Seccin C Interacciones10. Las emisiones de compuestos orgnicos voltiles como paradigma de la interaccin del bosque con la atmsfera. 11. Interacciones entre la vegetacin y la erosin hdrica. 12. La luz como factor ecolgico y evolutivo para las plantas y su interaccin con el agua. 13. Las interacciones planta-planta y planta-animal en el contexto de la sucesin ecolgica.

CAPTULO 10Las emisiones de compuestos orgnicos voltiles como paradigma de la interaccin del bosque con la atmsferaJosep Peuelas

Resumen. Las emisiones de compuestos orgnicos voltiles como paradigma de la interaccin del bosque con la atmsfera. En este captulo repasamos las fuertes interacciones que se establecen, como no poda ser de otra manera dada la evolucin de la vida en este planeta, entre los ecosistemas terrestres y la atmsfera. De hecho, sin el efecto de los seres vivos no se entendera una atmsfera como la que tenemos (tan alejada del equilibrio termodinmico), y sin el efecto de la atmsfera, no se entenderan unos organismos y unos ecosistemas como los existentes, modelados por la disponibilidad de CO2 y de agua y por la fsica atmosfrica a travs de la radiacin incidente y la temperatura resultante. Dada la enorme extensin que tendra un captulo que tratase de abordar con detalle todos los gases que se intercambian, aunque fuera slo los ms abundantes, aqu nos limitamos a tratarlos someramente (sus emisiones, sus sumideros y sus concentraciones atmosfricas), y en cambio, entramos en mayor detalle en el caso de los compuestos orgnicos voltiles biognicos (COVBs), gases traza que presentamos aqu como un paradigma de esta interaccin entre nuestros ecosistemas terrestres y la troposfera. Las plantas devuelven una parte importante del carbono que asimilan a la atmsfera en forma de estos COVBs. Aqu discutimos el por qu de su emisin, sus posibles funciones biolgicas, y sus efectos sobre la fsica (el clima) y la qumica (la contaminacin) de la atmsfera. Summary. The emissions of biogenic volatile organic compounds as a paradigm of the forest interaction with the atmosphere. This chapter deals with the interactions between the terrestrial ecosystems and the atmosphere. They are strong as a result of life evolution in our planet. The Earth atmosphere is so far away from the thermodynamic equilibrium that could not exist if it were not by the action of living organisms. On the other side of the interaction, the existing organisms and ecosystems have been modulated by the availabilities of CO2 and water, and by the atmospheric physical traits linked to irradiance and temperature. We present here the emissions, the sinks and the atmospheric concentrations of the different atmospheric gases, both for the most abundant ones and for those that are just trace gases. We present greater details when dealing with the biogenic volatile organic compounds (BVOCs) since they constitute a paradigm of the interactions between the troposphere and the

En: Valladares, F. 2008. Ecologa del bosque mediterrneo en un mundo cambiante (Segunda edicin). Pginas 283-310. Ministerio de Medio Ambiente. EGRAF, S. A., Madrid. ISBN: 978-84-8014-738-5.

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terrestrial ecosystems. The BVOCs returned by plants to the atmosphere represent an important part of their assimilated carbon. We discuss here why do plants emit them, the possible biological functions, and the effects on physical (climate) and chemical (pollution) characteristics of the atmosphere.

1. Introduccin. Historia de una coevolucinLa atmsfera y los ecosistemas terrestres estn acoplados en varias escalas temporales y espaciales. En las escalas a corto trmino, esta interaccin est dominada por el rpido intercambio de O2, CO2, agua y energa entre la atmsfera y la superficie terrestre. En las escalas a largo trmino, de dcadas y siglos, la interaccin implica cambios en la estructura y composicin del ecosistema en respuesta a cambios en el clima que se retroalimentan a travs de los cambios biofsicos y biogeoqumicos que generan (Moorcroft 2003). De hecho, el aire es la creacin de todos los seres vivos. Cada da, grandes cantidades de aire son absorbidas por la materia viva y procesadas de varias formas, para despus, tambin cada da, liberarlas de nuevo. A lo largo del tiempo geolgico, la vida ha coevolucionado con la atmsfera. Las caractersticas y composicin del aire son completamente diferentes de lo que seran sin vida. Las atmsferas de nuestros planetas ms prximos, Marte y Venus, nos lo recuerdan. El oxgeno, que ahora caracteriza sorprendentemente nuestra atmsfera, lleg mucho ms tarde de que apareciesen los primeros microorganismos. Parece que stos utilizaban sustancias producidas en los procesos geolgicos, como por ejemplo el hidrgeno o el sulfuro de hidrgeno de los volcanes, para obtener la energa necesaria. Despus apareci la fotosntesis, un nuevo proceso que utiliza un componente abundante por aquel entonces del aire: el dixido de carbono, y una abundante fuente de energa: la solar, para producir materia orgnica. El subproducto de este proceso es el oxgeno, un residuo altamente txico que se fue acumulando en el aire y que hizo que empezasen a evolucionar criaturas que no solamente eran capaces de detoxificarlo, sino que lo aprovechaban para ampliar la energa utilizable y, por tanto, la complejidad posible. El oxgeno ha estado en la atmsfera a la concentracin actual durante ms de mil millones de aos, pero si los organismos vivos dejasen de producirlo, la meteorizacin de las rocas lo eliminara en unos cuatro millones de aos. Es decir, hay ahora tanto oxgeno en la atmsfera que si desapareciese la vegetacin por ejemplo por la accin insensata de los humanos no tendramos ningn problema para respirar oxgeno mientras durase nuestra corta vida (s que lo tendramos para poder comer!). Toda esta serie de eventos no slo modific la composicin de la atmsfera; tambin modific la temperatura. El dixido de carbono atrapa la radiacin infrarroja que de otro modo escapara de la Tierra y asi mantiene al planeta caliente. El oxgeno no es efectivo en este aspecto. En general una molcula simtrica como la suya, constituida por dos tomos idnticos, tiene muchas menos maneras de rotar y vibrar, y as absorber y emitir radiacin, que las molculas con formas ms complicadas como el dixido de carbono o el vapor de agua. Por ello, aadir oxgeno y substraer dixido de carbono permiti que el planeta se enfriase. Como resta algo de dixido de carbono regenerado por la respiracin de plantas y animales y aportado por volcanes y giseres, y como tambin hay agua, evaporada de mares y lagos, que tambin absorbe la radiacin infrarroja, hoy da sigue existiendo cierto grado de calentamiento, haciendo de nuestro planeta un hogar agradable para la vida tal como la conocemos. En este escenario ha irrumpido un nuevo actor. El hombre ya no es una ms de los millones de especies que interactan con la atmsfera. Somos tantos y usamos tanta energa y tan284

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tos recursos que nuestra influencia es enorme. De aqu, los problemas atmosfricos globales como el aumento de la concentracin del dixido de carbono y el efecto invernadero correspondiente, la disminucin de la capa de ozono de la estratosfera, y los problemas regionales y locales como el aumento de ozono en la troposfera. Cualquier discusin sobre el aire y sus relaciones con nuestros ecosistemas terrestres mediterrneos como la que se pretende abordar en este captulo, ha de considerar esta nueva fuerza que los humanos constituimos.

2. Algunas consideraciones sobre el intercambio de gases mayoritarios2.1. Nitrgeno El nitrgeno es un gas incoloro e inodoro, que por su falta de reactividad con los materiales de la corteza terrestre, y por su estabilidad en presencia de la radiacin solar, es el gas ms abundante en la atmsfera (79%). Tambin es, aunque parezca paradjico, el que ms limita la produccin primaria en la mayora de los ecosistemas naturales y agrcolas. La aparente paradoja surge de que las plantas son incapaces de usarlo directamente. Slo los microorganismos fijadores del suelo y de los ndulos de las races de ciertas plantas como las leguminosas (y tambin las tormentas elctricas en un pequeo porcentaje del 5-8%) pueden convertir el enorme reservorio de 3,91021 g de N2 en formas biolgicamente disponibles. La fijacin biolgica global de los ecosistemas naturales es estimada en unos 901012 g. La fijacin antrpica (fijacin industrial para fertilizantes, cultivo de leguminosas o subproducto de las combustiones) ha aumentado exponencialmente en las ltimas dcadas hasta superar ya esa cantidad convirtindose en uno de los componentes ms notables del cambio global que los humanos estamos generando (Vitousek 1994). El nitrgeno vuelve a la atmsfera por la desnitrificacin a partir de los nitratos del suelo y de los sedimentos (los usan algunas bacterias como aceptores de hidrgeno en su oxidacin de la materia orgnica). Aunque la principal fuente de N2 a escala geolgica parece que son las emisiones de los volcanes, el nitrgeno del aire, como le ocurre a la gran mayora de los gases atmosfricos, es pues mantenido y moderado por los seres vivos. 2.2. Oxgeno El oxgeno y sus derivados son herramientas bsicas del proceso de oxidoreduccin que es la vida en nuestro planeta. El oxgeno atmosfrico es producido casi exclusivamente por la fotosntesis de los vegetales. Luego este O2 es respirado por todos los organismos aerobios (y consumido en las combustiones de materiales fsiles e incendios). Se establece un balance entre ambos procesos de manera que la concentracin atmosfrica es prcticamente constante. En el aire, el O2 representa el 21%, una concentracin sorprendente porque es potencialmente explosiva. Por debajo de 16% se imposibilita la combustin y a 25% tienen lugar combustiones espontneas. El oxgeno es esencial para la vida de los organismos aerobios. Sin embargo, aunque poco divulgado, se sabe desde hace tiempo que les es negativo a concentraciones superiores a las normales en el aire. De hecho, desde la aparicin del oxgeno en la Tierra, los organismos han estado expuestos a la amenaza creciente de este fuerte oxidante. Mientras que los dems gases atmosfricos mayoritarios, el nitrgeno y el dixido de carbono, son fijados por los organismos a travs de pocos sistemas enzimticos, el oxgeno es incorporado por los seres vivos mediante un amplio abanico de mecanismos enzimticos, qumicos y fsicos. Esta diversidad se explica por su configuracin electrnica con dos electrones no apa285

