Effects of environment and an introduced invertebrate species on the structure of benthic macroinvertebrate species at the catchment level

Biotic interactions such as predation and competition can influence aquatic communities at small spatial scales, but they are expected to be overridden by environmental factors at large scales. The continuing threat to freshwater biodiversity of biological invasions indicates that biotic factors do, however, have important structuring roles. In Irish rivers, the native amphipod Gammarus duebeni celticus has become locally extinct, ostensibly through differential predation by the more aggressive and introduced G. pulex. This mechanism explains impacts of G. pulex at within-river spatial scales on native macroinvertebrate community diversity, including declines in ephemeropterans, plecopterans, dipterans and oligochaetes. To determine if these patterns are predictable at larger spatial scales, we assessed patterns in native macroinvertebrate communities across river sites of the Erne catchment in 1998 and 1999, in conjunction with the distribution of G. pulex and G. d. celticus. In both years, G. pulex dominated invaded sites, whereas G. d. celticus occurred at low abundance in uninvaded sites. In both years, invaded sites had lower diversity and fewer pollution sensitive invertebrate species than un-invaded sites. Community ordination in 1998 showed that invaded sites had higher conductivity, smaller substrate particle size and comprised a lower proportion of pollution sensitive taxa including Ephemeroptera and Plecoptera. In contrast, in 1999, conductivity was the only variable explaining site ordination along axis 1, but was unable to separate sites with respect to invasion status. A second explanatory axis separated sites with respect to invasion status, with invaded sites having fewer taxa, including lower abundance of ephemeropterans, dipterans and plecopterans. Laboratory experiments examined the potential role of differential predation between the two Gammarus species in explaining these taxon specific patterns in the field. Survival of the ephemeropterans, Ephemerella ignita and Ecdyonurus venosus and the isopod, Asellus aquaticus, was lower when interacting with G. pulex than with G. d. celticus. This study indicates that G. putex may alter invertebrate community structure at scales beyond those detected within individual rivers. However, effects may be influenced by gradients in physico-chemistry, which may be temporal or depend on catchment characteristics. Invasions by amphipods have increased globally, thus comprehensive assessments of their impacts and of other aquatic invaders, may only be apparent when studies are conducted at a range of spatio-temporal scales.

Sub-lethal effects of chlorinated hydrocarbons on bivalves

Chlorinated hydrocarbon pesticides are now present in low concentration in most waters. While generally not causing direct mortality so far as we know, they may well have sub-lethal effects, reducing the health and viability of marine organisms. In this study the effect of Endosulfan, DDT and dieldrin on respiration, heart beat and burrowing of some marine bivalves has been examined.

The effects of multiple metal contamination on ectomycorrhizal Scots pine (Pinus sylvestris) seedlings

Experiments were conducted to investigate the effects of single and multiple metal contamination (Cd, Pb, Zn, Sb, Cu) on Scots pine seedlings colonised by ectomycorrhizal (ECM) fungi from natural soil inoculum. Seedlings were grown in either contaminated field soil from the site of a chemical accident, soils amended with five metals contaminating the site, or in soil from an uncontaminated control site. Although contaminated and metal-amended soil significantly inhibited root and shoot growth of the Scots pine seedlings, total root tip density was not affected. Of the five metals tested in amended soils, Cd was the most toxic to ECM Scots pine. Field-contaminated soil had a toxic effect on ECM fungi associated with Scots pine seedlings and caused shifts in ECM species composition on ECM seedlings. When compared to soils amended with only one metal, soils amended with a combination of all five metals tested had lower relative toxicity and less accumulation of Pb, Zn and Sb into seedlings. This would indicate that the toxicity of multiple metal contamination cannot be predicted from the individual toxicity of the metals investigated.

