Effects of CO2 enrichment on photosynthesis, growth, and nitrogen metabolism of the seagrass Zostera noltii

Seagrass ecosystems are expected to benefit from the global increase in CO2 in the ocean because the photosynthetic rate of these plants may be Ci-limited at the current CO2 level. As well, it is expected that lower external pH will facilitate the nitrate uptake of seagrasses if nitrate is cotransported with H+ across the membrane as in terrestrial plants. Here, we investigate the effects of CO2 enrichment on both carbon and nitrogen metabolism of the seagrass Zostera noltii in a mesocosm experiment where plants were exposed for 5 months to two experimental CO2 concentrations (360 and 700 ppm). Both the maximum photosynthetic rate (Pm) and photosynthetic efficiency (a) were higher (1.3- and 4.1-fold, respectively) in plants exposed to CO2-enriched conditions. On the other hand, no significant effects of CO2 enrichment on leaf growth rates were observed, probably due to nitrogen limitation as revealed by the low nitrogen content of leaves. The leaf ammonium uptake rate and glutamine synthetase activity were not significantly affected by increased CO2 concentrations. On the other hand, the leaf nitrate uptake rate of plants exposed to CO2-enriched conditions was fourfold lower than the uptake of plants exposed to current CO2 level, suggesting that in the seagrass Z. noltii nitrate is not cotransported with H+ as in terrestrial plants. In contrast, the activity of nitrate reductase was threefold higher in plant leaves grown at high-CO2 concentrations. Our results suggest that the global effects of CO2 on seagrass production may be spatially heterogeneous and depend on the specific nitrogen availability of each system. Under a CO2 increase scenario, the natural levels of nutrients will probably become limiting for Z. noltii. This potential limitation becomes more relevant because the expected positive effect of CO2 increase on nitrate uptake rate was not confirmed.

Seawater chemistry, nutrients, chlorophyll a, and growth rate of Phaeocystis globosa during experiments

Phaeocystis globosa (Prymnesiophyceae) is an ecologically dominating phytoplankton species in many areas around the world. It plays an important role in both the global sulfur and carbon cycles, by the production of dimethylsulfide (DMS) and the drawdown of inorganic carbon. Phaeocystis globosa has a polymorphic life cycle and is considered to be a harmful algal bloom (HAB) forming species. All these aspects make this an interesting species to study the effects of increasing carbon dioxide (CO2) concentrations, due to anthropogenic carbon emissions. Here, the combined effects of three different dissolved carbon dioxide concentrations (CO2(aq)) (low: 4 µmol/kg, intermediate: 6-10 µmol/kg and high CO2(aq): 21-24 µmol/kg) and two different light intensities (low light, suboptimal: 80 µmol photons/m**2/s and high light, light saturated: 240 µmol photons/m**2/s) are reported. The experiments demonstrated that the specific growth rate of P. globosa in the high light cultures decreased with increasing CO2(aq) from 1.4 to 1.1 /d in the low and high CO2 cultures, respectively. Concurrently, the photosynthetic efficiency (Fv/Fm) increased with increasing CO2(aq) from 0.56 to 0.66. The different light conditions affected photosynthetic efficiency and cellular chlorophyll a concentrations, both of which were lower in the high light cultures as compared to the low light cultures. These results suggest that in future inorganic carbon enriched oceans, P. globosa will become less competitive and feedback mechanisms to global change may decrease in strength.

Seawater carbonate chemistry, nutrients, chlorophyll and diatom Proboscia alata during experiments, 2012