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reados y de espines paralelos. Como consecuencia, cuando este gas reacciona, tiende a reducirse de forma univalente formando radicales como el superxido, el hidroxilo u otros orgnicos peroxidados y perxido de hidrgeno, y a adquirir estados de alta excitacin electrnica como el oxgeno singlete. Estas substancias, que son de las ms reactivas de los sistemas biolgicos, van asociadas a la peroxidacin de lpidos de membrana, a la oxidacin de cidos nucleicos, a la decoloracin de pigmentos fotosintticos, a la inactivacin de enzimas..., y en definitiva a la destruccin celular. El termino radical libre o, simplemente, radical, denomina aquellas especies qumicas capaces de una existencia independiente a pesar de tener uno o ms electrones desapareados en sus orbitales electrnicos externos. Los enlaces qumicos se forman cuando los electrones se aparean. Esto explica porque los radicales libres son tan reactivos. Algunos radicales pueden adems transportar carga elctrica al igual que los iones, y como consecuencia, sus propiedades vienen tambin influidas por la carga correspondiente. Hay muchos radicales libres, tanto neutros como cargados, implicados en la qumica atmosfrica. Un ejemplo de radical libre cargado es el famoso superxido O2. El signo negativo con que se representa indica la carga y el punto que se trata de un radical libre. En uno de los orbitales antienlace pi* tiene un electrn desapareado -as como dos electrones apareados en el otro orbital pi*. La molcula ms estable de oxgeno es poco usual porque tiene un electrn en cada uno de los orbitales antienlace pi* y cada uno tiene un espin similar o paralelo. Por definicin es, pues, un radical libre. Por ello, el oxgeno puede ser reducido de diferentes maneras. Una reduccin de un electrn genera el superxido, una de dos electrones el perxido, una de 4 da agua y la hidrlisis de perxido de hidrgeno en la luz o en presencia de hierro o cobre origina la ms reactiva de las especies atmosfricas, el radical hidroxilo OH.. Este radical hidroxilo, presente en toda la troposfera, protagoniza la qumica de esta capa atmosfrica. Participa en la degradacin de los contaminantes atmosfricos; produce la oxidacin de la mayora de los compuestos minoritarios de la troposfera, como por ejemplo los xidos de nitrgeno y azufre, el monxido de carbono, el metano o los distintos compuestos orgnicos. Pero, en determinadas circunstancias tambin produce efectos nocivos para los seres vivos al transformar los xidos de azufre y de nitrgeno en sus correspondientes cidos. Su principal fuente de generacin es el ozono que puede ser fotodisociado al absorber la radiacin ultravioleta con lo que se produce O2 y un tomo de oxgeno excitado, especie muy reactiva, que provoca la disociacin del agua generando radicales hidroxilo. La mayor parte de estos radicales reacciona con el monxido de carbono y tambin, aunque en menor grado, con el metano. Una vez formado, un radical libre reacciona con otros componentes del aire y con las molculas de los organismos para formar otros radicales libres, en una cadena compleja y difcil de detener. Todos los organismos aerobios examinados presentan defensas celulares que les protegen ante la reactividad del oxgeno y sus productos activos. Estn constituidas por enzimas como la superxido dismutasa, peroxidasas, catalasas..., y por otras molculas como el glutatin, el cido ascrbico, los carotenos, la vitamina E..., que los desactivan. Estas defensas pueden ser, sin embargo, superadas por concentraciones de oxgeno slo ligeramente superiores a las atmosfricas que desencadenan entonces toda una serie de procesos degenerativos. De hecho, a pesar de sus defensas antioxidantes, todos los microorganismos, plantas y animales devienen menos eficientes a concentraciones de oxgeno mayores de 21%. El oxgeno es de siete a ocho veces ms soluble en disolventes orgnicos que en el agua lo que se debe tener presente al considerar el dao oxidativo en el interior hidrofbico de las membranas biolgicas. Varios fenmenos de la naturaleza pueden entenderse a la luz de este efecto. A estas concentraciones de 21% de oxgeno, las plantas son ms ineficientes que a concentraciones meno286

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res de este gas como consecuencia de, entre otros procesos, la fotorespiracin. El enzima Rubisco, encargado de atrapar el dixido de carbono en los cloroplastos tiene como substrato alternativo posible al oxgeno (de ah su nombre Ribulosa bifosfato carboxilasa oxigenasa). Cuanto ms alta es la concentracin de oxgeno, mayor es el punto de compensacin del dixido de carbono. La fotorespiracin que nos parece un gasto intil impropio de una vida que ha tenido tantos millones de aos para evolucionar, puede constituir un mecanismo protector para disipar la energa luminosa cuando las cantidades de dixido de carbono son limitantes y bajas con relacin al oxgeno. Tales condiciones favoreceran la formacin de radicales libres dainos como el superxido O2. Al reciclar los compuestos de carbono, la fotorespiracin posibilita la retencin de una mayor concentracin de CO2 interna que minimiza estos efectos. Hay tambin plantas que han desarrollado vas metablicas alternativas C4 en las que la fotorespiracin es en gran parte suprimida por la elevacin de las concentraciones internas de dixido de carbono y la separacin de la Rubisco del contacto con el aire. El oxgeno ha pasado de ser un txico cuando apareci a ser un elemento esencial para la vida de la mayora de los organismos vivos, los aerobios, que lo utilizan como el mejor aceptor terminal de electrones por su elevado potencial electropositivo en la respiracin tanto a travs de la va general citocrmica como en otras oxidasas alternativas presentes en plantas y microorganismos. La respiracin puede tambin usar otros aceptores terminales de electrones menos electropositivos como el sulfato o el nitrato aunque entonces el salto energtico es menor. La respiracin es el proceso por el que la energa almacenada en las molculas de azcar sintetizadas en la fotosntesis es liberada y re-empaquetada para que pueda ser usada en otras reacciones y procesos como la sntesis de protenas, el transporte de iones a travs de membranas, etc. que permiten el funcionamiento y el crecimiento de los seres vivos. La respiracin tiene lugar en todas las clulas vivas tanto de vegetales como animales. Implica el consumo de oxgeno y origina como productos finales, si la combustin del azcar es total, dixido de carbono y agua. A diferencia de las combustiones de nuestras estufas, slo una pequea proporcin de la energa liberada lo hace en forma de calor; una parte sustancial de la energa es conservada en otras molculas para que puedan realizar un trabajo til dentro de la clula. En el motor de nuestros coches la combustin se produce en un slo salto. Si la respiracin tuviese lugar como una reaccin simple como sta, seria desventajoso porque, al liberarse toda la energa de la molcula de azcar, se hara difcil re-empaquetarla en una forma utilizable y porque todos los carbonos capturados en la fotosntesis se perderan como CO2 hacia la atmsfera. En realidad, la respiracin tiene lugar en una secuencia de muchos pasos en los que una pequea parte de la energa de la molcula de azcar es liberada y almacenada en una forma temporal. Muchos de los compuestos intermadiarios originados entran en otras reacciones usadas en la sntesis de compuestos esenciales para el crecimiento y la vida de las clulas, con lo que se conservan muchos de los tomos de carbono fijados en la fotosntesis. 2.3. Dixido de carbono La fotosntesis vegetal disminuy las primitivas concentraciones de dixido de carbono de la atmsfera terrestre desde valores tan altos como el 75% que parece que haba hace dos mil millones de aos hasta los menos de 200 ppmv que hubo durante la ltima era glaciar. Gracias a los ingeniosos estudios de las burbujas atrapadas en el hielo antiguo, sabemos que el dixido de carbono atmosfrico aument desde aproximadamente 200 ppmv hacia el final de la ltima era glaciar a aproximadamente 270 ppmv en la era medieval preindustrial. Durante los pasados 200 aos, debido a la combustin de materiales fsiles y vegetales, se ha incrementado hasta 370 ppmv. 287

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Los ecosistemas actan como sumideros de este CO2 atmosfrico cuando absorben a travs de la fotosntesis casi la misma cantidad que la liberada en la respiracin y los fuegos. La fotosntesis es el proceso biolgico que introduce el carbono de la atmsfera en la biosfera (en las plantas). De los aproximadamente 7301015 g de carbono que hay en la atmsfera, las plantas asimilan 1201015 cada ao. Los ecosistemas producen CO2 a travs de la respiracin. La respiracin aumenta con la temperatura pero la tasa depende de los distintos organismos. Por ejemplo las plantas de clima fro pueden respirar tan rpidamente a temperatura fra como las plantas de climas clidos a una temperatura mayor. En total, aproximadamente 1001015 gramos de carbono son liberados a la atmsfera a travs de la respiracin. El fuego es otra fuente de CO2 que puede ser considerada una forma de descomposicin rpida. Los incendios liberan entre 2 y 51015 g de C anuales. En comparacin, las emisiones antropognicas de CO2 las que preocupan por el incremento del efecto invernadero son relativamente pequeas. Cada ao la combustin de materiales fsiles libera unos 51015 g de carbono y la destruccin de la vegetacin otros 21015 g hacia el reservorio atmosfrico. Sin embargo, estas emisiones producen un incremento de la concentracin troposfrica que es importante porque puede provocar importantes cambios ambientales y climticos. La evidencia inequvoca de que la concentracin atmosfrica de CO2 est aumentando 1.5 ppm cada ao ha generado un enorme inters por entender y cuantificar con mejores y ms precisas medidas el ciclo del carbono del planeta, sus reservorios y sus flujos, y as prever mejor los posibles cambios futuros que se pueden derivar. Hay cierta falta de precisin en la previsin del aumento futuro que proviene de nuestro an pobre conocimiento del funcionamiento de los sistemas naturales. En este aspecto destaca el desconocimiento del papel que juegan las tasas de transferencia de agua y carbono entre las distintas capas del ocano y de los efectos del aumento de CO2 sobre el ciclo de los nutrientes y la productividad. Tampoco se sabe bien como vendr afectado el suelo, un compartimento que se estima mantiene unos 1.200-1.5001015 g de carbono. Es probable que la destruccin de la vegetacin por el avance de la accin antroposfrica libere carbono que estaba almacenado en ese reservorio y lo transfiera a la atmsfera. La cantidad de carbono en el suelo es mucho mayor que la de la atmsfera y la de la vegetacin, pero an as, slo representa una pequea proporcin del almacenado en el fondo de los ocanos. A pesar de esta cierta imprecisin, todos los estudios parecen indicar que seguir aumentando la concentracin de CO2 en el aire mientras sigamos quemando combustibles fsiles. La mayora de los modelos y predicciones afirman que como consecuencia de las actividades antropognicas, se va a llegar a 500-600 ppm de CO2 atmosfrico a mediados de siglo (Houghton et al. 2001), lo que ha de tener importantes consecuencias climticas y biolgicas (Peuelas et al, 2004 captulo 14). El aumento de la concentracin de CO2 tiene en los posibles cambios climticos que puede generar uno de los problemas mediambientales de caracter global que ms preocupan a la sociedad Puede el aumento de CO2 cambiar el clima y el ambiente? Esta cuestin ya fue planteada a finales del siglo pasado entre otros por Arrhenius, cristaliz hace unos 35 aos y se ha popularizado y politizado en el ltima dcada hasta convertirse en foco de gran atencin periodstica. Ha tenido un gran xito la expresin que usaron en 1957 Roger Revelle y Hans Suess cuando hablaron de un gran experimento geofsico que no se llevaba a cabo en ningn laboratorio ni era simulado por ningn ordenador; lo estbamos desarrollando en nuestro propio planeta. La especie humana se halla implicada en un inintencionado y alarmante experimen288

