A biogeographic assessment of the Channel Islands National Marine Sanctuary: a review of boundary expansion concepts for NOAA’s National Marine Sanctuary Program

The priority management goal of the National Marine Sanctuaries Program (NMSP) is to protect marine ecosystems and biodiversity. This goal requires an understanding of broad-scale ecological relationships and linkages between marine resources and physical oceanography to support an ecosystem management approach. The Channel Islands National Marine Sanctuary (CINMS) is currently reviewing its management plan and investigating boundary expansion. A management plan study area (henceforth, Study Area) was described that extends from the current boundary north to the mainland, and extends north to Point Sal and south to Point Dume. Six additional boundary concepts were developed that vary in area and include the majority of the Study Area. The NMSP and CINMS partnered with NOAA’s National Centers for Coastal Ocean Science Biogeography Team to conduct a biogeographic assessment to characterize marine resources and oceanographic patterns within and adjacent to the sanctuary. This assessment includes a suite of quantitative spatial and statistical analyses that characterize biological and oceanographic patterns in the marine region from Point Sal to the U.S.-Mexico border. These data were analyzed using an index which evaluates an ecological “cost-benefit” within the proposed boundary concepts and the Study Area. The sanctuary resides in a dynamic setting where two oceanographic regimes meet. Cold northern waters mix with warm southern waters around the Channel Islands creating an area of transition that strongly influences the regions oceanography. In turn, these processes drive the biological distributions within the region. This assessment analyzes bathymetry, benthic substrate, bathymetric life-zones, sea surface temperature, primary production, currents, submerged aquatic vegetation, and kelp in the context of broad-scale patterns and relative to the proposed boundary concepts and the Study Area. Boundary cost-benefit results for these parameters were variable due to their dynamic nature; however, when analyzed in composite the Study Area and Boundary Concept 2 were considered the most favorable. Biological data were collected from numerous resource agencies and university scientists for this assessment. Fish and invertebrate trawl data were used to characterize community structure. Habitat suitability models were developed for 15 species of macroinvertebrates and 11 species of fish that have significant ecological, commercial, or recreational importance in the region and general patterns of ichthyoplankton distribution are described. Six surveys of ship and plane at-sea surveys were used to model marine bird diversity from Point Arena to the U.S.-Mexico border. Additional surveys were utilized to estimate density and colony counts for nine bird species. Critical habitat for western snowy plover and the location of California least tern breeding pairs were also analyzed. At-sea surveys were also used to describe the distribution of 14 species of cetaceans and five species of pinnipeds. Boundary concept cost-benefit indices revealed that Boundary Concept 2 and the Study Area were most favorable for the majority of the species-specific analyses. Boundary Concept 3 was most favorable for bird diversity across the region. Inadequate spatial resolution for fish and invertebrate community data and incompatible sampling effort information for bird and mammal data precluded boundary cost-benefit analysis.

Characterizing Jobos Bay, Puerto Rico: a watershed modeling analysis and monitoring plan

Land-based pollution is commonly identified as a major contributor to the observed deterioration of shallow-water coral reef ecosystem health. Human activity on the coastal landscape often induces nutrient enrichment, hypoxia, harmful algal blooms, toxic contamination and other stressors that have degraded the quality of coastal waters. Coral reef ecosystems throughout Puerto Rico, including Jobos Bay, are under threat from coastal land uses such as urban development, industry and agriculture. The objectives of this report were two-fold: 1. To identify potentially harmful land use activities to the benthic habitats of Jobos Bay, and 2. To describe a monitoring plan for Jobos Bay designed to assess the impacts of conservation practices implemented on the watershed. This characterization is a component of the partnership between the U.S. Department of Agriculture (USDA) and the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) established by the Conservation Effects Assessment Project (CEAP) in Jobos Bay. CEAP is a multi-agency effort to quantify the environmental benefits of conservation practices used by private landowners participating in USDA programs. The Jobos Bay watershed, located in southeastern Puerto Rico, was selected as the first tropical CEAP Special Emphasis Watershed (SEW). Both USDA and NOAA use their respective expertise in terrestrial and marine environments to model and monitor Jobos Bay resources. This report documents NOAA activities conducted in the first year of the three-year CEAP effort in Jobos Bay. Chapter 1 provides a brief overview of the project and background information on Jobos Bay and its watershed. Chapter 2 implements NOAA’s Summit to Sea approach to summarize the existing resource conditions on the watershed and in the estuary. Summit to Sea uses a GIS-based procedure that links patterns of land use in coastal watersheds to sediment and pollutant loading predictions at the interface between terrestrial and marine environments. The outcome of Summit to Sea analysis is an inventory of coastal land use and predicted pollution threats, consisting of spatial data and descriptive statistics, which allows for better management of coral reef ecosystems. Chapters 3 and 4 describe the monitoring plan to assess the ecological response to conservation practices established by USDA on the watershed. Jobos Bay is the second largest estuary in Puerto Rico, but has more than three times the shoreline of any other estuarine area on the island. It is a natural harbor protected from offshore wind and waves by a series of mangrove islands and the Punta Pozuelo peninsula. The Jobos Bay marine ecosystem includes 48 km² of mangrove, seagrass, coral reef and other habitat types that span both intertidal and subtidal areas. Mapping of Jobos Bay revealed 10 different benthic habitats of varying prevalence, and a large area of unknown bottom type covering 38% of the entire bay. Of the known benthic habitats, submerged aquatic vegetation, primarily seagrass, is the most common bottom type, covering slightly less than 30% of the bay. Mangroves are the dominant shoreline feature, while coral reefs comprise only 4% of the total benthic habitat. However, coral reefs are some of the most productive habitats found in Jobos Bay, and provide important habitat and nursery grounds for fish and invertebrates of commercial and recreational value.