The Effects of Lead Sources on Oral Bioaccessibility in Soil and Implications for Contaminated Land Risk Management

Lead (Pb) is a non-threshold toxin capable of inducing toxic effects at any blood level but availability of soil screening criteria for assessing potential health risks is limited. The oral bioaccessibility of Pb in 163 soil samples was attributed to sources through solubility estimation and domain identification. Samples were extracted following the Unified BARGE Method. Urban, mineralisation, peat and granite domains accounted for elevated Pb concentrations compared to rural samples. High Pb solubility explained moderate-high gastric (G) bioaccessible fractions throughout the study area. Higher maximum G concentrations were measured in urban (97.6 mg kg−1) and mineralisation (199.8 mg kg−1) domains. Higher average G concentrations occurred in mineralisation (36.4 mg kg−1) and granite (36.0 mg kg−1) domains. Findings suggest diffuse anthropogenic and widespread geogenic contamination could be capable of presenting health risks, having implications for land management decisions in jurisdictions where guidance advises these forms of pollution should not be regarded as contaminated land.

Stressor intensity determines antagonistic interactions between species invasion and multiple stressor effects on ecosystem functioning

Biological invasions, nutrient enrichment and ocean warming are known to threaten biodiversity and ecosystem functioning. The independent effects of these ecological stressors are well studied, however, we lack understanding of their cumulative effects, which may be additive, antagonistic or synergistic. For example, the impacts of biological invasions are often determined by environmental context, which suggests that the effects of invasive species may vary with other stressors such as pollution or climate change. This study examined the effects of an invasive seaweed (Sargassum muticum) on the structure and functioning of a benthic marine assemblage and tested explicitly whether these effects varied with nutrient enrichment and ocean warming. Overall, the presence of Sargassum muticum increased assemblage productivity rates and warming altered algal assemblage structure, which was characterised by a decrease in kelp and an increase in ephemeral green algae. The effects of Sargassum muticum on total algal biomass accumulation, however, varied with nutrient enrichment and warming producing antagonistic cumulative effects on total algal biomass accumulation. These findings show that the nature of stressor interactions may vary with stressor intensity and among response variables, which leads to less predictable consequences for the structure and functioning of communities.

Concentration effects of 1,2-dichlorobenzene on soil microbiology

The effect of increasing concentrations (65, 130, 325, 1,300, and 3,250 μg/g soil dry weight) of 1,2-dichlorobenzene (1,2-DCB) on the microbial biomass, metabolic potential, and diversity of culturable bacteria was investigated using soil microcosms. All doses caused a significant (p < 0.05) decrease in viable hyphal fungal length. Bacteria were more tolerant, only direct total counts in soils exposed to 3,250 μg/g were significantly (p < 0.05) lower than untreated controls, and estimates of culturable bacteria showed no response. Pseudomonads counts were stimulated by 1,2-DCB concentrations of up to 325 μg/g; above this level counts were similar to controls. Fatty acid methyl ester analysis of taxonomic bacterial composition reflected the differential response of specific genera to increasing 1,2-DCB concentrations, especially the tolerance of Bacillus to the highest concentrations. The shifts in community composition were reflected in estimates of metabolic potential assessed by carbon assimilation (Biolog) ability. Significantly fewer (p < 0.05) carbon sources were utilized by communities exposed to 1,2-DCB concentrations greater than 130 μg/g (<64 carbon sources utilized) than control soils (83); the ability to assimilate individual carbohydrates sources was especially compromised. The results of this study demonstrate that community diversity and metabolic potential can be used as effective bioindicators of pollution stress and concentration effects.

Use of an earthworm lysosomal biomarker for the ecological assessment of pollution from an industrial plastics fire

A low-cost field technique employing retention of the dye neutral-red by lysosomes in coelomocyte cells taken from earthworms (Lumbricus castaneus), was used as a means of assessing the ecological effects (if any) of an industrial accident. Earthworms and soil samples were collected at the site of a large industrial plastics fire in Thetford, UK along a 200 m transect leading from the factory perimeter fence, over a layer of molten plastic impregnated soil and into the surrounding forest. Coelomic fluid extracted from the earthworms was dye-loaded with neutral-red and lysosomal leaking observed. Metal residues in soil and earthworms were found to be highly elevated close to the factory perimeter and to rapidly drop to background levels within the first 50 m of the transect. Coelomocyte cells taken from earthworms adjacent to the factory perimeter showed the shortest period of neutral-red retention (2 min); cells taken from worms further into the surrounding forest had a longer retention time (12 min), whilst cells taken from worms from a control site showed even greater retention times (25 min). Thus, the neutral-red retention times correlated negatively with measured residues of heavy metals in the earthworms, the higher the body metal concentration the shorter the retention time. This field trial has demonstrated the validity of using an in vitro cellular biomarker technique for use in biological impact assessment along gradients of contamination.

Determinant factors for the use of imposex in TBT pollution monitoring

Os compostos de tributilestanho (TBT) foram utilizados como biocidas em tintas antivegetativas (AV) e amplamente aplicados, durante décadas, de forma a evitar a bioincrustação em superfícies submersas, principalmente em cascos de embarcações. Os seus efeitos deletérios em organismos não-alvo tornaram-se evidentes após o aparecimento de gastrópodes prosobrâquios com imposex – sobreposição de caracteres sexuais masculinos sobre o tracto reprodutivo das fêmeas. Desde então, a expressão do imposex em prosobrânquios tem sido amplamente utilizada como biomarcador da poluição por TBT. Um dos objectivos da presente tese é avaliar se as mais recentes restrições legais na utilização das tintas AV com compostos organoestânicos (OTs) resultaram numa redução da poluição pelos mesmos na costa continental Portuguesa. Para tal, foi levada a cabo a análise da variação temporal do imposex como biomarcador dos níveis ambientais de TBT e a validação de procedimentos, de modo a seguir de forma precisa a evolução da intensidade deste fenómeno ao longo do tempo. O trabalho de investigação teve início no momento em que a ineficácia da legislação anterior (Directiva 89/677/CEE) na redução da poluição por TBT no litoral Português era reportada na literatura e quando estavam já agendados instrumentos decisivos para a diminuição definitiva deste tipo de poluição: o Regulamento (CE) N.º 782/2003 do Parlamento e do Conselho da União Europeia (UE) que bania as tintas AV baseadas em TBT na sua frota a partir de 1 de Julho de 2003; a "Convenção Internacional sobre o Controlo de Sistemas Antivegetativos Nocivos em Navios” (Convenção AFS), adoptada em 2001 pela Organização Marítima Internacional (OMI), que procurava erradicar os OTs da frota mundial até 2008. Os níveis de imposex e as concentrações de OTs nos tecidos de fêmeas de Nucella lapillus foram medidos em 17 locais de amostragem ao longo da costa Portuguesa em 2003, a fim de se avaliarem os impactos do TBT nas populações desta espécie e de se criar uma base de dados para seguir a sua evolução futura. O índice da sequência do vaso deferente (VDSI), o índice do tamanho relativo do pénis (RPSI) e a percentagem de fêmeas afectadas por imposex (%I) foram utilizados na medição da intensidade deste fenómeno em cada local de amostragem e os seus valores variaram entre 0,20-4,04, 0,0- 42,2% e 16,7-100,0%, respectivamente. Foram encontradas fêmeas estéreis em 3 locais de amostragem, com percentagens a variar entre 4,0 e 6,2%. As concentrações de TBT e dibutilestanho (DBT) nas fêmeas variaram respectivamente entre 23-138 e <10-62 ng Sn.g-1 de peso seco, e o conteúdo em TBT nos tecidos revelou-se significativamente correlacionado com o imposex (nomeadamente com o RPSI e o VDSI). Os níveis de expressão do fenómeno e o conteúdo em OTs nos tecidos, foram superiores na proximidade de portos, confirmando as conclusões obtidas anteriormente por outros autores de que os navios e a actividade dos estaleiros são as principais fontes destes compostos no litoral Português. As infra-estruturas associadas ás principais fontes de OTs – portos, estaleiros e marinas – estão geralmente localizadas no interior de estuários, motivo pelo qual estas áreas têm vindo a ser descritas como as mais afectadas por estes poluentes. Por esta razão, foi levado a cabo o estudo pormenorizado da poluição por TBT na Ria de Aveiro, como caso de estudo representativo da poluição por estes compostos num sistema estuarino em Portugal continental. N. lapillus foi usada como bioindicador para avaliar a tendência temporal da poluição por TBT nesta área entre 1997 e 2007. Foi registada uma diminuição da intensidade do imposex após 2003, embora as melhorias mais evidentes tenham sido observadas entre 2005 e 2007, provavelmente devido à implementação do Regulamento (CE) N.