El canvi climàtic està reduint la precipitació i canviant-ne els patrons temporals en algunes regions com la conca mediterrània, cosa que s’intensificarà en les pròximes dècades. En els últims anys, hi hagut un augment en els casos de declivi forestal atribuït a la sequera. Aquests declivis comporten defoliació de capçada i mortalitat i acostumen a ser provocats per un sol episodi. Tanmateix, també s’han relacionat canvis a gran escala en la composició i l’estructura dels boscos amb l’augment progressiu de la sequera. La sensibilitat a la sequera pot variar entre espècies d’un mateix ecosistema, així que un augment de la sequera podria produir canvis en la composició específica i modificar l’estructura dels ecosistemes. Per tant, una major comprensió de les estratègies de l’ús de l’aigua de les diferents espècies d’un ecosistema podria ajudar a dilucidar quins són els trets clau en la resposta a la sequera. En aquest sentit, els experiments de sequera són una eina útil. Aquests experiments, però, són de curta durada, mentre que les espècies llenyoses són organismes de llarga vida. Els canvis en les comunitats que s’observen a curt termini poden no ser representatius del que pot passar a llarg termini. Els experiments a llarg termini ofereixen la oportunitat d’entendre millor la dinàmica dels boscos enfront de l’augment de la sequera. En aquesta tesi, he investigat els efectes de la sequera experimental a llarg termini i de la sequera natural en alzinars (Quercus ilex). He estudiat com la sequera afecta el moviment d’aigua des de sota terra fins a l’atmosfera a nivell individual en espècies amb diferent sensibilitat a la sequera. A nivell de bosc, he avaluat si l’efecte de la sequera experimental sobre les taxes de creixement i mortalitat canvia amb el temps. També he realitzat una síntesis quantitativa sobre l’ús de l’aigua freàtica per part de les plants estimat amb isòtops estables. He confirmat que les taxes de creixement i mortalitat de P. latifolia no es veuen afectades per la sequera experimental mentre que Q. ilex presenta una major mortalitat, i tan Q. ilex com A. unedo creixen menys a les parcel·les de sequera. Tanmateix, també s’ha vist com l’efecte de la sequera experimental es va esmorteint amb el temps. La major mortalitat de peus en les parcel·les de sequera sembla reduir la competència pels recursos hídrics, esmorteint l’efecte del tractament. L’experiment també ha produït canvis en les fonts d’aigua de les plantes, cosa que podria contribuir a esmorteir l’efecte de la sequera experimental. Addicionalment, també he realitzat una revisió bibliogràfica sobre la seqüència de respostes a la sequera dels alzinars. L’alzina té diversos mecanismes i trets que li permeten sobreviure i recuperar-se de les sequeres, però sembla que sequeres extremadament llargues produeixen la pèrdua del fullatge o inclús la mortalitat d’individus sencers. Aquesta espècie té la capacitat de rebrotar després d’aquests episodis i s’aclimata a condicions més seques, però no és car si sequeres més recurrents poden afectar la seva resiliència. Finalment, informo sobre la ubiqüitat de l’ús d’aigües freàtiques o profundes per part de les plantes. Aquest és una font d’aigua crucial, més enllà de la posició topogràfica, el clima, o el tipus de planta. Tot i això, les plantes en ecosistemes riparis i de climes àrids en fan servir una proporció més alta que les plantes d’altres climes o posicions topogràfiques. En resum, els arbres, i els boscos que conformen, tenen diversos mecanismes que permeten que amb el temps, es puguin aclimatar a condicions més seques. Tanmateix, no és gens clar que aquesta aclimatació pugui contrarestar els efectes negatius de l’augment de la freqüència, intensitat i durada de les sequeres. / The anthropogenic climate change is producing a reduction of the precipitation and a change in its regime in regions such as the Mediterranean Basin, which will be intensified during the next decades. Warmer temperatures are amplifying the effects of droughts by enhancing soil evaporation and increasing the atmospheric evaporative demand. In recent years, there has been an increase in reports of forest declines related to drought. They involved widespread crown defoliation and mortality and were usually related to a single extreme drought episode. However, other large-scale changes in forest structure and composition have been linked to the progressive reduction of water availability. Co-occurring woody species may show contrasting drought sensitivity, so increasing drought may produce shifts in species composition and deep modifications of ecosystems’ structure and function. Therefore, understanding species-specific water-use strategies may help elucidate which physiological and/or morphological traits play a key role in determining the effects of droughts on forests. In this sense, drought experiments are a useful tool, but they are usually of short duration while woody species are long-lived organisms. Changes in plant communities occurred on the short-term may not be representative of the future performance of individuals and communities. For this reason, long-term experiments can provide better insights on the dynamics of forests. In this thesis, I examined the effect of long-term (13 years) experimental and natural droughts on holm oak (Quercus ilex) forests. I studied how drought affects the movement of water from belowground to the atmosphere at the individual level in co-occurring species with different drought sensitivity. At the stand-level, I evaluated whether the effect of experimental drought on growth and mortality rates changes over time and after extreme drought events. I also performed a quantitative synthesis on the use of groundwater by plants as estimated with stable water isotopes. The results of this thesis confirm that co-occurring species present contrasting water-use strategies; the tree Quercus ilex may be out-competed by the tall shrub Phillyrea latifolia in the driest sites since the latter transpires larger amounts of water during dry periods. Indeed, the growth and mortality rates of P. latifolia were not affected by experimental drought while Q. ilex showed higher mortality rates and both Q. ilex and A. unedo showed lower growth rates. However, I report that the effect of the experimental drought is reduced over time. Relatively higher mortality of stems in the drought plots reduce competition between stems and offsets the effect of treatment. The experiment also produced changes in the plant water sources that contribute to dampen the effect of the drought treatment. I also reviewed the sequence of drought responses of holm oak forests at different time and organizational scales. Q. ilex is a species with mechanisms and traits that allow it to survive and recover from droughts, but extremely long droughts produce on it extensive crown damage. It can still resprout vigorously after such episodes and can acclimate to persistent drier conditions, but it is unclear whether more recurrent extreme droughts can affect its resilience. Finally, I report the widespread occurrence of groundwater uptake by plants. Groundwater is critical regardless of the landscape position, climate and plant anatomy, although plants in riparian ecosystems and dry climates use relatively more groundwater. Summing up, tree individuals and forests have mechanisms and processes related to water use that help them acclimate to drier conditions over time. Nonetheless, it has to be elucidated to which extent this acclimation can offset the negative effects of increasing drought.

