Socio-economic impacts and assessment biological invasions

Biological invasions have been object of ecological research for years. As one objective, natural scientists investigate the effects of invasive species on ecosystems and their functioning (Levine et al. 2003). However, impacts on ecosystems are also of relevance for society. Changes in ecosystems affect humans in so far as ecosystems provide goods and services, such as fresh water, food and fibbers or recreation, which might be altered due to invasive species. Therefore impacts of biological invasions should be an object of socio-economic interest, which is also demanded by the Convention on Biological Diversity

Effects of a nursery CO2 enriched atmosphere on the germination and seedling morphology of two Mediterranean oaks with contrasting leaf habit

Abstract: The use of an enriched CO2 atmosphere in tree nurseries has been envisaged as a promising technique to increase productivity and to obtain seedlings with a higher root/shoot ratio, an essential trait to respond to water stress in Mediterranean-type ecosystems. In that framework, we have analyzed the effects of three levels of atmospheric CO2 concentration (350, 500 and 700 ppm) on the germination rate, growth and morphology of seedlings of two Mediterranean oaks used in reforestation programs: the evergreen Quercus ilex L. and the deciduous Quercus cerrioides Wilk. et Costa. CO2 enrichment increased the germination rate of Q. cerrioides (from 70±7 to 81±3 %) while it decreased that of Q. ilex (from 71±10 to 41±12 %). