By Ole Pedersen, Claus Christensen and Troels Andersen
O fraco crescimento de plantas em aquários tem sido geralmente atribuída à insuficiência de luz sobre o tanque, e quando perguntado aos especialistas, o conselho tem sido sempre para aumentar a disponibilidade de luz antes que qualquer outra ação seja tomada. Novas pesquisas mostram que isso pode ser um mau conselho, em particular, para um aquário sem injeção de CO2.
Mesmo nos livros didáticos modernos, você ainda pode encontrar a alegação de que apenas um recurso pode limitar o crescimento das plantas de cada vez. Este também foi conhecido como o princípio de Liebig. Justus Liebig foi um famoso químico alemão que, entre muitas coisas, trabalhou com a nutrição de plantas agrícolas. Ele postulou que um e apenas um fator pode limitar o crescimento das plantas em qualquer momento. Não está claro se Liebig desenvolveu o ancestral da figura 1, mas a simplicidade do barril, que é parcialmente cheio de água, tem contribuído grandemente para manter esta percepção de limitação de recursos.
Para as plantas terrestres isso tem sido conhecido por ser errado por várias décadas e também entre as ciências de plantas aquática, a co-limitação de recursos tem sido um princípio aceito por pelo menos 20 anos. Poucos estudos aquáticos têm demonstrado que o efeito da interação de luz e CO2 podem se traduzir de efeitos de fotossíntese em efeitos sobre o crescimento (Maberly 1985, Madsen and Sand-Jensen 1994). Neste artigo vamos mostrar dados de experimentos, onde criamos co-limitação de CO2 e luz, que na natureza são os dois principais fatores limitantes para o crescimento de plantas aquáticas.
Figura 1 A figura mostra a ilustração clássica do princípio de Liebig. Neste caso particular, o elemento Bor (*boro) está limitando o crescimento da planta e a água está correndo para fora do barril quando a limitação de crescimento é atingida.
Para entender como as plantas respondem à luz incidente, a utilização geral de luz de uma planta aquática é esquematicamente mostrado na Figura 2A. Em intensidades de luz muito baixas, a luz incidente é insuficiente para sustentar uma fotossíntese positiva e o saldo de oxigênio gerado na planta é negativo. Em outras palavras, os processos de respiração excedem a fotossíntese. Em um determinado nível de luz, no entanto, os dois processos se igualam um ao outro e temos, então, definido o ponto de compensação de luz da planta. Iluminando a planta com intensidades de luz ainda maior, a fotossíntese também é positivamente estimulada de forma linear. Com luz alta, o resultado decorrente da fotossíntese torna-se menor até que finalmente os níveis estabilizam em um ponto onde temos a fotossíntese máxima. Deste ponto em diante, mais luz não se traduzirá em uma maior fotossíntese.
Figura 2A e B As figuras mostram a relação teórica entre a luz e a fotossíntese (A) e de CO2 e fotossíntese (B). Em ambas as situações, uma função de saturação descreve a relação, embora a forma atual da função é diferente.
Para ambos os recursos, um ponto de compensação é definido como o nível em que a fotossíntese líquida ou o crescimento é zero. Abaixo deste ponto, a planta não pode manter sua biomassa. Em uma curva de saturação, há também um ponto em que um aumento na disponibilidade de recursos não resulta em aumento da fotossíntese. Veja o texto para maiores explicações.
Na natureza, o crescimento das plantas aquáticas é muitas vezes limitada pela disponibilidade de luz. A luz é eficientemente absorvido pela água em si, onde a energia da luz é transformada em calor, e se a água também contém algumas substâncias dissolvidas orgânica - por exemplo, ácidos húmicos em “Black Waters” - a absorção de luz pela água em si pode ser muito eficiente. A absorção de luz pela água e pelas substâncias define o limite de profundidade de crescimento de plantas aquáticas na natureza e a transparência da água pode, por vezes, ser tão ruim que impede toda a vegetação submersa, de modo que apenas plantas flutuantes e emergentes podem prosperar. Como a luz é um importante parâmetro competitivo, a evolução desenvolveu um sistema muito eficiente de utilização da luz em plantas submersas. Se as plantas possuem nutrientes suficientes disponíveis, elas muitas vezes investem mais energia em pigmentos de captura de luz carotenóides, Xantofilas e mais importante, clorofila.
