Efectos de la acidificación marina en conchas de bivalvos María Fernanda Cogollos Facultad de Estudios Ambientales y Rurales, Pontificia Universidad Javeriana María Fernanda Cogollos Blanco m.cogollos@javeriana.edu.co Resumen: La acidificación oceánica ha provocado alteraciones en las estructuras calcáreas de los organismos bivalvos afectando también su historia de vida y ecología; este fenómeno altera la química del océano provocando una disminución del pH y reduciendo la producción de carbonato de calcio (CaCo3) afectando a organismos calcificadores. Existen diferentes técnicas que miden el impacto físico del pH ácido sobre las conchas de los bivalvos y de las cuales se realizó revisión bibliográfica para identificar las que más se han aplicado hasta la fecha y en las cuales se pueden medir parámetros físicos como dureza, porosidad y resistencia de la concha. Se encontró que la variable más representativa para llevar a cabo esta investigación es dureza la cual se mide con nanoindentación siendo ésta la técnica más utilizada. Los resultados de la literatura arrojan que las conchas de bivalvos que son expuestas a pH ácido reflejan disminución en la dureza de sus conchas, presentan estructuras calcáreas porosas y como consecuencia disminuye la población, la ecología de la especie y la estructura socio económica. Palabras clave: Acidificación, pH, bivalvos, dureza de la concha, técnicas, ecología, impacto socio económico

1. Introducción Los océanos son grandes reguladores del clima planetario, absorben calor atmosférico y se consideran uno de los sumideros más importantes de CO2 antropogénico (Sabine et al., 2004; Díaz, 2018), el CO2 es una molécula ácida que forma ácido carbónico (H2CO3) cuando reacciona con el agua (Chierici y Fransson, 2009; Milano et al., 2016), producto de la quema de combustibles fósiles y actividades humanas como la deforestación (Galaz, 2019). El incremento de las emisiones de CO2 ha provocado cambios en los océanos aumentando la temperatura (Panel Intergubernamental de Cambio Climático, 2007; Chávez et al., 2017) y produciendo un descenso paulatino en el pH del agua de mar alterando el equilibrio del sistema de carbonatos (Zeebe, 2012; Galaz, 2019), proceso conocido como acidificación global de los océanos (Zhao et al., 2017). Se espera que los océanos absorban cantidades elevadas de CO2 atmosférico durante el próximo siglo (Chatzinikolaou et al., 2017) representando un riesgo para los ecosistemas marinos y costeros (Castillo y Navarrete, 2015)

