DSpace Collection:https://hdl.handle.net/10316/1522024-03-26T13:27:02Z2024-03-26T13:27:02ZMicrobial diversity and anaerobic metabolisms in the subsurface of the Iberian Pyritic BeltLeandro, Tânia de Jesus Travassoshttps://hdl.handle.net/10316/1051182023-02-03T12:05:58Z2018-07-05T00:00:00ZTitle: Microbial diversity and anaerobic metabolisms in the subsurface of the Iberian Pyritic Belt
Authors: Leandro, Tânia de Jesus Travassos
Abstract: Río Tinto is an acidic river that originates at Peña de Hierro (Spain) and is characterized by its low pH values, high concentration of ferric iron, sulfate and heavy metals. Peña de Hierro, is localized in the Iberian Pyritic Belt (IPB), a geological formation that hosts one of the largest massive sulfide ore deposits known. Previous studies on the geomicrobiology of the deep subsurface of Río Tinto aquifer at Peña de Hierro have indicated the occurrence of microorganisms inhabiting rocks in the deep subsurface. Recent drilling studies, reaching deeper into the subsurface of the IPB, produced two boreholes. Gases such as hydrogen, carbon dioxide and methane as well as anions such as the nitrate, nitrite, acetate, formate, propionate were detected within both boreholes.
This study focused as a starting point on culture-dependent methods to investigate the metabolic capacity of microbial populations inhabiting rock cores retrieved from several depths along both boreholes. The establishment of enrichment cultures designed to promote methanogenic and nitrate reducing activities resulted in methane production activity and nitrate reduction activity, respectively, from diverse rock samples of both boreholes. Positive enrichment of microorganisms with either metabolic capacity suggested that these pathways may potentially play a role in supporting microbial populations within the subsurface.
Culture-dependent techniques were also applied to isolate and identify the culturable microbial diversity enriched from selected cultures with methane production or nitrate reducing activity. These studies resulted in the isolation of several members of the domain Bacteria, belonging to the phyla Actinobacteria, Proteobacteria, Firmicutes and Bacteroidetes. Facultative anaerobic and strict anaerobic strains were identified as affiliated with bacterial strains known for their metabolic capacity for fermentative metabolism, nitrate reduction, sulfate reduction, iron reduction and acetogenesis. Additionally, an isolation assay with selected methane-producing enrichment cultures, was also performed with focus on the isolation of methanogenic archaea. So far, this study has resulted in the co-culture of an archaeal strain affiliated with the genus Methanosarcina in culture with a bacterial strain.
Three enrichment cultures with active methane production were selected to further study the diversity of microbial populations enriched under methanogenic conditions by 16S rRNA gene pyrosequencing. Data retrieved indicated the enrichment of additional bacterial populations not identified by culture-dependent assays. Bacteria affiliated with known sulfate reducing, fermentative, nitrate reducing and acetogenic bacteria were identified. This study identified the enrichment from rock cores of archaeal populations affiliated with members of the orders Methanosarcinales and Methanocellales. So far, this is the first report of the presence of members of Methanocellales from a deep terrestrial subsurface environment.
Both culture-dependent studies and culture-independent applied methods revealed the occurrence of diverse subsurface rock dwelling microbial populations which may potentially play an important role in the cycling of carbon, nitrogen, sulfur and iron elements through the subsurface ecosystem.
Integrative analysis of data within the IPB drilling project indicated that members of the genus Tessaracoccus are widely distributed in the subsurface. To further access metabolic potential of members of this genus isolated from the deep subsurface, Tessaracoccus sp. strain T2.5-30, isolated in this study from BH10 at 138.5 meters below surface, was selected for whole genome sequencing. Analysis of the annotated genome suggested potential for heterotrophic growth. A tentative complete pathway for fixation of inorganic carbon, as well as the capacity for nitrate reduction with ammonia formation and fermentative pathways, were found encoded in the genome.
Further studies with enrichment cultures established under methanogenic conditions resulted in the establishment of three subcultures. Preliminary studies based on in situ hybridization, electron microscopy and cloning indicated the co-enrichment in bacterial and archaeal populations. Identification of microbial diversity by 16S rRNA gene cloning for each culture identified so far the presence of bacteria affiliated with either the genus Paenibacillus, Sphingomonas, Rhodoplanes and an archaeon affiliated with the genus Methanobacterium.; O Río Tinto tem origem na Peña de Hierro (Espanha), sendo caracterizado pelo seu pH acídico, elevadas concentrações de ferro férrico, sulfato e metais pesados. A área da Peña de Hierro está localizada na Faixa Piritosa Ibérica (FPI) que consiste numa formação geológica que inclui um dos maiores sulfuretos maciços conhecidos. Estudos geomicrobiológicos prévios do subsolo profundo, no aquífero do Río Tinto na Peña de Hierro, indicam colonização microbiana de rochas. A perfuração recente de dois furos resultou no alcançe de uma maior profundidade no subsolo da FPI. Gases como hidrogénio, dióxido de carbono e metano, bem como aniões nitrato, nitrito, acetato, formato e propionato foram detectados em ambos os furos.
