Factors influencing the seasonal changes in primary productivity of the photosynthetic bacteria of Crawford Lake, Ontario

A naturally occurring population of photosynthetic bacteria, located in the meromictic Crawford Lake, was examined during two field seasons (1979-1981). Primary production, biomass, light intensity, lake transparency, pH and bicarbonate concentration were all monitored during this period at selected time intervals. Analysis of the data indicated that (l4C) bacterial photosynthesis was potentially limited by the ambient bicarbonate concentration. Once a threshold value (of 270 mg/l) was reached a dramatic (2 to 10 fold) increase in the primary productivity of the bacteria was observed. Light intensity appeared to have very little effect on the primary productivity of the bacteria, even at times when analyses by Parkin and Brock (1980a) suggested that light intensity could be limiting (i.e., 3.0-5.0 ft. candles). Shifts in the absorption maxima at 430 nrn of the .bacteriochlorophyll spectrum suggested that changes in the species or strain composition of the photosynthetic bacteria had occurred during the summer months. It was speculated that these changes might reflect seasonal variation in the wavelength of light reaching the bacteria. Chemocline erosion did not have the same effect on the population size (biomass) of the photosynthetic bacteria in Crawford Lake (this thesis) as it did in Pink Lake (Dickman, 1979). In Crawford Lake the depth of the chemocline was lowered with no apparent loss in biomass (according to bacteriochlorophyll data). A reverse current was. proposed to explain the observation. The photosynthetic bacteria contributed a significant proportion (10-60%) of the lake1s primary productivitya Direct evidence was obtained with (14C) labelling of the photosynthetic bacteria, indica.ting that the zooplankton were grazing the photosynthetic bacteria. This indicated that some of the photosynthetic bacterial productivity was assimilated into the food chain of the lake. Therefore, it was concluded that the photosynthetic bacteria made a significant contribution to the total productivity of Crawford Lake.

Seasonal variation in the reproductive biology of the ring -billed gull (Larus delawarensis)

The reproductive biology of the Ring-billed Gull (Larus delawarensis) was studied on Gull Island, Presqu'ile Provincial Park, Ontario, in 1976 and 1977. Early started clutches (comprising the majority of clutches on Gull Island) in 1977 produced more chicks per nest (2.20 ± 0.09) than late started clutches (0.86 ± 0.13) as a result of reductions in mean clutch size, hatching success and fledging success with date of clutch initiation. Seasonal changes in mean clutch size, hatching success and fledging success also resulted in early clutches, initiated at the peak of clutch starts, producing more chicks per nest (2.34 ± 0.11) than either pre-peak (2.13 ± 0.20) or post-peak (1.82 ± 0.29) clutches. Possible reasons for these trends, including the observed predominance of immature plumaged, breeding gulls in late started areas, are discussed. Clutches were deserted at night for varying lengths of time from at least 15 April until 10 May, 1977. It is suggested that this nocturnal desertion behaviour resulted in the enhancement of inter- and intra-clutch hatching synchrony in early started areas and further, that this may in part explain the existence of the behaviour in terms of its adaptive significance.

Seasonal variation in hatching pattern and chick survival in the ring-billed gull Larus delawarensis

The general objective of my study was to monitor proximate causes and seasonal patterns of hatching asynchrony and chick survival in the Ring-billed Gull (Larus delawarensis). Two different plots were set up at a Ring-billed Gull colony near Port Colborne, Ontario in the summer of 1992. One group was from 'peak' nesting pairs (clutches initiated between 15 April and 1 May); a second group was from 'late' nesting pairs (clutches initiated between 9 .. 22 May). Despite equal intra-clutch egg laying intervals between the peak and late periods, intra-clutch hatching intervals lengthened as the season progressed (ie. hatching became more asynchronous). Clutches from both periods were monitored for nocturnal attendance and brood patch development of parents was monitored during the egg laying period. Late nesters were characterized by an absence of nocturnal desertion, substantial brood patch defeatheration at clutch initiation and a reduction in the number of chicks fledged per pair. Chick survival to 25 days (taken as fledging) reflected patterns of chick mass at brood completion and five days post-brood completion, in peak clutches. In late clutches, survival was poor for all chicks and, was partially independent of hatching order, due in part to stochastic events such as Herring Gull predation and adverse weather. In both the peak and late periods, last-hatched C-chicks realized the poorest survival to fledging among brood mates. An artificial hatching pattern (manipulated synchrony) and an artificial hatching order were created, in three-chick broods, through a series of egg exchanges. In peak and late clutches manipulated to hatch synchronously (s; 24 h): C-chick survival to fledging did not differ from the survival of A- and B-chicks, in the peak period. In the late period, the survival of C-chicks was significantly lower than that of A-chicks. In peak clutches manipulated such that chicks from last-laid eggs (C-chicks) hatched 24 h - 48 h ahead of the A- and B- chicks, C-chick survival was greater than in controls. Within those broods, C-chicks survived better on average than both A- and B- chicks.

Foraging ecology and parental care of common terns (Sterna hirundo) nesting in Windermere Basin, Lake Ontario

The relationships among chick feeding, size and type of prey item, and foraging time away from the brood have not been well studied in seabirds. This study investigated spatial and temporal patterns of foraging and chick-provisioning among 23 radio-tagged male common terns nesting at Hamilton Harbour, Lake Ontario during 1991 and 1992. Telemetry data were collected concurrently with behavioural observations from an elevated blind. Terns fitted with transmitters did not differ from controls with respect to either brood attendance, patterns of chick mortality, species and size distributions of prey delivered to offspring, or chick-provisioning rates. There was a clear separation of parental roles: males were primarily responsible for feeding chicks while females allocated more time to brood attendance. The prey species most commonly delivered to chicks by adults were rainbow smelt (Osmerus mordax) and alewife (A/osa pseudoharengus), followed in importance by larval fish, emerald shiner (Notropis antherinoides), salmonids, and fathead minnows (Pimepha/es prome/as). The relative proportions of various fish speCies delivered to chicks by males differed over the course of each breeding season, and there was also much variability in species composition of prey between years. Sizes of prey delivered to chicks also differed between sampling periods. The modal size of fish brought to chicks during Peak 1991 was 1.5 bill lengths, while the majority of prey in Late 1991 were small larval fish. The reverse trend occurred in 1992 when small fish were delivered to chicks predominantly during the Peak nesting period. During periods when predominantly small fish were delivered to chicks, the foraging activity of radio-tagged males was concentrated within a two kilometer radius of the colony. The observed variation in prey composition and foraging locations during the study likely reflects temporal variation in the availability of prey in the vicinity of the colony. Males delivered fish to chicks at a constant rate, while females 4 increased their feeding frequency over the first six to ten brood days. The mean length of fish delivered to chicks by adults increased significantly with increasing chick age. As a group, within each nesting period, transmittered males either foraged predominantly in the same directional bearing (north during Peak 1991, south during Late 1992), or concentrated foraging activity in the immediate vicinity of the colony (Late 1991, Peak 1992). However, individual radio-tagged males exhibited unique and predictable foraging patterns, often favouring specific locations within these areas and differing in their secondary foraging patterns. Overall, the Lake Ontario shoreline between NCB Bay" (3.5 km south of colony) and the lift bridge canal (4 km north of colony) was the foraging area used most frequently by radiotagged males during the chick-rearing period. Foraging patterns of transmittered males at Windermere Basin are similar to patterns of peak-nesting common terns, but differ from those of late-nesters, at a nearby colony (Port Colborne, Lake Erie). Differences between the foraging patterns of late-nesting terns at these colonies likely reflect differences in annual patterns of fish availability between the two locations. No relationship was found between foraging proficiency of adults and survival of offspring. Stochastic factors, such as predation by black-crowned nightherons (Nycticorax nycticorax) and adverse weather conditions during the early stages of chick rearing, may be more important determinants of common tern breeding success than parental quality or fish availability.

Aspects of spatial and habitat ecology of multiple Anopheles species (Diptera: Culicidae): malaria vectors in the highlands and foothills of Ecuador

The resurgence of malaria in highland regions of Africa, Oceania and recently in South America underlines the importance of the study of the ecology of highland mosquito vectors of malaria. Since the incidence of malaria is limited by the distribution of its vectors, the purpose of this PhD thesis was to examine aspects of the ecology of Anopheles mosquitoes in the Andes of Ecuador, South America. A historical literature and archival data review (Chapter 2) indicated that Anopheles pseudopunctipennis transmitted malaria in highland valleys of Ecuador prior to 1950, although it was eliminated through habitat removal and the use of chemical insecticides. Other anopheline species were previously limited to low-altitude regions, except in a few unconfirmed cases. A thorough larval collection effort (n=438 attempted collection sites) in all road-accessible parts of Ecuador except for the lowland Amazon basin was undertaken between 2008 - 2010 (Chapter 3). Larvae were identified morphologically and using molecular techniques (mitochondrial COl gene), and distribution maps indicated that all five species collected (Anopheles albimanus, An. pseudopunctipennis, Anopheles punctimacula, Anopheles oswaldoi s.l. and Anopheles eiseni) were more widespread throughout highland regions than previously recorded during the 1940s, with higher maximum altitudes for all except An. pseudopunctipennis (1541 m, 1930 m, 1906 m, 1233 m and 1873 m, respectively). During larval collections, to characterize species-specific larval habitat, a variety of abiotic and biotic habitat parameters were measured and compared between species-present and species-absent sites using chi-square tests and stepwise binary logistic regression analyses (Chapter 4). An. albimanus was significantly associated with permanent pools with sand substrates and An. pseudopunctipennis with gravel and boulder substrates. Both species were significantly associated with floating cyanobacterial mats and warmer temperatures, which may limit their presence in cooler highland regions. Anopheles punctimacula was collected more often than expected from algae-free, shaded pools with higher-than-average calculated dissolved oxygen. Anopheles oswaldoi s.l., the species occurring on the Amazonian side of the Andes, was associated with permanent, anthropogenic habitats such as roadside ditches and ponds. To address the hypothesis that human land use change is responsible for the emergence of multiple highland Anopheles species by creating larval habitat, common land uses in the western Andes were surveyed for standing water and potential larval habitat suitability (Chapter 5). Rivers and road edges provided large amounts of potentially suitable anopheline habitat in the western Andes, while cattle pasture also created potentially suitable habitat in irrigation canals and watering ponds. Other common land uses surveyed (banana farms, sugarcane plantations, mixed tree plantations, and empty lots) were usually established on steep slopes and had very little standing water present. Using distribution and larval habitat data, a GIS-based larval habitat distribution model for the common western species was constructed in ArcGIS v.l 0 (ESRI 2010) using derived data layers from field measurements and other sources (Chapter 6). The additive model predicted 76.4 - 97.9% of the field-observed collection localities of An. albimanus, An. pseudopunctipennis and An. punctimacula, although it could not accurately distinguish between species-absent and speciespresent sites due to its coarse scale. The model predicted distributional expansion and/or shift of one or more anopheline species into the following highland valleys with climate warming: Mira/Chota, Imbabura province, Tumbaco, Pichincha province, Pallatanga and Sibambe, Chimborazo province, and Yungilla, Azuay province. These valleys may serve as targeted sites of future monitoring to prevent highland epidemics of malaria. The human perceptions of malaria and mosquitoes in relation to land management practices were assessed through an interview-based survey (n=262) in both highlands and lowlands, of male and female land owners and managers of five property types (Chapter 7). Although respondents had a strong understanding of where the disease occurs in their own country and of the basic relationship among standing water, mosquitoes and malaria, about half of respondents in potential risk areas denied the current possibility of malaria infection on their own property. As well, about half of respondents with potential anopheline larval habitat did not report its presence, likely due to a highly specific definition of suitable mosquito habitat. Most respondents who are considered at risk of malaria currently use at least one type of mosquito bite prevention, most commonly bed nets. In conclusion, this interdisciplinary thesis examines the occurrence of Anopheles species in the lowland transition area and highlands in Ecuador, from a historic, geographic, ecological and sociological perspective.