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to con el clima de la Tierra como consecuencia de la liberacin de muchos billones de toneladas de dixido de carbono y otros gases a la atmsfera. La temperatura media en la superficie del planeta depende del balance entre el calor procedente del sol y la prdida de calor hacia el espacio. Si la Tierra no tuviese atmsfera, o incluso si la atmsfera fuese slo de oxgeno y nitrgeno, sera una esfera muerta cubierta de hielo. El CO2 y los dems gases invernadero tienen la propiedad de absorber y re-irradiar los rayos infrarrojos. Hacen as habitable nuestro planeta al interceptar ms de la mitad de su energa radiada y retornar una buena parte de la misma hacia la superficie terrestre. La temperatura media de la superficie terrestre es ahora de unos 15 C. La trampa de infrarrojo actual provoca un calentamiento de unos 33 C, es decir, sin l la temperatura sera de unos 18 C y, por tanto, la Tierra estara permanentemente cubierta por el hielo. As pues, si no fuese por la existencia de este efecto invernadero seguramente el hombre no habra existido. 2.4. Agua El agua, como bien es sabido, es bsica para la vida. Una parte muy importante de los seres vivos la obtienen a partir del aire. Otros deben procurar no perderla a travs del aire. En ambos casos la vida es, una vez ms, fundamental en el ciclo de un componente atmosfrico: el vapor de agua, y ste lo es en su efecto sobre la vida. La mayor parte del agua de la Tierra est almacenada en los ocanos (97,4%) y el hielo polar (2%). La atmsfera contiene slo el 0,001%, lo que colocado sobre la superficie terrestre vendra a tener una profundidad media de slo unos 2-3 cm. A pesar de estas pequeas cantidades, el vapor de agua es el primer controlador de la temperatura troposfrica a travs de sus efectos tanto sobre la recepcin de radiacin solar como sobre la reemisin terrestre. El vapor de agua es relativamente poco reactivo. Los procesos fsicos de evaporacin y precipitacin son mucho ms importantes cuantitativamente que las reacciones qumicas que sufre. Difiere sin embargo de otros gases poco reactivos por el hecho de que su vida atmosfrica es corta, de unos 11 das. Hay una gran variedad espacial y temporal en el contenido de agua del aire, desde 50 mm en la atmsfera de algunas regiones tropicales hasta slo 1 o 2 mm sobre las regiones polares. La troposfera contiene pues cantidades variables de vapor de agua; cuanto mayor es su temperatura, mayor es la cantidad que puede retener. Si la troposfera est saturada y se enfra, el agua condensa para formar nubes y nieblas. La tasa anual de precipitacin sobre los continentes es aproximadamente 710 mm por ao mientras que las tasas de evaporacin son mucho menores, 470 mm anuales. En los ocanos, que representan ms del doble de la superficie que los continentes, estos valores se invierten. La precipitacin global sobre el mar es de 1.100 mm ao-1 mientras que la evaporacin es equivalente a 1.200 mm ao1. Esto significa que hay una transferencia neta de 44,5 Teratoneladas de agua (tera es 1012) desde los ocanos a los continentes que es compensada por una cantidad equivalente de escorrenta desde la tierra al mar. Sin embargo, puesto que la atmsfera es un reservorio de agua tan pequeo en comparacin con los continentes o los ocanos, la transferencia a travs de la atmsfera debe ser muy rpida. Si dividimos la capacidad total del aire (1,3 Tt) por el flujo neto de los ocanos a los continentes (45 Tt por ao) obtenemos 0,03 aos o alrededor de 11 das como tiempo de residencia del vapor de agua en la atmsfera. En comparacin con otros tiempos de residencia calculados para otros gases atmosfricos (Tabla 1) es un tiempo de vida muy corto, similar al del dixido de azufre. Solo aquellos gases como el dixido de carbono que tienen tiem289

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TABLA 10.1 Vida media de las especies reactivas implicadas en la fotoqumica troposfrica (De Monson y Holland, 2001) Especies qumicas Ozono Oxgeno atmico (estado excitado) Oxgeno atmico (estado fundamental) Radical hidroperxido Radical hidroxilo Formaldehido Monxido de carbono Isopreno Metano Radical perxido xido ntrico Dixido de nitrgeno Radical nitrato Peroxiacetil nitrato (PAN) cido ntrico Sulfuro de dimetilo (DMS) Sulfuro de carbonilo Disulfuro de carbonoa

Frmula qumica O3 O(1D) O(3P) HO2 OH HCHO CO C5H8 CH4 RO2 NO NO2 NO3 CH3C(O)O2NO2 HNO3 CH3SCH3 COS CS2

Vida media troposfrica 5-300 da 1,4109 sb 1,3105 sb 1,1103 sc 0,2-1sd 1-2 de 1-3 mf 0.2-1 dg 8-9 yh 5-900 si 57-600 sj 143 s (da) 7 h (noche)k 5-6 s (da)l >1.000 s (noche) 2-600 hm 0,5 d-1 mn 60 ho 10 yo 120 ho

Fotlisis y reaccin qumica (la deposicin superficial har que la vida media sea menor); Brasseur et al. (1999) Baja troposfera; 0-3 km T = 5-8 d (verano); T = 17-100 d (invierno). Alta troposfera; 6-10 km T = 30-40 d (verano); T = 90-300 d (invierno). b Calculado asumiendo 1 atm, 25C, sin H2O (la presencia de H2O har que la vida media sea menor); el coeficiente de reaccin ha sido tomado de Finlayson-Pitts y Pitts (2000). c Calculado para la autoreaccin (HO2 + HO2) a niveles bajos de NOx; 8 pptv HO2; los coeficientes de reaccin han sido tomados de Finlayson-Pitts y Pitts (2000). d Calculado respecto a la reaccin media global con el CH4 (contenido global total de 5000 Tg) y CO (contenido global total de 360 Tg). e Calculado slo para la reaccin OH (la fotlisis har que la vida media sea menor); coeficientes de reaccin tomados de Finlayson-Pitts y Pitts (2000). f Media global = 2 meses si calculado con 360 Tg contenido total de CO en la atmfera dividido por 2100 Tg ao1 tasa de prdida global por oxidacin (Ehhalt et al. 2001); el tiempo de vida media para el CO puede variar desde 10 das (durante el verano en las regiones continentales) hasta 1 ao (durante el invierno en los polos) (Holloway et al. 2000). g Asumiendo la reaccin con el OH a una concentracin atmosfrica de 106 moleculas cm3; coeficientes de reaccin tomados de Finlayson-Pitts y Pitts (2000). h Se ha calculado un tiempo de vida de 8.0 aos usando 4850 Tg como el contenido total atmosfrico de CH4 (ver Ehhalt et al. 2001) dividido por una tasa global anual de 600 Tg (ver Lelieveld et al. 1998); fueron calculados tiempos de vida insignificantes a partir de anlisis detallados de los efectos combinados de oxidacin del OH, destruccin estratosfrica, y oxidacin del suelo. i Calculado para el radical peroximetilo cuando la reaccin se produce con NO o HO2; coeficientes de reaccin tomados de Finlayson-Pitts y Pitts (2000). para NO + CH3O2 10 pptv NO = 540 s. 1 ppbv NO = 5.4 s. Para HO2 + CH3O2 8 pptv HO2 = 891 s. j Calculado para reacciones con O3 y HO2; coeficientes de reaccin tomados de Finlayson-Pitts y Pitts (2000). Para O3 + NO 40 ppbv O3 T = 56,5 s. Para HO2 + NO 8 pptv HO2 T = 591 s. k Coeficientes de reaccin tomados de Finlayson-Pitts y Pitts (2000) Da, ngulo zenital = 50 T = 143 s. T = 7 h. Noche, 50 ppb O3 l Da ngulo zenital = 0; noche calculado para reacciones con NO2 y VOCs en una atmsfera incontaminada, a partir de Brasseur et al. (1999). m Asumiendo que no se sintetizan PAN de nuevo, a partir de Singh et al. (1990). Para la baja tropsfera; 0-3 km T = 2h. Para la tropsfera media; 3-6 km T = 24 h. Para la alta tropsfera; 6-10 km T = 600 h. n Incluye incorporacin heterognea en nubes y aerosoles, a partir de Brasseur et al. (1999). Para la baja tropsfera; 0-3 km T = 0,5-1 d Para la tropsfera media; 3-6 km T = 1 mes o Reaccin con el OH slo en fase gaseosa, a partir de Brasseur et al. (1999).

