Trophic interactions and consequent impacts of the invasive fish Pseudorasbora parva in a native aquatic foodweb: a field investigation in the UK

Introduction of the invasive Asian cyprinid fish Pseudorasbora parva into a 0.3 ha pond in England with a fish assemblage that included Cyprinus carpio, Rutilus rutilus and Scardinius erythrophthalmus resulted in their establishment of a numerically dominant population in only 2 years; density estimates exceeded 60 ind. m(-2) and they comprised > 99% of fish present. Stable isotope analysis (SIA) revealed significant trophic overlap between P. parva, R. rutilus and C. carpio, a shift associated with significantly depressed somatic growth in R. rutilus. Despite these changes, fish community composition remained similar between the ponds. Comparison with SIA values collected from an adjacent pond free of P. parva revealed a simplified food web in P. parva presence, but with an apparent trophic position shift for several fishes, including S. erythrophthalmus which appeared to assimilate energy at a higher trophic level, probably through P. parva consumption. The marked isotopic shifts shown in all taxa in the P. parva invaded pond (C-13-enriched, N-15 depleted) were indicative of a shift to a cyanobacteria-dominated phytoplankton community. These findings provide an increased understanding of the ecological consequences of the ongoing P. parva invasion of European freshwater ecosystems.

Multiproxy evidence for terrestrial and aquatic ecosystem responses during the 8.2 ka cold event as recorded at Hojby So, Denmark

A sediment succession from Hojby So, a lake in eastern Denmark, covering the time period 9400-7400 cal yr BP was studied using high-resolution geochemistry, magnetic susceptibility, pollen, macrofossil, diatom, and algal pigment analysis to investigate responses of the terrestrial and aquatic ecosystems to the 8.2 ka cold event. A reduced pollen production by thermophilous deciduous tree taxa in the period c. 8250-8000 cal yr BP reveal that the forest ecosystem was affected by low temperatures during the summer and winter/early-spring seasons. This finding is consistent with the timing of the 8.2 ka cold event as registered in the Greenland ice cores. At Hojby So, the climate anomaly appears to have started 200-250 yr earlier than the 8.2 ka cold event as the lake proxy data provide strong evidence for a precipitation-induced distinct increase in catchment soil erosion beginning around 8500 cal yr BP. Alteration of the terrestrial environment then resulted in a major aquatic ecosystem change with nutrient enrichment of the lake and enhanced productivity, which lasted until c. 7900 cal yr BP. (C) 2009 University of Washington. Published by Elsevier Inc. All rights reserved.

Biomonitoring aquatic environmental quality in a marine protected area: A biomarker approach

The main aims of the present study, conducted in the framework of the MONIQUA-Egadi Scientific Project, were twofold: first, to make the first step in the development and validation of an ecotoxicological approach for the assessment of marine pollution in coastal environments on the basis of a set of biomarker responses in new sentinel species; and second, to obtain preliminary information on environmental quality in an Italian marine protected area, the Egadi Islands (Sicily). Several cytochrome P450-dependent mixed-function oxidase activities were measured in the following sentinel species: rainbow wrasse Coris julis, gastropod limpet Patella caerulea, and sea urchin Paracentrotus lividus. The results suggest that specimens from the Favignana Harbor may be exposed to P450 inducers, whereas most of the other sites seem to share similar environmental quality. The proposed approach has potential for assessment of environmental quality in marine protected areas.

Historical data reveal power-law dispersal patterns of invasive aquatic species

Understanding how invasive species spread is of particular concern in the current era of globalisation and rapid environmental change. The occurrence of super-diffusive movements within the context of Lévy flights has been discussed with respect to particle physics, human movements, microzooplankton, disease spread in global epidemiology and animal foraging behaviour. Super-diffusive movements provide a theoretical explanation for the rapid spread of organisms and disease, but their applicability to empirical data on the historic spread of organisms has rarely been tested. This study focuses on the role of long-distance dispersal in the invasion dynamics of aquatic invasive species across three contrasting areas and spatial scales: open ocean (north-east Atlantic), enclosed sea (Mediterranean) and an island environment (Ireland). Study species included five freshwater plant species, Azolla filiculoides, Elodea canadensis, Lagarosiphon major, Elodea nuttallii and Lemna minuta; and ten species of marine algae, Asparagopsis armata, Antithamnionella elegans, Antithamnionella ternifolia, Codium fragile, Colpomenia peregrina, Caulerpa taxifolia, Dasysiphonia sp., Sargassum muticum, Undaria pinnatifida and Womersleyella setacea. A simulation model is constructed to show the validity of using historical data to reconstruct dispersal kernels. Lévy movement patterns similar to those previously observed in humans and wild animals are evident in the re-constructed dispersal pattern of invasive aquatic species. Such patterns may be widespread among invasive species and could be exacerbated by further development of trade networks, human travel and environmental change. These findings have implications for our ability to predict and manage future invasions, and improve our understanding of the potential for spread of organisms including infectious diseases, plant pests and genetically modified organisms.