Exposure to contaminants, such as Persistent Organic Pollutants (POPs), is currently considered a serious anthropogenic threat to marine predators and their food webs. Exposure to contaminants by marine wildlife is mainly related to their trophic ecology, distribution and movements. However, the contribution of these biological features to pollutant levels remains poorly understood in most marine predators, including seabirds. New methodologies, including dietary and geographic tracers, such as stable isotope analyses, and a wide array of devices to track movement at different spatial and temporal scales, can provide new light into this issue. Although stable isotope signatures in marine wildlife provide valuable information about their trophic ecology, isotopic baseline levels also show geographical differences. Therefore, to understand isotopic differences among separate wildlife populations we first need to evaluate the influence of spatial variability in stable isotope signatures. In the present dissertation, some ecological factors, mainly feeding ecology, breeding locality and movements, and their influence shaping the isotopic signatures and the contaminant burdens, were examined in most Procellariiformes breeding in the Northeast Atlantic Ocean and the Mediterranean Sea. In particular, the isotopic signatures of Carbon and Nitrogen (δ13C and δ15N) as well as burdens of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and organochlorinated compounds (OCs), e.g., polychlorinated biphenyls (PCBs) and pesticides such as DDT, in seabirds were determined. In this study, firstly, we evaluate the relative influence of geographic origin, movements and trophic ecology in shaping stable isotope signatures and contaminant burdens in pelagic seabirds. Then, we show the spatial patterns in the isotopic signatures, OCs and PAHs that emerge among Mediterranean and northeast Atlantic seabirds and evaluate pollutant sources and the influence of long-range transport mechanisms on these basins. Secondly, we provide evidences that show no marked differences in the trophic ecology of the studied seabird species throughout their breeding distributions, but clearly differ among species, pointing out the marked relationship of seabird trophic ecology with their PCB, DDT and PAH burdens. Overall, this study underlines the usefulness of combining environmental chemistry methodologies with new approaches in the study of animal ecology, showing the value of pelagic seabirds in marine contamination monitoring / La exposición a sustancias químicas altamente tóxicas como los contaminantes orgánicos persistentes (COP), representa una seria amenaza para los depredadores marinos y sus redes tróficas. Dicha exposición depende en gran medida de la ecología, distribución y áreas de alimentación de la fauna marina. Sin embargo, la contribución relativa de estas características biológicas para explicar los niveles de contaminación que se encuentran en los organismos es aún desconocida para la mayoría de los depredadores, incluyendo las aves marinas. Metodologías novedosas como el análisis de isótopos estables y los sistemas de geolocalización proporcionan información esencial para poder entender la influencia de los distintos factores que determinan la exposición a los contaminantes marinos. En la presente tesis se evalúa la influencia de factores ecológicos clave, principalmente posición trófica, áreas de forrajeo, distribución y movimientos, sobre las relaciones isotópicas de carbono y nitrógeno (δ13C y δ15N) y los niveles de contaminación encontrados en la mayor parte de las especies de Procellariiformes que crían en el Atlántico Nordeste y en el mar Mediterráneo. En particular, se determinaron los niveles de hidrocarburos policíclicos aromáticos (HAP), bifenilos policlorados (PCB) y pesticidas organoclorados como el DDT. En este trabajo, en primer lugar, se evalúa la influencia relativa de la distribución y la ecología trófica de las aves marinas sobre las firmas de isótopos estables y las cargas de contaminantes encontradas. A continuación se exponen los patrones geográficos encontrados para δ13C y δ15N y los contaminantes estudiados en el NE Atlántico y el Mediterráneo. En segundo lugar, se expone la marcada relación encontrada entre la ecología trófica, incluyendo posición trófica y áreas de forrajeo, de las aves estudiadas y los niveles de contaminación que presentan. En conjunto, esta tesis pone de manifiesto la utilidad de combinar los avances y metodologías propios de la química ambiental con las nuevas metodologías utilizadas para el estudio de la ecología de la fauna salvaje, así como el gran valor de las aves marinas pelágicas como centinelas del estado de contaminación que sufren nuestros océanos.

Las alteraciones mitocondriales están vinculadas a la mayor vulnerabilidad de padecer enfermedades durante el envejecimiento. La edad avanzada es un factor determinante de la incidencia y gravedad de la cardiopatía isquémica. Estudios preclínicos sugieren la existencia de un daño celular intrínseco, por mecanismos no del todo establecidos, que contribuye a un incremento de la susceptibilidad del miocardio senescente al daño isquémico. Esta tesis investiga el papel de la comunicación mitocondria-retículo sarcoplásmico (RS) en el deterioro funcional de los cardiomiocitos durante el envejecimiento. El estudio ecocardiográfico ha demostrado que la función cardiaca en el reposo se mantiene preservada en los animales viejos. No se han observado cambios debidos a la edad en el potencial de membrana mitocondrial ni en el consumo de oxígeno en condiciones de reposo en mitocondrias aisladas de corazones de ratón. El consumo de oxígeno inducido por ADP ha revelado que las mitocondrias interfibrilares de corazones viejos no alcanzan el nivel respiratorio máximo. Análisis proteómicos de segunda generación han demostrado un aumento de la oxidación de proteínas mitocondriales relacionado con el envejecimiento. Esta tesis ha investigado el posible efecto de la edad sobre la capacidad de las mitocondrias para captar calcio. En cardiomiocitos la captación mitocondrial del calcio procedente del RS se ha visto reducida de forma significativa en el envejecimiento. Esta disminución de la captación de calcio mitocondrial se asoció a una reducida capacidad de regeneración de NAD(P)H y a un incremento de la producción de ROS mitocondriales en cardiomiocitos viejos. Ensayos de inmunofluorescencia y de ligación por proximidad han revelado una comunicación defectuosa entre la mitocondria y el RS en cardiomiocitos de corazones senescentes. La desestructuración de las uniones entre el RS y la mitocondria con colchicina fue capaz de reproducir el efecto de la edad sobre las alteraciones en el manejo/transferencia de calcio entre ambos orgánulos en cardiomiocitos jóvenes. La segunda parte de este trabajo investiga el impacto potencial de las alteraciones mitocondriales sobre los efectos adversos del envejecimiento en el daño por isquemia y reperfusión (IR). Los corazones aislados y perfundidos de ratones viejos sometidos a IR desarrollaron mayor rotura sarcolemal y tamaño de infarto, junto con un retraso significativo del desarrollo del rigor isquémico. Los cardiomiocitos viejos sometidos a isquemia, desarrollaron una caída más rápida del potencial de membrana mitocondrial (ΔΨm) junto con un retraso paradójico en la aparición del rigor. La tasa de recuperación transitoria del ΔΨm durante los primeros minutos de isquemia, debida a la actividad reversa de la FoF1-ATPsintasa, se encontró significativamente disminuida en cardiomiocitos viejos. El análisis proteómico ha demostrado un aumento de la oxidación de diferentes subunidades de la FoF1-ATPsintasa asociado al envejecimiento. La alteración del ΔΨm observado en los cardiomiocitos viejos se asoció a una menor captación de calcio mitocondrial durante la IR. A pesar de esto, el desarrollo de permeabilidad transitoria (mPT) fue mayor en los cardiomiocitos senescentes y este efecto se correlacionó con una mayor hipercontractura y muerte celular en reperfusión. Por lo tanto, el desarrollo de una comunicación defectuosa entre el RS y la mitocondria durante el envejecimiento produce un intercambio ineficiente de calcio entre ambos orgánulos, que contribuye al desajuste en la demanda/aporte de energía y a un aumento consiguiente del estrés oxidativo. La oxidación de la FoF1-ATPsintasa se asocia a una alteración de su funcionamiento y a un incremento de la sensibilidad de la mitocondria para desarrollar mPT. Debido al modelo recientemente propuesto según el cual la FoF1-ATPsintasa forma parte del mPTP, es posible especular que la oxidación de esta enzima está asociada al aumento del daño por IR en el miocardio senescente. / Mitochondrial alterations are critically involved in the increased vulnerability to disease during aging. On the other hand, aging is a major determinant of the incidence and severity of ischemic heart disease. Preclinical information suggests the existence of intrinsic cellular alterations that contribute to ischemic susceptibility in senescent myocardium, by mechanisms not well established. The first part of this thesis investigates the contribution of mitochondria-sarcoplasmic