O nosso estudo recorreu como ponto de partida à aplicação de métodos dependentes de cultura, para investigar a capacidade metabólica de populações microbianas, que habitam a zona central de rochas de diferentes profundidades em ambos os furos. O estabelecimento de culturas de enriquecimento desenhadas para promover atividades metanogénicas ou de redução de nitrato, resultou na produção de metano ou redução de nitrato, respetivamente, em diversas rochas de ambos os furos. O enriquecimento de microrganismos com a respectiva capacidade metabólica investigada, sugere que essas vias metabólicas podem potencialmente desempenhar um papel no suporte de populações microbianas no subsolo.
Técnicas dependentes de cultura foram também aplicadas para isolar e identificar a diversidade microbiana cultivável, enriquecida a partir de culturas selecionadas com produção de metano ou redução de nitrato. Estes estudos resultaram no isolamento de vários membros do domínio Bacteria pertencentes aos filos Actinobacteria, Proteobacteria, Firmicutes e Bacteroidetes. Foram identificadas estirpes anaeróbias facultativas e anaeróbias estritas que apresentam maior similaridade com estirpes bacterianas com capacidade metabólica descrita para fermentação, redução de nitrato, de sulfato, de ferro férrico ou acetogénese. Adicionalmente foi realizado um ensaio focado no isolamento de arqueas metanogénicas a partir de culturas de enriquecimento com produçao de metano ativa. Até ao momento, este estudo resultou na co-cultura de uma arquea associada filogeneticamente ao género Methanosarcina em cultura com uma estirpe bacteriana.
Foram selecionadas três culturas de enriquecimento com produção ativa de metano para uma caracterização adicional da diversidade microbiana enriquecida em condições metanogénicas, recorrendo à pirosequenciação do gene 16S rRNA. Os dados indicam o enriquecimento adicional de populações bacterianas não identificadas por ensaios dependentes de cultura. Foram identificados organismos relacionados com bactérias descritas como redutoras de sulfato, fermentativas, redutoras de nitrato ou acetogénicas. Este estudo resultou ainda na identificação de arqueas filogeneticamente relacionadas com membros das ordens Methanosarcinales e Methanocellales. Até ao momento, este é a primeira descrição da presença de membros da ordem Methanocellales num ambiente subterrâneo profundo.
Ambos os estudos dependentes e independentes de cultura revelaram a ocorrência de diversas populações microbianas subterrâneas que podem potencialmente desempenhar um papel importante no ciclo do carbono, nitrogénio, enxofre e ferro através do ecossistema subterrâneo.
A análise integrativa de dados no projeto de perfuração da FPI indicou que membros do género Tessaracoccus estão amplamente distribuídos no subsolo. Para investigar o potencial metabólico de membros deste género, isolados a partir do subsolo profundo, a estirpe Tessaracoccus sp. T2.5-30, isolada a partir do furo BH10 a 138,5 metros abaixo da superfície, foi selecionada para sequenciação integral do genoma. A análise e anotação do genoma sugere um potencial para crescimento heterotrófico. Uma possível via para a fixação de carbono inorgânico, assim como a capacidade de redução de nitrato com formação de amónia e vias fermentativas, foram encontradas codificadas no genoma.
Estudos adicionais com culturas de enriquecimento estabelecidas em condições metanogénicas resultaram em três subculturas. Resultados preliminares baseados em hibridação in situ, microscopia eletrónica e clonagem indicam o co-enriquecimento de populações bacterianas com arqueas. A identificação da diversidade microbiana através da clonagem do gene 16S rRNA para cada cultura, identificou a presença de bactérias afiliadas com os géneros Paenibacillus, Sphingomonas, Rhodoplanes e uma arquea relacionada filogeneticamente com o género Methanobacterium.
