Record of natural and anthropogenic changes in reef environments (Barbados West Indies) using laser ablation ICP-MS and sclerochronology on coral cores

Coral growth rate can be affected by environmental parameters such as seawater temperature, depth, and light intensity. The natural reef environment is also disturbed by human influences such as anthropogenic pollutants, which in Barbados are released close to the reefs. Here we describe a relatively new method of assessing the history of pollution and explain how these effects have influenced the coral communities off the west coast of Barbados. We evaluate the relative impact of both anthropogenic pollutants and natural stresses. Sclerochronology documents framework and skeletal growth rate and records pollution history (recorded as reduced growth) for a suite of sampled Montastraea annularis coral cores. X-radiography shows annual growth band patterns of the corals extending back over several decades and indicates significantly lower growth rate in polluted sites. Results using laser-ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) on the whole sample (aragonite, organic matter, trapped particulate matter, etc.), have shown contrasting concentrations of the trace elements (Cu, Sn, Zn, and Pb) between corals at different locations and within a single coral. Deepwater corals 7 km apart, record different levels of Pb and Sn, suggesting that a current transported the metal pollution in the water. In addition, the 1995 hurricanes are associated with anomalous values for Sn and Cu from most sites. These are believed to result from dispersion of nearshore polluted water. We compared the concentrations of trace elements in the coral growth of particular years to those in the relevant contemporaneous seawater. Mean values for the concentration factor in the coral, relative to the water, ranged from 10 for Cu and Ni to 2.4 and 0.7 for Cd and Zn, respectively. Although the uncertainties are large (60-80%), the coral record enabled us to demonstrate the possibility of calculating a history of seawater pollution for these elements from the 1940s to 1997. Our values were much higher than those obtained from analysis of carefully cleaned coral aragonite; they demonstrate the incorporation of more contamination including that from particulate material as well as dissolved metals.

Monitoring growth of hard corals as performance indicators for coral reefs

Digital videophotography, computer image analysis and physical measurements have been used to monitor sedimentation rates, coral cover, genera richness, rugosity and estimated recruitment dates of massive corals at three different sites in the Wakatobi Marine National Park, Indonesia, and on the reefs around Discovery Bay, Jamaica. Semi-structured interviews with key stakeholders in the Wakatobi Marine National Park indicated that coral mining was extensively practised, and is responsible for the absence of large non-branching corals on the Sampela reef Blast fishing is also practised in the Wakatobi Marine Park, and the authors, together with students, showed that blast fishing resulted in coral bleaching and not mortality of two Porites lutea colonies. In addition, we showed that monitoring of bleaching in Porites colonies induced by blast fishing could be a useful way of monitoring blast fishing practices in susceptible areas in the Indo-Pacific. The techniques used in this study are appropriate for use by volunteers with sufficient training, and provide excellent projects for dissertation students reading undergraduate degrees.

Computer modelling and estimation of recruitment patterns of non-branching coral colonies at three sites in Wakatobi Marine Park, S.E. Sulawesi, Indonesia; implications for coral reef conservation