reticulum (SR) communication in the functional decline of cardiomyocyte during aging. Echochardiographic analysis of aging mice (>20 months) showed a rather preserved cardiac contractile function in resting conditions respect to young mice (5-6 months). ATP/phosphocreatine were preserved in hearts from old mice as quantified by RMN spectroscopy. In isolated mitochondria from young and old mouse hearts, mitochondrial membrane potential and resting O2 consumption were similar in both groups. However, stimulation of O2 consumption after the addition of ADP resulted in a partial failure of interfibrillar mitochondria from aged hearts to achieve maximal respiratory rate. Second generation proteomics disclosed an increase of mitochondrial protein oxidation in advanced age. Because both energy production and oxidative status are regulated by mitochondrial calcium, this work further investigated the effect of age on mitochondrial calcium uptake. While no age-dependent differences were found in calcium uptake kinetics in isolated mitochondria, in which the contribution of other organelles and sarcolemma is absent, mitochondrial calcium uptake secondary to SR calcium release was significantly reduced in cardiomyocytes from old hearts. Reduced mitochondrial calcium uptake in aging cardiomyocytes was associated with decreased NAD(P)H regeneration and a concomitant increase of mitochondrial ROS production manifested only when cells were exposed to high frequency electrical stimulation. Immunofluorescence and proximity ligation assay identified defective communication between mitochondria and SR in cardiomyocytes from aged hearts. Functional analysis of calcium handling in fluo-4 loaded cardiomyocytes disclosed an altered pattern of RyR gating properties. The observed defects in SR calcium transfer and in calcium handling could be reproduced in young cardiomyocytes after interorganelle disruption with colchicine, at concentrations that had no significant effect in aged cardiomyocytes or isolated mitochondria. The second part of this work investigates the potential impact of the altered mitochondrial function in the adverse effect of aging on myocardial ischemia and reperfusion (IR) injury. Isolated perfused hearts from old mice submitted to transient IR displayed an increase in hypercontracture, sarcolemmal rupture and infarct size, as compared to hearts from young mice, despite a paradoxical delay ischemic rigor contracture onset. In isolated cardiomyocytes from aging hearts submitted to IR there was a faster decline of mitochondrial membrane potential (ΔΨm) in comparison with young ones, but ischemic rigor shortening was also delayed. Transient recovery of ΔΨm observed during ischemia, secondary to the reversal of mitochondrial FoF1-ATPsynthase to ATPase mode, was markedly reduced in aging cardiomyocytes. Proteomic analysis demonstrated an increased oxidation of different subunits of FoF1-ATPsynthase. Altered bionergetics in aging cells was associated with reduced mitochondrial calcium uptake and more severe cytosolic calcium overload during both ischemia and reperfusion. Despite attenuated mitochondrial calcium overload, the occurrence of mitochondrial permeability transition pore (mPTP) opening, hypercontracture and cell death were increased during reperfusion in cardiomyocytes from old mice. In vitro studies demonstrated a significantly reduced calcium retention capacity in interfibrillar mitochondria from aging hearts. Thus, defective SR-mitochondria communication underlies inefficient interorganelle calcium exchange that contributes to energy demand/supply mismatch and oxidative stress in the aged heart. This may spread on an altered FoF1-ATPsynthase and increased sensitivity of mitochondria to undergo mPTP opening as important determinants of the reduced tolerance to ischemia-reperfusion in senescent myocardium. Because ATPsynthase has been proposed to conform mPTP, it is tempting to hypothesize that oxidation of ATPsynthase underlie both phenomena.

Les vaques de llet sofreixen pèrdues de calci (Ca) quan comença la lactació i poden veure’s afectades per la hipocalcèmia clínica (sèrum Ca < 6mg/dL) o subclínica (Ca < 8.5mg/dL). Donat que la incidència clínica és del 5%, el problema més rellevant es troba en els casos subclínics (SCHC) perquè tenen una prevalença més elevada. Aquests casos no poden ser tractats degut a la falta d’eines de diagnosi. Per tal d’estudiar l’impacte, les conseqüències i la regulació de SCHC, i per desenvolupar estratègies de diagnòstic i de prevenció, es van dur a terme quatre estudis. Al primer estudi, es va avaluar l’associació de SCHC amb vàries malalties del peripart. El 75% de les vaques tenien SCHC. El desplaçament d’abomàs, la ketosi, la retenció de placenta i la metritis van ser més propenses a trobar-se en vaques amb SCHC. Les vaques afectades tenien una producció de llet més elevada. El zel apareix abans en vaques normocalcèmiques. A més, la gravetat de les diferents malalties està relacionada amb la intensitat de la SCHC. Per entendre els mecanismes involucrats, un segon estudi es va dur a terme per clarificar els papers de la calcitonina a l’inici de la malaltia i a la prevenció de la hipocalcèmia sota acidosi metabòlica. Una pujada de calcitonina en vaques amb SCHC greu després de parir perjudica la recuperació del Ca sanguini perquè la resposta del receptor de la PTH (PTHR) no és suficient com per activar la vitamina D i compensar l’efecte de la calcitonina. L’acidosi metabòlica prevé la hipocalcèmia perquè l’expressió de PTHR s’incrementa al ronyó. A més, l’activitat de la calcitonina es veu perjudicada a pHs baixos i això incrementa el rol hipercalcèmic de la PTH. Basat en aquest fet, al tercer estudi es va intentar una estratègia per prevenir la hipocalcèmia basada en immunització passiva contra calcitonina. Anticossos policlonals van neutralitzar la calcitonina in vitro i a un model de rata, augmentant la concentració de Ca en sang. Un mètode assequible per produir en massa va ser derivat d’una naïve phage library de ScFv. El ScFv B10 va reconèixer i neutralitzar la calcitonina in vitro, però no va afectar els nivells de Ca en sang quan es va administrar en vedells o vaques. Més estudis seran necessaris per entendre les dificultats de l’estratègia proposada. Un sistema de diagnòstic seria molt útil per identificar i tractar vaques hipocalcèmiques. En el quart i últim estudi, es va desenvolupar un sistema analític semiautomàtic i portable basat en transistors de camp ió-selectius amb membranes fotocurables selectives per ions de Ca2+. Aquest sensor determina concentracions de Ca en sang de boví de forma ràpida i fiable i pot ser aplicat en mesures en vaques al camp. / Dairy cows suffer blood calcium (Ca) losses as lactation begins and might be affected by hypocalcemia in its clinical (serum Ca < 6mg/dL) or subclinical state (serum Ca < 8.5mg/dL). Since clinical incidence is only about 5%, the most relevant problem concerns subclinical cases (SCHC) because of a higher prevalence. These cases cannot be treated due to the lack of diagnostic tools. In order to study the impact, consequences and regulation of SCHC and to develop preventive and diagnostic strategies, four studies were conducted. In the first study, the association of SCHC with several periparturient diseases was evaluated. Seventy five percent of cows incurred SCHC. Displaced abomasum, ketosis, retained placenta, and metritis were more likely to happen in cows with SCHC. Affected cows had a greater milk production. Normocalcemic cows showed their first heat sooner. Also, the severity of SCHC is related to the severity of the different periparturient diseases. In order to understand the exact mechanisms involved, a second study was performed to clarify the potential roles of calcitonin in the onset of SCHC and in the prevention of hypocalcemia under metabolic acidosis. A calcitonin rise in severe SHCH cows after calving impairs the recovery of blood Ca because PTH receptor (PTHR) response is not sufficient to activate vitamin D and compensate the calcitonin effect. Metabolic acidosis prevents hypocalcemia because the expression of PTHR is up-regulated in kidney. Moreover, an impairment of calcitonin activity at low pH enhances the hypercalcemic role of PTH. Based on this calcitonin role, in the third study an approach to prevent hypocalcemia through passive immunization against calcitonin was tested. Polyclonal antibodies neutralized calcitonin in vitro and in a rat model, raising the blood Ca concentration. An affordable method of mass-production was designed from a naïve ScFv phage library. The ScFv B10 recognized and neutralized calcitonin in vitro, but it did not affect blood Ca levels when administered to cattle requiring further research to understand the main difficulties of the proposed strategy. A diagnostic system would be very useful to identify and treat hypocalcemic cows. In the fourth and last study we developed a portable semiautomatic analytical system based on ion-selective field effect transistors with Ca2+ ion selective photocurable membranes. This sensor determines bovine serum calcium concentration in a reliable and fast way and can be applied in the field in cow-side measurements.