A clorofila é o pigmento verde que absorve a luz e a transforma em energia química, que pode ser usado para o crescimento nas células. Fazendo isso, a planta garante que a luz, que está na verdade atingindo somente a superfície da planta, seja absorvida e utilizada para fins energéticos ao invés de ser meramente transmitido através do tecido da planta. Também é necessário conter uma grande quantidade de clorofila para obter um máximo de fotossíntese, mas um grande conjunto de clorofila não é de muito uso, se a energia produzida não pude ser utilizado para fixar carbono inorgânico em açúcares e carboidratos.
Plantas aquáticas costumam ter acesso a duas fontes de carbono inorgânico: dióxido de carbono (CO2) e bicarbonato (HCO3-). A maioria das plantas aquáticas prefere o CO2 ao invés de bicarbonato porque ele pode ser absorvido diretamente, sem quaisquer despesas energéticas e muitas plantas aquáticas não são capazes de utilizar diretamente o bicarbonato na fotossíntese. A utilização geral de CO2 de uma planta aquática é esquematicamente mostrado na Figura 2B. A curvatura da curva é um pouco diferente da curva de luz, pois não é linear mesmo em uma concentração muito baixa de CO2. Além disso, também podemos definir um ponto de compensação de CO2 como um ponto onde as concentrações de CO2 abaixo deste ponto têm um resultado líquido negativo de fotossíntese enquanto que as concentrações acima deste ponto em um resultado líquido positivo da fotossíntese. Uma das curvas tem um ponto de CO2 de zero. Isso ilustra o usuário de bicarbonato, que pode continuar a realizar a fotossíntese positiva mesmo em zero de CO2, porque ele pode usar o bicarbonato como fonte de carbono inorgânico.
Na natureza, a concentração de CO2 é muitas vezes maior na água que no ar, mas, apesar disso, a disponibilidade real para a planta aquática é menor. Isso é por causa do movimento lento de gases na água, onde a difusão é 10.000vezes menor na água que no ar. Assim, embora a concentração de CO2 em muitos córregos e rios podem ser maiores do que no ar, o movimento lento de gases na água, eventualmente, leva à limitação de crescimento de plantas aquáticas pelo CO2. As folhas finas típica de plantas submersas aliviam muito a limitação de CO2. Isto é em parte porque as folhas finas possuem camadas mais finas através da qual CO2 deve difundir e em parte porque uma vez que o CO2 entre na folha, não tem que viajar muito antes que seja fixado em carboidratos pela fotossíntese. De muito mais importância é a capacidade da planta para regularem – para cima ou para baixo - as reservas de diferentes enzimas (fx Rubisco e Pepcarboxylase) que participam na fixação de carbono. Na baixa disponibilidade de CO2, a planta pode investir mais energia em enzimas, que ajudam no processo de absorção de CO2 ou a fixação de CO2 e, assim, aliviar o efeito da limitação de carbono. Algumas plantas também são capazes de produzir isoenzimas, que são enzimas com diferentes afinidades químicas e assim a afinidade por CO2 pode ser alterados para favorecer a absorção dele. Não está claro o quão importante são as isoenzimas no processo de absorção de CO2 e na literatura científica isoenzimas são freqüentemente associados com temperatura de aclimatação em plantas.
As implicações ecológicas das interações entre a luz e CO2 são óbvias. Se, por exemplo, se a disponibilidade de CO2 é melhorada, aumenta a eficiência do uso da luz que pode permitir que as plantas aquáticas penetrem em maior profundidade onde a luz é escassa, mas as concentrações de CO2 são mais elevadas, devido à remineralização no sedimento. A disponibilidade de luz alta também pode permitir que as plantas aquáticas diminuam o ponto de compensação de CO2 (Maberly 1983, Maberly 1985). Isso pode ser especialmente vantajoso para foto autótrofos que formam carpete em águas rasas. Nesses sistemas, a luz é abundante, muitas vezes enquanto que as concentrações de CO2 dentro do carpete são baixos devido a pouca circulação interna. Aqui, as interações entre a luz e CO2 podem permitir que os organismos fotossintéticos possam extrair CO2 de forma mais eficiente, como resultado de um ponto de compensação de CO2 baixou.