º 782/2003 que proibiu a aplicação de tintas AV com TBT em navios com a bandeira da UE. Apesar desses progressos, as análises ao conteúdo em OTs nos tecidos de fêmeas de N. lapillus e em amostras de água colhidas em 2006 indicaram contaminação recente por TBT na área de estudo, evidenciando assim a permanência de fontes de poluição. A utilização de N. lapillus como bioindicador da poluição por TBT na Ria de Aveiro apresenta algumas limitações uma vez que a espécie não ocorre nas áreas mais interiores da Ria e não vive em contacto com sedimentos. Assim, a informação obtida a partir da sua utilização como bioindicador é fundamentalmente relativa aos níveis de TBT na coluna de água. Foi então necessário recorrer a um bioindicador complementar – Hydrobia ulvae – para melhor avaliar a evolução temporal da poluição por TBT no interior deste sistema estuarino e estudar a persistência de TBT nos sedimentos. Não foi registada uma diminuição dos níveis de imposex em H. ulvae na Ria de Aveiro entre 1998 e 2007, apesar da aplicação do Regulamento (CE) N.º 782/2003. Pelo contrário, houve um aumento global significativo da percentagem de fêmeas afectadas por imposex e um ligeiro aumento do VDSI, contrastando com o que tem sido descrito para outros bioindicadores na Ria de Aveiro no mesmo período. Estes resultados mostram que a diferente biologia/ecologia das espécies indicadoras determina vias distintas de acumulação de TBT, apontando a importância da escolha do bioindicador dependendo do compartimento a ser monitorizado (sedimento versus água). A ingestão de sedimento como hábito alimentar em H. ulvae foi discutida como sendo a razão para a escolha da espécie como indicadora da contaminação dos sedimentos por TBT. Foram também estudados os métodos mais fiáveis para reduzir a influência de variáveis críticas na medição dos níveis de imposex em H. ulvae. As comparações de parâmetros do imposex baseados em medições do pénis devem ser sempre realizadas sob condições de narcotização bem standardizadas uma vez que este procedimento provoca um aumento significativo do comprimento do pénis (PL) em ambos os sexos. O VDSI, a % e o PL em ambos os sexos revelaram ser fortemente influenciados pelo tamanho dos espécimes: a utilização de fêmeas mais pequenas conduz à subestimação do VDSI, da %I e do PL, enquanto que diferenças no tamanho dos machos provocam variações no índice do comprimento relativo do pénis (RPLI), independentemente dos níveis de poluição por TBT. Existe, portanto, a necessidade de controlar algumas variáveis envolvidas na análise do imposex que mostraram afectar a fiabilidade dos resultados. Uma vez que N. lapillus é o principal bioindicador dos efeitos biológicos específicos do TBT para a área da OSPAR, foi também estudada a influência de algumas variáveis na avaliação dos níveis de imposex nesta espécie, especificamente as relacionadas com o ciclo reprodutor e o tamanho dos espécimes. O estudo do ciclo reprodutor e a variação sazonal/espacial do comprimento do pénis do macho (MPL) incidiu num único local no litoral Português (Areão – região de Aveiro) de forma a avaliar se o RPSI varia sazonal e espacialmente na mesma estação de amostragem e se tais variações influenciam os resultados obtidos em programas de monitorização do imposex. Nos meses de Dezembro de 2005 a Junho de 2007, foram encontrados espécimes de N. lapillus sexualmente maturos e potencialmente aptos para a reprodução. Contudo, foi também evidente um padrão sazonal do ciclo reprodutor – o estado de desenvolvimento da gametogénese nas fêmeas variou sazonalmente e ocorreu uma diminuição do volume da glândula da cápsula e do factor de condição no final do Verão / início do Outono. Contrariamente, a gametogénese nos machos não apresentou variação sazonal significativa, embora os valores mais baixos do factor de condição, do comprimento do pénis e dos volumes de esperma e da próstata tenham também sido registados no final do Verão / início do Outono. Além disso, o MPL mostrou variar, no mesmo local de amostragem, inversamente com a distância aos ninhos de cápsulas ovígeras; um aumento dos valores do MPL foi também observado em espécimes de maior tamanho. Todas estas variações no MPL introduzem desvios nos resultados da avaliação do imposex quando é usado o RPSI. A magnitude do erro envolvido foi quantificada e revelou-se superior em locais com níveis mais elevados de poluição por TBT. Apesar do RPSI ser um índice que fornece informação importante sobre os níveis de poluição por TBT, a sua interpretação