e interviniendo en el proceso de calcificación de muchos organismos marinos (Thomsen et al., 2015; San Martín, 2019). El incremento de la concentración de CO2 atmosférico y la absorción de éste por el océano ha traído como consecuencia la disminución del pH del agua de mar, esto ha llevado a que baje la disponibilidad del carbonato de calcio para la biomineralización de organismos marinos que forman estructuras calcáreas (Pérez, 2017). Como consecuencia de la absorción de CO2 (Caldeira y Wickett, 2003; Zhao et al., 2017) se espera que el pH de las aguas oceánicas superficiales disminuya desde 8,11 (nivel actual) a 7.7 unidades (Orr et al., 2005; Feely et al., 2004; Galaz, 2019) afectando la capacidad de los organismos calificadores para producir el carbonato de calcio (CaCO3) necesario para la formación de sus estructuras calcáreas (Gazeau et al.,2007; Galaz, 2019). La construcción del caparazón comienza muy temprano en el desarrollo larvario. Un área de células ectoderméticas en la región dorsal del embrión en desarrollo secreta la primera concha larvaria. La secreción de un segundo caparazón larvario por el manto, en lugar de la glándula del caparazón, sigue poco después. Después de la metamofosis, comienza la secreción del caparazón adulto (Wiley & Sons, 2015). Estudios han demostrado que la tasa de calcificación de los organismos marinos es altamente vulnerable a la disminución del pH del agua de mar (Feely et al., 2009; De Bodt et al., 2010; Meng et al., 2018) especialmente en sus etapas larvales y juveniles (Gazeau et al., 2007; Kurihara et al., 2007a 2009b; Cohen, 2008; Barton 2009 citado por Pérez, 2017) trayendo implicaciones socio-económicas en la producción pesquera (Pérez, 2017). Muchos bivalvos son especies clave del ecosistema ya que proporcionan una estructura de hábitat para los organismos bentónicos, limpian el medio marino participando en la purificación del agua de mar y constituyen una fuente de alimento para otros organismos (Gazeau et al., 2015; Chatzinikolaou et al., 2017) sin embargo, en los últimos años, la formación de caparazones de bivalvos marinos se ha visto gravemente afectada por la acidificación del océano (Liu et al., 2020), los altos niveles de CO2 pueden causar la disolución de la concha poniendo en peligro la protección contra amenazas externas como la depredación (Green et al., 2004; Milano et al., 2016) y ataques patógenos como los de virus y bacterias (Liu et al., 2016; Zhao et al., 2017). Estudios experimentales de acidificación informan el crecimiento reducido de las conchas de bivalvos (Gazeau et al., 2007; Mccorkle, 2009; Beniash et al., 2010; Ries, 2011; Dickinson et al., 2012; Fitzer et al., 2015 citado por Fitzer et al., 2018) reduciendo el estado de carbonato de calcio (CaCO3) (Shi et al., 2016), afectando las propiedades de la concha y reduciendo la capacidad para biomineralizar (Fitzer et al., 2015; Fitzer et al., 2018). Los bivalvos marinos proporcionan una fuente primaria de proteínas importante para más de mil millones de personas en el mundo y son de importancia económica para el consumo humano (Shi et al., 2016) sin embargo, la acidificación oceánica es una de las mayores amenazas para la industria de la acuicultura y la pesca (Gazeau et al., 2013; San Martín,

2019) debido a que son consideradas actividades de importancia económica y social (San Martín, 2019), debido a esto se ha estimado que hacia el año 2100, la acidificación oceánica puede llegar a producir un costo global de más de 100 billones de dólares sólo en pérdidas de producción de moluscos (Narita et al., 2012; Galaz, 2019), amenazando la seguridad de la producción de alimentos de origen marino (Galaz, 2019). Este análisis bibliográfico tiene como objetivo revisar el impacto de la acidificación marina en las conchas de los bivalvos y su impacto ecológico y económico. 2. Metodología 1.2 Revisión sistemática de literatura Se realizó una revisión sistemática de literatura publicada a escala global entre el año 2010 y 2020 con el fin de obtener información relevante e identificar las consecuencias que ha traído la acidificación del océano producto del pH ácido en la estructura de la concha de los bivalvos marinos. Se seleccionaron documentos donde trabajaron las técnicas utilizadas para medir parámetros físicos como porosidad, resistencia y dureza de la concha principalmente; para ello se utilizaron las bases de datos Scopus, Web of Science, Google Scholar y la revista Nature donde se tuvieron en cuenta únicamente los artículos en idioma inglés y español. Con ayuda de operadores booleanos como AND y OR y operadores truncados como () y *, se construyó la siguiente cadena de búsqueda: (sea shell OR seashell OR bivalve*) AND (technique* OR measure* OR method*) AND (porosity OR porous OR hardness OR resistance). La poca información de ámbito cuantitativo llevó a cambiar la búsqueda a información cualitativa generando resultados de variables por separado ya que en un mismo artículo no fue posible encontrar las tres variables en conjunto, debido a esto se utilizaron las siguientes cadenas de búsqueda: (sea shell OR seashell OR bivalve*) AND (technique* OR measure* OR method*) AND (porosity OR porous) / (sea shell OR seashell OR bivalve*) AND (technique* OR measure* OR method*) AND (hardness) y finalmente (sea shell OR seashell OR bivalve*) AND (technique* OR measure* OR method*) AND (resistance). La variable más utilizada en los artículos publicados y que puede medir el efecto de la acidificación sobre los bivalvos es la dureza, por tal razón será la variable para recopilar datos y hacer los respectivos análisis de resultados en esta presente investigación (Tabla 1). Se llevará a cabo una representación visual de los datos cualitativos de las variables dureza y porosidad con respecto a los datos encontrados en la literatura midiendo el impacto del pH ácido sobre las estructuras calcáreas de los bivalvos marinos; las gráficas se representan con ayuda del programa Adobe PhotoShop usando escalas cualitativas. Adicional a esto se eligieron artículos sugeridos por los autores que ya habían sido previamente leídos y analizados con el fin de extraer información relevante y se tuvo en cuenta información con respecto al ámbito socioeconómico que reflejan los bivalvos dentro