Alien aquatics in Europe: assessing the relative environmental and socio-economic impacts of invasive aquatic macroinvertebrates and other taxa

Invasive alien aquatic species, including marine and freshwater macroinvertebrates, have become increasingly important in terms of both environmental and socio-economic impacts. In order to assess their environmental and economic costs, we applied the Generic Impact Scoring System (GISS) and performed a comparison with other taxa of invaders in Europe. Impacts were scored into six environmental and six socio-economic categories, with each category containing five impact levels. Among 49 aquatic macroinvertebrates, the most impacting species were the Chinese mitten crab, Eriocheir sinensis (Milne-Edwards, 1853) and the zebra mussel, Dreissena polymorpha (Pallas, 1771). The highest impacts found per GISS impact category were, separately; on ecosystems, through predation, as competitors, and on animal production. Eleven species have an impact score > 10 (high impact) and seven reach impact level 5 in at least one impact category (EU blacklist candidates), the maximum score that can be given is 60 impact points. Comparisons were drawn between aquatic macroinvertebrates and vertebrate invaders such as fish, mammals and birds, as well as terrestrial arthropods, revealing invasive freshwater macroinvertebrates to be voracious predators of native prey and damaging to native ecosystems compared with other taxa. GISS can be used to compare these taxa and will aid policy making and targeting of invasive species for management by relevant agencies, or to assist in producing species blacklist candidates.

Aquatic invasive alien species – top issues for their management. Outcomes from the IFI/EIFAAC conference “Freshwater Invasives – Networking for Strategy”

In November 2014, a new EU Regulation to address Invasive Alien Species (IAS) and protect biodiversity was published. This entered into force across the EU in January 2015. The aim of the Regulation is to ‘prevent the introduction of, control or eradicate alien species which threaten ecosystems, habitats or species’. In an effort to provide focus to the Regulation prior to its publishing and to identify the major issues relating to Invasive Alien Species in Europe, the views of invasive species experts from around the world were sought. These were consolidated at an international conference (Freshwater Invasives - Networking for Strategy (FINS)) that was held in Ireland in April 2013. A major outcome from this meeting of experts was the production of the Top 20 IAS issues that relate primarily to freshwater habitats but are also directly relevant to marine and terrestrial ecosystems. This list will support policy makers throughout the EU as preparations are made to implement this important piece of legislation. A further outcome from the conference was the formation of an expert IAS Advisory Group to support EIFAAC in its work on invasive species

A validated UPLC–MS/MS method for the surveillance of ten aquatic biotoxins in European brackish and freshwater systems

Over the past few decades, there has been an increased frequency and duration of cyanobacterial Harmful Algal Blooms (HABs) in freshwater systems globally. These can produce secondary metabolites called cyanotoxins, many of which are hepatotoxins, raising concerns about repeated exposure through ingestion of contaminated drinking water or food or through recreational activities such as bathing/ swimming. An ultra-performance liquid chromatography tandem mass spectrometry (UPLC–MS/MS) multi-toxin method has been developed and validated for freshwater cyanotoxins; microcystins-LR, -YR, -RR, -LA, -LY and -LF, nodularin, cylindrospermopsin, anatoxin-a and the marine diatom toxin domoic acid. Separation was achieved in around 9 min and dual SPE was incorporated providing detection limits of between 0.3 and 5.6 ng/L of original sample. Intra- and inter-day precision analysis showed relative
standard deviations (RSD) of 1.2–9.6% and 1.3–12.0% respectively. The method was applied to the analysis of aquatic samples (n = 206) from six European countries. The main class detected were the hepatotoxins; microcystin-YR (n = 22), cylindrospermopsin (n = 25), microcystin-RR (n = 17), microcystin-LR (n = 12), microcystin-LY (n = 1), microcystin-LF (n = 1) and nodularin (n = 5). For microcystins, the levels detected ranged from 0.001 to 1.51 mg/L, with two samples showing combined levels above the guideline set by the WHO of 1 mg/L for microcystin-LR. Several samples presented with multiple toxins indicating the potential for synergistic effects and possibly enhanced toxicity. This is the first published pan European survey of freshwater bodies for multiple biotoxins, including two identified for the first time; cylindrospermopsin in Ireland and nodularin in Germany, presenting further incentives for improved monitoring and development of strategies to mitigate human exposure.