L’objectiu general d’aquesta tesi és aprofundir en el coneixement de les regles de construcció de comunitats vegetals de les maresmes costaneres mediterrànies, prenent com a cas d’estudi les maresmes del delta del Llobregat. Concretament, al llarg de quatre capítols intentem determinar quins són els gradients ambientals que condicionen la distribució de les espècies i les comunitats vegetals, i com aquests afecten la distribució dels trets funcionals de les plantes i les relacions interespecífiques. Per fer-ho hem instal·lat 45 punts de mostreig sobre les tres comunitats de maresma dominants al delta del Llobregat (canyissars, jonqueres i salicornars). Aquests punts de mostreig s’han repartit en quatre localitats diferents, que pretenen recollir tot el ventall de situacions on viuen aquestes comunitats. A cada punt de mostreig hem realitzat un inventari fitosociològic, hem mostrejat periòdicament paràmetres de l’aigua freàtica (conductivitat i alçada) i del sòl (concentració de sals). Per cada planta trobada en el conjunt dels inventaris hem obtingut un seguit de trets funcionals (àrea foliar específica, producció de llavors, etc...). A més, en 20 d’aquests punts de mostreig hem realitzat un experiment de competència interespecífica entre Juncus acutus i Phragmites australis. Les comunitats de maresma estudiades són pauciflores i altament monoespècifiques. Es tracta de comunitats dominades per cinc espècies; J. acutus, J. maritimus, Spartina versicolor, P. australis i Arthrocnemum fruticosum. La presència d’aquestes espècies bé determinada principalment per la capacitat de tolerar de forma eficaç els estressos biològics imposats per tres gradients ambientals; alçada de l’aigua freàtica, conductivitat de l’aigua freàtica i balanç iònic del sòl. Aquestes gradients determinen també la presència i abundància de certs trets funcionals de les plantes de maresma, concretament l’àrea foliar especifica i el pes de les llavors. Si més d’una espècie pot tolera unes condicions abiòtiques concretes, aquestes espècies coexisteixen temporalment i trobem interaccions interespecífiques. En la majoria d’aquests casos, s’imposen les relacions de tipus competitiu i aquella espècie que és capaç de créixer més i més ràpid acaba excloent combativament a les altres. En algunes situacions concretes, les espècies trobem fenòmens de facilitació o exclusió mútua i les espècies poden coexistir juntes llargs períodes de temps . Per bé que no ho hem estudiat directament, els resultats obtinguts en aquesta tesi ens fan pensar que en la majoria de casos la coexistència d’espècies és poc estable al llarg del temps. Factors com l’atzar, l’efecte fundador o la herbívora determinen, que una de les espècies acabi excloent a la resta. / The objective of this thesis is to improve the knowledge of plant community assembly rules in Mediterranean coastal marshes, taking as a case study of the Llobregat delta marshes. Specifically, over four chapters, we try to determine the environmental gradients that determine the distribution of species and plant communities, and how these affect the distribution of plant functional traits and the interspecific relationships. To do this we have installed 45 sampling points on the three dominant salt marsh communities in the Llobregat delta (reeds, rushes and shrubby chenopods formations). These sampling points were distributed in four different locations, which aim to collect the full range of situations in which these communities live. At each sampling point, we done a phytosociological relevé, we periodically measured groundwater parameters (conductivity and height) and soil (salt concentration). For each plant found in all the inventories we have obtained a series of functional traits (specific leaf area, seed production, etc...). In addition, 20 of these points we have performed a sampling of interspecific competition between Phragmites australis and Juncus acutus. Marsh communities studied show species paucity and are highly monospecific. These communities dominated by five species; J. acutus, J. maritimus, Spartina versicolor and P. australis Arthrocnemum fruticosum. The presence of these species either mainly determined by the ability to effectively tolerate the stresses imposed three biological environmental gradients; height of the water table, groundwater conductivity and soil ionic balance. These gradients determine the presence and abundance of certain plant functional traits of marsh plants, more exactly specific leaf area and seed weight. If more than one species can tolerate a set of abiotic conditions, these species coexist and they experience interspecific interactions. In most of these cases, these relationships are competitive, and the species that is able to grow faster excludes competitively the others. In some situations, the interspecific interactions are facilitative or lead to a mutual exclusion, therefore species can coexist together for long periods of time. Although we have not directly studied, the results obtained in this thesis suggest that in most cases the coexistence of species is not stable over time. Factors such as founder effect, herbivorous or stochasticity determine which one species excludes the other end. / El objetivo general de esta tesis es profundizar en el conocimiento de las reglas de construcción de comunidades vegetales de las marismas costeras mediterráneas, tomando como caso de estudio las marismas del delta del Llobregat. Concretamente, a lo largo cuatro capítulos, intentamos determinar cuáles son los gradientes ambientales que condicionan la distribución de las especies y las comunidades vegetales, y cómo estos afectan a la distribución de los rasgos funcionales de las plantas y las relaciones interespecíficas. Para ello hemos instalado 45 puntos de muestreo sobre las tres comunidades de marisma dominantes en el delta del Llobregat (carrizales, juncales y salicorniares). Estos puntos de muestreo se han repartido en cuatro localidades diferentes, que pretenden recoger todo el abanico de situaciones donde viven estas comunidades. En cada punto de muestreo hemos realizado un inventario fitosociológico, hemos muestreado periódicamente parámetros del agua freática (conductividad y profundidad) y del suelo (concentración de sales). Por cada planta encontrada en el conjunto de los inventarios hemos obtenido una serie de rasgos funcionales (área foliar específica, producción de semillas, etc...). Además, en 20 de estos puntos de muestreo hemos realizado un experimento de competencia interespecífica entre Juncus acutus y Phragmites australis. Las comunidades de marisma estudiadas son paucifloras y altamente monoespecíficas. Se trata de comunidades dominadas por cinco especies; J. acutus, J. maritimus, Spartina versicolor, P. australis y Arthrocnemum fruticosum. La presencia de estas especies bien determinada principalmente por la capacidad de tolerar de forma eficaz los estreses biológicos impuestos por tres gradientes ambientales; produndidad del agua freática, conductividad del agua freática y balance iónico del suelo. Estas gradientes determinan también la presencia y abundancia de ciertos rasgos funcionales de las plantas de marisma, concretamente el área foliar específica y el peso de las semillas. Si más de una especie puede tolera unas condiciones abióticas concretas, estas especies coexisten temporalmente y encontramos interacciones interespecíficas. En la mayoría de estos casos, se imponen las relaciones de tipo competitivo y aquella especie que es capaz de crecer más y más rápido termina excluyendo combativament a las otras. En algunas situaciones concretas, las especies encontramos fenómenos de facilitación o exclusión mutua y las especies pueden coexistir juntas largos períodos de tiempo. Aunque no lo hemos estudiado directamente, los resultados obtenidos en esta tesis nos hacen pensar que en la mayoría de casos la coexistencia de especies es poco estable a lo largo del tiempo. Factores como el azar, el efecto fundador o la herbívora determinan, que una de las especies termine excluyendo al resto.