deve ser cuidadosa e realizada complementarmente com os outros índices, destacando-se o VDSI como índice mais fiável e com significado biológico mais expressivo. Novas campanhas de monitorização do imposex em N. lapillus foram realizadas ao longo da costa Portuguesa em 2006 e 2008, e os resultados subsequentemente comparados com a base de dados criada em 2003,de forma a avaliar a evolução da poluição por TBT no litoral Português naquele período. Nestes estudos foram aplicados novos procedimentos na monitorização e tratamento dos dados, de forma a minimizar a variação nos índices de avaliação do imposex induzida pelos factores acima descritos, para seguir com maior consistência a tendência da poluição por TBT entre 2003 e 2008. Foi observado um declínio global significativo na intensidade de imposex na área de estudo durante o referido período e a qualidade ecológica da costa Portuguesa, segundo os termos definidos pela Comissão OSPAR, revelou melhorias notáveis após 2003 confirmando a eficácia do Regulamento (CE) N.º 782/2003. Não obstante, as populações de N. lapillus revelaram-se ainda amplamente afectadas por imposex, tendo sido detectadas emissões de TBT na água do mar ao longo da costa em 2006, apesar da restrição anteriormente referida. Estes inputs foram atribuídos principalmente aos navios que à data ainda circulavam com tintas AV com TBT aplicadas antes de 2003, uma vez que a sua utilização nas embarcações foi apenas proibida em 2008. Considerando que o Regulamento (CE) N.º 782/2003 constitui uma antecipação da proibição global da OMI que entrou em vigor em Setembro de 2008, prevê-se, por analogia, que haja uma rápida diminuição da poluição por TBT à escala mundial num futuro próximo. Na sequência desta previsão, é apresentada uma discussão teórica preliminar relativamente ás possíveis estratégias usadas por N. lapillus na recolonização de locais onde, no passado, as populações terão aparentemente sido extintas devido a níveis extremamente elevados de TBT. Estes locais são tipicamente zonas abrigadas junto de infra-estruturas portuárias, cuja recolonização por esta espécie será provavelmente muito lenta dada a mobilidade reduzida dos adultos e o ciclo de vida não apresentar fase larvar pelágica. Foram então equacionadas duas hipotéticas vias de recolonização de zonas abrigadas por espécimes provenientes de populações de costa aberta/exposta: a migração de adultos e/ou a dispersão de juvenis. No entanto, em ambos os casos, estaria implicada a transposição de um problema amplamente descrito na bibliografia: as populações de N. lapillus de costa aberta podem apresentar um fenótipo muito diferente das de zonas abrigadas, podendo inclusivamente variar no número de cromossomas. A recolonização pode portanto não ter sucesso pelo simples facto dos novos recrutas não estarem bem adaptados aos locais a recolonizar. Para analisar este problema, foram estudados tanto a forma da concha de espécimes de N. lapillus ao longo da costa Portuguesa como o respectivo número de cromossomas. Embora a forma da concha tenha revelado diferenças, de acordo com o grau de hidrodinamismo entre as populações de N. lapillus avaliadas, o cariótipo 2n = 26, típico de zonas expostas, foi registado em todos os locais amostrados. Por outro lado, foi também testada em laboratório a possível mortalidade de juvenis em dispersão no interior menos salino dos estuários. Foi então verificada a ocorrência de mortalidade elevada de juvenis expostos a salinidades baixas (=100% após 1 hora a salinidades ≤9 psu), o que também pode comprometer a recolonização de zonas estuarinas menos salinas por esta via. Mesmo assim, os juvenis mostraram um comportamento de flutuação à superfície da água em condições laboratoriais, que pode ser considerado um benefício específico na colonização de áreas mais internas dos estuários, se tal facto vier a ser confirmado em estudos de campo. As conclusões deste estudo contribuem certamente para a descrição do final da “história do TBT” dado que, uma vez controlados alguns factores determinantes no uso do imposex como biomarcador, a avaliação do declínio da poluição por estes compostos, agora esperado à escala global, se torna mais rigorosa.