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pos de residencia mucho ms largos que medio ao tienen tiempo suficiente de mezclarse para dar concentraciones globalmente uniformes. La vegetacin interacciona con el ciclo hidrolgico directa e indirectamente. Influye en la cantidad de precipitacin que entra en el suelo en funcin de la que intercepta y de la que se evapora antes de alcanzar el suelo. Aproximadamente una tercera parte puede ser interceptada por los bosques. Adems, cuando no hay vegetacin, hay mucha ms escorrenta y erosin. Tambin altera la cantidad de radiacin interceptada, las caractersticas de la capa lmite, y la cantidad de agua disponible para la evaporacin. El agua por debajo de 1 a 2 cm de profundidad en el suelo no sufre evaporacin a menos que las races de las plantas la transporten hacia las superficies foliares y la pongan en contacto con el aire cuando los estomas estn abiertos. Esto ocurre generalmente durante el da mientras haya disponibilidad de agua en el suelo y la atmsfera no est demasiado seca. Los efectos dependen tambin de la especie. Por ejemplo, y aunque nos sorprenda, dado el mayor xeromorfismo de los pinos que las hayas, en muchos casos hay mayor prdida de agua en pinares que en hayedos por la mayor superficie foliar y por la permanencia de las acculas durante todo el ao. Las plantas terrestres absorben agua por las races y la pierden por transpiracin a travs de las hojas. Toda la organizacin del vegetal terrestre se orienta a la economa del agua. Si la evapotranspiracin potencial es muy elevada en relacin con el agua de que se dispone, la planta puede llegar a la deshidratacin. Normalmente el agua constituye del 60 al 85% del peso de la planta. Se transpira algo a travs de la cutcula, pero slo suele ser entre 10 y 30 veces menos por unidad de superficie que a travs de los estomas, orificios que se comportan como septos porosos regulados fisiolgicamente. Las plantas que no tienen estomas tienen mayor resistencia a la sequa pero tambin menor productividad.

3. Intercambio de gases trazaLos ecosistemas terrestres constituyen fuentes y sumideros de gases traza reactivos (Tabla 1) que afectan profundamente la fotoqumica oxidativa de la troposfera. Los procesos biognicos principales incluyen la produccin microbiana de metano y su oxidacin, la emisin e inmisin de xidos de nitrgeno, la emisin de compuestos orgnicos voltiles y la deposicin de ozono. Todos estos procesos afectan de manera importante la concentracin de ozono, del radical hidroxilo, de los xidos de nitrgeno reactivos, del monxido de carbono, y de los cidos inorgnicos, entre otros, todos ellos componentes esenciales de la fotoqumica oxidativa de la atmsfera. La qumica oxidativa de la troposfera es vital para el mantenimiento de la vida sobre el planeta, especialmente para el reciclado de la materia voltil biognica. El estudio de estos flujos de gases entre seres vivos y atmsfera ha aproximado a los ecofisilogos, interesados en los flujos, a los biogeoqumicos, interesados en los balances, y a los qumicos atmosfricos, interesados en la reactividad y los tiempos de vida media de las molculas. El poder oxidante de la troposfera viene determinado por las reacciones qumicas de Ox-HOx-NOx, siendo las especies oxidativas primarias el O2, O3, OH, HO2, NO, NO2 y NO3, compuestos estos que reaccionan rpidamente con los gases orgnicos reducidos emitidos por les seres vivos. Entre estos destacan el metano y los dems hidrocarburos. 3.1. Metano (CH4) Los anlisis de los testigos cilndricos de hielo de las zonas polares muestran que la concentracin de CH4 se ha ms que duplicado en los 200 o 300 ltimos aos, llegando hasta 291

Interacciones

1,75 ppm despus de que su concentracin permaneciese estable durante miles de aos (Etheridge et al. 1998; Etheridge et al. 2001). La cantidad total se estima en 4850 Tg. Los incrementos podran ser debidos a aumentos de las fuentes o a disminuciones de los sumideros. Lo que parece claro es que son cambios antropognicos los que contribuyen sustancialmente a este incremento. El metano es producido por bacterias anaerbicas especializadas que acoplan la oxidacin de compuestos reducidos (principalmente hidrgeno y acetato) a la reduccin de dixido de carbono a metano. Estas bacterias se encuentran en los ambientes anaerobios de las zonas pantanosas y campos de arroz y en el tracto intestinal anxico del ganado, de las termitas y de otros insectos consumidores de madera. Las estimas de su produccin son variables pero deben estar alrededor de 6001012 g anuales. Las emisiones de las zonas hmedas varan en funcin de la temperatura, de la humedad, de la vegetacin y de la cantidad y composicin del sustrato orgnico. Las plantas se erigen en importantes conductos para el transporte desde los sedimentos a la atmsfera. Los efectos sobre los ecosistemas terrestres se producen a travs de sus efectos sobre el clima (balance radiativo) y la qumica atmosfrica (capacidad oxidativa). Es un gas invernadero 20 veces ms efectivo, molcula por molcula, que el CO2. Es responsable aproximadamente del 20% del aumento del efecto invernadero. Adems, como su produccin es dependiente de la temperatura, puede aumentar como consecuencia del efecto invernadero. El metano tambin reacciona fuertemente con el radical hidroxilo y puede estar implicado en la produccin de CO y O3 troposfrico. Los efectos directos son bastante inciertos. Los suelos secos de nuestros bosques y matorrales representan un sumidero para el metano pero an as su absorcin es pequea comparada con la reaccin con el radical hidroxilo. La mayor parte de este metano es oxidado en la atmsfera por reacciones con OH en la troposfera (unos 506 Tg de CH4 son oxidadas anualmente; Prinn et al 1995). Otra parte llega a la estratosfera (40 Tg anuales; Ehhalt et al 2001) y otro (38 Tg anuales) se oxida en el suelo (Ridgewell et al 1999). De hecho, los suelos que no tienen mucha agua, como los nuestros, y poseen una aireacin adecuada tienden a oxidar el metano a travs de la actividad microbiana. De todas formas, los cambios en los usos del suelo hacia prcticas agrcolas ha disminuido o puede disminuir la oxidacin del metano. 3.2. Monxido de carbono (CO) Este es un gas de amplia distribucin en la troposfera. Es producido por la combustin incompleta de materiales fsiles o biolgicos. Tiene una vida media de menos de medio ao. Est aumentando en la troposfera por la entrada anual de unos 1.0001012 g, la mitad de los cuales resultan de la oxidacin del metano y de los HCNM (hidrocarburos no metano). La combustin de materiales fsiles, y la quema de biomasa en los incendios agrcolas y el clareado de la tierra dan cuenta del resto. Las medidas llevadas a cabo en los cilindros de hielo de Groenlandia han sido usados para inferir un incremento en la concentracin de CO desde 90 ppbv en el 1.800 a 150 ppbv en la ltima dcada (Haan et al. 1996). Las emisiones estn concentradas en el hemisferio norte con ritmos distintivos que siguen la actividad humana. Son mayores en invierno como consecuencia del uso de las calefacciones. Tambin se origina de forma natural en los ocanos, volcanes, tormentas elctricas, pantanos. La actividad de las algas en las aguas superficiales es capaz de contribuir con substanciales cantidades de CO, que pasan fcilmente a la atmsfera debido a su baja solubilidad. 292

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Hay sumideros naturales que lo eliminan de la atmsfera. La oxidacin a CO2 por radicales hidroxilo es con mucho el ms importante. Tambin lo eliminan la oxidacin en la estratosfera o la absorcin por plantas, animales y microorganismos del suelo (el 20% aproximadamente) y de los ocanos. Dentro de los mecanismos biolgicos de eliminacin del monxido de carbono, la accin de los microorganismos del suelo constituye el ms importante (Brasseur et al. 1999) siendo la absorcin por el suelo mxima en los suelos con contenido intermedio de agua, temperaturas clidas y alto contenido de materia orgnica (King 1999). An as, se trata de un proceso lento, dependiente de la temperatura, lo que tambin ayuda a explicar la naturaleza rtmica de los cambios atmosfricos. Se ha comprobado con istopos radiactivos que las plantas tambin oxidan el CO a CO2. Algunas plantas, especialmente los rboles, no absorben monxido de carbono mientras que otras, como las judias, tienen altas tasas de absorcin. Quiz, en su conjunto, las plantas lleguen a absorber una cuarta parte de la absorbida por el suelo. El monxido de carbono mina pues la capacidad de autolimpieza del aire porque rebaja la concentracin del radical hidroxilo, el importante detergente que reacciona con casi cualquier molcula de gas traza. Sin este radical hidroxilo las concentraciones de la mayora de gases traza seran mucho mayores de lo que son y la atmsfera tendra unas propiedades qumicas, fsicas y biolgicas completamente distintas. Al CO no se le conocen efectos biolgicos directos, por lo menos a las concentraciones atmosfricas actuales, pero interacciona con los xidos de nitrgeno y el radical OH. para producir ozono troposfrico que s que es txico. S se pueden producir intoxicaciones cuando las concentraciones del interior de los edificios superan niveles muy altos. De hecho, desde que el hombre aprendi a hacer fuego se ha visto acompaado del CO. Fumar es la fuente ms importante. Tambin son considerables las constituidas por los motores de los vehculos y todo tipo de procesos de combustin impropiamente ventilados, como por ejemplo los calentadores de agua en los que sta no puede superar los 100 C. 3.3. xidos de nitrgeno y amoniaco N2O. El N2O es el ms abundante de los xidos del nitrgeno. Es relativamente estable tiene un largo perodo de permanencia en la atmsfera, de 20 aos o ms. Est presente en la atmsfera a una concentracin de unas 300 ppbv y ahora se est incrementando en un 0,2% anual. El N2O se produce como intermediario en el proceso de desnitrificacin; bajo ciertas condiciones puede ser su producto ms abundante. La desnitrificacin es ms rpida en los suelos anaerobios con abundante suministro de nitratos y materia orgnica oxidable. Tambin se puede producir por la quema de biomasa o combustibles fsiles, por las bacterias nitrificantes, y en pequeas cantidades por una amplia variedad de microorganismos del suelo. En cuanto a los sumideros, la fijacin de nitrgeno por el complejo nitrogenasa puede tener como substrato alternativo al xido nitroso, pero el mayor sumidero es la reaccin con oxgeno atmico en la estratosfera (aproximadamente 101012 g de N2O). Otros sumideros son inciertos, aunque los organismos denitrificantes lo pueden usar como sustrato. El aumento anual resultante del balance entre fuentes y sumideros es de unos 31012 g. El aumento global puede ser explicado por la combustin ms que por el uso de fertilizantes o la deforestacin. El N2O afecta indirectamente a los ecosistemas. Es un gas invernadero que contribuye en una pequea cantidad a tal efecto, y es un gas que se va lentamente hacia la estratosfera donde participa en la reduccin de los niveles de ozono. All se oxida a xido ntrico que reacciona con el ozono contribuyendo a la disminucin de su capa, aunque parece que los clorofluorocarbonos antropognicos ejercen un efecto mayor. 293

