Funcionamiento de los Ecosistemas

En el CREAF estamos investigando cuál es la relación entre la composición química elemental de las especies, las comunidades y el suelo con las características más básicas del funcionamiento de los ecosistemas (los flujos de materia y energía, los ciclos de nutrientes o las estrategias de crecimiento) y su estructura (diversidad, características de la red trófica, entre otros). Por otra parte, utilizamos análisis metabólicos para estudiar cómo cambia el funcionamiento de los organismos y del medio (el suelo) bajo condiciones de cambios ambientales. Luego, podemos relacionar esta información con los cambios observados a otros niveles: cambios en el crecimiento, mortalidad, herbivoría, composición elemental y relaciones estequiométricas, entre otros.

Los estudios de ecotoxicología nos permiten averiguar la prevalencia en las redes tróficas de varios contaminantes y así poder evaluar su impacto a lo largo de los gradientes espaciales y temporales. Por último, con los estudios de metagenómica, investigamos la respuesta evolutiva de los organismos y de las poblaciones a los cambios ambientales a corto, medio y largo plazo. Esto nos permite añadir la dimensión temporal a nuestros estudios y hacerlos más innovadores. 

Las principales líneas de trabajo y experiencia del CREAF en este campo incluyen:

• Ecología química: Estudiamos los mecanismos químicos que controlan la respuesta de los microorganismos, la flora y la fauna a los cambios en el clima, la deposición de nitrógeno y los incrementos de concentración de CO2 atmosférico.
• Metabolómica y metagenómica: Medimos el impacto de los cambios climáticos en el funcionamiento global de los organismos introduciendo las técnicas ómicas en los estudios ecológicos de campo. Hacemos análisis metabolómicos mediante determinación por 1HNMR, HPLC-MS / MS, 31P NMR y utilizamos la metagenómica para estudiar la adaptación y los cambios genéticos y epigenéticos de las especies vegetales al cambio climático.
• Composiciones elementales: Estudiamos las alteraciones de la composición elemental y sus relaciones estequiométricas en relación a los cambios ambientales.
• Ciclos biogeoquímicos: Analizamos las alteraciones de los ciclos biogeoquímicos provocados por la sequía y el calentamiento, las invasiones de especies y la deposición de nitrógeno.
• Nicho biogeoquímico: Estudiamos la hipótesis del nicho biogeoquímico.
• Ecología humana: Estudiamos la composición elemental y molecular del medio (alimento, aire, agua, etc.) para ver cómo se relaciona con la ecología humana, con el estado de salud y morfometría de los humanos.
• Ecotoxicología: Estudiamos la prevalencia de los principales contaminantes en las redes tróficas.
• Ciclos biogeoquímicos: Analizamos las alteraciones de los ciclos biogeoquímicos provocados por la sequía y el calentamiento, las invasiones de especies y la deposición de nitrógeno.
• Estatus químico de los ecosistemas: Estudiamos como la variabilidad meteorológica y los fenómenos extremos están afectando los estatus químicos de los ecosistemas.
• Data mining: Coordinamos grandes bases de datos sobre los impactos de los diferentes factores del cambio global sobre la composición química del sistema planta-suelo.

El suelo lleva a cabo funciones ecosistémicas centrales, como la producción de alimentos y de biomasa, el reciclaje de nutrientes o el sostenimiento de la biodiversidad de los ecosistemas terrestres. El suelo también contribuye a la regulación climática a través del secuestro de carbono en forma de materia orgánica y reduce las emisiones de gases de efecto invernadero, como el CO2 o el N2O. Además, tiene un papel fundamental en la regulación del ciclo hídrico, gracias a la retención de agua, en la degradación e inmovilización de contaminantes, que nos permite la provisión de aire, suelos y aguas limpios, y en el sostenimiento de las actividades y construcciones humanas.

Por ello, el papel del suelo en la producción alimentaria y forestal y la regulación del clima son áreas de investigación clave en un contexto de crecimiento de la población humana mundial y de cambio en los patrones climáticos y de usos del territorio. La degradación edáfica como resultado de actividades antrópicas afecta a amplias zonas del mundo e impacta directamente sobre las funciones de los suelos, impulsando tanto la necesidad de prevenir la degradación mediante la adopción de prácticas de gestión sostenibles como la mejora de las tecnologías de restauración de suelos degradados.

Las principales líneas de trabajo y experiencia del CREAF en este campo incluyen:

• Calidad del suelo: Analizamos las propiedades edáficas de tipo físico, químico y biológico.
• Ecología del suelo: Evaluamos la diversidad taxonómica y funcional de las redes tróficas formadas por vegetales, fauna y microorganismos en ecosistemas forestales, arbustivos y agrícolas.
• Ciclos de nutrientes: Valoramos el almacenamiento de carbono, el intercambio gaseoso suelo-atmósfera y el ciclo de nutrientes: valoramos especialmente el nitrógeno y el fósforo, en suelos naturales y en suelos afectados por contaminantes y  por perturbaciones antrópicas de tipo climático.
• Recuperación de terrenos degradados: Estudiamos cómo crear tecnosuelos a partir de sustratos minerales de desecho y residuos orgánicos.
• Suelos contaminados y remediación: Hacemos un diagnóstico para definir la necesidad y / o la intensidad de las actuaciones y su eficacia en el tiempo.
• Ecotoxicología: Evaluamos la ecotoxicología de contaminantes y residuos a partir de bioensayos estandarizados (ISO, OECD) basados ​​en microorganismos, plantas e invertebrados.
• Residuos orgánicos: Valorizamos residuos orgánicos para la mejora de la fertilidad del suelo o para su descontaminación, así como los post-tratamientos que mejoran su eficiencia.
• Descripción morfológica y de idoneidad de usos: Describimos la diversidad y génesis de los suelos de una determinada zona, y sus principales limitaciones de uso.
• Impactos de servicios ecosistémicos: Evaluamos cómo las actividades antrópicas (cambios de usos, contaminación, cambio climático o episodios climáticos extremos) afectan a las propiedades fisicoquímicas y las redes tróficas del suelo, y deterioran la provisión de servicios ecosistémicos.

