régimen de salinidad fluctuante, los resultados muestran que –en comparación con un régimen de salinidad constante– el periodo de persistencia de ambas especies se ve prolongado por la fluctuación en salinidad. También se observa un efecto positivo, aunque leve, de la presencia de un banco de huevos diapáusicos en la persistencia conjunta de las dos especies. La exclusión competitiva en los sistemas experimentales contrasta con las observaciones de presencia conjunta de B. plicatilis y B. manjavacas en la naturaleza. Esto podría explicarse, en parte, por un efecto de la estocasticidad demográfica en nuestros microcosmos, aunque también podría deberse a que otros factores no relacionados con la salinidad u otros regímenes de salinidad diferentes a los ensayados puedan estar operando en la coexistencia de estas dos especies en la naturaleza. El tipo de experimentos de competencia realizados en esta tesis, experimentos en los que se incluye el ciclo completo de las especies, es poco frecuente debido a las dificultades logísticas que entraña. Como alternativa, la modelización teórica es una herramienta valiosa para el análisis de las dinámicas de competencia a largo plazo. El estudio teórico de la dinámica competitiva de B. plicatilis y B. manjavacas que se presenta en el Capítulo 6 es un ejemplo de ello. En este capítulo se desarrolla un modelo teórico para el estudio del efecto de los rasgos de la historia vital y de la fluctuación en la salinidad en el resultado de la competencia entre B. plicatilis y B. manjavacas. Mediante el modelo se simulan escenarios ecológicos donde se combinan diferentes (1) longitudes de las estaciones de crecimiento, (2) niveles de inducción cruzada del sexo entre las especies (el sexo en estas especies es inducido por una señal química que puede no ser completamente específica de especie), y (3) regímenes de salinidad (constante y variable). Los resultados de las simulaciones apoyan las conclusiones a las que apuntan los resultados empíricos, obtenidos en capítulos anteriores. Así, se observó un efecto positivo de la fluctuación de la salinidad en la persistencia de ambos competidores. Además, estos resultados muestran que los efectos de la duración de la estación de crecimiento y de la inducción cruzada del sexo difieren entre especies y afectan el resultado de la dinámica competitiva. El estudio realizado en este capítulo muestra que la construcción de modelos teóricos es valiosa en casos de estudio como el nuestro –la persistencia de especies con ciclos complejos en un ambiente complejo–, una vez que se han determinado empíricamente los valores de los parámetros relevantes. Finalmente, en el Capítulo 7 se discuten de forma integrada las implicaciones de la similitud ecológica, la diferenciación de nicho, y de los rasgos del ciclo vital en la comprensión de la persistencia de especies competidoras similares y, por lo tanto, en el mantenimiento de la diversidad biológica. De manera global esta tesis revela la importancia ecológica y evolutiva de la inversión en reproducción sexual y diapausa, ya que ésta no sólo permite la supervivencia en condiciones ambientales adversas, sino que tiene implicaciones en la mediación de la persistencia de especies similares. Además, la aproximación empleada destaca que el estudio de la dinámica competitiva de especies con ciclos biológicos complejos requiere la consideración de todos los estadios del ciclo, ya que la exclusión a corto plazo puede ser compatible con una coexistencia a largo plazo

Study of Mass Oxygen Transfer in a Biotrickling Filter for Air Pollution Control

Biotrickling filtration is a potential and cost effective alternative for the treatment of volatile organic compound (VOC) emissions in air, so it is necessary to deepen into the key aspects of design and operation for the optimization of this technology. One of these factors is the oxygen mass transfer of the process. This study would facilitate the selection of the packing material and the mathematical modelling and simulation of bioreactors. Four plastic packing materials with a different specific surface area have been evaluated in terms of oxygen mass transfer. For the tested range of superficial liquid velocities, data show a relationship between the kLa and the superficial liquid velocity in all packing materials used, except for the biggest plastic rings. No significant differences in mass transfer coefficients at low liquid velocities were observed, however dependency between oxygen transfer and specific surface area increased considerably for high liquid velocities. No significant influences of the superficial air velocity were observed

Evolution of bacterial community in isopropanol-degrading biotrickling filters by fluorescence in situ hybridization (FISH)

In this study, the bacterial population of two biotrickling filters (BFTs) treating isopropanol by using fluorescence in situ hybridization (FISH) is analyzed. The experimental system consists in two identical laboratoryscale BFTs named as BFT1 and BFT2. The two bioreactors were operated in parallel during an experimental period of one year working under intermittent feeding conditions Operating conditions and maintenance were identical in both BFT

Comparison of inoculums in the removal of 2-butoxyethanol from air emissions by biotrickling filter: Performance and microbial monitoring

2-butoxyethanol is one of the most used glycol ether in industrial activities and the treatment of air 2-butoxyethanol-emissions become necessary. Biotechnologies are potential treatment technologies due to their low operational costs. The use of two inoculums in the treatment of 2-butoxyethanol by biotrickling filters (BTFs) packed with polyurethane-foam was studied. A pure culture of Pseudomonas putida, previously adapted to 2-butoxyethanol, was used as inocula in a BTF operated in the University of Stuttgart. Fresh activated sludge from a municipal waste water treatment plant was used as inocula in a BTF operated in the University of Valencia. An empty bed residence time of 12.5 s and inlet concentrations of 400 and 800 mg/Nm3 were applied. After 40 days of operation at 400 mg/Nm3, the BTF inoculated with Pseudomonas putida reached removal efficiencies (REs) ∼ 80%, whereas the BTF inoculated with activated sludge presented REs ∼ 60%. At 800 mg/Nm3, the BTF inoculated with Pseudomonas putida reached REs ∼ 60%. Microbial community was monitored in both BTFs by using denaturing gradient gel electrophoresis analysis (DGGE) with subsequent 16S sequencing and plating methods using 2-butoxyethanol as sole carbon source