A habitat-use model to determine essential fish habitat for juvenile brown shrimp (Farfantepenaeus aztecus) in Galveston Bay, Texas

A density prediction model for juvenile brown shrimp (Farfantepenaeus aztecus) was developed by using three bottom types, five salinity zones, and four seasons to quantify patterns of habitat use in Galveston Bay, Texas. Sixteen years of quantitative density data were used. Bottom types were vegetated marsh edge, submerged aquatic vegetation, and shallow nonvegetated bottom. Multiple regression was used to develop density estimates, and the resultant formula was then coupled with a geographical information system (GIS) to provide a spatial mosaic (map) of predicted habitat use. Results indicated that juvenile brown shrimp (<100 mm) selected vegetated habitats in salinities of 15−25 ppt and that seagrasses were selected over marsh edge where they co-occurred. Our results provide a spatially resolved estimate of high-density areas that will help designate essential fish habitat (EFH) in Galveston Bay. In addition, using this modeling technique, we were able to provide an estimate of the overall population of juvenile brown shrimp (<100 mm) in shallow water habitats within the bay of approximately 1.3 billion. Furthermore, the geographic range of the model was assessed by plotting observed (actual) versus expected (model) brown shrimp densities in three other Texas bays. Similar habitat-use patterns were observed in all three bays—each having a coefficient of determination >0.50. These results indicate that this model may have a broader geographic application and is a plausible approach in refining current EFH designations for all Gulf of Mexico estuaries with similar geomorphological and hydrological characteristics.

Using sediment flocculation to reduce the impacts of Chesapeake Bay Microcystis aeruginosa harmful algal blooms

Gemstone Team BREATHE (Bay Revitalization Efforts Against the Hypoxic Environment)

Interactive Effects of Plant Species and Organic Carbon on Nitrate Removal in Chesapeake Bay Treatment Wetlands

Nitrate from agricultural runoff are a significant cause of algal blooms in estuarine ecosystems such as the Chesapeake Bay. These blooms block sunlight vital to submerged aquatic vegetation, leading to hypoxic areas. Natural and constructed wetlands have been shown to reduce the amount of nitrate flowing into adjacent bodies of water. We tested three wetland plant species native to Maryland, Typha latifolia (cattail), Panicum virgatum (switchgrass), and Schoenoplectus validus (soft-stem bulrush), in wetland microcosms to determine the effect of species combination and organic amendment on nitrate removal. In the first phase of our study, we found that microcosms containing sawdust exhibited significantly greater nitrate removal than microcosms amended with glucose or hay at a low nitrate loading rate. In the second phase of our study, we confirmed that combining these plants removed nitrate, although no one combination was significantly better. Furthermore, the above-ground biomass of microcosms containing switchgrass had a significantly greater percentage of carbon than microcosms without switchgrass, which can be studied for potential biofuel use. Based on our data, future environmental groups can make a more informed decision when choosing biofuel-capable plant species for artificial wetlands native to the Chesapeake Bay Watershed.