Interacciones

NOy. El NO es producido por la reduccin abitica de nitritos en los suelos cidos y por los procesos biolgicos relacionados con la nitrificacin y desnitrificacin. Una vez en la atmsfera, el xido ntrico es rpidamente oxidado a dixido de nitrgeno principalmente por la reaccin con ozono alcanzndose un estado fotoestacionario que permite la presencia de los tres con proporciones relativas de cada uno dependientes de la luz, la temperatura, las partculas y los hidrocarburos. Los NOx juegan un complejo papel en la qumica atmosfrica. A bajas concentraciones catalizan la destruccin de ozono. A concentraciones mayores (frecuentes en zonas industriales) por contra, pueden interactuar con CO, OH, e hidrocarburos para producir ozono. Adems se convierten en pocos das en cido ntrico que representa el 30 o 50% de la acidez de la lluvia cida de las regiones industriales. Los NOy (N reactivo) incluyen el NO y el NO2 como componentes primarios, y al cido ntrico y los nitratos orgnicos como componentes secundarios. Las contribuciones biognicas a los NOy proceden primeramente de las emisiones edficas de NO (Holland et al 1999). Y a bajas concentraciones de NOx, tambin la vegetacin puede ser una fuente de NO y NO2 (Sparks et al 2001, Hereid and Monson 2001). Los cambios en los usos del suelo y el incremento de fertilizacin parece que han de aumentar an ms las emisiones edficas de NO. La cantidad de NO emitida por los suelos y que llega a la troposfera es influida por el potencial de las cubiertas vegetales de asimilar NOx (Lerdau et al 2000). Pueden llegar a asimilar del 5 al 25% de este NO edfico (Sparks et al 2001), aunque se sabe menos de la magnitud de la asimilacin de otras formas de NOy. Se ha visto que el cido ntrico se deposita sobre las plantas y puede atravesar la cutcula y ser absorbido tambin a travs de los estomas (Bytnerowicz et al 1998). En cuanto a la qumica oxidativa troposfrica, una vez en la atmsfera, el NO es oxidado a NO2 por el O3 y los radicales peroxi RO2 o HO2. Y si el NO est en cantidad suficiente, ms de 5-30 pptv, el O singlete (3P) producido por la fotolisis de NO2 producir O3. La deposicin de NOy, junto a la de O3, proporciona una va importante para la eliminacin de los compuestos reactivos de la troposfera y por tanto tiene un importante impacto sobre la dinmica oxidativa, cerrando el ciclo biogeoqumico necesario para la salud biosfrica (Holland et al. 1996). Algunos componentes de los NOy, especialmente el cido ntrico y algunos nitratos orgnicos son suficientemente solubles para ser eliminados por la precipitacin. Amoniaco (NH3). En el aire, adems de los xidos de nitrgeno, tambin est presente el amoniaco a concentraciones bajas y variables. Est en equilibrio dependiente del pH con el amonio no voltil de suelos y disoluciones. Su fuente natural ms importante parece ser la volatilizacin de suelos alcalinos, excreciones animales y hojas senescentes, fuentes que probablemente aumentan como consecuencia de la agricultura intensiva y las prcticas ganaderas. As es, la urea es frecuentemente usada como fertilizante alternativo porque el enzima ureasa, ampliamente distribuida en las plantas, microorganismos y suelo, cataliza la hidrlisis a bicarbonato y amonio. La actividad de la ureasa tiende a ser mayor en suelos con alto contenido orgnico y menor en los calcreos. Dentro de las emisiones de compuestos de nitrgeno, la de amoniaco es considerable. En Europa aproximadamente un 10% del nitrgeno potencial es perdido directamente por la volatilizacin de amoniaco y en los climas ms clidos este puede subir a un 30%. Las emisiones de amoniaco globales son de 45-83 Tg de N anuales, es decir de parecida magnitud a las de los xidos de nitrgeno (Holland et al 1999), siendo la mayor parte de origen agrcola de suelos fertilizados. El principal sumidero hay que buscarlo en la reaccin con aerosoles cidos seguida de la deposicin, tanto hmeda como seca. 294

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3.4. Los COVBs Una gran parte de los compuestos orgnicos volatiles (COV) presentes en la atmsfera provienen de las emisiones de las plantas (Lerdau et al. 1997, Seufert 1997, Peuelas y Llusi 1999a) (Foto 10.1) con lo que queda demostrado una vez ms que la composicin de la atmsfera terrestre es en gran parte producto de la actividad biolgica. Los COVBs son muy diversos: desde el isopreno a los cidos orgnicos, pasando por los terpenos, los alcanos, los alquenos, los alcoholes, los aldehidos o los steres. De hecho, la enorme variedad de COVBs representa uno de los tesoros de la biodiversidad natural. Los recientes avances en las tcnicas moleculares y genticas y el desarrollo de nueva instrumentacin para el muestreo y anlisis de COVs han contribuido enormemente a mejorar nuestro conocimiento sobre su naturaleza y su funcin.

Foto 10. 1. Las masas forestales y arbustivas emiten grandes cantidades de compuestos orgnicos voltiles precursores de aerosoles (aire azulado). (Foto Josep Peuelas y Joan Llusi).

Las clases principales, las emisiones, las reactividades y las concentraciones atmosfricas las hemos sumarizado en la Tabla 2. Entre los ms abundantes estn el isopreno, los mono y sesquiterpenos, el acetaldehdo, los cidos orgnicos, el metilbutenol, el metanol o la acetona. Isopreno. Hasta donde se conoce en la actualidad, el isopreno es el ms importante de los COVs emitidos por los ecosistemas terrestres. Representa el 40% de total de COVBs emitidos (Guenther et al. 1995, Potter et al. 2001). El isopreno no alcanza despus grandes concentraciones en la troposfera libre debido a su alta reactividad con los radicales OH. En los pocos metros por encima de los bosques emisores alcanza los 1-20 ppbv (Zimmerman et al. 1988; Harrison et al. 2001) pero pueden llegar a 10 veces ms sobre plantaciones forestales (Westberg y Lamb en Monson 2002). Mono y sesquiterpenos. Son emitidos en grandes cantidades por la mayor parte de las especies vegetales de los bosques y matorrales mediterrneos (Peuelas y Llusi 1999a; Llusi y Peuelas 2000). Son oxidados por los radicales OH y tienen una vida media que va desde 2-3 minutos hasta varias horas. Por encima de las cubiertas emisoras forestales de conferas las concentraciones estn entre 0,5 y 1 ppbv. 295

Interacciones TABLA 10.2 Principales tipos de COVs emitidos por las plantas. Estos datos han sido extrados de Guenther et al. (1995), y a partir de revisiones de Bonsang y Boissard (1999), Kesselmeier y Staud (1999), Fall (1999) y Peuelas y Llusi (2001) Especie Emisin global anual estimada (Tg C) 175-503 127-480 ~260 Reactividad (vida media en la atmsfera en horas) 4,8 2.4-4.8 < 24 >24 Concentraciones atmosfricas Ejemplo

Isopreno Monoterpenos Otros COVs reactivos

ppt a algunas ppb ppt a algunas ppb 1-3 ppb 2-30 ppb -pineno, -pineno, limoneno 2-metil-3-buteno-2-ol, hexenal, acetaldehido Metanol, etanol, cido frmico, cido actico, acetona

Otros COVs menos ~260 reactivos Etileno 1-20

45.6

ppt a algunas ppb

Acetaldehdo. Se han medido emisiones de acetaldehido en rboles sometidos a anoxia en races, hojas o tallos y tambin en condiciones normales (Kreuzwieser et al. 2000; Kart et al. 2002). Son particularmente altas las emisiones en las transiciones de luz a oscuridad. Su vida media es de un da tras ser oxidado por el radical OH. La concentraciones son bajas, de 1 a 2 ppbv (Sanhueza et al. 2001). cidos orgnicos. Son emitidos por plantas y microorganismos del suelo y tambin se forman por oxidacin de alquenos biognicos Las concentraciones sobre los bosques tropicales por ejemplo son de 0,5 a 2 ppbv (Sanhueza et al. 2001). Similares concentraciones se dan sobre los bosques templados caducifolios (Martin et al. 1991). El cido actico por ejemplo tiene una vida media de 2-6 das. Metilbutenol. Se ha aadido recientemente a la lista sobre todo a partir de los estudios de los bosques de pinos norteamericanos (Goldan et al. 1993) que han medido concentraciones atmosfricas de 2-5 ppbv y hasta 20 ppbv en casos extremos (ej., Goldan et al. 1993). Metanol. Es otro de los COVBs oxigenados abundantes sobre bosques de conferas pero tambin sobre praderas. Lo emiten los tejidos foliares en expansin y tambin durante la senescencia foliar y la descomposicin de la hojarasca (Fall y Benson 1996; Warneke et al. 1999). Sus concentraciones sobre los bosques est en el rango de 5-15 ppbv. Se oxida a formaldehdo y radicales hidroperoxi. Lo oxida el radical OH y su vida media es de 1 semana. Acetona. La emiten los bosques de conferas (MacDonald y Fall 1993). Las concentraciones estn en el rango de 1-8 ppbv (Goldan et al. 1995) tanto sobre bosques templados como tropicales. Tambin se forma en la atmsfera por oxidacin de monoterpenos y metilbutenol. 296