de la acuicultura, la pesca y las comunidades que dependen del recurso, además de su importancia ecológica y el rol que cumplen dentro del ecosistema, esto con el fin de abordar la totalidad de los objetivos de la investigación. Tabla 1. Ecuación de búsqueda de variables por separado con su respectivo número de artículos encontrados.

Ecuación de búsqueda Número de artículos

sea shell OR seashell OR bivalve*) AND (technique* OR measure* OR method*) AND (hardness)

43

(sea shell OR seashell OR bivalve*) AND (technique* OR measure* OR method*) AND (porosity OR porous)

34

(sea shell OR seashell OR bivalve*) AND (technique* OR measure* OR method*) AND (resistance)

12

3. Resultados Se encontró que las estructuras calcáreas de los bivalvos marinos reflejan cambios cuando variables ambientales como el pH del agua de mar disminuye, afectado la biomineralización de las conchas, proceso por el cual los organismos forman minerales, conduciendo a un menor crecimiento y supervivencia; debido a esto las conchas de bivalvos expuestas a pH ácido, es decir con valores por debajo de 8.1, producen conchas menos duras y menos resistentes, esto es debido a que la microestructura de la concha formada principalmente por calcita, aumenta provocando un debilitamiento en la concha como se muestra en la Figura 1. Se espera que las conchas de los bivalvos se debiliten con el tiempo a medida que el pH sea cada vez más ácido, condición que genera mayor porosidad en las estructuras calcáreas (Figura 2) debido a la disminución en la tasa de calcificación y escasez de energía a pH ácido (Meng et al., 2018). Autores como Dickinson et al., 2013 menciona que el área del poro aumenta a medida que el pH es más ácido, patrón que se pudo observar en artículos como el de Meng et al., 2018 y donde la técnica más utilizada para medir esta variable fue microscopía electrónica de barrido (SEM).

Figura 1. Datos cualitativos hallados en revisión bibliográfica acerca de experimentos realizados en conchas de bivalvos midiendo la dureza en condiciones acidificadas y de control. Los puntos más grandes representan la dureza de las conchas en los experimentos de control y los puntos pequeños representan la dureza de las conchas expuestas a condiciones acidificadas. El círculo rojo marcando el 8.1 corresponde al pH actual del océano. Los valores cualitativos se representan en la gráfica con puntos de diferentes colores correspondientes al autor que realizó el experimento (n=7). La disminución del pH aumenta significativamente el tamaño y la cantidad de los poros en las conchas de los bivalvos (Dupont y Pörtner, 2013; Meng et al., 2018), los resultado demuestran que cuando el pH disminuye se puede evidenciar porosidad en la concha generando disminución en la dureza de las valvas, esto es debido a que cuando la disolución de la concha es más rápida que la mineralización, los organismos tienden a producir conchas más delgadas y menos resistentes dando como resultado una microestructura de la concha deteriorada (Meng et al., 2018), mientras que se presenta poca porosidad en conchas que están expuestas a niveles de pH mayores a 8,1.