La metamorfosi és un procés de canvi morfològic radical que succeeix en un període específic durant el desenvolupament postembrionari de diverses espècies animals, tals com amfibis o insectes. En el cas dels insectes, hi ha dos tipus principals de metamorfosi: de tipus hemimetàbol, on els individus fan una metamorfosi progressiva i les nimfes s’assemblen als adults, com succeeix en les xinxes, paneroles i saltamartins. En la metamorfosi holometàbola, en canvi, es dóna una transformació morfològica radical, de larva a pupa i de pupa a adult, com s’observa en papallones, escarabats i mosques. La metamorfosi holometàbola s’originà a partir d’ancestres hemimetàbols, i aquesta innovació va tenir molt d’èxit si considerem que més del 80% dels insectes actuals són espècies holometàboles. En tots dos tipus de metamorfosi la regulació és propiciada per l’acció de dues hormones, l’esteroide 20-hidroxiecdisona (20E), o hormona de la mud,a i el sesquiterpenoide hormona juvenil (HJ). Mentre que la 20E indueix les mudes, l’HJ reprimeix la metamorfosi. L’objectiu general d’aquesta tesi doctoral és ajudar a comprendre els mecanismes moleculars pels quals l’HJ reprimeix la metamorfosi, utilitzant com a model la panerola Blattella germanica, un insecte amb metamorfosi hemimetàbola poc modificada, i emmarcar aquests resultats en un context evolutiu. Així, hem estudiat el paper del receptor de l’HJ, el factor de transcripció Methoprene-tolerant (Met). Els estudis suprimint l’expressió d’aquest gen mitjançant RNA d’interferència (RNAi) en fases nimfals mostren que Met és necessari en la transducció del senyal hormonal, ja que la seva supressió provoca una metamorfosi precoç. El factor de transcripció Taiman (Tai) es postula com a millor candidat a actuar com a heterodímer de Met en la recepció de l’HJ, encara que cap experiment in vivo ha pogut demostrar aquesta funció degut a que la seva supressió en diversos models d’insectes resultà letal. A B. germanica Taiman s’expressa en quatre isoformes resultants de la combinació de dues insercions/delecions (indels) a la regió carboxi-terminal de la seqüència. La reducció de l'expressió de les isoformes que contenen la inserció-1 de Tai provoca una metamorfosi precoç. La presència d’aquesta inserció en isoformes de Tai d’altres espècies suggereix que el mecanisme de transducció de l’activitat antimetamòrfica de l’HJ mitjançant aquestes isoformes és un fenomen conservat en altres insectes. Un altre factor de transcripció que participa en la senyalització de l'HJ és Broad-Complex (BR-C). A les espècies holometàboles BR-C s’expressa al darrer estadi larvari i la seva expressió transitòria és essencial per una formació de la pupa. Els estudis a B. germanica revelen funcions ancestrals de BR-C relacionades amb divisió cel·lular i creixement de l’ala, alhora que aporten noves pistes que ajuden a entendre l’evolució de la metamorfosi dels insectes. Un altre element important que participa en la transducció del senyal de l’HJ en relació amb la metamorfosi és el factor de transcripció Krüppel-homolog 1 (Kr-h1). Hem mostrat que la reducció de nivells d'expressió de Kr-h1 a fases nimfals a B. germanica indueix una metamorfosi precoç. Aquests resultats, conjuntament amb els resultats previs obtinguts en espècies holometàboles, suggereixen que el paper repressor de Kr-h1 en la metamorfosi és una condició ancestral que s’ha conservat en espècies hemimetàboles i holometàboles. Els microRNAs (miRNAs) són una classe d’RNAs petits no codificants que regulen l’expressió de gens a nivell transcripcional mitjançant la regulació de l’mRNA. Per tal de desvetllar la funció dels miRNAs durant el desenvolupament de B. germanica, es van dur a terme experiments suprimint l’expressió de Dicer-1, enzim que participa en la biosíntesi dels miRNAs, i el resultat va ser una inhibició de la metamorfosi. Els resultats presentats en aquesta tesi suggereixen aquest fenotip és la conseqüència principal d’una davallada de l’expressió d’una sola família de miRNAs, miR-2. El conjunt d’experiments realitzats indiquen que miR-2 regula la davallada de l’expressió del transcrit de Kr- h1 a la darrera fase nimfal de B. germanica, la qual cosa propicia que la metamorfosi es desenvolupi correctament. / Metamorphosis is a process were a sudden and conspicuous morphological change occurs at a specific time point during the postembryonic development of several animal groups, like amphibians and insects. Insect metamorphosis proceeds in two modes: hemimetaboly, defined by a gradual change along the life cycle, as occurs in bugs, cockroaches and locusts, and holometaboly, characterized by an abrupt change from larvae to adult mediated by a pupal stage, has observed in butterflies, beetles and flies. Metamorphosis evolved from hemimetaboly to holometaboly and the latter innovation was most successful because more than 80% of present insects are holometabolan species. From an endocrine point of view, both hemimetabolan and holometabolan metamorphosis is regulated by two kinds of hormones: 20-hydroxyecdysone (20E), which induce molts, and juvenile hormone (JH), which inhibits metamorphic changes. Using the cockroach Blattella germanica as a basal hemimetabolous model, the general objective of this thesis is to study the molecular action of JH in repressing insect metamorphosis. One of the main players in hormonal signalling is Methoprene-tolerant (Met), which plays the role of JH receptor. Depletion of Met in young nymphal instars triggers precocious metamorphosis, suggesting that Met transduces the antimetamorphic signal of JH. Recent studies report that Met heterodimerizes with Taiman (Tai) forming the receptor complex of JH in metamorphosis repression. However, there is no data in vivo demonstrating a role of Tai in metamorphosis, because its depletion in a number of insect models resulted in 100% mortality. B. germanica possesses four Tai isoforms resulting from the combination of two indels in the C-terminal region of the sequence. RNAi depletion of insertion-1 isoforms results in a precocious adult development, demonstrating its involvement in metamorphosis. The insertion-1 of Tai is conserved in other insect species, which suggests that the mechanism of signal transduction of the antimetamorphic action of JH I conserved in other species. An important JH-dependent factor is BR-C, whose expression in holometabolan species is inhibited by JH in young larvae and enhanced in mature larvae to specify to pupal stage. The functional study of BR-C in cockroach reveal ancestral functions related to cell division and wing pad growth. Krüppel-homolog 1 (Kr-h1) is a transcription factor whose function as transductor of the antimetamorphic action of JH has been demonstrated in holometabolan species. RNAi experiments depleting Kr-h1 in young nymphal instars of B. germanica results in precocious metamorphosis, suggesting that their role as a JH transductor in metamorphosis is evolutionary conserved in hemimetabolan and holometabolan species. Finally, it has been reported that depletion of dicer-1, the enzyme that catalyzes the final step of miRNA biosynthesis, prevents metamorphosis in B. germanica. This thesis has addressed the question of how miRNAs act in metamorphosis and why their absence impairs it. The whole data of experiments reported here indicate that miR-2 scavenges Kr-h1 transcripts in the last nymphal instar of B. germanica, which contributes to the correct development of metamorphosis.