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4. Biologa, qumica y fsica de las emisiones de COVBs4.1. Funcin Los COVs son producidos en muchos tejidos vegetales diferentes y mediante diversos procesos fisiolgicos. Algunos (ej. metil salicilato, hexenal o terpenos) pueden actuar como compuestos defensivos contra patgenos y herbvoros, y otros (ej., metil jasmonato, alquenos, (E)-3-hexeno-1-ol o terpenos) como compuestos qumicos de informacin entre las distintas partes de una misma planta, entre plantas distintas y entre plantas y animales y microorganismos (Farmer y Ryan 1990, Langenheim 1994, Peuelas et al. 1995, Lerdau et al. 1997, Shulaev et al. 1997). Otras posibles funciones de COVs como el isopreno y los terpenos son la estabilizacin y proteccin de las membranas vegetales contra las altas temperaturas o la alteracin de la floracin de las plantas vecinas (Sharkey y Singsaas 1995, Terry et al. 1995, Tingey et al. 1991, Loreto et al. 1998a, Peuelas y Llusi 2002). Los terpenos pueden incluso estar implicados en el desarrollo de incendios forestales (Owens et al. 1998, Peuelas 1996). 4.2. Tasas de emisin y factores que las controlan en los ecosistemas mediterrneos Las emisiones de COVs son muy variables en el tiempo y en el espacio y entre las distintas especies mediterrneas (Tabla 3), normalmente movindose en el rango de 0 a 100 g g1 PS h1 (Kesselmeier y Staudt 1999, Peuelas y Llusi 2001a), lo que no deja de intrigar pues puede representar una porcin significativa del carbono fijado por la planta, desde 0 a 8% o incluso ms en condiciones de estrs, cuando por otra parte la fijacin est muy disminuida (Staudt y Bertin 1998, Peuelas y Llusi 1999a,b, Llusi y Peuelas 2000). Cabe recordar que la emisin global se estima que ronda entre los 823 y los 1523 Tg C (Tabla 2). Hay una gran variabilidad temporal y espacial de las tasas de emisin de COVs debida en gran parte a la gran complejidad de factores que las controlan. Las emisiones resultan esencialmente de la difusin de los COVs a travs de un gradiente de presin de vapor desde los compartimentos celulares de concentraciones relativamente altas al aire circundante de la hoja donde las concentraciones son relativamente bajas como consecuencia de la alta reactividad y generalmente corta vida de muchos de estos COVs (Fall 1999). Las emisiones son controladas pues por la volatilidad de cada COV y por los factores internos (genticos y bioqumicos) y externos (abiticos y biticos) que alteran a corto y largo plazo: 1) las concentraciones deTABLA 10.3 Rango de emisiones estacionales de COVs (Compuestos orgnicos voltiles) totales y de monoterpenos (mg g-1 PS h-1) de las principales especies del bosque y del matorral mediterrneos en medidas realizadas en la sierra de Collserola (Barcelona) (De Llusi y Peuelas 2000 y de datos posteriores no publicados de los mismos autores). Especie Otoo Invierno Primavera Verano

COVs Terpenos COVs Terpenos COVs Terpenos COVs Terpenos Quercus ilex 3-8 Pinus halepensis 7-13 Arbutus unedo 2-41 Quercus coccifera 3-38 Bupleurum fruticosum 19-21 Erica arborea 3-3,3 Cistus albidus 9-25 0,4-5 4-5 0-0 1-16 18-20 1-1,5 1-1,6 7-10 2-2,5 0,1-6 4-5 22-31 4-5 23-27 1-3 1-1,4 0,6-1 1-1,3 4-6 2-3 10-13 27-32 28-53 109-135 34-36 125-136 63-83 190-198 8-12 13-18 24-28 1-1,5 29-30 12-16 34-39 19-24 38-50 5-6 12-14 102-123 15-17 50-135 16-20 19-26 4-5 9-12 81-102 9-10 8-10

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Interacciones

COVs en las plantas, 2) la presin de vapor de los COVs y/o 3) la resistencia a la difusin de COVs a la atmsfera (Fig. 10. 1). Gentica Est claro que la gentica determina fuertemente la produccin de COVs, haciendo la emisin altamente especfica de cada especie o incluso de cada ecotipo, como se ha demostrado con nuestros resultados sobre la encina que han sido parecidos a los que han obtenido investigadores de Montpellier (Staudt y Seufert, 1995), pero muy diferentes de otros grupos como los italianos (Loreto et al. 1998b). Esto podra ser debido a las diferencias evolutivas en las distintas regiones mediterrneas (Peuelas y Llusi 1999a) o a simples expresiones de plasticidad fenotpica. Especies almacenadoras y no almacenadoras Los diferentes compartimentos y estructuras celulares donde son producidos los COVs influencian los procesos de difusin, pero adems hay un factor adicional importante. Una vez producidos, estos COVs pueden ser almacenados o no en estructuras especializadas dependiendo de los compuestos y de las especies. Por ejemplo, los terpenos son almacenados en los tricomas glandulares de las mentas o en los conductos resinferos de los pinos y sus concentraciones oscilan normalmente entre el 1 y el 3% del peso seco, pero pueden llegar en casos excepcionales hasta 15-20% (Langenheim 1994, Peuelas et al. 1995, Shulaev et al. 1997).

Figura 10. 1. Intrincada red de factores que controlan la emisin vegetal de COVs (de Peuelas y Llusi 2001a). Los principales pasos en la produccin y emisin de COVs y los ms importantes factores que los controlan usados en los modelos estndar corrientes (Guenther et al. 1995) son representados en negrita. Los otros factores menos conocidos, ms temporales, ms locales o de menor efecto no han sido an incorporados en los algoritmos estndar comunes. La compleja red resultante de las interacciones explica la variabilidad

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La cantidad almacenada puede depender ms a veces de condicionantes genticos de la especie que de las condiciones ambientales, alterando as el balance de fuente-sumidero del carbono (Peuelas y Estiarte 1998). De todas formas, hay algunas especies como la encina, Quercus ilex, que producen y emiten terpenos de forma significativa sin almacenarlos en ninguna estructura (Staudt y Seufert 1995, Loreto et al. 1996, Peuelas y Llusi 1999a,b, Llusi y Peuelas 2000). El almacenamiento, adems de afectar a la concentracin y a la presin de vapor, afecta de manera importante la resistencia a la difusin de los COVs. Esta resistencia es mayor cuando los almacenamientos son internos, como es el caso de los conductos resinferos, que cuando se producen en estructuras externas como las glndulas de los tricomas. Y esta resistencia siempre es mayor que en las especies no almacenadoras. Sin embargo, se ha visto que en realidad las emisiones son muy parecidas entre especies almacenadoras y no almacenadoras con mximos en primavera-verano cuando se dan las mximas irradiancias y temperaturas (Peuelas y Llusi 1999a, Llusi y Peuelas 2000). Precisamente la temperatura y la luz son los factores externos mejor descritos como responsables del control primario de muchas emisiones de COVs. Temperatura e irradiancia La temperatura incrementa las tasas de emisin de la mayora de COVs de forma exponencial hasta un ptimo al aumentar las actividades enzimticas de sntesis, al elevar la presin de vapor de los COVs, y al disminuir la resistencia de las vas de emisin. Incluso para COVs no almacenados como el -pineno en Q. ilex, la emisin aumenta hasta tres veces cuando la temperatura aumenta desde 20 hasta 30C (Loreto et al. 1996). Sin embargo, hemos comprobado la existencia de diferencias en las respuestas dependiendo de la volatilidad y de la bioqumica del compuesto. Por ejemplo, los terpenos con alta volatilidad parecen ser ms sensibles al aumento de temperatura que los menos volatiles y, adems, hay algunos terpenos como los acclicos (ej., cis--ocimeno) cuya emisin es ms dependiente de la luz y menos de la temperatura que la de los dems terpenos (Kesselmeier et al. 1997, Loreto et al. 1998a, Peuelas y Llusi 1999a, Llusi y Peuelas 2000). La irradiancia influye a largo plazo en la reserva de COVs ya que provee de energa biosinttica, regula la sntesis y controla el crecimiento de las plantas (Tingey et al. 1991, Langenheim 1994). Adems, la irradiancia influye a corto plazo (de minutos a horas) en las emisiones de los terpenos no almacenados al ser compuestos que necesitan de los productos fotosintticos para su biosntesis (Kesselmeier et al. 1996, Loreto et al. 1996, Bertin et al. 1997, Peuelas y Llusi 1999a,b, Llusi y Peuelas 2000). Por el contrario, parece que tal influencia instantnea no es importante en el caso de especies almacenadoras (Peuelas y Llusi 1999b, Llusi y Peuelas 2000), a pesar de que una parte de la emisin puede ser derivada a partir de terpenos recientemente sintetizados (Kesselmeier y Staudt 1999). De nuevo, la respuesta no es la misma para los diferentes compuestos. Los terpenos menos voltiles parecen ms sensibles y responden ms a la luz y a las tasas fotosintticas que los ms voltiles (Peuelas y Llusi 1999a, Llusi y Peuelas 2000). Otros factores abiticos y biticos Los modelos de emisin de COVs se basan en factores de emisin determinados para cada especie y en factores ambientales tales como la temperatura y la irradiancia (Guenther et al. 1995, Llusi 1999). Sin embargo, las emisiones son muy variables y sus respuestas a corto plazo, diarias y estacionales, a menudo se desvan mucho de lo marcado por estos algoritmos basados slo en la irradiancia y la temperatura (Staudt y Bertin 1998, Harley et 299