A adaptação à limitação de recursos é, no entanto, um assunto caro. Se a planta investe em mais clorofila ou mais enzimas, isso resulta em maior necessidades de nutrientes e uso de energia mais altos. O uso maior de energia vem do fato de que as proteínas requerem manutenção constante na célula para funcionar corretamente e esses processos de manutenção absorvem a valiosa energia e carboidratos, que poderiam ser utilizado para fins de crescimento. Portanto, nem todo o carbono inorgânico que é fixado em carboidratos na fotossíntese pode ser usado para fins de crescimento.
Estávamos interessados em determinar qual fator - CO2 ou luz - era o fator limitante de crescimento mais importante para as plantas aquáticas. Além disso, nos propusemos a responder à pergunta de se o CO2 ou a luz poderiam agir como um substituto para o outro e, assim, aumentar o crescimento por f(x). Adicionar mais CO2, mesmo sob luz forte limitação ou vice-versa. Para responder a estas questões experimentalmente, nós crescemos Riccia fluitans em um design fatorial cruzado, em condições de saturação de nutrientes (por nutrientes queremos dizer nitrogênio, fósforo e todos os micro nutrientes). Nós projetamos o experimento para que pudéssemos regular disponibilidade de luz e CO2 de forma independente e a Tabela 1 mostra a matriz experimental onde tivemos um total de 9 tratamentos diferentes apenas na disponibilidade de luz e CO2. Pouca luz corresponde às condições encontradas perto do limite de profundidade de plantas aquáticas e muitos equipamentos padrões em aquários. Luz alta corresponde a níveis de luz encontradas na natureza, perto da superfície da água ou em um aquário muito bem iluminada com lâmpadas de alta-pressão de mercúrio ou as lâmpadas halógenas. De fato, a intensidade de luz média neste estudo corresponde a um aquário plantado bem iluminado. Baixo CO2 corresponde à concentração de CO2 encontrado em muitos lagos ou em um aquário sem fertilização de CO2 - mas com uma bomba de aeração em funcionamento. Alta concentração de CO2 é de 40 mg / l, o que pode ser encontrado em muitas correntes de alimentação de água subterrânea e também é o nível máximo recomendado pela maioria dos aquaristas experientes. Usamos Riccia fluitans como uma planta modelo em nossos experimentos, principalmente porque é fácil de crescer. Assim, poderíamos produzir um grande número de repetições, que, posteriormente, nos permitisse tirar conclusões mais rígida a partir de nossas experiências.
Tabela 1. A matriz experimental mostrando o design experimental e as taxas de crescimento resultante como por cento ao dia. Ao mover horizontalmente da esquerda à direita a aumenta a disponibilidade de luz e quando se deslocam verticalmente de cima para baixo aumenta a disponibilidade do CO2. Pouca luz corresponde à situação em aquários comuns e de baixo CO2 corresponde a um aquário com uma bomba de aeração (saturação de ar). Para comparação, o sol pleno no Norte da Europa é de cerca de 70.000 lux e um pequena corrente natural pode conter até 50 mg de CO2 por litro. Ambos lux e mg / l são unidades muito velhas para luz e CO2 e estas unidades não são encontradas na literatura científica. Para uma conversão exata de unidades científicas para essas unidades gerais os seguintes fatores podem ser utilizadas: a luz (400 a 700 nm) 1 umolfótons/m2/s = 60,6 lux e para CO2 1 mmol / l = 44 mg / l
A Tabela 1 mostra os resultados desses experimentos expressando a taxa de crescimento da Riccia fluitans em percentagem por dia, assumindo um crescimento exponencial ao longo do período (1). Vemos que com pouca luz e com pouco CO2, a Riccia fluitans é apenas capaz de manter uma taxa de crescimento positiva, enquanto com pouco CO2 e de alta a luz, a taxa de crescimento é quase seis vezes maior. Mais importante, em baixos níveis de luz a adição de CO2 é capaz de estimular o crescimento por um fator de quase 4!