We have studied growth and estimated recruitment of massive coral colonies at three sites, Kaledupa, Hoga and Sampela, separated by about 1.5 km in the Wakatobi Marine National Park, S.E. Sulawesi, Indonesia. There was significantly higher species richness (P<0.05), coral cover (P<0.05) and rugosity (P<0.01) at Kaledupa than at Sampela. A model for coral reef growth has been developed based on a rational polynomial function, where dx/dt is an index of coral growth with time; W is the variable (for example, coral weight, coral length or coral area), up to the power of n in the numerator and m in the denominator; a1……an and b1…bm are constants. The values for n and m represent the degree of the polynomial, and can relate to the morphology of the coral. The model was used to simulate typical coral growth curves, and tested using published data obtained by weighing coral colonies underwater in reefs on the south-west coast of Curaçao [‘Neth. J. Sea Res. 10 (1976) 285’]. The model proved an accurate fit to the data, and parameters were obtained for a number of coral species. Surface area data was obtained on over 1200 massive corals at three different sites in the Wakatobi Marine National Park, S.E. Sulawesi, Indonesia. The year of an individual's recruitment was calculated from knowledge of the growth rate modified by application of the rational polynomial model. The estimated pattern of recruitment was variable, with little numbers of massive corals settling and growing before 1950 at the heavily used site, Sampela, relative to the reef site with little or no human use, Kaledupa, and the intermediate site, Hoga. There was a significantly greater sedimentation rate at Sampela than at either Kaledupa (P<0.0001) or Hoga (P<0.0005). The relative mean abundance of fish families present at the reef crests at the three sites, determined using digital video photography, did not correlate with sedimentation rates, underwater visibility or lack of large non-branching coral colonies. Radial growth rates of three genera of non-branching corals were significantly lower at Sampela than at Kaledupa or at Hoga, and there was a high correlation (r=0.89) between radial growth rates and underwater visibility. Porites spp. was the most abundant coral over all the sites and at all depths followed by Favites (P<0.04) and Favia spp. (P<0.03). Colony ages of Porites corals were significantly lower at the 5 m reef flat on the Sampela reef than at the same depth on both other reefs (P<0.005). At Sampela, only 2.8% of corals on the 5 m reef crest are of a size to have survived from before 1950. The Scleractinian coral community of Sampela is severely impacted by depositing sediments which can lead to the suffocation of corals, whilst also decreasing light penetration resulting in decreased growth and calcification rates. The net loss of material from Sampela, if not checked, could result in the loss of this protective barrier which would be to the detriment of the sublittoral sand flats and hence the Sampela village.

Genetic variation and population structuring in two brooding coral species (Siderastrea stellata and Siderastrea radians) from Brazil

Siderastrea stellata and S. radians are scleractinian coral species that present a remarkable overlap of diagnostic characteristics and sympatric distribution. Moreover, both are viviparous with similar reproductive strategies and with a gregarious larval behavior. Samples of both species from the Brazilian coast were analyzed using 18 isozymic loci to quantify their genetic variability and populational structure. Results confirmed species identity, high intrapopulational variability and revealed moderate genetic structuring among all samples (S. stellata: F(ST) = 0.070; S. radians: F(ST) = 0.092). Based on genotypic diversity analysis, there was evidence that local recruitment may have a minor role in the populations (mean, G(o) :G(e) = 1.00 +/- 0.0003 SD for S. stellata and 0.99 +/- 0.0023 SD for S. radians). Deviations towards heterozygote deficiencies found in both Siderastrea species could be explained by the Wahlund effect, since there was evidence that populations might be composed of colonies of different ages. In S. radians it is also likely that there is some inbreeding occurring in the studied populations. Despite the brooding pattern and the gregarious larval behavior, our data suggest the occurrence of gene flow along the Brazilian coast. This is the first study on population genetics of Brazilian reef corals.

Vibrios dominate as culturable nitrogen-fixing bacteria of the Brazilian coral Mussismilia hispida

Taxonomic characterization was performed on the putative N-2-fixing microbiota associated with the coral species Mussismilia hispida, and with its sympatric species Palythoa caribaeorum, P. variabilis, and Zoanthus solanderi, off the coast of Sao Sebastiao (Sao Paulo State, Brazil). The 95 isolates belonged to the Gammaproteobacteria according to the 16S rDNA gene sequences. In order to identify the isolates unambiguously, pyrH gene sequencing was carried out. The majority of the isolates (n = 76) fell within the Vibrio core group, with the highest gene sequence similarity being towards Vibrio harveyi and Vibrio alginolyticus. Nineteen representative isolates belonging to V. harveyi (n = 7), V. alginolyticus (n = 8), V. campbellii (n = 3), and V parahaemolyticus (n = 1) were capable of growing six successive times in nitrogen-free medium and some of them showed strong nitrogenase activity by means of the acetylene reduction assay (ARA). It was concluded that nitrogen fixation is a common phenotypic trait among Vibrio species of the core group. The fact that different Vibrio species can fix N, might explain why they are so abundant in the mucus of different coral species. (C) 2008 Published by Elsevier GmbH.

