Els organismes vius estan composats d'elements químics, principalment C, H, O, N, P i S. L'estudi d'aquests elements essencials és una eina molt útil que permet moure'ns entre diferents nivells d'organització biològica, estudiant relacions entre elements (estequiometria), així com estimant fluxos i balanços de massa entre i des d'orgànuls i cèl·lules fins a conques senceres o tota la biosfera. L'objectiu d'aquesta tesi consisteix en establir les relacions entre aquests elements tant a l'interior com a l'exterior de les cèl·lules del fitoplàncton de la Mar Catalana (Mar Mediterrània Occidental).S'han reunit dades oceanogràfiques de 28 campanyes realitzades a la Mar Catalana entre 1982 i 2003, fent un total de 1361 estacions. Amb aquestes dades s'ha fet un control de qualitat per cada una de les variables (nutrients inorgànics, oxigen dissolt i clorofil·la a). La diferència més important en les metodologies d'anàlisi de nutrients al llarg dels anys és la congelació de mostres. En primer lloc es descriuen els rangs de concentració de nutrients, oxigen dissolt i clorofil·la a a la Mar Catalana obtinguts en aplicar els controls de qualitat. Amb l'excepció del fosfat i l'oxigen dissolt, s'han definir rangs específics per l'hivern, degut a que les concentracions son excepcionalment altes en superfície com a conseqüència de la barreja amb aigües profundes. S'ha calculat la concentració mitjana en les diferents masses d'aigua i s'ha estudiat l'estequiometria entre els nutrients i l'oxigen utilitzat per a la remineralització. A 500 m, on pràcticament tota la matèria orgànica s'ha remineralitzat, l'estequiometria és (-O2) : C : N : P : Si = 190 : 127 : 23 : 1 : 21.S'han trobat diferències significatives al comparar els perfils mitjans de concentració obtinguts després d'aplicar els controls de qualitat, entre les estacions de la plataforma continental (menys de 200 m de fons) i les estacions de mar obert (més de 200 m de fons): fosfat, nitrat + nitrit, silicat i oxigen dissolt són menors a la plataforma, mentre que la clorofil·la a i el nitrit són superiors. També s'han trobat variacions estacionals a la capa superficial (0 - 100 m) i a la capa intermèdia (200 - 600 m). Analitzada la tendència al llarg dels anys (1982 - 2003) s'ha trobat un increment de la concentració de silicat, nitrat + nitrit i nitrit a l'aigua superficial, un increment de nitrat + nitrit, silicat, densitat, oxigen dissolt i disminució de l'AOU a l'aigua intermèdia i un increment de fosfat i nitrat + nitrit a la capa profunda. Per estudiar l'estequiometria dels organismes s'ha modificat la metodologia per microanàlisi de raigs - X en microscopi electrònic de rastreig (SEM - EDS), i s'ha creat un nou suport per a SEM. A mes s'ha portat a terme una intercalibració entre dos microscopis (SEM i STEM - EDS) trobant que els resultats dels anàlisis elementals quantitatius i qualitatius de C i N són comparables. Aplicant aquesta metodologia s'han quantificat els principals elements que constitueixen cèl·lules individuals de fitoplàncton de la Mar Catalana. Els resultats indiquen que les dinoflagel·lades contenen més C, P, S, Na, Cl i K que les diatomees per unitat de volum, mentre que les concentracions de N, O i Mg són equivalents. Com a conseqüència, l'estequiometria C:N:P també és diferent (162:21:1 en dinoflagel·lades i 129:38:1 en diatomees).Finalment al comparar l'estequiometria entre els nutrients a l'aigua i la dels organismes, s'observa que l'estacionalitat en la concentració de nutrients inorgànics, oxigen dissolt i AOU a la capa intermèdia es correspon amb la successió en la composició química i en espècies del fitoplàncton de la capa superficial, i d'acord amb la definició de la relació de Redfield es constata que l'estequiometria dels organismes és igual a la de les capes profundes de la Mar Catalana.Aquesta tesi és el primer treball que defineix rangs de concentració de nutrients inorgànics, oxigen dissolt i clorofil·la a a la Mar Catalana, utilitzant més de 100000 dades. També s'han descrit per primer cop variacions estacionals en la concentració de nutrients en capes intermèdies a la Mar Mediterrània, i tendències al llarg dels anys en la concentració de silicat i nitrit en capes superficials i d'oxigen dissolt en capes intermèdies. També és el primer treball en què s'analitza la composició elemental en cèl·lules individuals del fitoplàncton marí, provinents directament del mar, i se'n calcula l'estequiometria C:N:Si:P:S per cada organisme.Per concloure, els resultats de la tesi permeten assentar una base sòlida i esbossar la trajectòria de l'impacte del canvi global en el cicle biogeoquímic de la Mar Catalana, així com identificar alguns