Biotrickling filter modeling for styrene abatement. Part 1: Model development, calibration and validation on an industrial scale

Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Start-Up of Chitosan-Assisted Anaerobic Sludge Bed Reactors Treating Light Oxygenated Solvents under Intermittent Operation

Quality of the granular sludge developed during the start-up of anaerobic up-flow sludge bed reactors is of crucial importance to ensure the process feasibility of treating industrial wastewater such as those containing solvents. In this study, the microbial granule formation from suspended-growth biomass was investigated in two chitosan-assisted reactors. These reactors operated mimicking industrial sites working with night closures treating a mixture of ethanol, ethyl acetate, and 1-ethoxy-2-propanol. Each reactor operated under different hydrodynamic regimes typical from UASB (R1: 90%) accompanied by rapid formation of robust anaerobic granules were achieved at both up-flow velocity levels. After three weeks from the start-up, mean size diameters of 475 µm and 354 µm were achieved for R1 and R2, respectively. The performance of the process was found to be stable for the whole operational period of 106 days treating intermittent OLR up to 13 kg COD m−3 d−1. A memory dose of chitosan at day 42 was beneficial to guarantee good quality of the granules by offsetting the negative impact of intermittent water supply on the granular size. Methanocorpusculum was identified as the dominant archaea at both up-flow velocities. Acetobacterium, Geobacter and Desulfovibrio bacteria were also abundant, demonstrating its role on the degradation of light-oxygenated solvents

Enhanced styrene removal in a two-phase partitioning bioreactor operated as a biotrickling filter: Towards full-scale applications

Styrene vapor abatement was investigated in a two-phase partitioning bioreactor operated as a biotrickling filter (TPPB-BTF). The removal performance of the TPPB-BTF was simultaneously compared with a conventional BTF, which served as a control. Industrial-grade silicone oil was used as the non-aqueous phase in the TPPB-BTF due to its high affinity for styrene. Both bioreactors were operated at styrene inlet concentrations ranging from 55 to 323 mg C m−3 and empty bed residence times (EBRT) of 15-30 s, corresponding to pollutant loading rates of 13-77 g C m−3 h−1. Both bioreactors exhibited styrene removal efficiencies (REs) higher than 90% at an EBRT of 30 s. Nevertheless, the TPPB-BTF showed a superior removal performance than that recorded in the control BTF at EBRTs shorter than 30 s. REs of 89%, 84% and 57% were recorded in the TPPB-BTF at EBRT of 15 s and loading rates of 13, 22 and 77 g C m−3 h−1, respectively, while the control BTF supported removal efficiencies of 64%, 42% and 18-42% under the same experimental conditions. The resilience and robustness of the TPPB-BTF over styrene shock loadings and transient inlet concentration was also confirmed, the TPPB-BTF being able to recover a stable RE of 89% one day after such operation disturbances. The potential of the TPPB-BTF towards full scale applications was also critically discussed based on the experimental determination of silicone oil loses through aqueous phase renewal, which accounted for 0.4% of the initial volume of oil added to the TPPB-BTF after 87 days of operation

Evolution of Bacterial Community in a Full-scale Biotrickling Filter by Fluorescence in Situ Hybridization (FISH)

The performance of a full-scale biotrickling system for the treatment of exhaust gases from two different paint sources at a furniture facility, was investigated applying Fluorescense in situ hybridization (FISH). This technique allowed the detection of major bacteria groups and, therefore, helped in understanding complex microbial communities. The results indicated that Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria, and Deltaproteobacteria were more predominant than Firmicutes and Actiniobacterias. In addition, a variation in the composition of the bacterial community throughout the time of operation and with the paint source was observed. Betaproteobacteria showed similar relative abundance in all analyzed days. However, Gammaproteobacteria, relevant group in the degradation of VOCs, fluctuated with operational changes and the relative abundance of Alphaproteobacteria decreased when the composition of pollutants of the emission source was changed

Modelling mass transfer properties in a biotrickling filter for the removal of isopropanol

A study was carried out to model mass transfer properties in biotrickling filters, treating isopropanol as the target pollutant. This study was extended to the mass transfer of oxygen related to the fact that the treatment of hydrophilic compounds by biotrickling filtration is often limited by oxygen. A simple method for each compound was developed based on their physical properties. The influence of temperature on the Henry"s law constant of isopropanol was determined. An increase of 1.8 per 10ºC for the dimensionless Henry"s law constant was obtained. The determination of the overall mass transfer coefficients of isopropanol (KGa) was carried out, obtaining values between 500 and 1800 h-1 for gas velocities of 100 and 300 m h-1. No significant influences were observed for either the liquid velocity or packing material. Also, the determination of overall mass transfer coefficients of oxygen (KLa) were carried out, obtaining values between 20 and 200 h-1 depending on the packing material for liquid velocities between 2 and 33 m h-1. Structured packing materials exhibited greater mass transfer coefficients, while for random packing materials, the mass transfer coefficients clearly benefited from the high specific surface area. Mathematical correlations found in the literature were compared with the empirical data, showing that neither was capable of reproducing the mass transfer coefficients obtained empirically. Thus, empirical relationships between the mass transfer coefficients and the gas and liquid velocities are proposed to characterise the syste

Biotrickling filter modeling for styrene abatement. Part 2: Simulating a two-phase partitioning bioreactor

Peer ReviewedPostprint (author's final draft