Seasonal reproductive endothermy in tegu lizards

With some notable exceptions, small ectothermic vertebrates are incapable of endogenously sustaining a body temperature substantially above ambient temperature. This view was challenged by our observations of nighttime body temperatures sustained well above ambient (up to 10°C) during the reproductive season in tegu lizards (~2 kg). This led us to hypothesize that tegus have an enhanced capacity to augment heat production and heat conservation. Increased metabolic rates and decreased thermal conductance are the same mechanisms involved in body temperature regulation in those vertebrates traditionally acknowledged as “true endotherms” : the birds and mammals. The appreciation that a modern ectotherm the size of the earliest mammals can sustain an elevated body temperature through metabolic rates approaching that of endotherms enlightens the debate over endothermy origins, providing support for the parental care model of endothermy, but not for the assimilation capacity model of endothermy. It also indicates that, contrary to prevailing notions, ectotherms can engage in facultative endothermy, providing a physiological analog in the evolutionary transition to true endothermy.

Écologie de la besnoitiose chez les populations de caribous (Rangifer tarandus) des régions subarctiques

Bien que les infections à Besnoitia tarandi sont documentées chez l’espèce Rangifer sp. depuis 1922, les données récoltées sur l’écologie et la distribution de cette parasitose demeurent rares. Les objectifs de cette étude ont donc été (i) d’identifier le meilleur tissu à échantillonner pour détecter les infections à Besnoitia tarandi dans les populations de caribous, (ii) de calculer la sensibilité et la spécificité de l’examen visuel comparativement à l’examen microscopique et (iii) d’identifier les facteurs de risques intrinsèques et extrinsèques associés à cette parasitose afin (iv) de comparer la prévalence et la densité des kystes parasitaires entre certains troupeaux. Nos résultats suggèrent que l'examen microscopique du derme superficiel d’une section de peau provenant du tiers moyen antérieur du métatarse devrait être privilégié pour dépister les infections par B. tarandi et en évaluer l'intensité. L’examen microscopique est également un outil très sensible comparativement à l’examen visuel des kystes parasitaires. Besnoitia tarandi, qui semble être absent du Groenland, a été observé dans environ un tiers des caribous nord-américains. Une variation saisonnière de prévalence et d'intensité de B. tarandi a été détectée; le parasite étant plus abondant chez cet hôte intermédiaire durant la période de l'automne/hiver comparativement à celle du printemps/été. Cet effet saisonnier pourrait être associé à une augmentation de l'abondance du parasite suite à la saison des insectes (i.e. été), supportant ainsi le rôle présumé des arthropodes piqueurs comme vecteurs de la maladie. Cette différence saisonnière pourrait aussi être expliquée par la diminution de la charge parasitaire par le système immunitaire et/ou par un taux de survie inférieur des animaux les plus parasités durant la saison froide. Les niveaux d'infection étaient légèrement plus élevés chez les mâles que chez les femelles, ce qui suggère soit une diminution du taux de mortalité, soit une exposition accrue ou une plus grande susceptibilité au parasite des mâles en comparaison aux femelles. La densité d’infection supérieure dans le troupeau Rivière-aux-Feuilles (Nunavik) suggère des niveaux d'exposition au parasite plus élevés et/ou une diminution des niveaux de résistance de ces caribous à ce protozoaire. Les résultats de cette étude démontrent que B. tarandi peut réduire les chances de survie des caribous infectés. Il sera donc important de continuer à surveiller les infections à B. tarandi surtout en cette période de changements climatiques.