Figura 2. Curvas de comparación de la literatura acerca de datos cualitativos sobre el comportamiento de las variables pH - dureza y pH - porosidad en las conchas de bivalvos marinos. Los valores cualitativos de dureza (n=7) representan que a mayor pH habrá menor dureza de la concha mientras que los valores cualitativos de porosidad (n=3) reflejan que cuando el pH es más ácido la porosidad aumenta. Dentro de las técnicas más utilizadas para medir la dureza de las conchas es la nanoindentación (Figura 3b), ésta es una técnica analítica (Milano et al., 2016) que mide la dureza de los materiales y se cuentifica en unidades de Bickers, Brinell y Rockwell; es de las técnicas más citadas en la literatura y muestra que las conchas cultivadas en condiciones de control, es decir entre 8.1 y 8.2, poseen estructuras calcáreas más resistentes y duras en comparación con las condiciones acidificadas donde la dureza de las conchas disminuye. Por otra parte, la porosidad se observa mediante la técnica de microscopía electrónica de barrido (SEM) (Figura 3a) y la microtomografía computarizada (Micro CT) (Figura 3b) con el fin de observar la interconectividad de los poros en las conchas de los bivalvos.

Figura 3. Representación gráfica del Microscopio Electrónico de Barrido (SEM) (A). Modificado de Holt & Joy (1989). Este equipo se basa en la detección y visualización de los electrones secundarios y retrodispersados procedentes de la interacción del haz de electrones sobre la superficie de la muestra que se va a analizar. El haz de electrones se focaliza sobre la superficie de una muestra, barriendo la superficie de la misma. Los electrones secundarios y retrodispersados son captados por un detector, llevándose la señal a un tubo de rayos catódicos, donde es representada; en este tubo la señal realiza un barrido en la patalla de manera sincronizada con el movimiento del haz electrónico sobre la muestra formando una imagen aumentada de la superficie (Bejarano, 2003). Representación gráfica del micro tomógrafo computarizado (Micro-CT) (B). Modificado de Caeiro & Vaquero (2005); este equipo se basa en la formación de imágenes de rayos X a pequeña escala y con una resolución superior de la muestra (Bruker, 2016; Parar, 2016) sin necesidad de destruirla. Genera rayos X disparando electrones a través de un vacío que golpea la muestra y luego transmite la información de la imagen al computador determinando el grado de porosidad por medio de imágenes en 3D (Caeiro & Vaquero, 2005). El equipo de nanoindentación (C) (Anamin Group (2020) Recueprado de: https://www.anamingroup.cl/producto/equipo-de-nanoindentación-nht3/, permite aplicar cargas hasta 70N, con los cual se pueden medir durezas de recubrimientos y películas delgadas de cualquier espesor. Durante la nanoindentación se aplica una carga continua y creciente hasta un valor máximo determinado, se sostiene por algún tiempo y luego se libera la carga con la misma velocidad con la que se aplicó (Bejarano, 2003).

4. Discusión La acidificación de los océanos representa una gran amenaza para los organismos calcificadores (Milano, et al., 2016), en vista de que sus estructuras calcáreas han mostrado signos de disolución, microestructura desorganizada y propiedades mecánicas reducidas (Meng et a., 2018) autores como Meng et al., 2018 demostraron que las conchas con microestructuras deterioradas son más propensas al ataque de depredadores ya que los organismos producen conchas más delgadas. Especies como Pinctada fucata y Mytilus californianus produjeron conchas más débiles cuando fueron expuestas a condiciones acidificadas (7.8) (Meng et al., 2018), así mismo lo demostró Beniash et al., 2010 con la especie de bivalvo Crassostrea virginica cuando lo expuso a pH 7.5 y observó afectaciones en las propiedades estructurales de la concha y en la biomineralización. En las últimas décadas, la mayor parte de los esfuerzos de investigación en la acidificación oceánica (Gattuso y Hansson, 2011; Parker et al., 2013; Díaz, 2018) señalan que los estadíos tempranos (embriones y larvas) de bivalvos serían más sensibles a la acidificación que los estados juveniles o adultos (Kurihara, 2008; Gazeau et al., 2010; Waldbusser et al., 2014; Díaz, 2018) como lo demostró Watson et al., 2009 cuando expuso larvas de la especie Saccostrea glomerata a pH 7.7 observando anomalías en la formación de la concha y un incremento en la mortalidad, estos hallazgos coinciden con los resultados de Pérez, 2019 cuando las larvas de la especie Panopea globosa fueron expuestas a condiciones acidificadas mostrando efectos negativos en el desarrollo de sus conchas, debido a esto se han propuesto modelos donde los cambios futuros de pH no solo alteran las propiedades mecánicas de las conchas sino también la distribución de las especies, la reproducción y la supervivencia (Azevedo et al., 2015; Waldbusser et al., 2015; Pérez, 2019). Los resultados de esta investigación demuestran que a medida que el pH disminuye, los poros de las estructuras calcáreas aumentan (Figura 2) y por consiguiente las conchas se debilitan proporcionado poca dureza en las valvas y quedando expuestas a depredadores, autores como Meng et al., 2018 expuso a pH ácido (7.5) la especie Magallana angulata observando una microestructura interna porosa mediante la técnica de microscopía electrónica de barrido y una disminución en la dureza de la concha mediante la técnica de nanoindentación, así mismo Meng et al., 2018 afirma que la microdureza interna porosa puede ser la causa de la reducción de la dureza de la concha. Milano et al., 2016 utilizó la misma técnica para probar la dureza de la concha del bivalvo Cerastoderma edule sin embargo, sus hallazgos indicaron que no hubo un cambio significativo en la dureza de la concha pero si tiende a diluirse con pequeños cambios de pH. La microdureza es otra de las técnicas que más se encontró dentro de la literatura, autores como Ivanina et al., 2013 (Crassostrea virginica) y Fitzer et al., 2015 (Mytilus edulis) coinciden en que los procesos de biomineralización y la fisiología de los bivalvos pueden verse afectados por la acidificación marina. Estudios previos sobre organismos calcificadores sugieren que la acidificación oceánica no solo reduce las tasas de calcificación, sino que también aumenta la disolución de las conchas formadas en escenarios