processos rellevants d'aquest canvi. / Living organisms are composed by chemical elements, mainly C, H, O, N, P and S. The study of these essential elements is a powerful tool for comparing different levels of biological organization. For example, it is possible to compare elemental ratios (stoichiometry) or assess fluxes and mass balances within and between organelles, cells, whole ocean basins, or even the biosphere. The aim of this thesis is to establish the ratios between these chemical elements both within and outside phytoplankton cells from the Catalan Sea part of theNW Mediterranean Sea.Oceanographic data from 28 cruises performed in the Catalan Sea between 1982 and 2003, amounting to 1361 stations, have been gathered. The Quality of each of the key variables (inorganic nutrients, dissolved oxygen and chlorophyll a) was assessed and outlyers were examined for veracity. The most important difference in the analytical nutrient methodology was the occasional use of frozen samples.Firstly, the ranges of nutrient concentrations, dissolved oxygen and chlorophyll a for the Catalan Sea, are described. Except for the phosphate and the dissolved oxygen, specific winter ranges for the other variables have to be defined, since the winter surface concentrations are particularly high due to deep water mixing. The mean concentration for the different water masses, and also the stoichiometry between nutrients and oxygen utilization (AOU) have been calculated. At 500 m, where supposedly all the organic matter has been completely remineralized, the stoichiometry is: -O2:C:N:P:Si=190:127:23:1:21.When comparing the average profiles of concentrations, obtained after the application of the quality controls, significant differences have been found between the continental shelf stations (less than 200 m of depth) and those of open sea (more than 200m): phosphate, nitrate + nitrite, silicate, and dissolved oxygen are lower in the shelf, whereas chlorophyll a and nitrite are higher. There are also seasonal variations in the surface layer (0-100 m), and in the intermediate layer (200-600 m). The analysis of the temporal trend from 1982 to 2003, shows an increase in nitrate + nitrite, silicate, density and dissolved oxygen, and a decrease in AOU in the intermediate water, whereas in the deep layer there is an increase in phosphate and nitrate + nitrite.In order to study the stoichiometry of the organisms, STEM-EDS X-ray microanalysis methodology has been adapted to a scanning electronic microscope (SEM - EDS) and a new holder for SEM has been designed. In addition an inter-calibration between the two microscopes (SEM and STEM-EDS) has been performed, showing comparable quantitative and qualitative results for C and N.Using this methodology the main chemical constituents of individual phytoplanktonic cells of the Catalan Sea have been quantified. Results suggest that dinoflagellates contain more C, P, S, Na, Cl, and K per volume than diatoms, whereas concentrations of N, O and Mg are similar. As a consequence, the stoichiometry of C:N:P is also different (162:21:1 in dinoflagellates, and 129:38:1 in diatoms). Finally, when comparing the stoichiometry between the nutrients in the water and that of the organisms, it is evident that the seasonality in the concentration of inorganic nutrients, dissolved oxygen and AOU in the intermediate water is consistent with the succession of the surface layer phytoplankton species and their chemical composition. As the Redfield ratio definition predicts, the stoichiometry of organisms in the surface layers matches that of the deep waters of the Catalan Sea.This thesis is the first study that defines ranges of inorganic nutrient concentration, dissolved oxygen and chlorophyll a in the Catalan Sea. The study is based on more than 100000 data points. Also for the first time, seasonal variations in nutrient concentrations in the intermediate waters of the western Mediterranean Sea have been described. Temporal trends in the concentrations of silicate and nitrite in surface waters, and of dissolved oxygen in intermediate layers are observed. This is also the first study in which the elemental composition of individual marine phytoplankton cells, sampled directly from the sea, has been analysed, and the first study in which the stoichiometry C:N:Si:P:S has been calculated at the organism level.In conclusion, the results of this thesis solidly establishes the boundary conditions for nutrients in the Catalan Sea; it identifies the incipient impact of global change on the biogeochemical cycles in the Catalan Sea; and develops hypotheses explaining the oceanographic processes behinds these impacts.