Interacciones

al. 1999, Peuelas y Llusi 1999b) y que adems, fueron desarrollados con datos de plantas de pases del norte crecidas en invernadero y en condiciones controladas. Algunos trabajos han mostrado que estos algoritmos estndar pueden infraestimar las emisiones de isopreno y terpenos bajo las condiciones de alta irradiancia y alta temperatura de las hojas de sol de los bosques tropicales y templados (Harley et al. 1997, Keller y Lerdau 1999). Por el contrario, nuestros resultados han mostrado que estos algoritmos pueden sobrestimar las emisiones de terpenos en las condiciones de sequa del verano mediterrneo (Staudt y Bertin 1998, Llusi y Peuelas 2000, Peuelas y Llusi 1999b). Bajo estas condiciones de estrs hdrico, las emisiones pueden reducirse considerablemente (Bertin y Staudt 1996, Llusi y Peuelas 1998, 2000). Esta reduccin parece ligada a la limitacin hdrica, la cual genera una disminucin del substrato de carbono y de ATP ligada al cierre estomtico, y a las bajas humedades que provocan una disminucin de la permeabilidad de las cutculas al intercambio gaseoso (Tingey et al. 1991, Bertin y Staudt 1996, Llusi y Peuelas 1998, Llusi y Peuelas 1999). Adems, hay otros factores estacionales y fenolgicos, como la salida de las hojas, la floracin, la fructificacin o la senescencia, que tambin generan desviaciones de los algoritmos estndar de luz y temperatura (Llusi y Peuelas 2000, Peuelas y Llusi 1999a) y que producen cambios en las concentraciones y composicin de COVs y en la permeabilidad de la cutcula, y por tanto alteran la presin de vapor de los COVs y la resistencia a la difusin de la cutcula. Existen otros factores aparte de los ya mencionados anteriormente (alta irradiacin, alta temperatura, disponibilidad hdrica, estadio de desarrollo, o estadio fenolgico) que desvan las emisiones de los algoritmos estndar, haciendo an ms complejas sus predicciones. As, la perturbacin fsica por la lluvia, el viento, el granizo, o la cosecha inducen la produccin de COVs en los tejidos prximos a la herida, alteran las estructuras almacenadoras y permiten la volatilizaron directa de los COVs almacenados, aumentando la emisin (Tingey et al. 1991). El viento facilita la emisin al disminuir la resistencia a la difusin. Y, adems, hay otro curioso, sorprendente e importante, en potencia, factor: el ozono, contaminante atmosfrico secundario que se produce cuando los COVs y los NOx estn presentes en condiciones de altas temperaturas y radiacin solar elevada. Como ocurre con otros factores de estrs, el ozono podra, a su vez, favorecer las emisiones de COVs en respuesta al estrs y dao que produce. En nuestros proyectos hemos comprobado, en cmaras de cielo abierto, cmo aumenta un orden de magnitud la emisin de COVs de algunas especies como el tomate, el algarrobo o el olivo cuando crecen en concentraciones de ozono incrementadas en 40 ppbv (Peuelas et al. 1999, Llusi et al. 2002). Aunque estos resultados no los hemos hallado en otras especies como el pino o la encina (Peuelas et al. 1999, Heiden et al. 1999, Llusi et al 2002), este fenmeno merece ser estudiado con nueva y mayor atencin pues si fuese mnimamente general, tendramos una retroalimentacin positiva sobre la formacin de ozono. Los factores biticos externos tambin determinan la emisin de COVs. Por ejemplo, existe la interferencia intra e interespecfica entre vecinos en la emisin de terpenos entre especies como el pino carrasco y la encina. Las tasas de emisin de COVs se incrementan cuando el vecino es un pino y no cuando es una encina (Peuelas y Llusi 1998). Hay mucha ms evidencia del efecto de la interaccin con animales y otros organismos. Muchos COVs poseen capacidad defensiva al actuar como armas qumicas o repelentes alimentarios, pero tambin hay otros que son atrayentes de polinizadores (Harborne 1991, Langenheim 1994, Peuelas et al. 1995, Shulaev et al. 1997). Tambin se ha comprobado como hay ciertos COVs que son emitidos durante el ataque por fitfagos para reclutar a los enemigos naturales del herbvoro, depredadores y parsitos (Dicke et al. 1990, Turlings et al. 300

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1990, Turlings y Tumlinson 1992, Bruin et al. 1995, Llusi y Peuelas 2001). Adems, no slo las hojas infestadas sino la planta entera, e incluso las plantas no infestadas, parecen emitir COVs como seales en respuesta al ataque por fitfagos (Turlings y Tumlinson 1992, Bruin et al. 1995). La importancia ecolgica de estas emisiones provocadas por factores biticos es evidente; en cambio la evaluacin y modelizacin de su importancia para los flujos de COVs troposfricos es incluso ms difcil que los factores abiticos anteriormente mencionados, puesto que estos ataques de herbvoros pueden ser bastante localizados en el espacio y en el tiempo. Adems, las tasas de emisin de algunos de estos compuestos defensivos o de seales como el metil jasmonato (Farmer y Ryan 1990) parecen demasiado bajos para poder jugar un papel importante en la qumica de la atmsfera (Lerdau et al. 1997). De todas formas Litvak y colaboradores (1999) modelizaron las emisiones de monoterpenos de bosques de pinos norteamericanos teniendo en cuenta la herbivora y calcularon que las emisiones se incrementaban de 2 a 3,6 veces (cuando el dao foliar producido era del 10 al 25%, respectivamente) respecto a los rboles no daados y que estos incrementos podran reducir las concentraciones de radical OH y aumentar las de O3 dependiendo de las concentraciones de NOx. Puesto que la accin de la mayora de estos factores bitico y abiticos sigue siendo mal conocida, presenta diferentes efectos sobre los diferentes COVs, y puestos que muchos de estos factores covaran y estn ntimamente relacionados en una compleja red de interacciones, es difcil evaluar su importancia relativa e incorporarlos correctamente en algoritmos mejorados que modelen con mayor precisin la gran variabilidad de las emisiones biognicas de COVs. Con este objetivo y tambin con el de mejorar el conocimiento del papel biolgico que juegan, se requiere mayor cooperacin entre bilogos, qumicos, fsicos, eclogos y modelizadores. Los modelos y medidas de emisiones reales deberan ser acompaados por estudios simultneos de carcter gentico, fisiolgico (tasas fotosintticas, relaciones hdricas), ecolgico (herbvoros) y fsico-qumico (meteorologa, qumica atmosfrica y del ozono) no slo en las regiones templadas que han sido las ms estudiadas sino tambin en nuestras regiones mediterrneas. La aproximacin debera ser multidisciplinaria y multidimensional e integrar los diversos procesos y escalas de emisin de COVs desde los genes a las vas metablicas, a travs de clulas, tejidos y cubiertas, hasta paisajes, regiones y la biosfera entera. Los frutos seran grandes para la fisiologa, la ecologa y la qumica atmosfrica. Daran luz a la todava enigmtica emisin de COVs por las plantas. 4.3. Efectos sobre la qumica atmosfrica Las plantas devuelven as pues una parte importante del carbono que asimilan a la atmsfera en forma de compuestos orgnicos voltiles biognicos (COVBs). Cules son los efectos de estos compuestos sobre la qumica de la atmsfera? Los COVs biognicos contribuyen a la carga de hidrocarburos de la atmsfera y afectan significativamente la qumica y el clima de la atmsfera, a travs de la formacin de ozono y aerosoles, la oxidacin del metano, o el balance del monxido de carbono (Chameides et al. 1988, Guenther et al. 1995, Andreae y Crutzen 1997, Lerdau et al. 1997, Kavouras, Mihalopoulos y Stephanou 1998, Kavouras et al. 1999). Las emisiones biognicas de COVs pueden influir enormemente en la qumica troposfrica, en regiones con altas emisiones de isopreno explican el 71% de la reduccin de OH comparado con el 11% explicado por el CO y 5% por la oxidacin del CH4 (Grosjean 1995). Poisson et al. 2000 demostraron que las emisiones globales de COVs causan un incremento del 18% en la concentracin troposfrica de ozono, decrecen un 16% la de OH y aumentan un 20% la vida media del CH4. 301

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Los COVBs tambin estimulan la formacin de nitratos orgnicos. Y parece claro que las emisiones biognicas de COVs afectan no slo el poder oxidativo de la atmsfera i.e. las concentraciones de OH y O3 sino tambin la distribucin espacial de NOx y su deposicin en ecosistemas remotos (Monson and Holland 2001). 4.4. COVBs y clima Adems de las posibles funciones de estos COVBs en las plantas y de los efectos que tienen sobre la qumica atmosfrica, nuevos datos hacen pensar que existe relacin entre ellos y el clima. Los COVs podran proteger a las plantas contra las elevadas temperaturas, y a su vez, las emisiones de COVBs que aumentan con el calentamiento, podran producir tanto una retroalimentacin positiva como negativa en el calentamiento del planeta. COVBs y termotolerancia Entre las posibles funciones de estos compuestos hay una que va adquiriendo cada vez mayor inters en el complejo fenmeno del cambio climtico. Recientemente, algunas evidencias han revelado que la produccin y emissin de los COVs (como el isopreno y los monoterpenos, que constituyen la mayor fraccin) podran conferir proteccin a las plantas frente a las elevadas temperaturas. Sharkey y Singsaas (Sharkey y Singsaas, 1995) fueron los primeros en proponer esta funcin de termotolerancia para el isopreno. Despus, se comprob tambin para los monoterpenos (Loreto et al., 1998). Estudios posteriores no fueron capaces de reproducir estos resultados y obtener claras evidencias del mecanismo de esta proteccin ante los daos provocados por las elevadas temperaturas (Logan y Monson, 1999). Sin embargo, estudios recientes muestran una posible relacin con la fotorespiracin, otro proceso fisiolgico de las plantas relativamente mal conocido. Nuestros resultados indican que la formacin de monoterpenos depende la actividad foto-respiratoria, y que los monoterpenos reemplazan la fotorespiracin en la proteccin contra las altas temperaturas en condiciones no fotorespiratorias (Peuelas y Llusi, 2002). Todo ello sugiere que el isopreno y los monoterpenos podran proteger los tejidos vegetales como secuestradores de las especies del oxgeno reactivo adems de como estabilizadores de los complejos de proteccin de las membranas fotosintticas. Se trata de una observacin de gran importancia en la investigacin sobre los mecanismos adaptativos de las plantas. La fotorespiracin es uno de los mecanismos habituales de defensa de las plantas cuando aumenta la temperatura. Provoca una disminucin de la eficiencia de la fotosntesis pero permite la disipacin del calor causado por el exceso de energa lumnica. Mediante la fotorespiracin, las plantas fabrican internamente el CO2 necesario para la fotosntesis en los casos en que ste no puede ser adquirido desde el exterior. Pero el aumento de temperatura incrementa tambin el ritmo de produccin y de emisin de isopreno y monoterpenos. En ese trabajo, Peuelas y Llusi, (2002) estudiaron los efectos de la fotorespiracin y de los monoterpenos en la tolerancia de las encinas al aumento de la temperatura midiendo la fluorescencia, la reflectancia y las concentraciones de monoterpenos, juntamente con los daos provocados en las hojas por el exceso de calor. Los mtodos de reflectancia y de fluorescencia de la clorofila permiten la cuantificacin de los efectos del exceso de calor en la fotosntesis de las plantas, con las ventajas de ser rpidos y no destructivos. El estrs provocado por el exceso de calor es especialmente evidente en el rea mediterrnea en donde las temperaturas elevadas coinciden con las condiciones de sequa en el verano, y la encina es una de las especies predominantes de los bosques mediterrneos. Sus hojas pueden sufrir estrs trmico por enci302

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ma de los 35 C. Generalmente la absorcin de CO2 decrece a partir de los 40 C, pero la encina puede crecer en ambientes en donde se alcanzan cerca de los 50 C, como por ejemplo en Sevilla. En ese estudio, Peuelas y Llusi, (2002) expusieron encinas a incrementos de temperatura desde 25 C hasta 50 C en saltos de 5C con y sin fumigacin con monoterpenos, y en atmsferas ricas y pobres en oxgeno. De esta manera, se pudo determinar que la accin de los monoterpenos sustituye la fotorespiracin en la proteccin al dao debido al exceso de energa lumnica a elevadas temperaturas. Los resultados tambin demostraron que las plantas pueden incorporar COVs emitidos por las plantas vecinas, con las enormes implicaciones que ello tiene para la comunicacin e influencia entre plantas distintas. Los resultados nos dejaron con la duda sobre el papel termoprotector en condiciones normales mientras la fotorespiracin est activa. Estudios ms recientes del grupo apuntan a que el efecto dermoprotector tambin est presente en esas condiciones (Foto 10. 2).