de pCO2 muy altos (Ries, 2011; Bednarsek et al., 2012; Meng et al., 2018), afirmación que corrobora el estudio de Milano et al., 2016 al asegurar que el aumento de la presión parcial de dióxido de carbono (pCO2) intensifica la disolución de la concha de Cerastoderma edule y es por esto que la disminución en el pH del agua de mar afecta las tasas de calcificación de los organismos marinos (Feely et al., 2009; De Bodt et al., 2010; Meng et al., 2018), del mismo modo Bressan et al., 2014 muestra una reducción en las propiedades de la concha de dos especies de bivalvos cuando son sometidos a altos niveles de pCO2 (Mytilus galloprovincialis y Chamelea gallina). 5. Conclusión Se recomienda realizar estudios de tipo cuantitativo con el fin de mejorar las predicciones con valores numéricos sobre el impacto de la acidificación en las conchas de los bivalvos particularmente en variables como la porosidad y resistencia del material. La poca información encontrada de tipo cuantitativo con relación a la porosidad lleva a concluir que esta variable es poco estudiada y por lo tanto no hay evidencia suficiente para conocer el impacto que trae esta variable sobre las conchas de los bivalvos. Se espera que para futuros escenarios de acidificación oceánica los organismos bivalvos presenten alteraciones en sus estructuras calcáreas quedando en situación de vulnerabilidad ante depredadores y bacterias provocando disminución en sus poblaciones y trayendo consecuencias en la economía y el ámbito social de las poblaciones que dependen del recurso. En un futuro cercano, los valores de pH van a disminuir a tal punto que la porosidad en las valvas tendrá una tendencia a aumentar generando baja dureza, extinción de las poblaciones, vacíos en la red trófica por tratarse de un animal bioindicador y afectaciones en la economía de las poblaciones humanas que ven el recurso como un medio de sustento. 6. Agradecimientos A mi familia en especial a mis padres por su apoyo incondicional y esfuerzo económico para culminar mis estudios y enseñarme los valores que hoy me describen como persona. Al profesor Alberto Acosta por compartir sus conocimientos, experiencias y dedicar parte de su tiempo a corregir esta revisión bibliográfica y así mismo quiero agradecerle a Náyade Cortes por todo el apoyo y motivación que me brindó hasta el final de esta investigación. A la facultad de Estudios Ambientales y Rurales por formar profesionales íntegros y aportar a la investigación nuevos conocimientos en el área ambiental y finalmente a la Pontificia Universidad Javeriana por la exigencia y formación que la representa en la parte investigativa.

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