Description: Tese de Doutoramento em Biociências, especialização em Microbiologia, apresentada ao Departamento de Ciências da Vida, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.2018-07-05T00:00:00ZPhysio-pathological role of ecto-5’-nucleotidase – a new target for neuroprotectionGonçalves, Francisco Manuel Queirozhttps://hdl.handle.net/10316/1051162023-02-07T12:51:05Z2018-05-16T00:00:00ZTitle: Physio-pathological role of ecto-5’-nucleotidase – a new target for neuroprotection
Authors: Gonçalves, Francisco Manuel Queiroz
Abstract: Adenosine is a neuromodulator in the central nervous system (CNS) that inhibits basal synaptic transmission through the action of adenosine A1 receptors (A1R) under low levels of stimulation and facilitates synaptic plasticity through the activation of adenosine A2A receptors (A2AR) upon higher levels of stimulation. This results from the fact that under high stimulation levels there is a preferential release of ATP, although it is not know why this release occurs under these circunstances. In the brain, ATP is stored in synaptic vesicles and released in an activity-dependent manner. Once in the extracellular side, it is catabolised through the action of ecto-nucleotidases to its metabolites ADP, AMP and adenosine. The final step of this catabolism is performed by ecto-5’-nucleotidase (CD73), the rate-limiting player controlling the formation of ATP-derived adenosine from AMP. Although there are some evidences showing a direct relationship between CD73 function and A2AR activation, this link remains unclear.
We now show in which circumstances the main source of adenosine, ATP, is preferential released and why. Furthermore, we tested the physiopathological role of CD73, since there is a parallel upregulation of A2AR and CD73 in brain damage situations, thus suggesting a key role for ATP-derived adenosine in formatting abnormal plastic changes in brain circuits.
It was found that the pattern of ATP release from nerve terminals is different from that of classical neurotransmitters and follows a peptidergic-like pattern. ATP is mostly released from large dense core vesicles (LDCV) in a manner sensitive to L-type channels that are typically recruited at higher intensities of nerve stimulation.
In mouse hippocampus, ATP-derived adenosine resulting from CD73 activity selectively activates neuronal A2AR to control synaptic plasticity. Similarly to A2AR CD73 is upregulated in a mouse model of early Alzheimer’s disease (AD) based on the intracerebroventricular administration of the neurotoxic peptide Aβ1-42. This increased CD73 activity appears to be critically required for the impairment of synaptic plasticity and memory with the synaptic deficits and behavioural changes being fully prevented in mice where CD73 is deleted or pharmacologically blocked.
Finally, it was detected a new physiological role for CD73. Under certain circunstances, CD73 can be looked upon as a new target to modulate mouse behaviour since it was observed for the first time that CD73, being the main source of ATP-derived adenosine in the brain, controls fear-related processes.
Overall, our observations help understanding why ATP is preferentially released under high stimulation levels, sustaining hippocampal synaptic plasticity processes through its conversion to adenosine. This establishes a new regulatory role of CD73 activity over neuronal A2AR and implying CD73 as a novel target for A2AR modulation in AD.; A adenosina é um neuromodulador no sistema nervoso central (CNS) que inibe a transmissão sináptica basal, através da ativação dos receptores A1 (A1R), durante baixos niveis de estimulação e facilita a plasticidade sináptica, através da ativação de receptores A2A (A2AR), durante altos níveis de estimulação. Isto resulta do facto de após estímulos de alta intensidade existir uma libertação preferencial de ATP, embora ainda não se saiba o porquê de esta libertação ocorrer nestas cisrcunstâncias.
No cérebro, o ATP é armazenado em vesículas sinápticas e libertado de uma froma dependente da actividade. Quando libertad no espaço extracelular, o ATP é catabolisado, através da acção de ecto-nucleotidases, nos seus metabolitos ADP, AMP e adenosina. O ultimo passo deste processo metabólico é promovido pela ecto-5’-nucleotidase (CD73), que se apresenta como o principal controlador da taxa de catabolismo do AMP em adenosina. Embora já existam algumas evidências que mostram uma realação direta entre a função da CD73 e a ativação dos A2AR, a importância fisiológica desta relação continua praticamente desconhecida.
Clarificamos agora, não só em que circunstâncias, o ATP é preferencialmente libertado, mas também o papel fisiopatológico da CD73, uma vez que, tal como os A2AR, apresentou um aumento de densidade em situações patológicas, conferindo assim à adenosina proveniente do ATP um papel fundamental na formação de alterações plásticas anormais nos circuitos cerebrais.
Foi observado que o perfil de libertação de ATP em terminais nervosos é disitinto quando comparado com os neurotransmissores clássicos, sendo semelhante ao perfil de libertação de peptídeos. O ATP é preferencialmente libertado de vesículas sinápticas de alta densidade (LDCV), estando essa libertação dependente da ativação de canais de Ca2+ tipo L que são precisamente aqueles que são recrutados durante níveis de estimulação elevados.
No hipocampo de ratinho observou-se que a adenosina proveniente do ATP e da actividade da CD73, ativa selectivamente os A2AR neuronais controlando assim a plasticidade sináptica. Similarmente ao que acontece com os A2AR, também a CD73 apresentou um aumento de densidade num modelo animal da doença de Alzheimer, após a administração intracerebroventricular de Aβ1-42, um peptídeo neurotóxico. Este aumento na densidade e atividade da CD73 parece ser fundamental para promover o prejuízo na plasticidade sináptica e na memória tendo como consequência diretas, défices sinápticos e alterações comportamentais. Consequências essas, que foram totalmente prevenidas em animais onde a CD73 foi geneticamente removida ou farmacologicamente bloqueada.
Finalmente, e face a estas observações, foi atribuído à CD73 um novo papel fisiológico. Em determinadas circunstâncias, a CD73 pode ser olhada como um novo alvo modulador do comportamento de ratinhos uma vez que foi observado pela primeira vez que, sendo a principal fonte de adenosina proveniente do ATP no cérebro, controla processos de memória relacionados com o medo.
Em suma, as nossas observações ajudam a compreender porque é que o ATP é preferencialmente libertado em circunstâncias de estimulação de alta intensidade, sustentando assim processos de plasticidade sináptica, no hipocampo de ratinho, através da sua conversão em adenosina. Estabelecemos assim um novo papel regulador da atividade da CD73, implicando-a como um novo alvo para controlar os efeitos terapêuticos dos A2AR na doença de Alzheimer.
Description: Doutoramento em Biociências, especialidade em Neurociências, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.2018-05-16T00:00:00ZThe role of polyploidy in shaping the diversity within Linum suffruticosum s.l. (Linaceae)Afonso, Ana Sofia dos Santoshttps://hdl.handle.net/10316/1051022023-02-02T11:40:19Z2022-11-04T00:00:00ZTitle: The role of polyploidy in shaping the diversity within Linum suffruticosum s.l. (Linaceae)
Authors: Afonso, Ana Sofia dos Santos
Abstract: Whole genome duplications (WGDs) bear broad-scale consequences on gene expression and developmental processes, potentially leading to immediate morphological, reproductive and physiological shifts. Changes in reproductive traits will be particularly relevant in species with complex breeding systems, such as heterostyly, a polymorphism that promotes outcrossing and reduces sexual self-interference. Cytotypes frequently have distinct characteristics that allow to grow in habitats different from their parentals and/or expand to new areas, leading to spatial segregation. In the Mediterranean region, the high frequency of polyploidy is likely a consequence of its dynamic paleogeographic and climatic history. Despite the advances in the genetic and epigenetic consequences of WGDs, the ecological factors driving polyploidy and its evolutionary consequences are poorly understood.
The main goal of this study was to evaluate the role of WGDs as one of the factors shaping the evolution of flowering plants, using Linum suffruticosum s.l. as study system. This species complex comprises heterostylous populations with long- and short-styled morphs individuals and a heteromorphic self-incompatibility system. It was also described as a polyploid complex, but nothing was known about its current cytogeographical patterns. First, I have focused on the cytogenetic and cytogeographical patterns, then, on the impacts of WGDs on environmental attributes and the reproductive morphology and reproductive system, and, finally, on the phylogenetic and phylogeographic relationships among cytotypes.
Using flow cytometric analyses and chromosome counts, I investigated cytotypes diversity and distribution patterns in most of the distribution range. High cytogenetic diversity was found with five major cytotypes being detected (diploids, tetraploids, hexaploids, octoploids and decaploids) and new ploidy levels were reported for the first time. The different ploidy levels were distributed parapatrically with several contact zones, and a few mixed-ploidy populations were observed. These results showed that WGDs are one of the key mechanisms governing the diversification of L. suffruticosum s.l.
The environmental niches of the five main cytotypes were studied across the distribution range, using niche modelling tools. Differences in the ecological requirements were observed, with polyploids being associated with dry and harhs habitat. Diploids presented the widest environmental niche, with polyploids occupying part of the diploid niche. Although some polyploids have equivalent potential ecological niches, the cooccurrence of cytotypes was not frequent in nature. The different ecological requirements could not entirely explain the distribution of cytotypes, but they have played a role in the mosaic distribution of ploidy levels of L. suffruticosum s.l.