Évaluation du potentiel des parasitoïdes Binodoxys communis, Aphidius colemani et Aphelinus certus pour la lutte biologique au puceron du soya

Le puceron du soya (Aphis glycines) est le ravageur le plus important de la culture du soya en Amérique du Nord. Quoi qu’efficaces, les pesticides permettent le contrôle des ravageurs que pour une courte période et nécessitent plusieurs applications au cours de la saison. De plus, ils sont dommageables pour l’environnement et la santé humaine. La lutte biologique se présente comme une alternative crédible pour le contrôle des populations d’A. glycines en Amérique du Nord. Trois parasitoïdes (Binodoxys communis, Aphidius colemani, Aphelinus certus) du puceron semblent être des candidats prometteurs. L’objectif de cette étude était d’examiner certains attributs biologiques de ces parasitoïdes au Québec. Dans le cas de B. communis et A. certus nous avons estimé leur synchronisme saisonnier ainsi que leur résistance au froid en laboratoire et en conditions naturelles. Dans le cas, d’A. colemani, nous avons évalué sa capacité à parasiter le puceron du soya et à se disperser dans un champ de soya. Nos résultats démontrent que la souche utilisée de B. communis a perdu sa capacité à entrer en diapause, probablement à cause de la longue période d’élevage en laboratoire qui a suivi son échantillonnage en Asie. Aphelinus certus démontre un potentiel intéressant puisqu’il possède un synchronisme saisonnier tant en automne qu’au printemps avec son hôte ainsi qu’un bon potentiel de survie hivernale au Québec. Quant à A. colemani, les essais suggèrent qu’il se disperse rapidement hors des champs sans attaquer de manière significative A. glycines.

Les transformations microbiennes de l’azote dans les grandes rivières

Les rivières reçoivent de l'azote de leurs bassins versants et elles constituent les derniers sites de transformations des nutriments avant leur livraison aux zones côtières. Les transformations de l’azote inorganique dissous en azote gazeux sont très variables et peuvent avoir un impact à la fois sur l’eutrophisation des côtes et les émissions de gaz à effet de serre à l’échelle globale. Avec l’augmentation de la charge en azote d’origine anthropique vers les écosystèmes aquatiques, les modèles d’émissions de gaz à effet de serre prédisent une augmentation des émissions d’oxyde nitreux (N2O) dans les rivières. Les mesures directes de N2O dans le Lac Saint-Pierre (LSP), un élargissement du Fleuve Saint-Laurent (SLR) indiquent que bien qu’étant une source nette de N2O vers l'atmosphère, les flux de N2O dans LSP sont faibles comparés à ceux des autres grandes rivières et fleuves du monde. Les émissions varient saisonnièrement et inter-annuellement à cause des changements hydrologiques. Les ratios d’émissions N2O: N2 sont également influencés par l’hydrologie et de faibles ratios sont observés dans des conditions de débit d'eau plus élevée et de charge en N élevé. Dans une analyse effectuée sur plusieurs grandes rivières, la charge hydraulique des systèmes semble moduler la relation entre les flux de N2O annuels et les concentrations de nitrate dans les rivières. Dans SLR, des tapis de cyanobactéries colonisant les zones à faible concentration de nitrate sont une source nette d’azote grâce à leur capacité de fixer l’azote atmosphérique (N2). Étant donné que la fixation a lieu pendant le jour alors que les concentrations d'oxygène dans la colonne d'eau sont sursaturées, nous supposons que la fixation de l’azote est effectuée dans des micro-zones d’anoxie et/ou possiblement par des diazotrophes hétérotrophes. La fixation de N dans les tapis explique le remplacement de près de 33 % de la perte de N par dénitrification dans tout l'écosystème au cours de la période d'étude. Dans la portion du fleuve Hudson soumis à la marée, la dénitrification et la production de N2 est très variable selon le type de végétation. La dénitrification est associée à la dynamique en oxygène dissous particulière à chaque espèce durant la marée descendante. La production de N2 est extrêmement élevée dans les zones occupées par les plantes envahissantes à feuilles flottantes (Trapa natans) mais elle est négligeable dans la végétation indigène submergée. Une estimation de la production de N2 dans les lits de Trapa durant l’été, suggère que ces lits représentent une zone très active d’élimination de l’azote. En effet, les grands lits de Trapa ne représentent que 2,7% de la superficie totale de la portion de fleuve étudiée, mais ils éliminent entre 70 et 100% de l'azote total retenu dans cette section pendant les mois d'été et contribuent à près de 25% de l’élimination annuelle d’azote.