La producció primària del fitoplàncton marí transforma CO2 i nutrients de l'aigua de mar en matèria orgànica. Encara que la majoria del carboni contingut a la matèria orgànica és reciclat prop de la superfície dels oceans, una part s'enfonsa cap a aigües profundes i és convertit altre cop en CO2 per l'acció dels bacteris marins, i només un 0,1% arriba als fons oceànics i és emmagatzemat als sediments, restant aïllat de l'intercanvi actiu amb l'atmosfera. L'eficiència d'aquest procés, anomenat bomba biològica oceànica, no depèn només de l'absorció de CO2 atmosfèric, sinó dels processos que afecten al flux de material que acompanya al carboni en el seu viatge al llarg de la columna d'aigua. Aquest flux també transporta cap als sediments profunds altres indicadors de processos biogeoquímics que tenen lloc a les aigües superficials, indicadors que poden ser d'especial importància per a reconstruir les condicions ambientals i llurs possibles causes de variació en el passat.El primer gran experiment de fluxos de partícules a la mar d'Alborán ha aportat informació molt rellevant sobre l'origen i els processos de transferència de material particulat, així com sobre l'eficiència de la bomba biològica en aquesta àrea situada a cavall entre la mar Mediterrània i l'oceà Atlàntic. L'anàlisi combinat de les dades de fluxos de partícules obtingudes en cinc estacions durant gairebé un any (de juliol de 1997 a maig de 1998), juntament amb dades de corrents, hidrologia, meteorologia i imatges de satèl·lit (clorofil·la i temperatura de l'aigua superficial) del sud de la península Ibèrica, ha permès determinar els tres principals processos que controlen l'arribada de material particulat al fons marí.· L'entrada de grans quantitats de carboni orgànic i òpal al fons és controlada per la circulació de les masses d'aigua superficials (girs d'Alborán i Front d'Almeria-Orà), la qual determina el desenvolupament de comunitats fitoplanctòniques riques en diatomees i la sedimentació massiva d'agregats orgànics. La influència d'aquestes estructures hidrològiques provoca que l'eficiència de la bomba biològica a la zona sigui la més elevada de les enregistrades a la mar Mediterrània, amb valors del 0,5-0,9% del carboni produït per fotosíntesi a les aigües superficials transferit verticalment i emmagatzemat als sediments profunds a més de 2000 metres.· El material terrígen és introduït principalment per la descàrrega dels rius situats al sud de la península Ibèrica. La transferència quasi directa del material fí aportat per aquests rius cap al fons de la mar d'Alborán oriental a través de canyons submarins, i la circulació superficial de les masses d'aigua en direcció sud-est, nodreixen d'abundant material litogènic tota la zona. L'efecte llast, proporcionat per aquestes partícules litogèniques i per partícules de carbonat de calci en períodes d'elevada productivitat, impedeix el procés natural de formació de bari biogènic en els agregats de matèria orgànica, element utilitzat tradicionalment com a indicador de processos biològics tant en temps recents com passats.