To evaluate the impact of WGDs on reproductive traits and reproductive relationships, morph frequencies were recorded, and the sexual organs were measured in flowers from populations of each cytotype. Crosses within cytotypes (selfing, and intra- and inter-morph crosses) and crosses between diploids and tetraploids were performed. Most of the populations were isoplethic, and the reciprocity indexes were maintained in all cytotypes. The size of sexual organs increased with ploidy level, and there was an overlap in reciprocal positions among cytotypes. Linum. suffruticosum s.l. was strongly self- morph incompatible across all ploidy levels. However, crosses between diploid and tetraploids produced similar pollen tube development to intra-cytotype crosses. These results suggest that pollen and gene flow is possible among cytotypes and that such flow is prevented by geographical distance between populations.
Finally, DNA extractions from populations of all cytotypes were made and plastid and nuclear markers were used to estimate a haplotype-ribotype network and infer the phylogenetic and phylogeographic relationships among the cytotypes. Much higher variability of ribotypes and haplotypes were found in diploid populations from the east Pyrenees to northern Italy than in diploid and polyploid populations from Spain and Morocco. These results showed that several WGDs and differentiation events occurred along the distribution area.
In conclusion, the geographical overlap and high cytogenetic diversity suggest multiple origins of the polyploids. The ecological requirements played a role in the mosaic distribution of cytotypes, and the results provide solid data for future reciprocal experiments. There is no evidence of the breakdown of the incompatibility system, but pollen flow between cytotypes appears to be possible. Despite the impossibility to disentangle the origin of polyploids, the diversity observed provides valuable data for future phylogeny and phylogeography studies and should be accounted for when studying this complex's biosystematics.; As duplicações do genoma podem ter consequências em larga escala na expressão genética e nos processos de desenvolvimento, podendo levar a potenciais alterações morfológicas, reprodutivas e fisiológicas imediatas. Alterações nas características reprodutivas são particularmente relevantes em espécies com sistemas de reprodução complexos, como a heterostilia, um polimorfismo que promove a polinização cruzada e reduz a interferência dos órgãos sexuais. Os citotipos novos apresentam, frequentemente, características distintas que lhes permitem crescer em habitats diferentes dos seus progenitores e/ou expandirem-se para novas áreas, levando à segregação espacial. Na região do Mediterrâneo, a alta frequência de poliploidia é provavelmente consequência da uma história dinâmica paleogeográfica e climática. Apesar dos avanços nas consequências genéticas e epigenéticas das duplicações de genoma, os fatores ecológicos que conduzem à poliploidia e as suas consequências evolutivas são ainda pouco compreendidos.
O principal objetivo deste estudo foi avaliar o papel das duplicações do genoma como um dos fatores que influenciam a evolução das angiospérmicas, usando Linum suffruticosum s.l. como sistema de estudo. Este complexo de espécies é composto por populações heterostilas com indivíduos de morfotipos longos e curtos e um sistema de auto-incompatibilidade heteromórfica. Também foi descrito como um complexo poliploide, mas pouco se sabia sobre os seus padrões citogeográficos atuais. Primeiro, foquei-me nos padrões citogenéticos e citogeográficos, depois nos impactos das duplicações do genoma nos atributos ambientais e na morfologia reprodutiva e sistema reprodutivo e, por fim, nas relações filogenéticas e filogeográficas entre citotipos.
Usando a citometria de fluxo e contagens cromossómicas, investiguei a diversidade de citotipos e os padrões de distribuição na maior parte da área de distribuição. Foi encontrada uma elevada diversidade citogenética, com cinco citotipos principais detectados (diploides, tetraploides, hexaploides, octoploides e decaploides) e a descoberta de novos níveis de ploidia. Os diferentes níveis de ploidia distribuíram-se parapatricamente com várias zonas de contato, e foram detetadas algumas populações de vários citotipos. Esses resultados mostraram que as duplicações do genoma são um dos principais mecanismos que influenciam a diversificação de L. suffruticosum s.l.
Os nichos ambientais dos cinco principais citotipos foram estudados em toda a área de distribuição, usando ferramentas de modelação de nicho. Foram observadas diferenças nos atributos ecológicos, com os poliploides a serem associados a habitats secos e agrestes. Os diploides apresentaram o nicho ambiental mais amplo, com os poliploides a ocupar parte do nicho diploide. Embora alguns poliploides tenham nichos ecológicos potenciais equivalentes, a coocorrência de citotipos não é frequente na natureza. As diferentes exigências ecológicas não podem explicar inteiramente a distribuição dos citotipos, mas desempenharam um papel na distribuição em mosaico dos níveis de ploidia de L. suffruticosum s.l.
