Estudio de cinco años de radiación UV en el sur de Chile (40 S): Potencial impacto en sistemas marinos costeros

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1 Estudio de cinco años de radiación UV en el sur de Chile (40 S): Potencial impacto en sistemas marinos costeros Pirjo Huovinen 1, Charlotte Lovengreen 2, Iván Gómez 1 Universidad Austral de Chile, Facultad de Ciencias, Instituto de Biología Marina 1, Instituto de Física 2, Campus Isla Teja s/n, Casilla 567, Valdivia, Chile Resumen La finalidad de este trabajo fue analizar y estimar el riesgo que puede producir la radiación solar ultravioleta para las algas marinas de las costas del sur de Chile. Esto es de gran importancia dado que Chile posee más de 4000 km de costa en el Océano Pacifico con una flora marina única, con gran valor tanto ecológico como económico. En esta charla se presentan los registros de radiación solar medidos en Valdivia (40 S), sur de Chile, entre febrero de 1998 y marzo de 2003, con el propósito de inferir si las condiciones naturales de radiación solar en esta región tienen relevancia biológica. 57

2 I. Introducción El objetivo del presente trabajo fue analizar y estimar el riesgo de la radiación solar ultravioleta para las algas marinas de las costas del sur de Chile. Esto es de gran importancia dado que Chile posee más de 4000 km de costa en el Océano Pacifico con una flora marina única, con gran valor tanto ecológico como económico. Especialmente las macroalgas que habitan en el intermareal pueden estar expuestas a altos niveles de radiación y por lo tanto ser susceptibles de daño biológico. Durante la primavera austral la disminución del grosor de la capa de ozono puede extenderse fuera de vortex Antártico y afectar esta región. En el sur de Chile (40 S) se han registrado dosis diarias equivalentes a las medidas en Nueva Zelanda y Australia, y más altas que en latitudes equivalentes en el hemisferio norte (por ejemplo en la costa de Mediterráneo) (Lovengreen et al. 2000). En este trabajo, se presentan los registros de radiación solar medidos en Valdivia (40 S), sur de Chile, entre febrero de 1998 y marzo de 2003, con el propósito de inferir si las condiciones naturales de radiación solar en esta región tienen relevancia biológica. Para relacionar los niveles de radiación observados con ciertos efectos biológicos, se presentan investigaciones realizadas con varias especies de macroalgas, poniendo énfasis en la fotoinhibición de fotosíntesis y en su recuperación (Gómez et al. 2003). Además se discute la acumulación de potenciales componentes fotoprotectores (aminoácidos tipo micosporina, MAAs) (Huovinen et al. 2003). II. Material y Métodos Medidas de radiación solar. Espectros de radiación solar fueron medidos por medio de un espectroradiómetro de ultravioleta de alta resolución (SUV-100, Biospherical Instruments Inc., San Diego, California, USA) ubicado sobre el edificio de la Facultad de Ciencias de la Universidad Austral de Chile (Valdivia, 39º48` S, 73º14` W) a 12 km de la costa y 30 m sobre el nivel del mar. De esta forma se obtuvo la irradiancia solar entre los 290 nm y los 600 nm con una resolución de ancho de banda 0.6 nm, barrido que se llevó a cabo en menos de 15 minutos. En el intervalo de mayor interés, de 290 nm a 340 nm, el barrido se realizó en pasos de 0.2 nm. Además, durante el barrido se registró la señal de un filtro PAR ( nm) adosado a la esfera integradora ubicada bajo el colector de la radiación. Investigaciones con macroalgas. Estudios con macroalgas de la zona intermareal (Playa Grande de Niebla, 39º51 S, 73º23 W) incluyeron medidas in situ (experimentos en terreno) y exposiciones en el laboratorio con fuentes artificiales de radiación. En los experimentos se emplearon tres tratamientos lumínicos (PAR+UVA+UVB, PAR+UVA, PAR) empleando para ello filtros específicos que cortan selectivamente distintas bandas de radiación (Gómez et al. 2003). La eficiencia fotosintética de las algas fue evaluada a través de una técnica no invasiva de fluorescencia (in vivo) de clorofila, asociada al fotosistema II, utilizando un fluorímetro de pulso de amplitud modulada PAM-2000 (Waltz, Effeltrich, 58

3 Alemania) (Gómez et al. 2003). Para el análisis de aminoácidos tipo micosporinas (MAAs) se empleó la extracción en metanol y análisis en un equipo Waters de HPLC (cromatografía líquida de alta eficacia) (Huovinen et al. (2003). Resultados Para las tasas de dosis diarias máximas de la banda UV-B (integral medida entre 290 y 315 nm) se obtuvieron valores de 2.0±0.34 W m -2 (n=279) en los meses Diciembre y Enero, con un valor extremo de 2.8 W m -2. En invierno (Junio-Julio) estos valores descienden a 0.23±0.09 W m -2 (n=213). En días completamente despejados, las tasas de dosis presentan los esperados ciclos diarios determinados por el ángulo solar cenital. Por otra parte, las tasas de dosis diarias máximas muestran el ciclo anual de acuerdo a la estacionalidad (Fig. 1 y 2). Un riesgo de exposición a UV-B es 5 ( nm) o 7 ( nm) veces mayor en verano que en invierno. Considerando un espectro de acción de interés biológico como es el daño de ADN, el riesgo puede ser hasta casi 19 veces mayor en verano que en invierno (razón entre valor máximo y mínimo, Fig. 1 y 2). Las dosis diarias, factor importante para la evaluación del riesgo biológico, muestran una estacionalidad más pronunciada puesto que se ve afectada por la mayor duración del día. Las correspondientes razones de estacionalidad de dosis diaria son 8 ( nm), 11 ( nm), y 28 (ADN). Para la integral UVB ( nm) los promedios de dosis diarias en días despejados son aproximadamente 48 kj m -2 en verano y 4,5 kj m -2 en invierno. Para la integral UVB y la dosis de ADN el promedio de las dosis diarias en verano están en torno a 92 kj m -2 y 0,12 kj m -2 respectivamente. UV-B W m -2 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Enero Febrero nm (max/min=7) (negro) nm (max/min=5) (gris) Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Fig. 1. Valores máximos diarios de UV-B en días despejados (promedios mensuales ). 59