The combined effects of different light and aqueous CO2 conditions were assessed for the Southern Ocean diatom Proboscia alata(Brightwell) Sundström in laboratory experiments. Selected culture conditions (light and CO2(aq)) were representative for the natural ranges in the modern Southern Ocean. Light conditions were 40 (low) and 240 (high) µmol photons/m**2/s. The three CO2(aq) conditions ranged from 8 to 34 µmol/kg CO2(aq) (equivalent to a pCO2 from 137 to 598 µatm, respectively). Clear morphological changes were induced by these different CO2(aq) conditions. Cells in low [CO2(aq)] formed spirals, while many cells in high [CO2(aq)] disintegrated. Cell size and volume were significantly affected by the different CO2(aq) concentrations. Increasing CO2(aq) concentrations led to an increase in particulate organic carbon concentrations per cell in the high light cultures, with exactly the opposite happening in the low light cultures. However, other parameters measured were not influenced by the range of CO2(aq) treatments. This included growth rates, chlorophyll aconcentration and photosynthetic yield (FV/FM). Different light treatments had a large effect on nutrient uptake. High light conditions caused an increased nutrient uptake rate compared to cells grown in low light conditions. Light and CO2 conditions co-determined in various ways the response of P. alata to changing environmental conditions. Overall P. alata appeared to be well adapted to the natural variability in light availability and CO2(aq) concentration of the modern Southern Ocean. Nevertheless, our results showed that P. alata is susceptible to future changes in inorganic carbon concentrations in the Southern Ocean.

Eficiência de uso de nitrogênio pela cana-de-açúcar: diferenças genotípicas, preferência por amônio e emissão de N2O

O uso ineficiente do nitrogênio (N) é um problema global, que pode diminuir a sustentabilidade da produção agrícola da cana-de-açúcar para fins energéticos devido às emissões de N2O oriundas da fertilização nitrogenada. A eficiência de utilização de nitrogênio (EUN) tem sido pouco estudada em genótipos de cana-de-açúcar, o que pode ser preocupante devido a importância da cultura para o país. O objetivo desse estudo foi avaliar a EUN de genótipos de cana-de-açúcar, verificando se genótipos contrastantes tem preferência de absorção por amônio ao invés de nitrato, e checar se extratos radiculares de Brachiaria humidicola e Saccharum spontaneum aumentam a eficiência de utilização de N pela cultura. Para isso três experimentos foram desenvolvidos em condições controladas em casa-de-vegetação e câmara de crescimento. No primeiro deles, 18 genótipos foram submetidos a dois níveis de N: limitante (baixo N) e suficiente (alto N). Posteriormente, quatro genótipos selecionados quanto a EUN do primeiro experimento, foram cultivados em câmara de crescimento por 69 dias, onde receberam quantidades conhecidas de N-fertilizante marcado ou no 15NH4+ ou no 15NO3-, sendo avaliados 24 e 72 horas após a aplicação do fertilizante marcado. Um terceiro ensaio foi realizado, em que extratos radiculares de Brachiaria humidicola (BCH) e Saccharum spontaneum (SCS) foram aplicados ao solo com o intuito de verificar seu potencial como inibidor da nitrificação, comparando-os com a dicianodiamida (DCD), e seu efeito para o aumento do aproveitamento do N pela cana-de-açúcar. No experimento de EUN verificou-se grande variação entre os genótipos. Dos 18 genótipos avaliados, seis foram classificados como responsivos a N e eficientes na utilização de N, três foram não eficientes e responsivos; dois foram eficientes e não responsivos, e sete não eficientes e não responsivos. Esse resultado comprova que a recomendação da adubação nitrogenada pode realmente estar pouco precisa, pois não leva em consideração a EUN de cada genótipo, sendo realizada uma aplicação genérica. As medições de fotossíntese mostraram que os genótipos mais eficientes na utilização do N, não necessariamente possuem as taxas fotossintéticas mais elevadas, estando a EUN diretamente relacionada à quantidade de raízes das plantas. No segundo trabalho, verificou-se que o N na planta proveniente do fertilizante (NPPF), 72 horas após a aplicação do N, foi 36% menor quando a fonte marcada foi NO3-, atestando que a cana-de-açúcar tem preferência de absorção por amônio em relação ao nitrato nos primeiros dias após a adubação nitrogenada. Por fim, os resultados do terceiro ensaio mostraram que a aplicação de sulfato de amônio (SA), associado ao inibidor sintético DCD, manteve os valores de N-NO3- baixos ao longo de todo período de avaliação (durante 60 dias), enquanto que com SA, SA+BCH e SA+SCS houve um aumento na concentração de nitrato no solo já a partir de 15 dia após a fertilização. O uso de DCD reduziu o fluxo médio de N2O durante o período de avaliação em relação ao uso isolado do fertilizante, o que não foi observado com o uso de extratos de raízes de Brachiaria humidicola e Saccharum spontaneum