Para avaliar o impacto das duplicações do genoma nas características reprodutivas e relações reprodutivas, frequências de morfotipos foram registadas e os órgãos sexuais foram medidos em flores de populações de cada citotipo. Cruzamentos dentro de citotipos (autopolinização, e cruzamentos intra- e inter-morfos) e cruzamentos entre diploides e tetraploides foram realizados. A maioria das populações demonstrou ser isoplética e os índices de reciprocidade foram mantidos em todos os citotipos. O tamanho dos órgãos sexuais aumentou com o nível de ploidia e houve sobreposição nas posições recíprocas entre os citotipos. Linum suffruticosum s.l. é fortemente auto- e morfo-incompatível em todos os níveis de ploidia. No entanto, nos cruzamentos entre diploides e tetraploides foi obtido um desenvolvimento de tubos polínicos semelhante aos cruzamentos intra-citotipo. Estes resultados sugerem que o fluxo genético e de pólen é possível entre citótipos e que este fluxo é evitado pela distância geográfica entre as populações.
Finalmente, extrações de ADN de populações de todos os citotipos foram realizadas e marcadores plastidiais e nucleares foram usados para estimar redes de haplotipos-ribotipos e inferir as relações filogenéticas e filogeográficas entre os citotipos. Foi encontrada uma variabilidade muito maior de ribotipos e haplotipos em populações diploides desde o Leste dos Pirenéus ao norte da Itália do que em populações diploides e poliploides de Espanha e Marrocos. Esses resultados mostraram que vários eventos de duplicação de genoma e de diferenciação ocorreram ao longo da área de distribuição.
Em conclusão, a sobreposição geográfica e a elevada diversidade citogenética sugerem múltiplas origens dos poliploides. As exigências ecológicas desempenharam um papel na distribuição em mosaico de citotipos e os resultados fornecem dados sólidos para futuras experiências recíprocas. Não há evidência de quebra do sistema de incompatibilidade, mas o fluxo de pólen entre citotipos parece ser possível. Apesar da impossibilidade de desvendar a origem dos poliploides, a diversidade observada fornece dados valiosos para futuros estudos de filogenia e filogeografia e deve ser considerada no estudo da biossistemática desse complexo.
Description: Tese de Doutoramento em Biociências, especialização em Ecologia, apresentada ao Departamento de Ciências da Vida Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.2022-11-04T00:00:00ZEffects of the invasion of native deciduous forests by nitrogen-fixing trees (Acacia spp.) on stream ecological integrityPereira, Ana Maria Novaishttps://hdl.handle.net/10316/1051002024-01-02T12:00:27Z2022-10-14T00:00:00ZTitle: Effects of the invasion of native deciduous forests by nitrogen-fixing trees (Acacia spp.) on stream ecological integrity
Authors: Pereira, Ana Maria Novais
Abstract: Small streams flowing through native broadleaf deciduous forests (“deciduous forests” hereafter) strongly depend on leaf litter from the riparian vegetation. In these systems, leaf litter decomposition is a fundamental ecosystem process mediated by the activities of aquatic hyphomycetes and macroinvertebrate shredders. The invasion of deciduous forests with low representation of nitrogen (N)-fixers by N-fixing, evergreen Acacia species is expected to have profound effects in freshwater ecosystems. The goals of this thesis were to explore: (i) if Acacia species invasion would increase stream water nutrient concentrations; (ii) how Acacia species invasion would alter litterfall dynamic, composition, and leaf litter taxa richness in the riparian vegetation; and (iii) how these alterations would affect litter decomposition and associated activity and community structure of aquatic hyphomycetes and macroinvertebrates. Field surveys and laboratory and field experiments were conducted to compare streams flowing through deciduous forests (native streams, n = 3) and streams flowing through forests heavily invaded by Acacia species (invaded streams, n = 3); human impacts are minimal in all stream basins. Stream water nutrient concentrations were ~2 – 3× higher in invaded than in native streams (DIN concentration: 37 – 85 vs. 16 – 38 µg/L; SRP concentration: 13 vs. 8 µg/L), although all concentrations were still in the oligotrophic range. Increases in water nutrient concentrations likely occurred through the leaching of N-rich compounds from Acacia stands and the decomposition of N-rich litter in the water. Acacia species invasion decreased total litterfall biomass in Autumn/Winter because the cover of native deciduous species in the riparian vegetation decreased and altered the seasonality of litterfall peaks from Autumn/Winter to Spring/Summer because the contribution of leaves, fruits, pods, and seeds from Acacia species was higher in Spring/Summer. Nevertheless, the annual litterfall biomass was not affected by Acacia species invasion, but the