Algas verde-azules

8.1 Introducción

Las cianobacterias (algas verde-azules) son los fotoautótrofos oxigenados más antiguos de la Tierra y han ejercido un gran impacto en la formación de la biosfera, lo que ha llevado a la evolución de la vida vegetal y animal terrestre superior (Paerl y Otten, 2013). A lo largo de su larga historia evolutiva (unos 3.500 millones de años), las cianobacterias han adquirido la capacidad de adaptarse a los cambios geoquímicos y climáticos (Paerl y Paul, 2012) y a diversos entornos acuáticos con diferentes niveles de nutrientes, desviación de aguas y salinización (Reynolds, 1987; Paerl y Otten, 2013). El calentamiento global y la eutrofización de las masas de agua han aumentado el potencial de floración de cianobacterias debido a las condiciones de crecimiento preferente de las cianobacterias con niveles de temperatura y nutrientes más altos (Smith, 1986; Paerl y Huisman, 2008). Esta tendencia es desfavorable porque las floraciones producen escorias superficiales y olor a tierra en las masas de agua para el suministro de agua potable (Codd et al., 1999) y se ha informado de que las cianobacterias producen una variedad de compuestos tóxicos, por ejemplo, microcistinas y saxitoxinas (Baker et al., 2002; Chorus y Bartram, 1999; Sivonen, 1996). Estas toxinas generadas por las cianobacterias pueden causar graves problemas de salud; por ejemplo, se ha sugerido que las microcistinas causan lesiones hepáticas agudas o incluso la muerte (Falconer et al., 1983; Jochimsen et al., 1998; Carmichael et al. 2001; Azevedo et al. 2002) y la exposición crónica a microcistinas de bajo nivel aumenta el riesgo de tumores (Falconer y Humpage, 1996; Humpage et al., 2000). Así pues, las floraciones adversas de cianobacterias provocan graves problemas en los lagos y embalses para el suministro de agua potable y/o las actividades recreativas. Es fundamental monitorear las floraciones de cianobacterias y determinar la toxicidad en las fuentes de agua potable desde una etapa temprana (Baker et al., 2002; Codd et al., 2005; Song et al., 2014).

Por lo tanto, determinar la abundancia de cianobacterias ayuda a los administradores de recursos hídricos a tomar medidas para disminuir los accidentes de salud causados por las cianobacterias. El primer enfoque es el recuento de células de cianobacterias mediante microscopía, que también proporciona la identificación del género de cianobacterias. La reacción en cadena de la polimerasa también se adaptó para identificar directamente las cianobacterias de otros organismos en muestras de agua mediante la amplificación de la región del espaciador intergénico de la ficocianina, que también proporciona una implicación directa de la toxigenicidad (Baker et al., 2002). La aplicación de la cromatografía líquida de alta presión (HPLC) es otro protocolo estándar para la identificación y cuantificación de cianobacterias (Lawton et al., 1994). Aunque la HPLC no tiene la capacidad de identificar las especies de cianobacterias, mide varios pigmentos y proporciona una medida sólida de la abundancia de cianobacterias. Por otro lado, los enfoques fluorométricos in vivo suelen proporcionar una medida indirecta de la abundancia de cianobacterias mediante la determinación de la concentración de uno o dos pigmentos, como la clorofila-a (chl-a) y la ficocianina (PC). Por ejemplo, varias empresas (por ejemplo, Hydrolab y YSI) fabrican sondas multiparamétricas sumergibles equipadas con sensores de fluorescencia para cuantificar la clorofila-a, la PC y la ficoeritrina en una columna de agua. A pesar de que los enfoques de laboratorio y de campo descritos anteriormente proporcionan datos útiles para inferir el crecimiento de las cianobacterias, estos enfoques tradicionales suelen ser limitados debido a los grandes esfuerzos de muestreo de agua (Hunter et al., 2009) o a la pequeña escala espacial de cobertura (Guanter et al., 2010).

Como resultado, los enfoques tradicionales no son adecuados para monitorear las floraciones de cianobacterias que son efímeras en el tiempo y ampliamente dispersas en el espacio (Hunter et al., 2010; Huang et al., 2015). Las limitaciones de los enfoques tradicionales se superan con las técnicas de teledetección, que proporcionan una visión sinóptica a una escala temporal corta. Por ejemplo, la teledetección se utilizó para monitorizar la dinámica espacio-temporal de la concentración de clorofila () en aguas interiores (por ejemplo, Gons, 1999; Gons et al., 2008; Li et al., 2013 y sus referencias; también véanse los capítulos 6 y 7Capítulo 6Capítulo 7 de este libro para el modelado bioóptico y la fluorescencia de la clorofila en aguas interiores, respectivamente), que posteriormente se utilizó para inferir la biomasa de cianobacterias (Kutser, 2004). Sin embargo, sólo implica la biomasa algal total pero no la biomasa específica de cianobacterias. La cuantificación de la clorofila no es un medio sólido para estimar con precisión la abundancia de cianobacterias porque todo el fitoplancton contiene clorofila (Randolph et al., 2008; Song et al., 2014). Se necesita una cuantificación de un pigmento contenido por las cianobacterias de agua dulce para determinar con mayor precisión la abundancia de cianobacterias en las masas de agua. Se ha sugerido que el PC es un pigmento único de las canobacterias de agua dulce y presenta una característica óptica distintiva en torno a los 620-630 nm (véase la sección 8.2), lo que hace posible la detección remota (es decir, el modelado bioóptico) de las cianobacterias (por ejemplo, Dekker, 1993; Simis et al., 2005; Mishra et al., 2013). Por lo tanto, la teledetección de las cianobacterias de agua dulce se ha centrado en gran medida en el desarrollo de diferentes algoritmos bioópticos para estimar el PC en las últimas dos décadas (por ejemplo, Dekker, 1993; Schalles y Yacobi, 2000; Simis et al., 2005, 2007; Li et al., 2015 y sus referencias), aunque también se encontraron algunos trabajos sobre la cuantificación remota de las células de cianobacterias (por ejemplo, Lunetta et al., 2015).

Como se ha comentado anteriormente, los enfoques tradicionales para el seguimiento de las cianobacterias que se basan en el muestreo de campo requieren mucho tiempo y trabajo; por lo tanto, este capítulo se centra en las técnicas emergentes de teledetección que proporcionan un método rápido y eficiente para proporcionarnos tanto la intensidad como la distribución espacial de las floraciones de cianobacterias. En la Sección 8.2, se discutirá la característica de absorción de la PC y su correspondiente respuesta en la reflectancia de la teledetección, ya que es la base fundamental para el modelado bio-óptico de la ficocianina a partir de las mediciones de teledetección. A continuación, en la sección 8.3, revisamos exhaustivamente los algoritmos de teledetección existentes en la literatura. Posteriormente se evalúan y comparan algunos algoritmos representativos utilizando el mismo conjunto de datos de campo de gran tamaño en la Sección 8.4. En la sección 8.5, se generan mapas a partir de imágenes aéreas para demostrar la capacidad de la teledetección para presentar una visión sinóptica de una masa de agua. Por último, en la sección 8.6 se presenta un resumen de este capítulo y la dirección de la investigación futura de la modelización bioóptica de

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