Las plantas emiten una gran cantidad y diversidad de compuestos orgánicos volátiles (COVs) que desarrollan múltiples funciones fisiológicas y ecológicas. Estos compuestos también afectan a la química atmosférica y tienen efectos finales en cascada sobre las comunidades de organismos, los ecosistemas, la calidad del aire e incluso el clima. Las proyecciones futuras predicen un incremento sustancial de estas emisiones en respuesta al cambio global. El incremento de temperatura está aumentando la volatilización y la síntesis de los COVs y está afectando no sólo a las emisiones de las hojas, sino también a las de las flores, donde estas sustancias juegan un papel fundamental.

Por otro lado, la exposición a concentraciones elevadas de ozono también está provocando situaciones de estrés en las plantas y alterando las emisiones de COVs. Además, el ozono también está reduciendo sensiblemente el tiempo de vida de estos compuestos y está interfiriendo en algunas de sus funciones ecológicas. El estudio de los COVs se hace cada día más crucial por sus interacciones con los óxidos de nitrógeno (NOx) y otras moléculas antropogénicas, y por la posible relación con la calidad del aire que respiramos y sus impactos en la salud humana.

En nuestras líneas de trabajo combinamos puntos de vista que hacen única nuestra investigación. Combinamos el conocimiento de la bioquímica y la fisiología vegetales (metabolismo secundario), la ecología terrestre y la química atmosférica, con lo que podemos aportar puntos de vista innovadores sobre el funcionamiento de los organismos vivos, los ecosistemas y los procesos de cambio global.

Las principales líneas de trabajo y experiencia del CREAF en este campo incluyen:

• Ecofisiología de plantas mediterráneas: Estudiamos las respuestas ecofisiológicas de las plantas mediterráneas frente al cambio climático.
• Emisiones de COVs y cambio global: Analizamos cómo afecta el cambio global a las emisiones biogénicas de compuestos orgánicos volátiles.
• Contenido de COVs en las plantas: Analizamos cómo el cambio global puede modificar los contenidos de compuestos orgánicos volátiles en las diferentes partes de las plantas.
• Caracterización de COVs: Caracterizamos las emisiones y los contenidos en terpenos de plantas de diferentes zonas climáticas (mediterráneas, tropicales, boreales, etc.).

En los ecosistemas terrestres, los organismos vivos contribuyen a controlar los ciclos del carbono, el agua y los nutrientes, tanto a escalas locales (ecosistemas) como a escala planetaria (Biosfera). Este hecho determina muchos de los servicios ecosistémicos de los que nos beneficiamos los humanos. A escala global, por ejemplo, los bosques absorben un 25% de las emisiones antrópicas de CO2 a la atmósfera, ayudando a reducir el efecto invernadero. Estudiar cómo el agua, el carbono y los nutrientes entran, circulan y salen de los ecosistemas terrestres es esencial para comprender el funcionamiento de los ecosistemas y sus variaciones en el espacio y en el tiempo, así como para predecir cómo este funcionamiento puede resultar modificado en un contexto de cambio global.

Las principales líneas de trabajo y experiencia del CREAF en este campo incluyen:

• Stocks y sumideros de carbono de los bosques: Estudiamos cómo varían los stocks de carbono en un contexto de cambio global, a partir de los datos de inventarios forestales de escala regional y nacional.
• Flujos de agua: Analizamos cómo son los flujos de agua entre el suelo, los ecosistemas terrestres y la atmósfera (por evaporación o transpiración) a escalas locales, regionales y globales.
• Nutrientes: Analizamos los stocks, flujos y desequilibrios de nitrógeno, fósforo y potasio (NPK) en los ecosistemas, a escala local, regional y global, y en un contexto de cambio global.
• Aproximación multidisciplinar e integrada de los flujos de agua: Hacemos balances entre las aportaciones de agua por parte de la atmósfera y el uso que hacen los sistemas naturales y los diferentes modelos de planeamiento territorial.
• Cambio climático y balances de agua: Estudiamos el efecto que tendrán el aumento de temperatura y el cambio en el ciclo de precipitaciones sobre los flujos de agua en los ecosistemas y en las actividades humanas.
• Modelización de los flujos de agua y carbono en bosques: Utilizamos la modelización para estudiar cómo varían los flujos de agua y carbono bajo diferentes escenarios de cambio climático y de gestión forestal.
• Secuestro de carbono a través de la valorización en suelo de residuos orgánicos: Hacemos estudios para mejorar la fertilidad del suelo o su recuperación después de procesos de degradación.
• Pirolización de biomasa (biochar): Valoramos el uso de esta tecnología de secuestro de carbono a largo plazo.