El cáncer de mama es el más frecuente en las mujeres de todo el mundo. Además de los factores genéticos, epigenéticos y hormonales, existen evidencias epidemiológicas y experimentales de que los factores nutricionales y ambientales tienen un papel en la etiología y el desarrollo de esta enfermedad. Los lípidos de la dieta se han relacionado directamente con el cáncer, fundamentalmente, el de mama. El grupo de investigación ha contribuido al mejor conocimiento de los efectos y de los mecanismos de acción de las dietas hiperlipídicas de aceite de maíz, rico en ácidos grasos poliinsaturados, PUFA n-6, y el aceite de oliva virgen extra, rico en ácidos grasos monoinsaturados, MUFA n-9, y diversos compuestos bioactivos, en el cáncer de mama experimental, obteniendo un efecto estimulador y potencialmente protector, respectivamente. Estas dietas actuaron fundamentalmente sobre la etapa de la promoción de la carcinogénesis. El objetivo de este trabajo ha sido investigar si estos lípidos podían intervenir, además, sobre la iniciación mediante la modulación de la metabolización y/o detoxificación de los agentes iniciadores carcinogénicos, tanto a nivel hepático como de la propia glándula mamaria. Los resultados proceden de dos series experimentales diferentes, desarrolladas en el modelo experimental de cáncer de mama inducido en la rata con el hidrocarburo aromático policíclico 7,12-dimetilbenz(a)antraceno (DMBA). En ambas se estudiaron las enzimas metabolizadoras de xenobióticos (XMEs) de la fase I: CYP1A1, CYP1A2 y CYP1B1, y de la fase II: GSTP1 y NQO1. En la primera serie se evaluó el efecto de los lípidos de la dieta sobre la expresión en hígado y glándula mamaria de las XMEs en edades clave del desarrollo (prepuberal, puberal y postpuberal/adulta). En la segunda, se estudiaron específicamente las horas inmediatamente posteriores a la administración del carcinógeno y se analizó el efecto de los lípidos de la dieta sobre el metabolismo hepático, la generación de compuestos reactivos y el daño genómico provocado en la glándula mamaria. Los resultados han mostrado que los lípidos de la dieta son capaces de modular la expresión de las XMEs en distintas etapas del desarrollo postnatal. Además, la dieta rica en PUFA n-6 incrementó la expresión de las enzimas de fase I, en edades previas a la administración del DMBA, y aumentó la actividad de los CYP1s en las horas inmediatamente posteriores (12 y 24 horas post inducción), al mismo tiempo que disminuyó la actividad enzimática de la fase II, principalmente de NQO1. El número de metabolitos reactivos generados en hígado y el daño genómico en la glándula en los animales alimentados con la dieta rica en aceite de maíz fue mayor que en los otros dos grupos. Por otro lado, la dieta rica en aceite de oliva virgen extra y la dieta control normolipídica presentaron una actividad de fase I y II mejor coordinada, presentando una menor producción de metabolitos reactivos y menor daño en el ADN en la glándula mamaria. La concordancia de estos resultados con los parámetros de la carcinogénesis en ambas series demostró el efecto de los lípidos sobre la iniciación de la carcinogénesis mamaria experimental, además de la ya descrita modulación durante las fases de promoción/progresión. Los resultados de este trabajo, junto con otros previos sobre los efectos de los lípidos durante la maduración sexual y la diferenciación de la glándula mamaria, sugieren que estos nutrientes, en función de la cantidad y del tipo, pueden modificar diferencialmente la susceptibilidad o resistencia de la glándula mamaria al desarrollo del cáncer y, por tanto, modular las ventanas de susceptibilidad frente a la exposición a carcinógenos ambientales. / Breast cancer is the most common malignancy among women all over the World. Besides the genetic, epigenetic and hormonal factors, there are epidemiologic and experimental evidences that nutritional and environmental factors have a role in the etiology and the development of this cancer. The dietary lipids are directly related with cancer, mainly breast cancer. The research group has contributed to the best understanding of the effects and the mechanisms of action of the high corn oil, rich in polyunsaturated fatty acid (PUFA) n-6, and the high extra virgin olive oil diets, rich in monounsaturated fatty acids (MUFA) n-9 and several bioactive compounds, in the experimental breast cancer, resulting in a stimulating and a potentially protective effect, respectively. These diets mostly acted on the carcinogenesis promotion stage. The aim of this work has been to research on the intervention of these lipids, furthermore, over the initiation through the modulation of the bioactivation and/or detoxification of the carcinogenic initiator agents, both in hepatic level and the mammary gland itself. Results proceed from two different experimental series, developed in the experimental breast cancer model induced in the rat with the polycyclic aromatic hydrocarbon 7,12-dimethylbenz(a)anthracene (DMBA). In both series the xenobiotic metabolizing enzymes (XMEs) were studied, CYP1A1, CYP1A2 and CYP1B1 from the phase I, and GSTP1 and NQO1 from the phase II. The first series analyzed the effect of the dietary lipids on the XMEs expression in the liver and the mammary gland in critical development ages (prepubertal, pubertal and postpubertal/adult). The second series studied specifically the hours immediately after the carcinogen administration and analyzed the effect of the dietary lipids on its hepatic metabolism, the generation of reactive compounds and the genomic damage in the mammary gland. Results showed that dietary lipids may modulate the XMEs expression in different stages of the postnatal development. Additionally, the diet rich in PUFA n-6 increased the expression of phase I enzymes, in ages previous to DMBA administration, and raised CYP1s activity in the hours immediately after induction (12 and 24 hours), while reducing the enzyme activity of phase II, mainly NQO1. The number of reactive metabolites generated in the liver and the genomic damage in the mammary gland of the animals fed the high corn oil diet was higher than in the other groups. On the other hand, the high extra virgin olive oil diet and the normolipidic control diet exhibit a better coordinated phase I and phase II activity, showing a lower production of reactive metabolites and smaller DNA damage in the mammary gland. Concordance between these results and the carcinogenesis parameters in both series showed the effect of lipids on the initiation of the experimental mammary carcinogenesis, besides the already described modulation during promotion/progression stages. Results of this work, along with previous others on the effects of lipids during sexual maturity and mammary gland differentiation suggest that these nutrients, depending on the amount and type, can differently modify the mammary gland susceptibility or resistance to cancer development, and therefore, modulate the windows of susceptibility over the exposure to environmental carcinogens.

Este trabajo se desarrolló en el marco del proyecto Europeo Mediterranean Sea Acidification in a changing climate (MedSeA) (http://medsea-project.eu) con el fin de estudiar los efectos de la limitación por fósforo (P) y el incremento en la presión parcial de dióxido de carbono (pCO2) sobre diferentes aspectos de la biología y ecología de los cocolitóforos. Esta tesis consta de una introducción al tema de estudio donde se presenta el problema de la acidificación oceánica y la limitación por nutrientes en el océano. Se introduce así mismo el organismo de estudio, los cocolitóforos. Los últimos apartados de la introducción contienen los objetivos (expuestos como preguntas de investigación) y una explicación del porqué se eligió el Mar Mediterráneo como zona de estudio. Los siguientes 4 capítulos (capítulos 2 al 5) conforman el “cuerpo del trabajo”. Esta tesis combina diferentes aproximaciones metodológicas, desde experimentos de cultivo y mesocosmos hasta observaciones de campo, para responder preguntas a diferentes escalas, de especies a comunidades. Los capítulos 2 y 3 se basan en experimentos de cultivo realizados con la especie Emiliania huxleyi, la más abundante de las especies de cocolitóforos actuales. Se investigaron los impactos de la limitación por P y la acidificación oceánica en cultivos monoclonales de E. huxleyi. En el Capítulo 2, los posibles impactos de la limitación por P se investigan en 6 cepas de la especie E. huxleyi, 4 de ellas aisladas en el Este del Mediterráneo (ultra-oligotrófico) y 2 en el oeste (oligotrófico a mesotrófico). El Capítulo 3 presenta los resultados de un segundo experimento diseñado para examinar los efectos de la acidificación oceánica en aguas pobres en P sobre una de las cepas de E. huxleyi usadas en el experimento previo. El Capítulo 4 presenta los resultados de dos experimentos de mesocosmos realizados en Córcega y Villefranche-sur-Mer (Francia). Estos se enfocan en cuantificar y entender los impactos de la acidificación oceánica en dos comunidades naturales de coccolitoforos, ambas habitando aguas pobres en P. Finalmente, el Capítulo 5 presenta los resultados del análisis de 81 muestras colectadas entre los 0 – 100 m de profundidad, en diferentes puntos del mar Mediterráneo, incluyendo un transepto de este a oeste (Meteor R.V. campaña M84-3, Abril 2011). Los datos adquiridos proveen una descripción de la distribución de los coccolitoforos durante primavera, lo cual se relacionó con una amplia serie de variables ambientales medidas in situ. Se concluye que la limitación por P amplifica la respuesta a la acidificación oceánica dado que disminuye la densidad celular máxima que los cocolitóforos pueden alcanzar. Juntos, los resultados referentes a la limitación por P (Capítulo 2) y los de otros estudios referentes a la acidificación oceánica (Meyer & Riebesell 2015) sugieren que