Habitat variability and the individual variability of juvenile Atlantic salmon (Salmo salar)

La variabilité spatiale et temporelle de l’écoulement en rivière contribue à créer une mosaïque d’habitat dynamique qui soutient la diversité écologique. Une des questions fondamentales en écohydraulique est de déterminer quelles sont les échelles spatiales et temporelles de variation de l’habitat les plus importantes pour les organismes à divers stades de vie. L’objectif général de la thèse consiste à examiner les liens entre la variabilité de l’habitat et le comportement du saumon Atlantique juvénile. Plus spécifiquement, trois thèmes sont abordés : la turbulence en tant que variable d’habitat du poisson, les échelles spatiales et temporelles de sélection de l’habitat et la variabilité individuelle du comportement du poisson. À l’aide de données empiriques détaillées et d’analyses statistiques variées, nos objectifs étaient de 1) quantifier les liens causaux entre les variables d’habitat du poisson « usuelles » et les propriétés turbulentes à échelles multiples; 2) tester l’utilisation d’un chenal portatif pour analyser l’effet des propriétés turbulentes sur les probabilités de capture de proie et du comportement alimentaire des saumons juvéniles; 3) analyser les échelles spatiales et temporelles de sélection de l’habitat dans un tronçon l’été et l’automne; 4) examiner la variation individuelle saisonnière et journalière des patrons d’activité, d’utilisation de l’habitat et de leur interaction; 5) investiguer la variation individuelle du comportement spatial en relation aux fluctuations environnementales. La thèse procure une caractérisation détaillée de la turbulence dans les mouilles et les seuils et montre que la capacité des variables d’habitat du poisson usuelles à expliquer les propriétés turbulentes est relativement basse, surtout dans les petites échelles, mais varie de façon importante entre les unités morphologiques. D’un point de vue pratique, ce niveau de complexité suggère que la turbulence devrait être considérée comme une variable écologique distincte. Dans une deuxième expérience, en utilisant un chenal portatif in situ, nous n’avons pas confirmé de façon concluante, ni écarté l’effet de la turbulence sur la probabilité de capture des proies, mais avons observé une sélection préférentielle de localisations où la turbulence était relativement faible. La sélection d’habitats de faible turbulence a aussi été observée en conditions naturelles dans une étude basée sur des observations pour laquelle 66 poissons ont été marqués à l’aide de transpondeurs passifs et suivis pendant trois mois dans un tronçon de rivière à l’aide d’un réseau d’antennes enfouies dans le lit. La sélection de l’habitat était dépendante de l’échelle d’observation. Les poissons étaient associés aux profondeurs modérées à micro-échelle, mais aussi à des profondeurs plus élevées à l’échelle des patchs. De plus, l’étendue d’habitats utilisés a augmenté de façon asymptotique avec l’échelle temporelle. L’échelle d’une heure a été considérée comme optimale pour décrire l’habitat utilisé dans une journée et l’échelle de trois jours pour décrire l’habitat utilisé dans un mois. Le suivi individuel a révélé une forte variabilité inter-individuelle des patrons d’activité, certains individus étant principalement nocturnes alors que d’autres ont fréquemment changé de patrons d’activité. Les changements de patrons d’activité étaient liés aux variables environnementales, mais aussi à l’utilisation de l’habitat des individus, ce qui pourrait signifier que l’utilisation d’habitats suboptimaux engendre la nécessité d’augmenter l’activité diurne, quand l’apport alimentaire et le risque de prédation sont plus élevés. La variabilité inter-individuelle élevée a aussi été observée dans le comportement spatial. La plupart des poissons ont présenté une faible mobilité la plupart des jours, mais ont occasionnellement effectué des mouvements de forte amplitude. En fait, la variabilité inter-individuelle a compté pour seulement 12-17% de la variabilité totale de la mobilité des poissons. Ces résultats questionnent la prémisse que la population soit composée de fractions d’individus sédentaires et mobiles. La variation individuelle journalière suggère que la mobilité est une réponse à des changements des conditions plutôt qu’à un trait de comportement individuel.

Study of baleen whales’ ecology and interaction with maritime traffic activities to support management of a complex socio-ecological system

Thesis written in co-mentorship with Robert Michaud.