4 µw cm -2 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Enero Febrero Marzo Abril Mayo max/min = 19 Fig. 2. Valores máximos diarios de tasas de dosis de Setlow (daño de ADN) en días despejados (promedios mensuales ). Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Si se comparan los periodos Febrero-Noviembre, Marzo-Octubre y Abril-Septiembre, las tasas de dosis de UV-B son mayores en los meses de otoño que en los de primavera (Fig. 3), señalando que en esta ubicación geográfica, la incidencia del ozono está determinado por su ciclo anual natural mas que por la potencial disminución en primavera debido a la presencia del agujero. 12 E (303.3) µw/cm²nm Mayo-Julio Abril Marzo Agosto Febrero Septiembre Enero Octubre Diciembre Noviembre UVA µw/cm² Fig. 3. Relación entre valores máximos diarios para 303 nm y UV-A (dias despejados ) 60

5 Los resultados de las investigaciones biológicas indicaron que las macroalgas intermareales están expuestas a niveles naturales de irradiancia solar que causan fotoinhibición de fotosíntesis en verano. El ciclo diario de rendimiento cuántico óptimo de fluorescencia (F v /F m ) como un indicador de la eficiencia fotosintética mostró en verano una fotoinhibición del % (en varias especies) alrededor del mediodía relativo a valores medidos en la mañana. Sin embargo, durante la tarde las algas experimentaron una recuperación indicando con ello que se trata de una fotoinhibición dinámica. Además una exposición de corto plazo (2.5 horas) realizada en terreno utilizando distintos filtros, mostró una fotoinhibición de fotosíntesis <25%, y una recuperación total en la tarde. En general, la fotoinhibición fue mayor en presencia de radiación UV. De acuerdo a las medidas de rendimiento cuántico efectivo in situ, las especies del supra litoral mostraron una mayor disminución alrededor del mediodía (>30%) que las especies que habitan sitios más profundos (<20%) (Gómez et al. 2003). Experimentos en laboratorio demostraron que niveles de radiación UV-B equivalentes a mediodía en verano, causan disminución de fotosíntesis en algunas especies mientras que otras son más tolerantes (Fig. 4). En general los resultados destacan la importancia de la fotoinhibición como un mecanismo regulatorio. Una posible explicación para la alta tolerancia de las algas es la acumulación de componentes fotoprotectores. Efectivamente se ha observado que algas rojas de la zona intermareal correspondiente a esta ubicación geográfica contienen altas concentraciones de aminoácidos tipo micosporinas (MAAs), en especial el alga roja Porphyra columbina (Huovinen et al. 2003). III. Conclusiones Considerando espectros de acción de interés biológico, el riesgo puede ser hasta casi 30 veces mayor en verano que en invierno. El ciclo natural de ozono determina un riesgo de exposición a UV-B levemente mayor en otoño que en primavera. Sin embargo, se debe considerar una probable mayor susceptibilidad de las algas en primavera, por ejemplo, debido a la presencia de fases reproductivas. Los niveles de irradianza cerca del mediodía en verano en el sur de Chile producen estrés a las macroalgas intermareales. Sin embargo, hay que destacar la importancia de la fotoinhibición como un mecanismo regulatorio. Acumulación de componentes fotoprotectores como MAAs puede explicar adicionalmente la tolerancia a altas dosis de UV encontrada en estas especies. 61

6 F v /F m 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Macrocystis PAR PAR+UVA PAR+UVA+UVB Horas F v /F m 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Gelidium Horas PAR PAR+UVA PAR+UVA+UVB Fig. 4. Fotoinhibición de fotosíntesis en dos especies de macroalgas en el laboratorio. 62

7 Agradecimientos. Este trabajo ha sido financiado por la Academia de Finlandia Proyecto (P. Huovinen), DID S , IAI CRN026 (Ch. Lovengreen) y DID-UACH (I. Gómez). Se agradece el mantenimiento del espectrorradiómetro y la asistencia en el manejo de los datos realizado por Maximiliano Valdebenito. Referencias Lovengreen, Ch., H. Fuenzalida, L. Villanueva, Ultraviolet solar radiation at Valdivia, Chile (39.8ºS). Atm. Environm. 34, Huovinen, P., I. Gómez, F.L. Figueroa, N. Ulloa, V. Morales, Ch. Lovengreen, UV-absorbing mycosporine-like amino acids in red macroalgae from Chile (manuscrito aceptado en Bot. Mar.). Gómez, I. F.L. Figueroa, N. Ulloa, V. Morales, Ch. Lovengreen, P. Huovinen, S. Hess, Patterns of photosynthetic performance in intertidal macroalgae from southern Chile in relation to solar radiation (manuscrito aceptado en Mar. Ecol. Progr. Ser.). 63