Ecotoxicological tests using Chironomus riparius

Os sistemas aquáticos naturais podem estar sujeitos frequentemente a entrada de tóxicos, quer seja através da lixiviação dos campos agrícolas ou da descarga por parte de unidades industriais. Avaliar o impacto potencial destes contaminantes nos sistemas aquáticos é muito importante, porque pode promover consequências sérias no balanço ecológico dos ecossistemas. Os efeitos de níveis sub-letais destes tóxicos nas populações aquáticas são detectados, em muitos casos, somente após diversas gerações, dependendo da espécie e do contaminante. O comportamento animal é considerado como sendo a primeira linha de defesa perante estímulos ambientais, e pode ser uma representação de alterações fisiológicas no organismo, sendo portanto um indicador excelente de alterações ambientais. O desenvolvimento dos sistemas de aviso prévio que integram parâmetros comportamentais pode ajudar a prever mais rapidamente possíveis alterações ao nível das populações naturais, do que a utilização de testes ecotoxicológicos padrão com a mesma finalidade. O conhecimento acerca de possíveis implicações devido a alterações comportamentais, em organismos bentónicos e em populações do campo sujeitas a tóxicos, é ainda escasso. Sabendo isto, neste estudo pretendeu-se investigar como o comportamento de Chironomus riparius – usando um biomonitor em tempo real – e outros parâmetros tais como crescimento, emergência de adultos, bioacumulação e biomarcadores, são afectados pela exposição a imidacloprid e ao mercúrio, que foram seleccionados como contaminantes. Os resultados demonstraram que a exposição às concentrações sub-letais de imidacloprid afecta o crescimento e o comportamento dos quironomídeos e que estes organismos podem recuperar de uma exposição curta ao insecticida. O comportamento que corresponde à ventilação de C. riparius revelou-se como um parâmetro mais sensível do que a locomoção e do que as respostas bioquímicas, quando as larvas foram sujeitas ao imidacloprid. Larvas de C. riparius expostas a concentrações sub-letais de mercúrio apresentaram uma tendência de diminuição de actividade comportamental, em testes com concentrações crescentes do tóxico; o crescimento das larvas foi também prejudicado, e as taxas de emergência de adultos e o tempo de desenvolvimento apresentaram retardamento. Estes organismos podem bioacumular rapidamente o mercúrio em condições de não alimentação e apresentam uma lenta depuração deste metal. Estes efeitos podem, em último caso, conduzir a prováveis repercussões ao nível da população e das comunidades. As reduções em actividades comportamentais, mesmo em concentrações baixas, podem diminuir a quantidade de tempo gasta na procura de alimento, produzindo efeitos aos níveis morfo-fisiológicos, e assim afectar severamente o desempenho dos quironomídeos no ambiente. O uso destes factores comportamentais como um parâmetro ecotoxicológico sub-letal relevante ao nível da toxicologia aumentará a versatilidade dos testes, permitindo uma resposta comportamental mensurável e quantitativa ao nível do organismo, utilizando uma avaliação não destrutiva, e assim certificando que esta aproximação pode ser usada em testes ecotoxicológicos futuros.

