Aquesta tesi descriu el funcionament de la Glacera Johnsons a partir de les observacions al camp recollides durant cinc campanyes antàrtiques. La Glacera Johnsons és una glacera petita, temperada i amb clima sub-antàrtic marítim, la qual cosa la fa molt sensible al canvi climàtic. La glacera es troba en un estat de desequilibri negatiu i experimenta un aprimament consistent amb observacions més regionals.La confluència condicionada per la geometria de la cubeta, juntament amb el fenomen de calving que té lloc al front glacial, són responsables del règim de flux extensiu que domina la major part de la glacera. L'estructura interna que reflecteix la deformació de l'estratificació, visible gràcies a la presència de cendres interestratificades, ens porta a identificar dos sub-fluxes que conflueixen amb dinàmiques diferents, donant lloc a una estreta banda de deformació de cisalla a la zona de confluència i importants diferències transversals de l'edat del gel en superfície.

El desenvolupament de models acurats pels cicles biogeoquímics d'elements clau, especialment pel carboni,depèn del coneixement dels fluxos d'aquests elements a través dels límits de l'oceà. La quantificació delsfluxos entre l'oceà obert i els marges continentals dels mars marginals és crucial per al desenvolupamentd'aquests models.Les taxes d'acumulació de sediment als marges continentals són ordres de magnitud més altes que a l'oceà obert i, per tant, els sediments marginals poden contenir registres d'alta resolució dels processos desencadenats com a resposta de la variabilitat de les condicions ambientals. Els estudis de fluxos de partícules en els marges continentals són determinants per entendre les taxes de transferència de la matèriaparticular entre la columna d'aigua i els sediments de fons.La present tesis està centrada en la transferència i acumulació de la matèria particular en la Conca d'Alborán (Mar Mediterrània) i en l'evolució ambiental passada enregistrada pels sediments profunds de la Conca de Bransfield (Península Antàrtica). Els estudis dels fluxos de partícules a la Conca Occidental d'Alboran entre juliol de 1997 i maig de 1998 mostren que la transferència vertical de material en la part alta de la columna d'aigua està controlada per la focalització de material des de la vora de la conca cap al seu centre. L'advecció cap avall i cap al sud al llarg de les superfícies d'igual densitat del front associat al límit del Gir Occidental d'Alboran (Western Alboran Gyre, WAG) produeix una tendència d'augment dels fluxos de partícules cap a mar obert, fet que és inusual en la majoria dels marges continentals.L'evolució dels fluxos a profunditats intermèdies de la columna d'aigua és variable al llarg de l'any. Totes les sèries mostren una evolució general comú amb un primer pic a l'inici de l'estiu de 1997, un segon pic ample compost durant la darrera part de la tardor i l'hivern i un tercer pic a la primavera de 1998. La descàrrega fluvial pot ser responsable dels fluxos litogènics més alts durant el pic de tardor/hivern, mentre que l'elevadaproducció primària a la perifèria del WAG promou la generació de partícules biogèniques al llarg de l'any i especialment durant la primavera i l'estiu.Els resultats de l'experiment dels Fluxos d'Alta Freqüència (High Frequency Flux, HFF), realitzat durant la primavera de 1998, mostren que, a més de l'elevada producció a la vora del gir, l'advecció de masses d'aigua riques en fitoplàncton, l'agregació de partícules i la predació per zooplàncton són mecanismes necessaris perintensificar l'exportació des de les aigües superficials del WAG. El mateix experiment mostra que la desagregació, la disminució en la mida de les partícules i l'advecció física pel flux pausat de les aigüesintermèdies i profundes cap a l'oest provoca probablement el decreixement substancial en la transferència de partícules a profunditats mesopelàgiques.L'evolució temporal dels fluxos prop del fons està controlada per la transferència cap avall de matèria particular des d'aigües intermèdies i l'aportació advectiva per capes nefeloides de material majoritàriament litogènic i carbonàtic. Durant els períodes d'exportació intensificada des de les aigües superficials hi ha tambéuna important transferència, talús avall i prop del fons, de material ric en fracció biogènica acumulat prèviament en el