E. huxleyi puede, en un futuro océano limitado por nutrientes y acidificado, contribuir muy poco a la exportación de carbono inorgánico relativa a la exportación total de materia. Esto favorecería la remineralización en lugar del secuestro a largo tiempo de carbono. Aunque limitación por P no induce malformaciones en los coccolitos de E. huxleyi (Capítulos 2 y 3), bajo una exposición prolongada a una elevada pCO2 y en ausencia de selección entre clones, la acidificación oceánica si causa malformación de los cocolitos irrespectivamente de la [P]. / This thesis was conducted in the framework of the European Mediterranean Sea Acidification in a changing climate (MedSeA) project (http://medsea-project.eu). It studies the effects of phosphorus limitation and increased partial pressure of carbon dioxide (pCO2) on different aspects of the biology and ecology of coccolithophores. This thesis starts with an introduction to the studied problem. This is the ocean acidification and phosphorus limitation in the oceans. The organisms under study, the coccolithophores, are also introduced. The last two parts of the introduction expose the objectives of the thesis (exposed as research questions) and an explanation of why the study is performed in the Mediterranean Sea. The following four chapters (chapters 2 to 5) compose the main part of the work. The thesis combines different approaches from culture to mesocosm experiments and field observations, aiming to solve questions at different scale from species to community level. Chapters 2 and 3 are focussing on culture experiments performed on the most abundant modern coccolithophore species, Emiliania huxleyi. The experiments investigate the impacts of phosphorus limitation and ocean acidification on monoclonal E. huxleyi cultures. In Chapter 2 the possible impacts of P limitation are investigated on 6 E. huxleyi clones, 4 of them isolated in the eastern Mediterranean (ultra-oligotrophic) and 2 in the western Mediterranean (oligotrophic to mesotrophic). Chapter 3 presents the results of a second culture experiment designed to test the combined effects of seawater acidification under P limitation in one of the E. huxleyi clones used in the previous experiment. Chapter 4 presents the work performed in two mesocosm experiments conducted off Corsica and Villefrance sur Mer (France). They focussed on the quantification and understating of the impacts of ocean acidification on two different coccolithophore communities inhabiting P poor waters. Finally, Chapter 5 elaborates on field data from 81 samples collected at depths from 0 – 100 m on an east to west transect in the Mediterranean Sea (Meteor Research Vessel, M84-3 cruise, April 2011). The acquired data are used to describe the spring-time coccolithophore distribution in the Mediterranean Sea, which was related to a broad set of in situ measured environmental variables. It is concluded that oligothrophy (i.e. P limitation) amplifies the response to ocean acidification in terms of maximum cell densities. That is, further decreases maximum cell densities. Results on P limitation (Chapter 2) and from other studies in ocean acidification (Meyer & Riebesell 2015) allowed to conclude that E. huxleyi might, in a future P-poor and acidified ocean, contribute relatively little inorganic carbon to exported matter, which would in turn favour remineralization over long term burial at depth. While P limitation does not induce coccolith malformations in E. huxleyi (Chapters 2 and 3), under a long time exposure to enhanced pCO2 and the absence of clone selection, ocean acidification does cause coccolith malformation irrespectively of the [P].

Tesi realitzada al Centre d'Estudis Avançats de Blanes (CEAB-CSIC) / The main objective of this PhD dissertation was to unveil the links between biogeochemistry and microbial diversity using metagenomics functional potential as a proxy to connect a mechanistic perspective with whole-system ecology. In order to explore the potential and limitations of metagenomics, two contrasted and widely studied lacustrine ecosystems with global ecological interest were selected. First, the Banyoles karstic system, a mirror to the past sulfurous and anoxic (euxinic) conditions where three lakes provide different euxinic situations where reduced compounds and sulfate were highly available: Lake Cisó, a small eutrophic lake with high carbon inputs, permanent anoxia and high euxinia; Lake Vilar, a meromictic mesotrophic lake; and Lake Banyoles basin CIII, a meromictic deep oligotrophic basin. And second, the ultraoligotrophic Lake Redon under three different limnological situations: the slush, an oxygenated environment with labile carbon from algal exudates; the epilimnion oxygenated layer with low availability of reduced compounds; and the hypolimnion, a dark layer under the influence of the mineralization microbial processes from the sediment. The previous knowledge on the biogeochemistry, ecology and functioning of these ecosystems, offered an excellent framework to connect the biodiversity and biogeochemical role by microbial metagenomics. The results showed higher bacterial novelty in the hypolimnia of euxinic lakes with Elusimicrobia and Chloroflexi harbouring the highest number of novel 16S rRNA gene sequences. The potential for dark carbon fixation in these lakes was tentatively assigned to Hydrogenophilales (Thiobacillus-like) and Gallionellales (Syderoxidans-like) via the Calvin cycle, Bacteroidales, Campylobacterales and Desulfarculales through the Arnon cycle, and Desulfobacterales via the reductive acetil-CoA cycle. If the findings from sulfurous lakes are equivalent to ancient oceans, Gallionellales may have played an important role in the biogeochemistry of the iron cycle, a low contribution of nitrification and archaea was probably accounting for the nitrogen cycle, Campylobacterales may have acted as the main players of denitrification, and Bacteroidales may have been main players for dissimilatory nitrate reduction to ammonium mainly in organic carbon-rich zones. The acquisition of laterally transferred genes offering new functional alternatives, was key in order to explain the ecological success of the recurrent green sulfur bacteria bloom in Lake Banyoles basin CIII. The drivers for such horizontal gene transfer were potentially phages. In the slush of the high-mountain Lake Redon, the community composition shift from winter to spring was characterized by a decrease in bacterial diversity, dominance of Bacteroidetes and consistent increases in bacterial abundance and production. The potential for nitrification in Lake Redon was mainly found in the slush and hypolimnion by ammonia-oxidizing bacteria. Lower abundances of nitrification genes were found in the epilimnion. Planktonic microbial communities of Lake Redon showed a higher genomic potential for assimilatory pathways (nitrite, phosphate and sulfate) than those from the Banyoles area. Overall, our analyses provide a new view on the well-known biogeochemical functioning of karstic and alpine lakes. Even with the limitations of metagenomics and annotation, we used the previous knowledge on the ecology of the lakes to prove that metagenomics is a very accurate way to unveil the links between functional potential and microbial biodiversity of any given ecosystem. We identified bacterial populations as potential key stone species of biogeochemical processes and provided new hypothesis to be further tested both through experimental approaches and detailed quantification of matter and energy fluxes. / L'objectiu principal d'aquesta tesi és explorar els vincles entre la biogeoquímica i la diversitat microbiana, mitjançant la metagenòmica com a eina per determinar el potencial funcional de les comunitats i connectar la perspectiva mecanicista amb l’holística en l'estudi dels ecosistemes. Per tal d'explorar el potencial i les limitacions de la metagenòmica, es van seleccionar dos ecosistemes lacustres contrastats i àmpliament estudiats amb interès ecològic global. En primer lloc, el sistema càrstic de Banyoles, un equivalent de les condicions sulfuroses i anòxiques (euxíniques) en l'inici de la vida a la Terra, seleccionant tres llacs que proporcionen diferents situacions limnològiques amb alta disponibilitat de compostos reduïts i sulfat: el Llac Cisó , un petit llac eutròfic amb importants entrades de carboni orgànic, anòxia permanent i alta euxinia; el Llac Vilar, un llac mesotròfic i meromíctic; i la cubeta CIII del llac Banyoles, una cubeta profunda, oligotròfica i meromíctica. I en segon lloc, l’ultraoligotròfic Llac Redon en tres situacions limnològiques diferents: les capes de granissat (slush), un ambient oxigenat amb carboni làbil procedent d’exsudats d'algues; la massa d'aigua oxigenada de l’epilímnion amb baixa disponibilitat de compostos reduïts; i l'hipolímnion, una massa d'aigua en foscor sota la influència de processos microbians de mineralització que es donen en el sediment. El coneixement previ de la biogeoquímica, ecologia i funcionament d'aquests ecosistemes, ha ofert un excel·lent marc per a establir els vincles entre biodiversitat microbiana i funció biogeoquímica mitjançant una aproximació metagenòmica. En conjunt, aquesta tesi proporciona una nova visió sobre el funcionament biogeoquímic de llacs càrstics i alpins. Tot i les limitacions intrínseques a la metagenòmica i al procés d'anotació gènica, hem utilitzat els coneixements previs sobre l'ecologia dels llacs per demostrar que la metagenòmica és una eina molt precisa per donar a conèixer els vincles entre el potencial funcional i la biodiversitat microbiana de qualsevol ecosistema. S'han identificat les poblacions bacterianes potencialment responsables dels processos biogeoquímics i es proporcionen noves hipòtesis que hauran de ser comprovades mitjançant enfocaments experimentals i de quantificació dels fluxos de matèria i energia implicats.