· La batimetria irregular de la mar d'Alborán afavoreix l'existència de processos laterals de transferència de material i la presència de capes nefeloides intermèdies i de fons, riques en material litogènic i carbonat resuspesos per acció dels corrents. En moments d'elevada productivitat aquestes aportacions laterals són també riques en carboni orgànic, constituint una de les fonts més importants de carboni cap als sediments profunds. L'existència d'aportacions laterals de bari biogènic a la zona més propera al marge continental ibèric i la diferència notable entre els valors enregistrats en zones de marge continental i en ambients d'oceà obert qüestiona l'ús del bari biogènic com a indicador directe de productivitat primària a les aigües superficials. / Primary production of marine phytoplankton transforms CO2 and nutrients from seawater into organic matter. Although most of it is recycled near the surface, a fraction sinks into the deeper waters and is converted back into CO2 by marine bacteria, and only about 0.1% reaches the seafloor and is buried in the sediments. The efficiency of this process, known as the oceanic biological pump, does not depend only on the uptake of atmospheric CO2 but on the processes controlling the flux of material accompanying carbon during its descent through the water column. This flux also transports other biogeochemical indicators of surface processes to the deep-sea sediments, which are determinant to reconstruct environmental conditions and its possible causes of variation in the past.The first large particle flux experiment in the Alboran Sea has provided important information about the origin and transfer processes of particulate material and the efficiency of the biological pump in this key area between the Mediterranean Sea and the Atlantic Ocean. The combined analysis of particle fluxes obtained from five stations over almost one year (from July 1997 to May 1998), together with current, hydrology and meteorology data and satellite images (chlorophyll and sea surface temperature) from the southern Iberian Peninsula reveals that three main processes control the arrival of particulate material to the deep-sea sediments.· The arrival of particulate organic carbon and opal to the sea floor is controlled by sea surface circulation (Alboran gyres and Almeria-Oran Front) that allows the development of diatom-rich phytoplankton communities and the massive sedimentation of organic aggregates. The influence of these hydrological structures causes the efficiency values of the biological carbon pump to be amongst the highest recorded in the whole Mediterranean Sea, with 0.5-0.9% of the carbon fixed during photosynthesis transferred down to the sea floor and buried in the sediments at more than 2000 m of water depth.· The arrival of terrigenous sediments to the deep Alboran Sea is closely linked to fluvial discharge from the southern Iberian Peninsula rivers. The almost direct transfer of the material delivered to the continental shelf to the deep basin through submarine canyons and the southeastward dominating circulation feed the area with abundant lithogenic material. The ballast effect of the lithogenic and carbonate particles may limit decomposition of organic matter aggregates and biogenic barium formation, traditionally used as a proxy for both modern and past biological processes.· Irregularities in local bathymetry favour the existence of lateral transport processes and the formation of intermediate and deep nepheloid layers relatively rich in lithogenic and carbonate material resuspended by near-bottom currents. During high productivity events the advected material is also rich in organic carbon, representing the most important source of carbon to deep-sea sediments. Lateral transport of biogenic barium from the lower continental slope in the Western Alboran Sea to deeper areas, together with the clearly different relationship between biogenic barium and organic carbon in margin systems and open ocean systems, questions the use of biogenic barium as a productivity proxy.