Palythine-threonine, a major novel mycosporine-like amino acid (MAA) isolated from the hermatypic coral Pocillopora capitata

Using a high-resolution reverse-phase liquid chromatography method we found that the tissues of the hermatypic coral Pocillopora capitato (collected in Santiago Bay, Mexico) contain a high diversity of primary and secondary mycosporine-like amino acids (MAAs) typical of some reef-building coral species: mycosporine-glycine, shinorine, porphyra-334, mycosporine-methylamine-serine, mycosporine-methylamine-threonine, palythine-serine, palythine and one additional novel predominant MAA, with an absorbance maximum of 320 nm. Here we document the isolation and characterization of this novel MAA from the coral A capitata. Using low multi-stage mass analyses of deuterated and non deuterated compounds, high-resolution mass analyses (Time of Flight, TOF) and other techniques, this novel compound was characterized as palythine-threonine. Palythine-threonine was also present in high concentrations in the corals Pocillopora eydouxi and Stylophora pistillata indicating a wider distribution of this MAA among reef-building corals. From structural considerations we suggest that palythine-threonine is formed by decarboxylation of porphyra-334 followed by demethylation of mycosporine-methylamine-threonine. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Estudo da associação de elementos traços com a fração orgânica e inorgânica do carvão do leão

O presente trabalho refere-se à determinação dos elementos cobre, chumbo, zinco, cobalto, níquel, cromo, vanádio e manganês no carvão da Mina do Leão, com o objetivo de verificar a distribuição e ocorrência dos mesmos, com ênfase ao estudo da associação com as frações orgânica e inorgânica do carvão. O estudo da associação revelou que o cobre, cobalto, níquel, cromo e vanádio, estão associados à fração orgânica do carvão. O chumbo e o zinco, estão predominantemente associados a fração orgânica, contudo, para altos teores de cinzas, verifica-se também associação com a fração inorgânica. O manganês, está dominantemente associado à fração inorgânica.

Matéria orgânica e características físicas, químicas, mineralógicas e espectrais de latossolos de diferentes ambientes

A matéria orgânica é de grande importância em solos tropicais e subtropicais, pois influencia em suas propriedades físicas, químicas, biológicas, mineralógicas e espectrais. O clima e a interação da matéria orgânica com a fração mineral apresentam um papel fundamental nas relações que envolvem o acúmulo, estabilização e qualidade da matéria orgânica no solo. Nesse sentido, no estudo 1, investigou-se a qualidade da matéria orgânica, a partir de sua caracterização por espectroscopia de ressonância magnética nuclear do 13C, ao longo de uma climossequência de Latossolos do Rio Grande do Sul. O teor de matéria orgânica foi influenciado pelas condições climáticas aumentando seu teor no solo conforme aumentou a relação PMA/PET (quociente da precipitação média anual e potencial de evapotranspiração). O grupo C-O-alquil apresentou a maior contribuição nos espectros de RMN do 13C, sendo que as maiores proporções ocorreram nos horizontes superficiais dos solos de ambientes mais frios e úmidos. Os índices de humificação testados foram eficientes para avaliar o grau de humificação na climossequência. No estudo 2, o principal objetivo foi analisar a influência dos teores e da qualidade da matéria orgânica e da mineralogia sobre o comportamento espectral de Latossolos de diferentes ambientes. Os resultados obtidos demonstram que a técnica de espectrorradiometria do solo pode auxiliar na identificação e mesmo na quantificação de atributos do solo como teor de matéria orgânica e óxidos de ferro. As correlações significativas entre reflectância e os teores de matéria orgânica e os índices de humificação obtidas pela espectroscopia de RMN do 13C mostraram ser promissoras e necessitam de estudos mais aprofundados para estabelecimento de índices que possam auxiliar no entendimento da qualidade da matéria orgânica do solo.