Effects of a green tax reform in Portugal: a general equilibrium analysis

Do ponto de vista da política económica, existe a possibilidade de utilizar a receita dos impostos ambientais para baixar os impostos sobre o trabalho, promovendo assim o emprego. Esta oportunidade surge na literatura como forma dos países industrializados responderem a um duplo desafio: um crescente nível de poluição e um decrescente nível de emprego. Alguns países tomaram já decisões no sentido de alcançar o “duplo dividendo”: melhorias ambientais e diminuição do desemprego. Os resultados teóricos, na sua maioria cépticos em relação à verificação do segundo dividendo, são substancialmente contrariados por uma série de estudos que utilizam modelos de equilíbrio geral. Pretendese com este trabalho fazer uma simulação para a economia portuguesa de uma reforma fiscal ambiental com as características referidas e a verificação da existência do “duplo dividendo”, através de um modelo computacional de equilíbrio geral. Para além disso, é feita uma análise dos impactos do Mercado Europeu de Licenças de Emissão, ao nível sectorial e regional, em Portugal, utilizando dados microeconómicos, com o objectivo de estudar as consequências ao nível das trasacções entre sectores e efeitos distributivos entre regiões.

Low emission zones: the likely effects on the freight transport sector

London’s air quality has improved over recent decades, but is still the worst in the UK. Road transport emissions play an important part in this pollution. A low emission zone (LEZ) would help to accelerate the introduction of cleaner vehicles, and reduce the numbers of older, more polluting vehicles operating in London. The survey work carried out indicates that there is support among goods vehicle operators for an LEZ in London, depending on the precise scheme definition. Operators would generally try to comply with LEZ regulations, with most companies either using technical approaches to ensure that their London vehicle fleet complied with the required emission standard or by redeploying vehicles with the appropriate emission standard from other locations.

Low emission zones: the likely effects on the freight transport sector

London's air quality has improved over recent decades, but is still the worst in the UK. Road transport emissions play an important part in this pollution. A low emission zone (LEZ) would help to accelerate the introduction of cleaner vehicles, and reduce the number of older, more polluting vehicles operating in London. Survey results indicate that there is some support among goods vehicle operators for a LEZ in London, depending on the precise scheme definition. Operators would generally try to comply with LEZ regulations, with most companies either using technical approaches to ensure that their London vehicle fleet complied with the required emission standard, or redeploying vehicles with the appropriate emission standard from other locations.

Future Air Quality Related Health Effects in Europe and the Nordic Region—Sensitivity to Changes in Climate, Anthropogenic Emissions, Demography and Building Stock

Future changes in population exposures to ambient air pollution are inherently linked with long-term trends in outdoor air quality, but also with changes in the building stock. Moreover, the burden of disease is further driven by the ageing of the European populations. This study aims to assess the impact of changes in climate, emissions, building stocks and population on air pollution related human health impacts across Europe in the future. Therefore an integrated assessment model combining atmospheric models and health impacts has been setup for projections of the future developments in air pollution related premature mortality. The focus is here on the regional scale impacts of exposure to surface ozone (O3), Secondary Inorganic Aerosols (SIA) and primary particulate matter (PPM).