Using macroalgae to assess coastal and estuarine environments

Abstract

As macroalgas são um grupo diverso de organismos, sendo elementos biológicos importantes para a estrutura e função dos ambientes costeiros e estuarinos. Contribuem para a integridade dos ecossistemas, pelo que o desenvolvimento de indicadores ecológicos, baseados nas macroalgas, para avaliar a saúde dos ecossistemas é fundamental para o êxito da gestão e proteção da biodiversidade, da avaliação dos impactos antropogénicos e da recuperação dos ecossistemas alterados. De forma a avaliar a qualidade ambiental através das macroalgas, as suas populações devem ser descritas sob variações naturais das condições ambientais (condições ecológicas de referência), de modo a que o desvio relativo a esses padrões ecológicos possa ser reconhecido como uma alteração resultante de pressões antropogénicas. Isto depende, em grande parte, da identificação prévia da variabilidade natural dos padrões das populações de macroalgas, numa gama de escalas relevantes, e da compreensão dos processos e fatores que estruturam os seus padrões. Em primeiro lugar, este trabalho aborda diferentes medidas usadas no estudo na biodiversidade das macroalgas, que podem ser usadas na descrição das suas populações sob condições ecológicas de referência (capítulo I). O consumo de tempo e a representatividade são questões centrais nos projetos de monitorização. O problema é que se podem encontrar muitas espécies diferentes de macroalgas sob diversas condições naturais e numa vasta gama de escalas espaciais e temporais; isso implica um elevado esforço de amostragem e de processamento laboratorial, que depende de um conhecimento taxonómico especializado, bem como da necessidade de um conhecimento aprofundado sobre as características estruturais e funcionais dos ecossistemas em que as macroalgas vivem. O uso de medidas alternativas da biodiversidade macroalgal (normalmente baseada nas diferentes espécies encontradas), como por exemplo o agrupamento das espécies em diferentes grupos morfológicos-funcionais ou em grupos baseados na característica "morfologia do talo", podem melhorar a síntese ecológica e o custo/eficácia das monitorações. No entanto, essas medidas alternativas da biodiversidade devem ser testadas espacialmente de uma forma explícita. Em particular, este trabalho também estudou as medidas substitutas/alternativas da biodiversidade macroalgal, acima mencionadas, comparando a variabilidade das populações de macroalgas nos seus padrões de zonação intertidal ao longo de uma escala espacial ampla, nomeadamente ao longo do gradiente latitudinal de Portugal continental (Capítulo II). Além disso, a abordagem baseada na característica "morfologia do talo" foi testada numa escala espacial local, para padrões de zonação intertidal, nomeadamente num gradiente de exposição à ondulação associado a diferentes regimes de sedimentação (Capítulo III). Ambos os estudos sugerem que a abordagem "morfologia do talo" poderá ser útil como uma medida substituta e complementar da avaliação e monitorização da biodiversidade macroalgal. Em ambos os estudos, a estrutura das populações (composição e abundância) variou profundamente de acordo com os gradientes considerados. Ao longo da latitude de Portugal continental, as mudanças na identidade das espécies e na sua abundância relativa revelou ser particularmente pronunciada, e tal foi também evidenciado pela forma de distribuição das diferentes medidas alternativas de quantificação da biodiversidade estudadas (grupos morfológicos-funcionais e "morfologia do talo"). Ao longo da latitude, alguns grupos de espécies surgem enquanto outros desaparecem. A abundância relativa das espécies também mudou de forma muito pronunciada face à exposição à ondulação e respetivos regimes de sedimentação. Aqui, a abordagem "morfologia do talo" destacou-se pela sua capacidade em detetar mudanças ambientais a uma pequena escala, o que poderá torna-la útil, depois de definidos os intervalos de variação das condições naturais, na deteção de alterações nas populações devidas a pressões antropogénicas. Por outro lado, este trabalho também destaca a necessidade de considerar o efeito da poluição estuarina nas áreas costeiras adjacentes, que pode ser detetado através do uso de técnicas analíticas modernas, tais como a análise dos isótopos estáveis em macroalgas (Capítulo IV). A abordagem pode ser particularmente útil porque permite seguir os impactos a partir da fonte, tais como a poluição por nutrientes provenientes de áreas a montante do estuário, até à derradeira área de impacto, onde as macroalgas, como produtores primários, poderão utilizar esses nutrientes no seu crescimento (podendo originar “blooms” de macroalgas oportunistas). A informação fornecida por esta abordagem, juntamente com o uso de modelos ecológicos/hidrodinâmicos, pode ser útil para definir áreas vulneráveis e acompanhar o resultado de programas de mitigação implementados nas zonas costeiras adjacentes.