Recent habitat degradation in karstic Lake Uluabat, western Turkey: A coupled limnological-palaeolimnological approach

The Ramsar site of Lake Uluabat, western Turkey, suffers from eutrophication, urban and industrial pollution and water abstraction, and its water levels are managed artificially. Here we combine monitoring and palaeolimnological. techniques to investigate spatial and temporal limnological variability and ecosystem impact, using an ostracod and mollusc survey to strengthen interpretation of the fossil record. A combination of low invertebrate Biological Monitoring Working Party scores (<10) and the dominance of eutrophic diatoms in the modern lake confirms its poor ecological status. Palaeolimnological analysis of recent (last >200 yr) changes in organic and carbonate content, diatoms, stable isotopes, ostracods and molluscs in a lake sediment core (UL20A) indicates a 20th century trend towards increased sediment accumulation rates and eutrophication which was probably initiated by deforestation and agriculture. The most marked ecological shift occurs in the early 1960s, however. A subtle rise in diatom-inferred total phosphorus and an inferred reduction in submerged aquatic macrophyte cover accompanies a major increase in sediment accumulation rate. An associated marked shift in ostracod stable isotope data indicative of reduced seasonality and a change in hydrological input suggests major impact from artificial water management practices, all of which appears to have culminated in the sustained loss of submerged macrophytes since 2000. The study indicates it is vital to take both land-use and water management practices into account in devising restoration strategies. in a wider context, the results have important implications for the conservation of shallow karstic lakes, the functioning of which is still poorly understood. (c) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Adjuvantes e herbicidas e a infectividade de Fusarium graminearum, agente potencial de biocontrole de Egeria densa e Egeria najas

Foram estudados os efeitos da adição de adjuvantes e a associação com herbicidas na infectividade do fungo dentro do patossistema Fusarium graminearum x Egeria spp. Foram utilizadas plantas sadias de Egeria densa e E. najas inoculadas com uma suspensão de arroz moído colonizado por F. graminearum, na concentração de 0,7 g L-1. Os tubos de ensaio contendo as plantas imersas na referida suspensão foram mantidos em incubadora à temperatura de 25 ºC e fotoperíodo de 12 horas diárias de luz, por oito dias, durante os quais foram avaliados os sintomas nas plantas a cada dois dias e o crescimento destas através do incremento de matéria fresca ao final do experimento. O efeito de 14 adjuvantes e 6 herbicidas, adicionados à suspensão de inóculo, sobre a ação de F. graminearum em E. densa e E. najas foi avaliado. de modo geral, os adjuvantes melhoraram a eficiência do bioerbicida e a associação herbicida + fungo proporcionou maior severidade de doença e controle do crescimento das plantas.

Influência do fotoperíodo e da temperatura na intensidade de doença causada por Fusarium graminearum em Egeria densa e E. najas

Um isolado de Fusarium graminearum vem sendo estudado na UNESP, Campus de Jaboticabal, como agente de controle biológico de Egeria densa e E. najas, macrófitas aquáticas submersas, muito problemáticas em reservatórios de hidrelétricas. O presente trabalho teve por objetivo estudar os efeitos do fotoperíodo (0; 4; 8 e 12 h diárias de luz) e da temperatura (15 ºC, 20 ºC, 25 ºC, 30 ºC e 35 ºC) no controle destas plantas em condições de laboratório. A cada dois dias foram avaliados os sintomas nas plantas inoculadas com F. graminearum, atribuindo-se notas de severidade de doença, por um período de oito dias após a inoculação. Também foi avaliado o crescimento das plantas por meio do ganho de massa fresca, expresso em porcentagem. A maior severidade de doença foi observada quando ambas as espécies foram mantidas no escuro e a menor em fotoperíodo de 12 h. A temperatura de 30 ºC proporcionou maior severidade de doença em ambas espécies. Egeria densa apresentou maior produção de massa fresca no regime de 12 h de luz e de temperaturas abaixo de 25 ºC e menor produção no regime de escuro total e nas temperaturas de 30 ºC e 35 ºC. Egeria najas apresentou menor produção de massa fresca no regime de escuro total e nas temperaturas de 25 ºC a 35 ºC.

Influência da concentração de inóculo e da idade da planta na intensidade de doença causada por Fusarium graminearum em Egeria densa e E. najas

Um isolado de Fusarium graminearum estudado na UNESP/Campus de Jaboticabal, onde foi comprovada sua eficácia no controle de Egeria densa e E. najas, macrófitas aquáticas submersas. Para estudar o efeito de diferentes concentrações do inóculo na severidade de doença, foram conduzidos experimentos em incubadoras para BOD, com concentrações variando em um décimo, de 0,1 até 1,4 g/l de arroz moído colonizado com F. graminearum. Para verificar os possíveis efeitos da idade da planta sobre a severidade de doença, plantas com, no mínimo 35 cm, de comprimento foram excisadas em segmentos correspondentes às idades de crescimento. Os tratamentos com concentrações de inóculo a partir de 0,5 g/l apresentaram sintomas. Todos os tratamentos inoculados com o fungo, nas concentrações a partir de 0,5 g/l, apresentaram drástica redução na produção de biomassa fresca. Todos os segmentos utilizados como plantas-teste (0 a 32 cm de comprimento) apresentaram suscetibilidade ao fungo. Os ponteiros de plantas de ambas as espécies apresentaram maior severidade de sintomas no sexto e oitavo dias após a inoculação, contudo, os segmentos correspondentes às idades 2 e 3 apresentaram maior redução de biomassa fresca quando inoculadas, apesar de não apresentarem sintomas tão severos quanto a idade 1. Com relação ao ganho de biomassa fresca, as testemunhas apresentaram sempre maior crescimento do que os respectivos tratamentos inoculados, contudo os segmentos correspondentes à idade 4 apresentaram menor ganho de biomassa fresca do que as demais idades.