fons de les àrees més somes. Les dades dels correntímetres mostren com els polsos del flux d'aigua profunda cap a l'oest influencien l'activitat nefeloide al fons.Ambdós, la degradació de la matèria orgànica i l'advecció durant la sedimentació a través de profunditats mesopelàgiques, i la redistribució prop del fons talús avall, constitueixen mecanismes pel qual el carboni pot ésser extret efectivament des de les aigües superficials i reconduït cap a masses d'aigua i sediments profunds.El darrer procés mostra a més que els sediments profunds del Mar d'Alboran poden enregistrar acuradament els esdeveniments productius de les aigües superficials que afecten tota la conca.Els estudis geoquímics dels sediments superficials mostren que, a escales temporals de desenes a centenars d'anys, les taxes d'acumulació de sediment decreixen a mida que la profunditat augmenta, i que el relleu submarí profund juga un paper determinant en la distribució de sediment a la Conca d'Alboran. Lacomparació de les dades dels sediments profunds amb les dades de les trampes de sediment de la Conca Occidental d'Alboran mostra que l'aportació advectiva de partícules fins a 30 metres sobre el fons correspon al 50-70% del material acumulat en el fons. L'abundància i les taxes d'acumulació de matèria orgànica concorden amb la distribució espacial de la producció primària al Mar d'Alboran, que és més alta a l'oest. Lacomparació amb les dades de les trampes de sediment permet estimar que la degradació de la matèria orgànica és d'almenys el 30-40% de la que arriba al fons. La sílice biogènica produïda i exportada des de les aigües superficials no s'acumula de manera efectiva en el fons.L'anàlisi granulomètric i geoquímic dels sediments recuperats a la Conca de Bransfield mostra que s'han acumulat majoritàriament a través de processos hemipelàgics, i en menor proporció, per corrents de terbolesa.La comparació amb dades de trampes mostra que els processos hemipelàgics a la Conca de Bransfield estan dominats per l'advecció lateral prop del fons (70%)i la sedimentació vertical des de les aigües superficials(30%). Les fluctuacions en la contribució de partícules per aquests dos processos explicaria la formació de làmines amb diferents gruixos i abundàncies en constituents biogènics. La relació entre clima i la contribució d'aquests dos processos és utilitzada per a reconstruir les fluctuacions ambientals dels darrers 3000 anys, el que demostra que els sediments hemipelàgics de la Conca de Bransfield contenen un registre d'alta resolució de les fluctuacions climàtiques durant l'Holocè.

Esta memoria doctoral forma parte del proyecto financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación (CICYT, CTQ2010-21183-C02-01), el cual tiene entre sus objetivos la búsqueda de nuevas cepas con capacidad para producir emulsionantes naturales poliméricos. Existe un interés real en el aislamiento y caracterización estructural y funcional de nuevos exopolímeros (EPS) obtenidos a partir de microorganismos de ambientes extremos que pudieran ser utilizados con estos fines en diversas industrias. Para ello, se realizó en primer lugar el estudio de los EPS desde el punto de vista ultraestructural, de cepas antárticas adaptadas al frío, mediante técnicas de microscopía electrónica de transmisión (MET) después de procesar las muestras por criofijación a alta presión seguida de criosustitución (HPF-FS). Estas técnicas aportaron numerosos detalles sobre la ultraestructura de las distintas cepas y el material extracelular que producen, al lograr preservar el material biológico próximo a su estado natural. Se observó que este material polimérico extracelular es para la mayoría de las cepas complejo con la presencia de material capsular alrededor de las células y abundantes estructuras vesiculares dispersas en la matriz extracelular secretada por las bacterias. Es la primera vez que se describen y visualizan de manera tan clara y abundante las vesículas de membrana externa (VME) que producen bacterias no patógenas de ambientes naturales antárticos. De igual forma, es la primera vez que se reporta la presencia de estas estructuras en cepas de los géneros Marinobacter y Psychrobacter. Asimismo, se estudió el origen de las proteínas presentes en las VME mediante geles SDS-PAGE donde se mostraron los perfiles proteicos comparados con las