Macroalgae are a diverse group of organisms, being important biological elements to the structure and function of both coastal and estuarine environments. While these ecosystems integrity is at stake, the development of ecological indicators (including macroalgal-based approaches) to assess ecosystems health is critical to the successful management and protection of biodiversity, the assessment of anthropogenic impacts and the restoration of altered ecosystems. Critically, in order to assess environmental quality using macroalgae, their assemblages should be described under naturally varying conditions (e.g. ecological reference conditions), so that the assemblages departures from those ecological standards can be recognized as changes due to anthropogenic impacts. This relies largely on the primarily quantification of macroalgal assemblages natural variability patterns across a range of relevant scales, and on understanding the processes and factors that structure the assemblages patterns. This work firstly addresses different macroalgae biodiversity measures that can be taken into account in order to describe macrolagal assemblages under ecological reference conditions (chapter I). Timeconsumption and representativeness are central issues in monitoring designs. One problem is that many macroalgae species can be found under natural varying conditions and across a range of spatial and temporal scales, and this implies a high sampling and laboratory processing effort, taxonomical expertise, as well as the need for more knowledge about the structural and functional characteristics of the ecosystems they live in. The use of macroalgal biodiversity surrogates such as by grouping species-level approaches into morphological-functional groups or into trait-based “thallus morphology” approaches may improve ecological syntheses and cost-effectiveness monitorings. However, such surrogacy must be spatial-explicitly tested. Particularly, this work also studied above mentioned macroalgal biodiversity surrogacy approaches, by comparing the variability of macroalgal assemblages across intertidal zonation patterns and along large-spatial scales, namely along the latitudinal gradient of continental Portugal (Chapter II). Furthermore, the trait-based “thallus morphology” approach was tested at intertidal vertical zonation patterns at small-spatial scales, namely across gradients of different wave-exposures associated with different sedimentation regimes (Chapter III). Both studies suggest that trait-based “thallus morphology” approach may be helpful as a complementary surrogate measure of macroalgae biodiversity under macroalgal-based monitoring and assessing needs. Under the naturally varying conditions and gradients considered in both studies, the assemblages structure (composition and abundance) varied deeply. Particularly, changes in the identity of species and its relative abundance along continental Portuguese latitudes is very pronounced, and this was captured in a certain distributional fashion by both morphological-functional groups and trait-based “thallus morphology” approaches, were some groups emerge at the expense of others along latitude. The relative abundance of species also changed in a very strong manner between wave-exposures and respective sedimentation regimes, where the trait-based “thallus morphology” approach was also highlighted in its ability to detect these small-scale environmental changes, and thus may be useful to define assemblages range of values under naturally varying conditions, so that assemblages changes due to anthropogenic impacts may be detected. Another problem, this work also highlights the need for considering estuarine output effects on adjacent coastal areas, which can be detected through the use of contemporary analytical techniques such as stable isotopic analysis on macroalgae (Chapter IV). The approach may be particularly useful because it allows tracking impacts from the source, such as nutrients pollution from inland estuarine areas, until the final area of impact, where macroalgae, as primary producers, may use those for growth (e.g. originating opportunistic macroalgal blooms). The information provided by this approach, together with the use of ecological/hydrodynamic models, can be helpful to define vulnerable areas and to follow the results of the implementation of mitigation programmes on the adjacent coastal zones.