Toxicity assessment of essential metals in aquatic detritivores

Os contaminantes provenientes quer de fontes naturais quer como consequência da atividade humana, têm contribuído para a degradação dos ecossistemas aquáticos. Entre estes encontram-se os metais que podem, ou não ser essenciais mediante o papel que desempenham no metabolismo dos organismos. O cobre e o zinco são exemplos de metais essenciais, contudo quando atingem concentrações elevadas podem tornar-se tóxicos. Os detritívoros aquáticos desempenham um papel fundamental na decomposição da matéria orgânica, alimentando-se de carcaças e partes de plantas que caem nos cursos de água. Assim, estes organismos permitem que o ciclo dos nutrientes se complete e servem como elo de ligação entre todos os grupos funcionais do ecossistema mantendo o seu equilíbrio estrutural e funcional. Sendo a matéria orgânica a sua principal fonte de energia estão sujeitos à contaminação existente no meio, pelo que é de todo o interesse proceder-se à avaliação dos efeitos da toxicidade de metais nestes organismos. Uma vez que as diferenças comportamentais consequentes desta exposição podem originar variações na densidade e diversidade, o que se refletirá a nível das comunidades, originando alterações na estrutura e funcionamento do ecossistema. Tendo em vista a avaliação dos efeitos da contaminação por metais em detritívoros, o principal objetivo deste trabalho foi comparar a sensibilidade a metais essenciais de dois detritivoros aquáticos, o camarão Atyaephyra desmarestii e o anfípode Echinogammarus meridionalis. Para tal, avaliaram-se os efeitos do cobre e do zinco a diferentes níveis de organização biológica. Primeiro, foram determinadas as preferências alimentares de A. desmarestii e E. meridionalis considerando tanto a área das folhas como a contaminação por metais das folhas. Em seguida, avaliaram-se os efeitos do cobre e do zinco na sobrevivência e inibição alimentar de ambas as espécies. Finalmente, avaliaram-se os efeitos destes mesmos metais a nível bioquímico utilizando uma bateria de biomarcadores que incluiu enzimas de stresse oxidativo, o sistema de defesa antioxidante e as colinesterases. Ambos os organismos não mostraram preferência em relação a folhas de área diferente. A presença de uma maior ou menor concentração de metais essenciais no alimento não teve qualquer influência na sua escolha pelo alimento (contaminado ou não). Os ensaios agudos de cobre e zinco mostraram que o cobre é mais tóxico para ambas as espécies do que o zinco. O camarão demonstrou ser mais sensível ao zinco que o anfípode, tendo este sido mais sensível ao cobre ( CL50 do cobre para A. desmarestii foi de 0,128 mg.l-1 e o de E. meridionalis foi de 0,050 mg.l-1; os valores correspondentes para o zinco foram 7,951 e 11,860 mg.l-1, respectivamente. Em relação aos efeitos subletais, o cobre teve efeitos notórios na taxa de alimentação de E. meridionalis, mas não afectou a de A. desmarestii. No que diz respeito à exposição ao zinco, ambas as espécies parecem apresentar tendência para inibir a alimentação. A caracterização das colinesterases revelou que a principal forma presente em ambas as espécies é a acetilcolinesterase, a qual que não foi afetada pela presença dos metais, no caso do camarão, mas parece ser inibida pelo zinco no caso do anfípode. O cobre inibiu o sistema de defesa enzimático de ambas as espécies, sem sinais de danos lipídicos. Para além disto, inibiu uma das enzimas antioxidantes (GPx) do anfípode. Apesar de não ter ocorrido dano lipídico após exposição ao cobre, observou-se um ligeiro aumento dos níveis das LPO, o que pode ser indicativo de uma potencial existência de dano oxidativo, como resultado da falha do sistema de defesa antioxidante. Por outro lado, o zinco induziu o sistema de defesa em E. meriodionalis prevenindo o dano lipídico. Enquanto em A. desmarestii o sistema enzimático antioxidante não respondeu, tendo ocorrido dano celular oxidativo considerando-se, assim, que o sistema de defesa antioxidante do camarão pode ser comprometido por exposição a metais. Ainda que os danos celulares oxidativos tivessem ocorrido a baixas concentrações de zinco. A exposição a este metal também induziu a actividade da GST de E. meriodionalis. Considerando que a taxa de alimentação foi severamente reduzida no caso deste organismo, o zinco parece ser o metal cuja concentração no ecossistema requer maior atenção. Integrando as respostas dos biomarcadores parece também evidente que A. desmarestii responde de uma maneira geral a maiores concentrações dos dois metais, enquanto a resposta de E. meridionalis ocorre a concentrações inferiores. Pelo que, E. meridionalis parece ser mais sensível ao nível bioquímico. Neste trabalho, os dois detritívoros, com ligeiras diferenças no modo como utilizam a matéria orgânica disponível, apresentam diferenças na sensibilidade aos metais essenciais a vários níveis de organização biológica, sendo o zinco o metal que poderá causar maior preocupação a nível bioquímico, enquanto o cobre parece ser o mais tóxico ao nível do organismo, causando mortalidade a concentrações mais baixas.