Impact of chlorophenols and heavy metals on soil microbiota: their effects on activity and community composition, and resistant strains with potential for bioremetiation

Pollution by toxic compounds is one of the most relevant environmental damages to ecosystems produced by human activity and, therefore, it must be considered in environmental protection and restoration of contaminated sites. According to this purposes, the main goal of this doctoral thesis has been to analyse the impact of several chlorophenols and heavy metals on the microbial communities of two typical Mediterranean soils. The ecological risk concentrations of each pollutant, which have been determined according to respirometric activity and changes in the microbial community composition, and the factors that influence on their effective toxic concentrations (bioavailable pollutants) have been analysed in order to predict their potential impact on different soil ecosystems and provide scientific data for the regulation of the soil protection policies. Moreover, resistant microorganisms with pollutant removal capacities have been isolated from artificially contaminated soil microcosms and tested in axenic cultures, to infer their potential usefulness for bioremediation.

Incidència de microorganismes i de compostos orgànics volàtils en l'aparició de defectes sensorials en suro

La incidència sobre el suro de defectes sensorials amb descriptors de florit-humitat és un dels principals problemes amb què s'enfronta la indústria surera. Els principals compostos relacionats amb aquest defecte son cloroanisoles, metoxipirazines, geosmina i metilisoborneol. Aquesta recerca s'ha fet amb l'objectiu principal d'aprofundir en els mètodes de determinació de compostos volàtils en suro. S'ha desenvolupat una metodologia basada en la microextracció en fase sòlida i la cromatografia de gasos per a l'anàlisi conjunta d'aquests compostos en macerats de suro. El fet que la majoria dels compostos d'interès tingui un origen microbià ha fet necessari completar les anàlisis químiques amb mètodes de detecció i aïllament dels microorganismes susceptibles de produir-los. S'ha utilitzat un mètode per a l'estudi de la diversitat de fongs i bacteris en mostres de suro basat en l'estudi de marcadors genètics mitjançant l'anàlisi en gradients electroforètics desnaturalitzants. Per últim s'ha avaluat la capacitat de producció de defectes sensorials per microorganismes aïllats de suro utilitzant tècniques olfactomètriques.

Limnological characteristics and zooplankton community structure of Mediterranean coastal lagoons undergoing restoration

Entre 1999 i 2003 es va desenvolupar un projecte Life de restauració a la maresma de La Pletera, afectada per un pla urbanització, i a la llacuna del Ter Vell, amb un elevat grau d'eutròfia (aiguamolls del Baix Ter, NE Península Ibèrica). L'objectiu d'aquesta tesi és establir el funcionament d'ambdós ecosistemes, analitzar-ne la problemàtica ambiental i avaluar els efectes de la restauració. A la maresma de la Pletera, es va analitzar el paper de la hidrologia en la composició i dinàmica dels nutrients i del zooplàncton en cinc llacunes, tres de les quals havien estat creades dins el projecte de restauració com a nous refugis per una espècie de peix amenaçada (Aphanius iberus). La hidrologia es va caracteritzar per un llarg període de confinament sense entrades d'aigua, interromput de manera irregular per inundacions puntuals. La dinàmica del nitrogen inorgànic es va relacionar amb les entrades d'aigua, mentre que la del fòsfor, del nitrogen total i de la matèria orgànica es va relacionar amb els processos d'acumulació i reciclatge intern durant el confinament. El zooplàncton es va analitzar mitjançant la combinació d'aproximacions taxonòmiques i de mides. L'estructura de mides de la comunitat es va veure més afectada per les interaccions tròfiques (depredació i competència) mentre que l'estructura taxonòmica va ser més sensible a factors abiòtics (nutrients). El ràpid creixement de la població A. iberus en les noves llacunes va suggerir que aquestes havien proporcionat l'hàbitat adequat per a l'espècie, almenys a curt termini. Les actuacions de restauració a la llacuna del Ter Vell es van centrar en la millora de la qualitat de l'aigua mitjançant (1) la construcció d'uns aiguamolls per depurar l'aigua d'entrada i (2) el dragat del sediment en diversos punts. Simultàniament a la restauració, però de forma independent, la gestió agrícola de l'aigua va reduir dràsticament el cabal d'entrada d'aigua dolça a la llacuna, provocant un canvi en el règim hídric. Es van analitzar els efectes a curt termini d'aquest canvi sobre la limnologia i el zooplàncton de la llacuna. Abans del canvi, la hidrologia era artificial ja que s'havia prolongat l'entrada d'aigua dolça d'acord amb la demanda agrícola, i per tant la llacuna presentava una elevada taxa de renovació de l'aigua i majors concentracions de nutrients. Després del canvi, la hidrologia va dependre més del clima, es van reduir les entrades d'aigua i es va allargar el període de confinament. La composició y dinàmica dels nutrients va tendir a assemblar-se a l'observada a les llacunes de la maresma, mentre que la comunitat del zooplàncton no ho va fer. L'estat ecològic de la llacuna va millorar després del canvi en el règim hídric.