annual relative contribution of fruit and seed litter was 2× higher in invaded than in native streams. Furthermore, Acacia species invasion altered the riparian vegetation community structure and decreased leaf litter taxa richness; in invaded streams, leaf litterfall was dominated by Acacia dealbata leaves. Aquatic hyphomycete conidia concentration in water was higher in native than in invaded streams in Autumn/Winter, while the reverse was true in Spring/Summer; in invaded streams, aquatic hyphomycete conidia concentration in water and taxa richness was higher in Spring/Summer when litterfall inputs from Acacia species were maximal and lower in Autumn/Winter when inputs were minimal. Furthermore, aquatic hyphomycetes taxa richness decreased in invaded streams, and their community structure was altered due to decreases in resources diversity. Microbial-mediated litter decomposition was faster in invaded streams because the associated microbial decomposer activity was stimulated by the higher water nutrient concentrations. Nevertheless, the low quality of Acacia species litter (especially in Acacia melanoxylon) decreased microbial-mediated decomposition, microbial activity and aquatic hyphomycete taxa richness when compared with native Alnus glutinosa and Quercus robur leaf litter; in Ac. dealbata, microbial activity and aquatic hyphomycete taxa richness was high because the small size leaflets are a stable substrate for microbial growth and sporulation using water nutrients. Microbial-mediated litter decomposition and associated microbial decomposer activity also decreased with increases in the proportion of Ac. melanoxylon litter in mixtures with Castanea sativa leaf litter because the concentration of recalcitrant compounds increased as the proportion of Ac. melanoxylon increased. There were (small) antagonistic effects of litter diversity on litter decomposition because C. sativa and Ac. melanoxylon litter had different physical and chemical characteristics and/or water nutrient concentrations modulated litter diversity on litter decomposition. Interestingly, total Q. robur leaf litter decomposition (mediated by microbes plus macroinvertebrates) and associated macroinvertebrate density were not affected by Acacia species invasion. Nevertheless, leaf litter decomposition was faster in Spring/Summer than in Autumn/Winter because water temperature was higher and there was a high abundance of large shredders in the streambed. Additionally, macroinvertebrate taxa richness, community structure and functional feeding groups changed with Acacia species invasion; macroinvertebrate taxa richness decreased in invaded streams where resource taxa richness was lower, and the proportion of Simuliidae (filter feeders) increased likely because suspended organic matter in water increased with increased microbial decomposer activity. Overall, the results showed that the invasion of deciduous forests by Acacia species affects stream water quality and litter inputs to streams, thus inducing changes in microbial-mediated litter decomposition and in the activity, taxa richness and community structure of microbial decomposers. These impacts will alter nutrient cycles in aquatic food webs dependent on organic detritus, especially when macroinvertebrate shredders are not abundant, and decomposition is mostly microbial-mediated. The maintenance of a riparian corridor that supplies native, high-quality leaf litter to streams could decrease the negative impacts of Acacia species on aquatic communities and processes.; Os pequenos ribeiros de florestas caducifólias nativas (“florestas caducifólias” em diante) dependem, maioritariamente, da queda da folhada da vegetação ripária. Nestes ecossistemas, a decomposição da folhada é um processo fundamental, mediado pelas atividades dos hifomicetos aquáticos e dos macroinvertebrados trituradores. A invasão de florestas caducifólias, com baixa representatividade de espécies fixadoras de azoto (N), por acácias perenes fixadoras de N pode alterar profundamente os ecossistemas de água doce. Os objetivos desta tese foram explorar: (i) se a invasão por acácias pode aumentar a concentração de nutrientes na água dos ribeiros; (ii) como a invasão por acácias pode alterar a dinâmica, composição, e a riqueza taxonómica da folhada na vegetação ripária; e (iii) como estas alterações podem afetar a decomposição da folhada, e a atividade e estrutura das comunidades de hifomicetos aquáticos e de macroinvertebrados. Foram realizados surveys e experiências de laboratório e de campo para comparar ribeiros de floresta caducifólia (ribeiros nativos, n = 3) e ribeiros de floresta invadidos por acácias (ribeiros invadidos, n = 3); os impactos humanos nas bacias de todos os ribeiros são mínimos. A concentração de nutrientes na água foi ~2 – 3× maior nos ribeiros invadidos do que nos ribeiros nativos (concentração de N inorgânico dissolvido: 