El comportamiento fagotrófico en especies fitoplanctónicas fue evaluado por medio de técnicas de análisis celular que permiten establecer patrones individuales de cada una de ellas. Primeramente, se calibró el contenido vacuolar como tasas de ingestión comparando la captación de microesferas fluorescentes de látex y el contenido de las vacuolas alimenticias por medio de la hibridación fluorescente in situ (CARD-FISH) en especies fitoplanctónicas bajo condiciones controladas de cultivo. Se obtuvo que el contenido de las vacuolas alimenticias caracterizado por la técnica del CARD-FISH refleja las tasas de ingestión obtenidas por la captura de microesferas al menos a escalas de horas. Así mismo, las tasas de digestión fueron diferentes entres protistas mixotróficos dependiendo de su tamaño celular, los individuos pequeños (<10 μm) digieren a una mayor velocidad que aquellos individuos de mayor tamaño. Posteriormente, se evaluaron los cambios a corta escala de tiempo (horas) de la actividad fagotrófica y los comportamientos selectivos en tres especies fitoplanctónicas (Cryptomonas ovata, Rhodomonas minuta y Dinobryon cylindricum) de un lago de alta montaña. Los resultados muestran diferencias temporales entre las especies, indicando cambios en las tasas de ingestión y digestión a lo largo del dia. Así mismo, se observó una clara preferencia por la ingestión de presas del dominio Archaea, la cual no puede ser explicada ni por la abundancia ni por el tamaño de las presas en el sistema. Finalmente, se comparo la actividad fagotrófica y la selección de presas en comunidades fitoplanctónicas de un conjunto de lagos de alta montaña para identificar generalidades de los patrones de ingestión observados. El patrón selectivo más general entre los diferentes protistas mixotróficos y en los diferentes sistemas estudiados es una preferencia sobre el grupo Actinobacteria, aunque esta preferencia puede ser muy variable. El tamaño celular de las presas es un parámetro importante en determinar las tasas de depredación selectiva que exhiben los mixótrofos sobre ellas. Así mismo, el tamaño celular de los protistas mixotróficos condiciona su actividad fagotrófica. Individuos con tamaños celulares grandes (>10 μm) presentan mayor contenido de presas en sus vacuolas, pero, debido a por su baja abundancia, el impacto sobre el bacterioplancton es bajo. Especies con tamaño pequeños (<10 μm) presentan un menor contenido, pero su alta abundancia y digestión más rápida hace que representen un mayor impacto sobre las comunidades bacterianas. La conclusión global de la tesis es que, incluso en condiciones óptimas de luz, la actividad fagotrófica de algunos grupos fitoplanctónicos típicos de los lagos de alta montaña (Chrysophyta y Cryptophyta) es muy importante, se han observado particularidades en el comportamiento y en la selección de presas y se ha evidenciado que el tamaño celular, tanto de los depredadores como de las presas, es el parámetro determinante para explicar las tasas de ingestión. / The feeding behaviour of phytoplankton species was evaluated through single cell analysis. Firstly, food vacuole content was calibrated as ingestion rate, comparing the intake of fluorescent microspheres and the prey vacuole content measured by Catalized Reported Deposition-Fluorescent in Situ Hybridization (CARD-FISH) on phytoplankton species in culture conditions. It has been observed that the food vacuole content properly reflects the ingestion rates at scales of hours. Likewise, digestion rates varied between species as a function of cell size: small individuals (<10μm) digest faster than bigger ones. Secondly, temporal changes of phagotrophic activity and selective behaviour were assessed in three phytoplanktonic species (Cryptomonas ovata, Rhodomonas minuta and Dinobryon cylindricum) in a high mountain lake. The results have shown that there are temporal differences between species, which indicates that changes in ingestion and digestion rates occurred along the day. A clear preference to ingest Archaea was observed in all three species. This preference could be explained neither by the abundance nor the size of the prey. Finally, the feeding behaviour of phytoplankton communities in a set of mountain lakes was compared, in order to identify general phagotrophic patterns. The most general selective behaviour in mixotrophic protists was a preference for Actinobacteria prey; however, this preference was highly variable and clearly related to the prey cell size. In addition, the cell size of mixotrophic protists determined their phagotrophic activity; small individuals (>10 μm), presented lower content of preys than bigger individuals, although, due to their higher abundance and faster digestion rates, they exerted a high grazing pressure on the bacterial communities. The main conclusion of this work is that, even under optimum light conditions, the phagotrophic activity in some typical phytoplankton groups of high mountain lakes (Chrysophyta and Cryptophyta), is significant; nevertheless, some particularities have been observed in the feeding behaviour of some species. Also, it has become clear that the size of both predator and prey are the most important parameters to explain ingestion rates.