Caracterização mineralógica e da matéria orgânica de latossolos brasileiros sob vegetação nativa

A matéria orgânica do solo (MOS) constitui importante componente dos solos de regiões tropicais e subtropicais, tendo papel importante em suas propriedades químicas e físicas. Com objetivo de avaliar as características da MOS em Latossolos brasileiros sob vegetação nativa e sua relação com a profundidade e com as características mineralógicas e texturais dos solos, foram realizados dois estudos. No primeiro estudo foi investigou-se o efeito do tratamento com solução de HF 10% na resolução espectral de RMN 13C e na qualidade da MOS em amostras de horizontes A e B de quatro Latossolos brasileiros. Os sucessivos tratamentos com HF melhoraram a resolução espectral em ambos os horizontes. As perdas de C ao longo dos tratamentos foram da ordem de 39 a 48% no horizonte A e 71 a 85% no horizonte B, porém não foram seletivas para nenhum dos grupos funcionais determinados por RMN 13C. No segundo estudo, amostras do horizonte A de oito Latossolos, sendo seis do Rio Grande do Sul sob vegetação de campo nativo, um do Distrito Federal sob vegetação de cerrado e um do Amazonas sob vegetação de floresta tropical foram submetidas ao fracionamento físico da MOS As frações obtidas foram analisadas por análise elementar e espectroscopia de RMN 13C CP/MAS. Microagregados de argila contendo óxidos de ferro, resistiram à dispersão de ultrassom a 450J mL-1. A proporção dos grupos C-O-alquil aumentou com a diminuição do tamanho de partícula e a razão C alquil/ C-O-alquil diminuiu, evidenciando o mecanismo de proteção da MOS devido à interação com a superfície dos minerais. Este comportamento foi mais acentuado nos solos argilosos do Rio Grande do Sul. A variação dos grupos funcionais da MOS em função do tamanho de partícula foi diferenciada entre os solos estudados, indicando que a comparação direta da qualidade e dinâmica da MOS em diferentes ambientes é limitada.

Fracionamento físico da matéria orgânica do solo em diferentes energias de sonicação em três latossolos brasileiros sob vegetação nativa

O fracionamento físico é freqüentemente empregado, em estudos sobre a dinâmica da matéria orgânica do solo (MOS), sendo que não existe um consenso quanto à energia adequada para a dispersão máxima de um determinado tipo do solo. Os principais objetivos deste trabalho foram determinar a energia de sonicação para a dispersão máxima do solo no fracionamento físico da MOS; avaliar o efeito do aumento da energia de sonicação e da separação prévia da matéria orgânica leve livre (MOLL) na dispersão do solo; e investigar a distribuição e qualidade das substâncias húmicas (SH´s) nas frações silte e argila obtidas na dispersão máxima do solo. O fracionamento físico em seis níveis de energia (200, 400, 800, 1200, 1600 e 2000 J mL-1) foi realizado em amostras do horizonte A de três Latossolos brasileiros sob vegetação nativa: Latossolo Vermelho (LVdf), Latossolo Bruno (LBd) e Latossolo Amarelo (LAw). A não separação da MOLL com solução de NaI, previamente à aplicação de ultra-som, causou redistribuição de carbono nas frações silte e argila, mostrando ser este um procedimento importante no fracionamento da MOS. Em geral, o aumento da energia de sonicação provocou aumento do teor da fração argila, porém a redistribuição do carbono não foi observada. A energia de máxima dispersão foi de 800, 1200 e acima de 2000 J mL-1, respectivamente para os solos LVdf, LAw e LBd, e este comportamento foi relacionado com as características de cada solo A proporção de SH´s em relação ao teor de carbono total da fração, nas frações argila e silte dos solos LVdf e LAw foi superior à verificada para o solo inteiro, enquanto que no solo LBd o comportamento foi inverso. A razão E4/E6 nos ácidos húmicos (AH) na fração argila dos solos LVdf e LBd foi inferior à dos ácidos fúlvicos (AF) correspondentes, indicando que os AH apresentam grau de condensação mais elevado do que AF. Os valores obtidos para a razão E4/E6 foram inferiores aos usualmente citados na literatura. Os resultados obtidos no fracionamento químico indicam que o fracionamento físico afetou a distribuição e qualidade das substâncias húmicas fracionadas quimicamente.