Talvez uma estimulação da taxa de crescimento por um fator de 4-6, não pareça muito, mas é por causa da natureza exponencial da taxa de crescimento que realmente faz a diferença durante um período de, por exemplo, duas semanas. A figura 3 mostra como 1 grama de Riccia fluitans se desenvolve ao longo de duas semanas, com quatro diferentes taxas de crescimento. Pouca luz e baixas concentrações de CO2 mal resultaram em um crescimento positivo durante essas duas semanas, enquanto que o tratamento com CO2 alto e luz baixa se traduz em quase uma duplicação do peso do tecido. Para efeito de comparação, a luz alta e baixa concentração de CO2 resultaram em 2,5 gramas de tecido após duas semanas. É desnecessário dizer, que o benefício do aumento da luz e CO2 superam o efeito de elevar apenas um parâmetro.
Na maior disponibilidade de luz e CO2, 1 grama de Riccia cresceu espantosos 6,9 gramas após duas semanas. Surpreendentemente, o estímulo observado na taxa de crescimento quando a luz e o CO2 são aumentados é maior do que a contribuição de cada parâmetro individual. Exemplo: A taxa de crescimento em baixa luminosidade e baixas concentrações de CO2 é de 1,1% por dia. Aumentando a quantidade de luz, a planta cresceu 3,3% por dia ou 2,2% adicionais em relação à condição inicial. Da mesma forma, aumentando o CO2, a taxa de crescimento agora é de 3,8% por dia, ou mais 2,7%. Uma relação aditiva, então, traduzir-se-ia em 6,0% por dia (1,1 + 2,2 + 2,7), mas a taxa de crescimento resultante da combinação de luz e CO2 são de 9,2% ao dia, que é significativamente maior. Esta tendência também vale quando se aumenta mais ainda a luz e o CO2 (ver Tabela 1).
Figura 3 A figura mostra como 1 grama de Riccia desenvolve ao longo de duas semanas sob a luz dada e os níveis de CO2. Com pouca luz e baixas concentrações de CO2, a Riccia é apenas capaz de manter a biomassa e uma grama se transforma em 1,16 grama após duas semanas (linha branca). Com luz baixa e bastante CO2, 1 grama se transforma em 1,75 (linha verde) e em luz alta, mas baixas concentrações de CO2, 1 grama se transforma em 2,41 grama. A combinação, porém, é maior do que os recursos individuais e em luz alta e CO2 elevado,1 grama se transforma em 6,90 grama.
(1) Ao assumir um crescimento exponencial, podemos usar esta fórmula para calcular a taxa de crescimento: μ = (ln W1 - ln W0) / t, onde W0 é o peso do tecido da planta quando começa os experimentos, W1 é o peso após a incubação e t é o tempo de incubação em dias. O pano de fundo para hipótese de um crescimento exponencial é o fato de que todos os novos tecidos formados durante o período de incubação, em princípio, pode formar novos tecidos e assim por diante.
A Figura 4 mostra uma explicação conceitual de nossos achados. Em baixas concentrações de CO2 e baixa luz não há muita energia para jogar para cima ou para baixo as concentrações de clorofila ou enzimas. Se em seguida, adicionarmos um pouco mais de CO2 para o sistema, a planta pode dar ao luxo de investir menos energia e recursos na captação de CO2 e que deixa mais energia para aperfeiçoar a utilização da luz - mais clorofila pode ser produzida sem conseqüências fatais para o balanço de energia. Assim, apesar de não ter aumentado a luz, a planta pode agora utilizar a luz disponível de forma mais eficiente. Exatamente a mesma explicação pode ser usada para explicar por que a luz aumentada pode estimular o crescimento, mesmo em concentrações muito baixas de CO2. Com mais luz disponível, menos investimento no sistema de utilização da luz é necessário e a energia livre pode ser investida em um sistema de absorção de CO2 mais eficiente para que o CO2, que está presente na água, possa ser extraído de forma mais eficiente.
Figura 4 Este diagrama conceitual mostra como a disponibilidade de recursos externos afeta os gastos internos ligado a captura de luz e assimilação de CO2. Colocado desta forma simples, o equilíbrio entre receitas e despesas determina o resultado.