proteínas de membrana externa. Esto evidenció el origen de estas VME formadas a partir de esta membrana, al presentar proteínas en la fracción de VME, que comigraron con proteínas que estaban presentes en la fracción de membrana externa, además en el perfil proteico de la membrana externa se detectaron proteínas adicionales que no estaban presentes en VME. Se estudió la influencia de la temperatura sobre la producción y morfología de VME producidas en la cepa S. livingstonensis NF22T Para esta bacteria psicrotolerante se demostró que la temperatura influye en la producción de VME. A bajas temperaturas la cantidad de VME que produce la cepa es mayor, su tamaño es menor y más regular y el perfil electroforético muestra la expresión diferencial de algunas proteínas, viéndose sobrexpresadas proteínas relacionadas con funciones de transporte a nivel de membrana. Se realizaron análisis proteómicos para identificar las proteínas presentes en las VME producidas a 4 y 16 ºC a partir de S. livingstonensis NF22T y S. vesiculosa M7T. Para ambas cepas se identificaron fundamentalmente proteínas de membrana externa y periplasmáticas con diferentes funciones fisiológicas, destacando por su abundancia las proteínas implicadas en el transporte y metabolismo de iones inorgánicos así como las relacionadas en la biogénesis de las envueltas celulares. El material extracelular (EPS) obtenido y purificado a partir de Shewanella vesiculosa M7T presentó mayor actividad emulsionante frente a aceites comestibles que los emulsionantes comercializados goma arábiga y xantano y su caracterización reveló que contiene abundantes VME y polímeros polisacarídicos, siendo sus componentes químicos mayoritarios azúcares neutros y aminados, lípidos de membrana y aminoácidos. / The present work is part of the research project (CICYT, CTQ2010-21183-C02-01), which has among its objectives the search for new strains capable to produce natural polymeric emulsifiers. There is a real interest in the isolation and structural and functional characterization of new exopolymers (EPS) derived from microorganisms of extreme environments that could be used for these purposes in various industries. Many Gram-negative, cold-adapted bacteria from the Antarctic environment produce large amounts of extracellular matter, which has potential biotechnology applications. We examined the ultrastructure of extracellular matter from Antarctic bacteria by transmission electronic microscopy after high pressure freezing and freeze substitution. All analyzed extracellular matter appeared as a netlike mesh composed of a capsular polymer around cells and large numbers of outer membrane vesicles (OMV), which have not been described for members of the genera Psychrobacter and Marinobacter so far. OMV showed the typical characteristics described for these structures, and seemed to be surrounded by the same capsular polymer as that found around cells. The analysis of OMV proteins from Antarctic strains by SDS-PAGE showed different banding profiles in OMV compared to the outer membrane, suggesting some kind of protein sorting during membrane vesicle formation. For the psychrotolerant bacterium, S. livingstonensis NF22T, the growth temperature seemed to influence the amount and morphology of OMV. In an initial attempt to elucidate the functions of OMV from S. livingstonensis NF22T and S. vesiculosa M7T we conducted a proteomic analysis on membrane vesicles obtained at 4 and 16°C. At both temperatures, OMV were highly enriched in outer membrane proteins and periplasmic proteins related to nutrient processing and transport in Gram-negative bacteria, suggesting that OMV could be related with nutrient sensing and bacterial survival. Differences were observed in the expression of some proteins depending on incubation temperature but further studies will be necessary to define their roles and implications in the survival of bacteria in the extreme Antarctic environment. The extracellular material (EPS) obtained and purified from Shewanella vesiculosa M7T had a higher emulsifying activity against edible oils than commercial emulsifiers like arabic and xanthan gums. Characterization of this EPS revealed that it contains abundant OMV and polysaccharides polymers, with neutral and amino sugars, membrane lipids and aminoacids as its major chemical components.

