Anthropogenic nutrient loading in coastal areas is one of the major causes of seagrass decline
worldwide. One of the main negative effects is indirectly caused by the proliferation of fast-growing species promoting light attenuation, sediment anoxia and sulphide intrusion risks. However, the parallel direct toxic effect caused by high ammonium (NH4+) concentrations on seagrasses has received little attention, in spite of some pioneer works. Adverse effects of NH4+ enrichment have been traditionally explained by internal accumulation of NH4+. To prevent toxic effects, plants must assimilate this nutrient into amino acids and other non-toxic organic compounds, generating strong internal demand for ATP and organic carbon skeletons, which must be provided by photosynthesis or from C-reserves. Thus, any factor affecting NH4+ uptake and/or assimilation could intensify or ameliorate NH4+ toxicity in seagrasses. This PhD Thesis studies the interactive effect of NH4+ enrichment and different environmental factors in the genus Zostera. In the first two chapters, the interaction between NH4+ and phosphate uptake rates and the interactive effect of light, hydrodynamics and NH4+ enrichment was studied in Z. noltei. In these assays ammonium was taken up following a diffusive trend, and while a shortcoming of phosphate uptake was found in leaves of Z. noltei when NH4+ was present, NH4+ uptake was unaffected by phosphate presence (chapter 1). As well, a non-linear response to NH4+ enrichment with flow velocity was recorded, with the strongest negative effect at intermediate flow (chapter 2). The effects of light and NH4+ on morphology, physiology, nitrogen metabolism and carbon reserves were studied in Z. marina (chapter 3). Light reduction had negative and synergistic effects with NH4+ enrichment, which were related with a drastic drop in carbon reserves and a remarkable increase in amino acid concentrations, indicating a tight coupling between carbon an nitrogen metabolisms. The response to the interaction between NH4+ loading and hyposaline stress was analyzed on different physiological and morphological properties of Z. marina (chapter 4). The negative and interactive effect between high NH4+ concentrations and low salinity was correlated with an increase in intracellular NH4+ content and a decrease in photosynthetic rates and non-structural carbohydrates, causing a drop in growth and survival of plants. Thus, hyposaline stress enforced the toxic effect of NH4+ by increasing the competition between ammonium assimilation and osmotic regulation for energy and C-skeletons. In summary, this Thesis highlights that toxic effects promoted by NH4+ on seagrasses can be intensified or alleviated depending in the presence of other natural stressors. In nature, organisms are rarely stressed by only one factor, and the interaction among multiple stressors may drive synergistic, antagonist or even non- linear responses. The understanding of nature of such interactions is important for developing better predictions and managing policies for seagrass ecosystems, since NH4+ load is expected to increase in the near future in coastal areas, jointly with the modification of a broad range of environmental factors as a consequence of the global change.La eutrofización constituye una seria amenaza para las zonas costeras y se postula como una de
las principales causas del declive de las praderas de angiospermas marinas a nivel global. De un modo indirecto, una elevada carga de nutrientes favorece la proliferación de especies de rápido crecimiento causando una reducción en los niveles de luz o un incremento de la materia orgánica, aumentando el riesgo de anoxia en el sedimento y la intrusión de sulfuro en las plantas. Asimismo, las propias concentraciones elevadas de amonio (NH4+) pueden resultar tóxicas. A pesar de la existencia de algunos estudios pioneros, la toxicidad del NH4+ en angiospermas marinas es aún un fenómeno poco estudiado. El efecto tóxico del NH4+ está ligado al incremento de dicho nutriente en el interior celular. Para evitar su acumulación el amonio
ha de ser asimilado rápidamente en aminoácidos u otros compuestos orgánicos, generando una fuerte demanda de energía en forma de ATP e hidratos de carbono no estructurales que son proporcionados a través de fotosíntesis o bien suministrados a partir de las reservas internas. Por lo tanto, cualquier factor que afecte tanto a los procesos de incorporación como a la asimilación de NH4+, podría potenciar o aliviar su toxicidad. El objetivo principal de esta tesis doctoral es el estudio de la interacción entre diferentes variables ambientales y elevadas dosis de NH4+ en dos especies de fanerógamas del genero Zostera (Z. noltei y Z.
marina). El capítulo 1 se centró en el estudio de la interacción entre las tasas incorporación de fosfato y amonio en hojas de Z. noltei. Bajo elevadas concentraciones de NH4+ se produjo una disminución en las tasas de incorporación de fosfato; a su vez, la incorporación de NH4+ mostró un claro comportamiento difusivo
y no fue afectada por la presencia de fosfato en el medio. El capítulo 2 abordó el estudio de los efectos de una alta disponibilidad de NH4+ bajo diferentes condiciones hidrodinámicas y lumínicas en Z. noltei. La interacción entre estos factores dio lugar a una respuesta no lineal, registrándose una mayor toxicidad en velocidades intermedias. En el capítulo 3, se estudiaron los efectos producidos por diferentes niveles de luz y concentraciones de NH4+ en diversas propiedades morfológicas y fisiológicas, y las implicaciones sobre el metabolismo del nitrógeno y del carbono en Z. marina. Se observó un efecto sinérgico negativo entre las
altas concentraciones de NH4+ y las condiciones de luz limitantes, que se correspondieron con una drástica disminución en el contenido de hidratos de carbono no estructurales y con un notable incremento en las concentraciones de aminoácidos libres, lo que puso de manifiesto la estrecha relación existente entre el metabolismo del carbono y del nitrógeno. En el capítulo 4 se evaluó la interacción entre las condiciones de enriquecimiento de NH4+ y el estrés hiposalino, sobre diferentes variables fisiológicas y morfológicas en Z. marina. El hallazgo más relevante fue el efecto negativo y aditivo entre las altas concentraciones de NH4+ y
las condiciones de baja salinidad. Esto se relacionó con un incremento en el contenido intracelular de NH4+ y una disminución en las tasas fotosintéticas y en las concentraciones de hidratos de carbono no estructurales, provocando una reducción en el crecimiento y la supervivencia de Z. marina. Por lo tanto, las condiciones hiposalinas potenciaron el efecto tóxico del NH4+, debido a que los procesos de osmorregulación compiten por los mismos recursos que los requeridos para la asimilación del NH4+ (ATP e hidratos de carbono no estructurales). En conclusión, los resultados de esta tesis mostraron que los efectos tóxicos producidos por
el NH4+ sobre las angiospermas marinas podrían intensificarse o aminorarse en función de las condiciones ambientales que coocurren de un modo natural en las zonas costeras. En las próximas décadas, se prevé tanto un incremento en la carga de NH4+, como cambios en las condiciones ambientales a consecuencia del cambio global. La interacción entre múltiples factores pueden conducir a respuestas sinérgicas, antagónicas o incluso no lineales en sistemas dominados por angiospermas marinas; la comprensión de cómo múltiples factores ambientales interactúan entre sí resulta por tanto trascendental para el desarrollo de políticas que conduzcan a una correcta gestión de los ecosistemas dominados por estas especies tan carismáticas.Número de páginas 16