En esta tesis se ha llevado a cabo el monitoreo de diferentes escarpes rocosos, que ha permitido la caracterización y la predicción de los desprendimientos de rocas. Esta caracterización y predicción han sido realizadas a partir de la comparación de nubes de puntos LiDAR obtenidos mediante un instrumento del tipo terrestre (ILRIS- 3D, Optech). La principal ventaja del uso de este tipo de instrumentos es la posibilidad de adquirir datos relativamente precisos (+/- 1 cm) a una distancia considerable (+/- 400 m) sin tener que alterar el comportamiento natural de la pared rocosa y sin que exista ningún riesgo por la instalación de instrumentos en el propio escarpe. En primer lugar se eligió un área de estudio piloto en la cual no existiera riesgo por caídas de rocas y poder de esta manera observar la evolución natural de las zonas inestables de la pared rocosa. Este hecho permitió el desarrollo de metodologías para la caracterización y predicción de los desprendimientos de rocas a partir de los datos LiDAR. La zona elegida fue el área de estudio piloto de Puigcercós, que consiste en el escarpe de coronación de un antiguo deslizamiento ocurrido en el año 1881. Dicho enclave ya estaba siendo monitoreado por el grupo RISKNAT desde el año 2007, y esta tesis supone la continuación del monitoreo y de las investigaciones que se estaban llevando a cabo. Las diferentes metodologías desarrolladas y aplicadas satisfactoriamente en el área de estudio piloto, fueron aplicadas posteriormente en un área con un alto riesgo por desprendimientos de rocas tanto para edificios como para vehículos y personas, la Montaña de Montserrat. En concreto se eligieron dos enclaves críticos, las paredes que se sitúan justo detrás del recinto del Monasterio de Montserrat, cuyo monitoreo comenzó en el año 2011, y las paredes de Degotalls, situadas por encima del aparcamiento de dicho monasterio, y cuyo monitoreo comenzó en el año 2007. El análisis de los datos LiDAR del escarpe de Puigcercós después de 2506 días de monitoreo arroja importantes resultados en el ámbito de la caracterización e inventario de los desprendimientos de rocas, permitiendo la obtención de un listado muy detallado de los eventos ocurridos. Este detallado inventario supone un gran avance para los análisis de la relación M-F de los desprendimientos. Los datos LiDAR también han mostrado resultados relevantes en el ámbito de la predicción de los desprendimientos de rocas de mayor magnitud. En este caso la detección y posterior análisis de la evolución de las deformaciones precursoras han sido claves para la predicción espacial y temporal de los eventos de mayor volumen. Por otra parte, se ha avanzado de manera importante en cuanto a la detección y seguimiento de los denominados desprendimientos precursores, que son otro tipo de indicador precursor de desprendimientos de gran magnitud y que necesitan ser investigados aún en mayor profundidad. En cuanto al monitoreo LiDAR de las mencionadas paredes de la Montaña de Montserrat, la aplicación de las metodologías desarrolladas en Puigcercós ha proporcionado resultados muy satisfactorios. El monitoreo ha permitido obtener un inventario de desprendimientos con un detalle sin precedentes en las paredes analizadas, y la continuación de esta investigación permitirá conocer con un mayor detalle el comportamiento geomorfológico de las paredes de conglomerados. Además, las metodologías aplicadas han permitido la detección de movimientos precursores en dos bloques inestables. El análisis de la evolución de estos desplazamientos en uno de los bloques ha demostrado que se encuentra en un estado crítico cercano al momento de la caída. En conclusión, todos los resultados obtenidos en esta tesis suponen un gran avance hacia la mejor caracterización de los desprendimientos de rocas, y hacia la posible implementación de un instrumento LiDAR Terrestre en un sistema de alerta temprana de desprendimientos. / In this thesis we have carried out the monitoring of different rock scarps that have allowed rockfall characterization and prediction. This characterization and prediction has been performed using the comparison of LiDAR point clouds obtained with a ground-based instrument (ILRIS-3D, Optech). The main advantage of this remote sensor is the possibility to acquire relatively accurate data (circa 1 cm) at a great distance (circa 400 m), without changing the natural behavior of the rock slope and without assuming any risk derived from the installation of instruments in the scarp. First, we chose a pilot study area without rockfall risk and which allowed us the observation of the natural evolution of instabilities. This lets the development of methodologies to characterize and predict rockfall events using the LiDAR datasets. The chosen place was the pilot study area of Puigcercos, which consists on the main scarp of an ancient landslide occurred in 1881. This rock face was already being monitored by the RISKNAT group since 2007, and this thesis involves the continuation of this monitoring and this research. The different methodologies developed and successfully applied in the pilot study area, were employed then in an area with a high rockfall risk for both buildings and vehicles and people, Montserrat Mountain. Specifically two critical sites were chosen, the cliffs located just behind Montserrat Monastery, whose monitoring started in 2011; and Degotalls rock face, located behind the parking of the Monastery, whose monitoring started in 2007. a very detailed rockfall list. This detailed inventory is a great improvement in the analysis of M-F relation of rockfalls. Also, the detection of pre-failure deformation and the analysis of its evolution have allowed a great improvement in the spatio-temporal prediction of high magnitude rockfalls. On the other hand, we have improved the detection and monitoring of precursory rockfalls, which is another kind of precursory indicator of high magnitude rockfalls that needs to be further investigated. Regarding the LiDAR monitoring of the Montserrat Mountain rock faces, the application of the processes developed in Puigcercós scarp has provided satisfactory results. This monitoring has allowed obtaining a rockfall inventory with an unprecedented level of detail. Therefore, the continuation of this research will allow improving our comprehension of the geomorphologic behavior of these conglomerate cliffs. Furthermore, the methodologies applied have allowed the detection of pre-failure deformation in two unstable blocks. The analysis of this pre-failure deformation in one of these instabilities has demonstrated its critical condition close to the rockfall. In conclusion, the results obtained in this thesis are a major contribution in rockfall characterization and prediction. These results also provide initial knowledges in order to implement a Terrestrial LiDAR instrument in an early warning system of rockfalls.