Nitrifying and denitrifying bacterial communities in the sediment and rhizosphere of a free water surface constructed wetland

La contínua descàrrega de nutrients, sobretot fosfats i nitrogen, és la major causa d'eutrofització dels ecosistemes aquàtics. Els sistemes de tractament basats en aiguamolls construïts s'han emprat per reduir ells nivells de nitrogen a l'aigua com a alternativa de baix cost als mètodes de depuració convencionals. L'eliminació del nitrogen a aquests sistemes depèn en bona part de la vegetació, i l'alternança de condicions aeròbiques i anaeròbiques per promoure els processos de nitrificació i desnitrificació. En aquest treball hem volgut investigar les activitats microbianes de nitrificació i desnitrificació en relació a dues espècies de plantes macròfites en un sistema d'aiguamolls de tractament de flux superficial (FS-SAC), dissenyat per minimitzar l'impacte de l'alliberament d'aigua carregada de nutrients a la reserva natural dels Aiguamolls de l'Empordà (Girona, Espanya).

Phytoplankton dynamic in permanent and temporary waters of Empordà Salt marshes (NE Spain)

Se ha estudiado la dinámica del fitoplancton en las lagunas costeras de Aiguamolls de l'Empordà. El fitoplancton esta sujeto principalmente al control "bottom-up", la variabilidad hidrológica y la disponibilidad de nutrientes tienen una mayor influencia en la composición y distribución de tamaños del fitoplancton, que el zooplancton. La concentración de materia orgánica disuelta es el factor ambiental más correlacionado con el crecimiento de la biomasa fitoplanctónica. Dada la proximidad entre las lagunas costeras y el mar, donde la ocurrencia de Proliferaciones de Algas Nocivas es cada vez más frecuente, se realizan un inventario general de las especies más abundantes del fitoplancton y se llevan a cabo análisis extensivos de la toxicidad. La mayoría de especies de dinoflagelados encontradas son potencialmente nocivas. Hay pocas especies en común entre el mar y las lagunas, sin embargo, existen especies productoras de PANs características de los ambientes lagunares.

Primary succession in man-made wetlands: biodiversity, structure and dynamics of macrofaunal assemblages

Man-made wetlands are often created to compensate for the loss or degradation of natural wetlands, but little is known about the processes taking place in these artificial environments, especially at the community level. Throughout this thesis, we have assessed the phenomena of primary succession over different time (short-, mid- and long-term) and spatial scales (local, regional, interregional levels), applying different approaches (taxonomic and functional) and subject groups (invertebrates and amphibians). Our main findings regarding time scales show a 3-phase successional pattern in Mediterranean man-made wetlands’ communities, where at the short term (1 year) colonization processes dominate; at mid term perspectives (2 to 7 years) succession signs begin to be conspicuous, and later on (≥ 10 years) parameters such as species richness reach an asymptote. At that moment, some biological strategies dominate, and biodiversity surrogates indicate that communities are indistinct between man-made and natural wetlands. Regarding spatial effects, we corroborated that both local and regional factors affect the establishing communities. Particularly, the low hydrological stability of the Mediterranean region has enhanced biological traits favoring resilience and resistance to disturbances when comparing Mediterranean and cold temperate aquatic communities. Even within the Mediterranean region, low levels of hydrological stability have significant effects on the successional dynamics. In these cases, local communities are highly nested within regional natural ones, and so are not able to make net contributions to regional richness. We also showed the influence of the regional pool of recruiters over local communities, both in the case of invertebrates and amphibians. Especially for the latter group, man-made Mediterranean temporary ponds (MTPs) can play an important role in their conservation.

The role of fungi and bacteria on the organic matter decomposition process in streams: interaction and relevance in biofilms

L'objectiu d'aquest estudi és el d'investigar sobre l'ús de matèria orgànica per part dels fongs i bacteris que colonitzen diferents substrats bentònics en rius Mediterranis i analitzar l'efecte dels factors ambientals i antròpics sobre l'estabilitat estructural i funcional de les comunitats del biofilm. La metodologia emprada en aquest estudi consisteix en: i) anàlisi de la biomassa bacteriana i fúngica, ii) anàlisi de la composició de les comunitats bentòniques (identificació d'hifomicets aquàtics i anàlisi del 16S rDNA bacterià), i iii) anàlisi de l'activitat enzimàtica extracel·lular relacionada amb el reciclatge de matèria orgànica en rius.

Trace elements biogeochemistry in high mountain lake catchments: identifying anthropogenic versus natural components from the atmospheric contamination legacy in remote natural areas

Human activities have been interfering with the natural biogeochemical cycles of trace elements since the ancient civilizations. Although they are inaccessible and remote, high mountain lake catchments are irrefutably trace-element contaminated by anthropogenic emissions, which can travel by long-range atmospheric transport before they are deposited. This has been revealed by several natural archives. High mountain lake catchments are thus excellent sentinels of long-range contamination. Continuous accumulation can lead to a build up of potentially toxic trace elements in these remote, or relatively remote, ecosystems. The thesis focuses on the biogeochemistry of a suite of trace elements of environmental concern (Ni, Cu, Zn, As, Se, Cd and Pb) in Pyrenean lake catchments, with special emphasis on discerning the “natural” components from the “anthropogenic” contributions. Five other metallic elements (Al, Fe, Ti, Mn and Zr) have also been studied to trace natural fluxes and biogeochemical processes within the lake catchment systems.