The inhabitants of marine benthos must combat the ecological pressure caused by predation, competition and fouling through a series of mechanisms, one of which is chemical defense. This type of protection is particularly extended among sessile and/or sluggish organisms, such as sponges, soft corals or ascidians. The strategies to prevent predation are related to bad taste rather than to toxicity. Moreover, they must be considered along with nutritional quality, since the more nutritious the prey, higher quantities or more potent repellents are needed to gain protection. The production of defensive secondary metabolites is energetically expensive. For this reason, the Optimal Defense Theory (ODT) predicts that defenses must be allocated in the most valuable or more exposed structures or body-regions. In Antarctic communities, the main predators are asteroids, and defensive agents are hence expected to accumulate in superficial layers of potential prey. But dense populations of amphipods, which associate opportunistically with biosubtrata, obtaining both refuge and direct or indirect sources of nutrition, are also very influencing on these bottoms. It has been reported that chemical defenses are very common in Antarctic organisms, in accordance with our results. However, the research effort has not been the same for all the groups, and there are still many aspects to learn on the chemical ecology, like the identification of the implicated products, their mode of functioning or their localization and origin. This PhD has focused on three relevant groups of the Antarctic benthos, quite understudied: hexactinellid sponges, soft corals and colonial ascidians. Two influencing sympatric predators were selected, the sea star Odontaster validus, which is a known model predator, and for the first time, the amphipod Cheirimedon femoratus, used to perform feeding experiments for the detection of repellent chemical defenses. We designed a new protocol which provided numerous methodological profits, as well as a remarkable discriminatory potential for unpalatable activities. In a survey with 31 species of Antarctic organisms, a larger incidence of unpalatable activities was recorded towards C. femoratus than against the asteroid, especially in algae and sponges, in which amphipods may particularly influence defenses distribution for representing potential host-preys. Some organisms instead, seemed to exploit alternative defensive strategies. The ecological success of the three studied groups is probably related to the presence of chemical defenses. In hexactinellid sponges these are weak, yet compensated with a low energetic content, and derive from primary metabolites, such as steroid derivates. Some glucosphingolipids instead, could have a chemotaxonomical value as chemical markers in rossellid sponges. In soft corals, chemical protection is obtained from products originating from both, primary (wax esters) and secondary metabolism (sesquiterpenoids), which seem to cooperate in an additive way, and are likely exuded within the coral mucus in living specimens. The use of primary metabolites for defense represents an effective energy saving strategy. In colonial ascidians, defensive secondary metabolites of terpenoid and alkaloid nature with potent bioactivities predominate, and in some species these are accumulated in internal tissues. Presumably, this distribution is related to the production of chemically defended lavae. Some bioactive secondary metabolites isolated from various sources, like the meridianins, may suggest a broad evolutionary retention, or a symbiotic origin. Regarding bacterial antifouling, ascidians exhibited poor activity, while some soft corals did display inhibition. With this work we provide the identification, localization, and possible origin of several defensive agents in three relevant groups of Antarctic benthic invertebrates. / Los habitantes del bentos antártico combaten la depredación, la competencia y el recubrimiento desarrollando mecanismos como la defensa química. Ésta estrategia está particularmente extendida entre organismos sésiles y organismos de cuerpo blando. Las defensas repelentes contra depredadores han de considerarse junto con la calidad nutricional, pues las dietas muy energéticas enmascaran la repelencia. La producción de metabolitos secundarios defensivos es costosa. Por ello, la Teoría de Defensa Optimizada (ODT) prevé que han de localizarse en las regiones corporales más valiosas o expuestas. En las comunidades antárticas los principales depredadores son las estrellas de mar y se postula la concentración de defensas en áreas superficiales en las presas. Pero también influyen las poblaciones de anfípodos asociados a los biosustratos, obteniendo en ellos refugio y fuente de alimentación. Esta tesis se centra en las defensas químicas de tres grupos relevantes del bentos antártico relativamente poco estudiados: esponjas hexactinélidas, corales blandos y ascidias coloniales. Se seleccionaron dos depredadores simpátricos, la estrella Odontaster validus y, por primera vez, fue utilizado el anfípodo Cheirimedon femoratus. Diseñamos un nuevo protocolo con numerosas ventajas metodológicas además de un gran potencial discriminatorio, y observamos que en 31 especies hubo mayor repelencia hacia el anfípodo que hacia la estrella, sobretodo en algas y esponjas, que podrían representar potenciales huéspedes-presa. A partir de aquí estudiamos muestras de los tres grupos seleccionados. En hexactinélidas, las defensas químicas son más débiles y derivadas del metabolismo primario, pero compensadas con un bajo valor nutricional. Algunos glucoesfingolípidos, podrían tener valor quimiotaxonómico como marcadores de la familia Rossellidae. En corales blandos existen metabolitos de defensa primarios y secundarios operando sinérgicamente, y probablemente forman parte del mucus superficial. En ascidias coloniales, los metabolitos defensivos son secundarios y muy potentes; además, en algunas especies éstos tienden a acumularse en tejidos internos, presumiblemente para producir larvas protegidas químicamente. Las ascidias mostraron poca actividad antibacteriana, pero algunos corales exhibieron respuestas inhibitorias. Esta Tesis proporciona la estructura, distribución y posible origen de los metabolitos responsables de las actividades defensivas en tres grupos relevantes de invertebrados antárticos.