Acreditamos que nossos achados com a Riccia podem ser extrapolados para a maioria das plantas aquáticas, e na última década também trouxe mais evidências científicas que sustentam essa idéia. Houve experimentos com Elodea canadensis e Callitriche sp. mostrando a mesma tendência (veja a lista de literatura), sugerindo que a limitação de recursos não é tão simples como sugeriu Liebig. Muitos recursos são capazes de substituir um pelo outro ou pelo menos aliviar os sintomas da limitação de recursos. Vendo esses dados em um aspecto mais global, podemos esperar que o aumento do CO2 atmosférico possa realmente levar a um aumento de produção de plantas na terra. No entanto, também podemos prever efeitos secundários graves. Plantas crescendo em CO2 elevado poderiam diluir suas reservas de enzimas de fixação de carbono e que reduziria o valor nutricional de culturas já que as enzimas são proteínas. Para plantas aquáticas, a duplicação do CO2 atmosférico, provavelmente, não terá qualquer efeito sobre a produção vegetal, pois a maioria das plantas aquáticas já cresce sob condições de CO2 supersaturada. Para aquelas poucas que não, ou seja, as plantas submersas de lago é difícil prever a influência da disponibilidade aumentada de CO2, porque aqui temos a concorrência de fitoplâncton do lago.
Alguém pode perguntar como podemos usar todas as informações acima em um aquário plantado! De muitas maneiras, o aquário plantado moderno assemelha-se ao nossa setup experimental com Riccia. Apesar de todos os recursos individuais serem difíceis de controlar com perfeição, somos capazes de determinar a quantidade de luz, quanto CO2 e quanto nutrientes na forma de nitrogênio, fósforo, ferro e micronutrientes gostaríamos de oferecer a nossas plantas. Começando com os nutrientes, um aquário plantado normal, se tiver uma boa população de peixes, geralmente possui nitrogênio e fósforo suficientes. Quando se trata de ferro, potássio, manganês, micronutrientes e outros, muitas vezes é uma coisa complicada. Alguns aquários são bem planejado desde o início com, por exemplo, laterita e outros fertilizantes no substrato, enquanto outros não são. Na maioria dos casos, no entanto, um fertilizante para plantas de aquário sem nitrogênio e fósforo pode ser adicionado para manter o crescimento saudável. Muitas vezes, é uma tarefa muito mais difícil e cara para fornecer luz adequada sobre o aquário plantado. Tanto a luz fluorescente e lâmpadas de mercúrio de alta pressão podem produzir luz suficiente, se fornecidos com refletores eficazes, mas em aquários profundos (mais de 50 cm) é muito difícil oferecer luz suficiente para iluminar pequenas plantas exigentes em primeiro plano. Baseado em nossos experimentos, sugerimos iniciar a injeção de CO2 antes de qualquer outra ação tomada! Acreditamos que, mesmo em intensidades de luz muito modestas você vai experimentar uma mudança notável no desempenho de plantas em seu aquário. A quantidade exata de CO2 pode ser sempre discutida, mas se você não tem peixes muito sensíveis em seu estoque de peixes, as concentrações de 25 e até 50 mg / l só irá melhorar o crescimento das plantas. Você provavelmente verá que as plantas, que mal conseguiam sobreviver até agora, vão prosperar na presença de CO2.
Literatura
Andersen (1999) Interactions between light and inorganic carbon stimulate the growth of Riccia fluitans L. Report from The Freshwater Biological Laboratory, University of Copenhagen (e-mailtandersen@zi.ku.dk), in Danish.
Maberly (1983) The interdependence of photon irradiance and free carbon dioxide or bicarbonate concentrations on the photosynthetic compensation points of freshwater plants. New Phytologist 93: 1-12.
Maberly (1985) Photosynthesis by Fontinalis antipyretica. I. Interaction between photon irradiance, concentration of carbon dioxide and temperature. New Phytologist 100, 127-140.
Madsen (1993) Growth and photosynthetic acclimation by Ranunculus aquatilis L. in response to inorganic carbon availability. New Phytologist 125: 707-715.
Madsen and Sand-Jensen (1994) The interactive effect of light and inorganic carbon on aquatic plants growth. Plant, Cell and Environment 17: 955-962.