37 – 85 vs. 16 – 38 µg/L; concentração de P reativo solúvel: 13 vs. 8 µg/L). O aumento da concentração de nutrientes na água provavelmente ocorreu devido à lixiviação de compostos ricos em N dos povoamentos de acácia, e à decomposição de folhada rica em N na água. A invasão por acácias diminuiu a biomassa da queda de matéria orgânica no Outono/Inverno porque a cobertura por espécies caducifólias diminuiu na vegetação ripária, e alterou a sazonalidade da queda da matéria orgânica com deslocamento do pico do Outono/Inverno para a Primavera/Verão porque a contribuição de folhas, frutos, vagens e sementes de acácia foi elevada na Primavera/Verão. No entanto, a biomassa anual da folhada não foi afetada pela invasão por acácias, mas a contribuição relativa anual de frutos e sementes foi 2× maior nos ribeiros invadidos do que nos ribeiros nativos. Além disso, a invasão por acácias alterou a estrutura da comunidade da vegetação ripária e diminuiu a riqueza taxonómica da folhada; nos ribeiros invadidos, as folhas de Acacia dealbata dominaram a queda da folhada. A concentração de conídios de hifomicetos aquáticos na água foi maior nos ribeiros nativos do que nos ribeiros invadidos no Outono/Inverno, enquanto o inverso foi observado na Primavera/Verão; nos ribeiros invadidos, a concentração de conídios e a riqueza taxonómica de hifomicetos aquáticos na água foi elevada na Primavera/Verão quando a queda da matéria orgânica das acácias foi máxima e baixa no Outono/Inverno quando a queda foi mínima. Além disso, a riqueza taxonómica diminuiu em ribeiros invadidos e a estrutura da comunidade de hifomicetos aquáticos foi alterada devido à diminuição da diversidade de recursos. A decomposição da folhada mediada pelos microrganismos foi mais rápida nos ribeiros invadidos porque a atividade dos decompositores microbianos foi estimulada pela concentração de nutrientes na água mais alta. No entanto, a baixa qualidade da folhada das acácias (especialmente da Acacia melanoxylon), diminuiu a decomposição mediada pelos microrganismos, a atividade microbiana e a riqueza taxonómica de hifomicetos aquáticos quando comparada com folhada de Alnus glutinosa e de Quercus robur; na Ac. dealbata, a atividade microbiana e a riqueza taxonómica de hifomicetos aquáticos foi elevada porque os folíolos, de pequena dimensão são substratos estáveis para os microrganismos crescerem e esporularem usando os nutrientes da água. A decomposição da folhada mediada pelos microrganismos e a atividade dos decompositores microbianos também diminuiu com o aumento da proporção de Ac. melanoxylon em misturas com folhada de Castanea sativa, porque a concentração de compostos recalcitrantes aumentou com o aumento da proporção de Ac. melanoxylon. Ocorreram (pequenos) efeitos antagonísticos da diversidade da folhada na sua decomposição porque a folhada de C. sativa e de Ac. melanoxylon tinham características físicas e químicas diferentes e/ou a concentração de nutrientes na água modulou os efeitos da diversidade na decomposição da folhada. Curiosamente, a decomposição total da folhada de Q. robur (mediada pelos microrganismos e macroinvertebrados) e a densidade de macroinvertebrados associada à folhada não foram afetadas pela invasão por acácias. No entanto, a decomposição da folhada foi mais rápida na Primavera/Verão do que no Outono/Inverno, porque a temperatura da água aumentou e a abundância de trituradores era elevada no leito dos ribeiros. Além disso, a riqueza taxonómica de macroinvertebrados, a estrutura da comunidade e os grupos funcionais alimentares mudaram com a invasão por acácias; a riqueza taxonómica de macroinvertebrados diminuiu nos ribeiros invadidos porque a riqueza de recursos era baixa, e a proporção de Simuliidae (filtradores) aumentou, provavelmente porque a matéria orgânica em suspensão na água aumentou com o aumento da atividade dos decompositores microbianos. No geral, os resultados mostraram que a invasão de florestas caducifólias nativas por acácias afeta a qualidade da água e as características da matéria orgânica fornecida aos ribeiros, com impactos na decomposição da folhada mediada pelos microrganismos e na atividade, riqueza taxonómica e estrutura da comunidade de microrganismos decompositores. Estes impactos podem alterar o ciclo dos nutrientes nas cadeias alimentares aquáticas que dependem dos detritos orgânicos, especialmente quando os macroinvertebrados trituradores não são abundantes e a decomposição da matéria orgânica é mediada principalmente por microrganismos. A manutenção de um corredor ripário que fornece folhada nativa de elevada qualidade aos ribeiros pode diminuir o impacto negativo das acácias nas comunidades aquáticas e nos processos.
Description: Tese de Doutoramento em Biociências, especialização em Ecologia, apresentada ao Departamento de Ciências da Vida da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.2022-10-14T00:00:00Z