Procesos hidrodinámicos determinan, en un alto grado la calidad del agua en embalse, sin embargo dichos procesos han sido tradicionalmente olvidados en la gestión de embalse. En esta tesis se presentan evidencias de los principales procesos hidrodinámicos que ocurren en un embalse Mediterráneo a escala de cuenca a través de campañas experimentales y modelización numérica; y su influencia en la dinámica de poblaciones de fitoplancton. Dichos procesos son principalmente la generación de ondas internas o secas y la intrusión del río. La presencia de viento periódico genera secas forzadas, amplificando los modos cercanos al periodo del viento, de manera que modos verticales altos, considerados como raros en la naturaleza, tienden a dominar en el sistema. / Physical processes determine, to a large degree, the ecological response of a reservoir to inflows, outflows and meteorological forcing. This PhD thesis therefore aims to give an assessment of the main physical mechanisms governing Mediterranean reservoirs. The main basin-scale hydrodynamical processes are the generation of seiches and the gravity currents generated by the river inflow. The periodicity of the wind forcing makes that the reservoir responses as a forced harmonic damped oscillator being the natural modes of oscillation close to the forcing period preferably excited; including high vertical modes considered rare in the nature. The fate of the river inflow nutrients input generates horizontal heterogeneities in the community of phytoplankton.

Se ha estudiado la dinámica del fitoplancton en las lagunas costeras de Aiguamolls de l'Empordà. El fitoplancton esta sujeto principalmente al control "bottom-up", la variabilidad hidrológica y la disponibilidad de nutrientes tienen una mayor influencia en la composición y distribución de tamaños del fitoplancton, que el zooplancton. La concentración de materia orgánica disuelta es el factor ambiental más correlacionado con el crecimiento de la biomasa fitoplanctónica. Dada la proximidad entre las lagunas costeras y el mar, donde la ocurrencia de Proliferaciones de Algas Nocivas es cada vez más frecuente, se realizan un inventario general de las especies más abundantes del fitoplancton y se llevan a cabo análisis extensivos de la toxicidad. La mayoría de especies de dinoflagelados encontradas son potencialmente nocivas. Hay pocas especies en común entre el mar y las lagunas, sin embargo, existen especies productoras de PANs características de los ambientes lagunares. / The phytoplankton dynamics in the coastal lagoons of Empordà salt marshes was studied. The phytoplankton was mainly subject to the "bottom-up" control, the hydrologic variability and the nutrients availability have a greater influence in the composition and size distribution of the phytoplankton, than zooplankton. The concentration of dissolved organic matter was the environmental factor more correlated with the phytoplanktonic biomass growth. Due to the proximity between the coastal lagoons and the sea environment, where the occurrence of Harmful Algae Blooms is frequent, a general inventory of the most abundant species of the phytoplankton was made and an extensive monitoring of the toxicity was carried out. Most of dinoflagellates species found were potentially harmful. There were few species in common between the sea and the lagoons, nevertheless, some HABs species, characteristic of coastal lagoons, were found.

En esta tesis se ha demostrado que la radiación ultravioleta induce mortalidad en comunidades de fitoplancton de diferentes áreas del Océano Atlántico, del Mar Mediterráneo y del Océano Antártico. El fitoplancton más pequeño (pico-fitoplancton) muestra mayor sensibilidad a la radiación UV respecto al fitoplancton de mayor tamaño. Este estudio identifica que el crecimiento de las poblaciones del fitoplancton antártico está controlado por la radiación ultravioleta con inhibiciones de biomasas por encima del 80-90%. Se demuestra también que la transferencia de radicales OH, generados por la radiación ultravioleta, desde la atmósfera hacia la superficie del Océano causa mortalidad en comunidades de fitoplancton de aguas tropicales, templadas y antárticas. El trabajo presentado en esta tesis muestra la importancia de la radiación ultravioleta como factor que induce mortalidad en el fitoplancton, su influencia en el balance del crecimiento neto de estas poblaciones, así como las consecuencias que se derivan en la cadena trófica.