Desenvolvimento de equipamentos para o mapeamento de áreas infestadas por macrófitas aquáticas imersas

Foi desenvolvido um conjunto de equipamentos com o objetivo de mapear as áreas infestadas por macrófitas aquáticas, auxiliando operações de manejo mecânico, as quais são realizadas por uma colhedora desenvolvida especificamente para essa finalidade. O conjunto de equipamentos foi constituído por um GPS com programa de correção diferencial, acoplado a um palmtop, um sistema com dois teclados ligados em dataloggers e um transdutor de deslocamento linear LT. O GPS, através do palmtop, proporcionava o mapeamento da área de deslocamento, auxiliando o operador na movimentação da máquina, otimizando a operação e evitando, dessa forma, a sobreposição das faixas de coleta na área a ser manejada. Um dos teclados monitorava a movimentação e operação da colhedora, além da presença de obstáculos, como tocos e bancos de areia, enquanto o outro gerava dados sobre a presença de determinada espécie de planta, como E. densa, E. najas e C. demersum, além do nível de infestação destas plantas. O transdutor, instalado na plataforma frontal da colhedora, se movimentava linearmente, gerando informações sobre a profundidade da coleta realizada. Dessa forma, pôde-se observar que o desenvolvimento desse conjunto de equipamentos foi de grande utilidade e auxiliou a operação de controle mecânico de áreas infestadas por macrófitas aquáticas imersas, possibilitando, assim, o planejamento de operações de manejo e controle subseqüentes.

Caracterização genética de populações de Egeria najas presentes no reservatório de Jupiá e rios afluentes

A Egeria najas é uma espécie aquática submersa nativa da bacia hidrográfica do rio Paraná. Com o represamento das águas do rio para geração de energia elétrica a espécie tem mudado seu comportamento de colonização dos leitos dos rios e ocorrido em grandes maciços dentro da represa de Jupiá e rios afluentes. Essa planta tem causado problemas por obstruir a passagem de água para as turbinas de geração de energia elétrica. Coletas de material vegetativo foram realizadas na represa e afluentes do rio Paraná para análise da variabilidade isoenzimática e de DNA. A análise isoenzimática mostrou haver somente quatro classes de diferentes biotipos. No entanto, utilizando-se os procedimentos de RAPD, observou-se que a espécie possui grande variabilidade genética. O represamento das águas também está permitindo o acumulo de variabilidade no local e promovendo um aumento de variabilidade por meio de possíveis cruzamentos entre genótipos diferentes. Os resultados também possibilitaram inferir sobre as possíveis rotas de migração de material genético para colonização da represa e rios afluentes.

Avaliação da decomposição de plantas aquáticas no solo através da liberação de CO2

O objetivo deste trabalho foi avaliar a decomposição de três espécies de plantas aquáticas imersas, incorporadas ao solo, provenientes do controle mecânico, em reservatórios de usinas hidrelétricas. O estudo foi realizado em casa de vegetação, localizada no Núcleo de Pesquisas Avançadas em Matologia (NUPAM) da FCA/Unesp-Botucatu. A avaliação foi conduzida em vasos contendo 14 kg de solo, com três incorporações de 50 e 100 t MF de plantas ha-1, sob duas condições de solo: seco e úmido. Com a simulação de descarte da biomassa coletada e incorporada ao solo, pôde-se conhecer, através da liberação de CO2, a degradação de três espécies de macrófitas aquáticas submersas. Para quantificação do CO2 liberado, em cada vaso foi acondicionado um frasco com solução de NaOH, sendo, logo após, lacrados e incubados por 24 horas; em seguida, foram titulados com HCl. Para ajuste e interpolação dos dados, estes foram analisados seguindo modelo de Mitscherlich, com algumas modificações. As liberações acumuladas em solo úmido foram de 1.294 e 1.582 kg CO2 ha-1, sendo 6,2 e 5,6 vezes superiores ao ocorrido em solo seco, para 50 e 100 t MF ha-1, respectivamente, observando-se que cerca de 55% da liberação de CO2 ocorreu nos primeiros 30 dias. Pode-se concluir que o solo seco é a melhor condição para descarte e incorporação da biomassa, porém deverá existir um sistema de irrigação para que o processo de degradação da biomassa incorporada seja acelerado.