Foto 10. 2. Proteccin de las encinas ante las altas temperaturas conferida por la fumigacin con isopreno o con monoterpenos. (De Peuelas y Llusi, datos no publicados).

Efectos del cambio climtico sobre las emisiones de COVBs. Aumento de COVBs en respuesta al calentamiento y a los dems factores del cambio global En todo caso, de lo que no hay duda es que las emisiones de COVBs aumentan con la temperatura (ver ms arriba, seccin 4.2.3). A lo largo de las dos ltimas dcadas se han realizado muestreos a nivel de hoja y de rama mediante tcnicas de inclusin. Ms recientemente, tambin se han llevado a cabo muestreos a nivel de dosel y de comunidad combinando mtodos micrometeorolgicos como eddy covariance, gradiente de flujo y relaxed eddy accumulation, y finalmente tambin a nivel de paisaje y a nivel regional mediante sensores aerotransportados (Guenther et al., 1996; Greenberg et al., 1999). Todo ello ha proporcionado importantes avances en la cuantificacin de las emisiones de COVBs bajo diferentes condiciones ambientales. Las tasas totales de emisiones son muy variables en el tiempo y en el espacio y entre especies; normalmente varian entre 0 y 100 mg g-1 PS h-1 (Kesselmeier y Staudt, 1999). Las tasas de emisin globales se han estimado en aproximadamente 1015 g COVBs ao1, lo que representa cerca del 80% del total de los COVs qumicamente reactivos aadidos a la atmsfera cada ao (el resto son de origen antrpico) (Guenther et al., 1995). Ya que las emisiones biognicas responden a la temperatura (Tingey et al., 1996; Llusi y Peuelas, 2000), el calentamiento global de los ltimos 30 aos (Houghton et al., 2001; Peuelas y Filella, 2001a), puede haberlas incrementado en aproximadamente un 10%, y un posterior 303

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aumento de 2-3 C en la media global de la temperatura que se ha previsto para este siglo (Houghton et al., 2001) prodra aumentarlas an un 30-45% ms. El calentamiento no es el nico cambio global ambiental que puede hacer crecer las emisiones biognicas de COVs (Fig. 10.2). El aumento de las concentraciones de CO2 atmosfrico har aumentar probablemente la productividad y la biomasa de las plantas, aunque slo sea a corto plazo, y, por tanto, facilitar una mayor produccin y emisin de COVBs, aunque elevadas concentraciones de CO2 per se no parece que incrementen la liberacin de monoterpenos (Peuelas y Llusi, 1997). El aumento antropognico de la fertilizacin nitrogenada de la biosfera (Peuelas y Filella, 2001b) parece ser que tambin incrementara las emisiones aumentando la fijacin del carbono y la actividad de las enzimas responsables (Litvak et al., 1996). Los cambios en los usos del suelo, con la consiguiente cambio de las especies dominantes, tambien tiene el potencial de cambiar dramticamente las emisiones de COVs ya que stas son especie-especficas (Lerdau y Slobodkin, 2002). Por ejemplo, la conversin de los bosques tropicales en pastos con abundantes plantas C4, que no son grandes emisoras, puede hacer disminuir las emisiones de COVBs. Por el contrario, el abandono de los campos de cultivo y la subsiguiente aforestacin o la reforestacin, por ejemplo con Populus, pueden aumentar considerablemente dichas emisiones. Hay una considerable laguna en el conocimiento preciso y completo de los efectos de todos estos componentes del cambio global, pero todo parece indicar que probablemente el mayor efecto del cambio ambiental ser un aumento en las emisiones de COVBs.

Figura 10. 2. Los compuestos orgnicos voltiles biognicos pueden conferir termotolerancia a las plantas. Pero enfran o calientan el ambiente? Diagrama esquemtico de las interacciones entre el calentamiento climtico (y cambio global) y las emisiones de compuestos orgnicos voltiles biognicos (De Peuelas y Llusi 2003).

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Efectos de las emisiones de COVBs sobre el clima local y global Los COVBs contribuyen sustancialmente a cargar la atmsfera de hidrocarburos. Las cantidades emitidas normalmente son equivalentes a la suma de las emisiones biognicas y antropognicas de metano (Guenther et al., 1995). Este aumento en las emisiones de COVBs puede tener efecto sobre la fsica de la atmsfera? Muchos de los estudios de los impactos de las emisiones de COVBs se han centrado como hemos visto en los cambios del potencial redox de la atmsfera ya que los COVs influyen en el potencial de oxidacin de la troposfera pues alteran las concentraciones de su principal oxidante, el radical hidroxilo (Peuelas, 1993). Menor importancia se le ha dado a estos compuestos en cuanto a los efectos directos que puedan ejercer sobre el clima ya que presentan un tiempo de residencia en la atmsfera muy corto. Sin embargo, cada vez hay mayor evidencia que esta influencia puede ser significativa a diferentes escalas espaciales, desde la local a la regional y la global, por la formacin de aerosoles y por su efecto directo e indirecto en el efecto invernadero. Estos COVBs generan una amplia cantidad de aerosoles orgnicos (Kavouras et al., 1998) que pueden tener una considerable influencia sobre el clima por formar ncleos de condensacin. Como resultado, se puede esperar un enfriamiento neto de la superficie de la tierra. De hecho, Shallcross y Monks (Shallcross y Monks, 2000) han sugerido que las plantas pueden emitir isopreno en parte para enfriar su contorno a travs de la formacin de aerosoles aparte de cualquier otro proceso fisiolgico o evaporativo que pueda enfriar la planta directamente. Sin embargo, se ha descrito tambin que los COVBs contribuyen en cambio a retrasar el enfriamiento nocturno en reas con masas de aire relativamente secas y fotosntesis activa (Hayden, 1998). Adems, se han documentado inversiones trmicas nocturnas importantes (10 C ms a 50 m que en la superficie) en lugares cubiertos por grandes emisores de terpenos (Garstang et al., 1997). Fuentes et al. (2001) han interpretado estos retrasos en las prdidas de calor y calentamiento en la baja atmsfera como resultado del efecto invernadero de algunos COVBs combinado con una liberacin al medio del calor latente del agua condensada en los aerosoles derivados de los COVBs. A parte de este efecto invernadero local producido por los COVBs, un efecto que parece slo detectable cuando stos son muy abundantes, debe tambin considerarse su efecto invernadero indirecto a nivel global ya que los COVBs alargan la vida media del metano en la atmsfera o favorecen la produccin de ozono, y por tanto contribuyen al aumento del efecto invernadero de estos otros gases. An quedan muchos interrogantes por contestar en cuanto a los COVBs en relacin a la interaccin entre la atmsfera y la biosfera y vice-versa se protegen realmente las plantas del calentamiento produciendo y emitiendo COVBs? El aumento de COVBs enfra el ambiente o, por el contrario, lo calienta ms? El efecto global depender del peso relativo y de las escalas temporales y espaciales de las interacciones positivas y negativas mencionadas. Para resolver estas importantes cuestiones se necesitarn investigaciones interdisciplinarias entre bilogos, fsicos y qumicos trabajando a diferentes escalas.

5. Implicaciones y perspectivas para la gestinNo cabe duda, a la luz de lo aqu expuesto, que la gestin forestal y de espacios naturales (tambin la agrcola) debe considerar el importante papel que juegan las emisiones gaseosas de las plantas en la qumica atmosfrica y en el clima local y global y, por supuesto, el importante papel de las plantas como sumideros de gases atmosfricos tan importantes como el CO2 (ver captulo XV). En esta lnea de consideracin de este intercambio gaseoso vegetacin-atmsfera, los gestores de la naturaleza y de nuestros hbitats, tanto el rural como el 305

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urbano, debern considerar las propiedades de emisin de compuestos orgnicos voltiles de las distintas especies cuando quieran evitar la formacin de contaminantes atmosfricos secundarios. De hecho, mientras que debern considerar las especies con emisiones altas como candidatas a reforestar zonas ridas y con altas temperaturas, pues esas pueden ser las especies ms resistentes a esas condiciones, en cambio, tendrn que escoger las especies con bajas emisiones para reforestar zonas urbanas y suburbanas as como zonas industriales con alta contaminacin antropognica (por ejemplo de xidos de nitrgeno) si no quieren favorecer la formacin de contaminantes secundarios como el ozono. Y en definitiva, la gestin forestal y de los espacios naturales no puede olvidar el papel de bosques y matorrales en la preservacin del medio ambiente atmosfrico y en la actuacin como amortiguadores de ambientes contaminantes y CO2 (ver captulo XV).

AgradecimientosAgradezco la financiacin de los trabajos conducentes a la elaboracin de este captulo por parte del MCYT (proyectos REN2000-0278/CLI, MCYT-REN2003-04871/GLO) y de la Unin Europea (proyecto VULCAN-EVK2-CT-2000-00094).

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