Teores de metais na biomassa de Egeria densa, Egeria najas e Ceratophyllum demersum

Este estudo foi realizado com o objetivo de se estimar o conteúdo de elementos metálicos presentes em três macrófitas aquáticas submersas, procurando avaliar a participação destas plantas na remoção destes elementos na água e criar base de dados que permita prever o impacto ambiental do descarte delas em solo ou na própria água. As amostras foram desidratadas, moídas e encaminhadas aos laboratórios para análise e quantificação dos elementos. Para as três espécies, a maior concentração de elementos foi observada durante o verão, ocorrendo declínio nas concentrações durante o inverno, principalmente para os elementos vanádio e chumbo. Não foi detectada presença do elemento mercúrio em nenhuma das amostras.

Avaliação de herbicidas para o controle de egéria em laboratório, caixa d'água e represa sem fluxo de água

Este projeto teve por objetivo avaliar a eficácia de herbicidas para controle de plantas aquáticas submersas das espécies Egeria densa e Egeria najas. O estudo foi realizado em três etapas consecutivas: em laboratório, em caixas d'água e numa represa de pequeno porte, sem fluxo de água. Na primeira etapa, avaliou-se a eficiência de 23 herbicidas utilizados em áreas agrícolas e disponíveis no mercado brasileiro. As elevadas concentrações em que os herbicidas foram efetivos inviabilizam programas de controle fundamentados em uma única aplicação. No experimento em caixas d'água, foram avaliados os efeitos de doses crescentes de fluridone, nas formulações líquida e granulada, no controle de Egeria densa e Egeria najas. Foram testadas as concentrações de 10, 20, 40, 80 e 150 ppb de fluridone na formulação líquida e 20, 40, 80 e 150 ppb na granulada. Após uma única aplicação, os resultados indicaram que o fluridone, nas concentrações de 80 e 150 ppb, em ambas as formulações, foi eficaz no controle dessas duas espécies. No experimento em represa de pequeno porte sem fluxo de água, avaliou-se o efeito da manutenção das concentrações de fluridone no controle de Egeria najas. Uma represa de 1.980 m² foi tratada com sete aplicações de fluridone, na formulação líquida, visando a manutenção das concentrações do ingrediente ativo na água entre 10 e 20 ppb. Os resultados indicaram que o controle proporcionado pelo herbicida foi superior a 99%. Não houve modificação significativa nas características relacionadas à qualidade da água.

Mapeamento do biovolume de plantas aquáticas submersas a partir de dados hidroacústicos e imagem multiespectral de alta resolução

As plantas aquáticas têm papel fundamental no equilíbrio dos ecossistemas, porém seu crescimento desequilibrado pode obstruir canais, represas e reservatórios e afetar múltiplos usos da água. em relação a plantas aquáticas submersas, a utilização de medidas de controle torna-se mais complexa, em face da dificuldade em mapear e quantificar volumetricamente as áreas colonizadas. Nessas situações, considera-se que o uso de dados hidroacústicos possibilite o mapeamento e a mensuração dessas áreas, auxiliando na elaboração de propostas de manejo sustentáveis desse tipo de vegetação aquática. Assim, o presente trabalho utilizou dados acústicos e a técnica de krigagem para realizar a inferência espacial do biovolume de plantas aquáticas submersas. Os dados foram obtidos em três levantamentos ecobatimétricos realizados em uma área de estudos localizada no rio Paraná, caracterizada por condições favoráveis para proliferação de vegetação aquática submersa e dificuldade de navegação. Para delimitar as áreas caracterizadas pela presença de plantas aquáticas submersas, utilizou-se uma imagem multiespectral de alta resolução espacial World View-2. O mapeamento do biovolume das plantas aquáticas submersas nas áreas de ocorrência do fenômeno foi realizado a partir da inferência do biovolume por krigagem e do fatiamento dos valores inferidos em intervalos de 15%. A partir do mapa gerado, foi possível identificar os locais de maior concentração de macrófitas submersas, com predominância de valores de biovolume entre 15-30% e 30-45%, confirmando a viabilidade da utilização da krigagem na inferência espacial do biovolume, a partir de medidas ecobatimétricas georreferenciadas e com o suporte de imagem de alta resolução espacial.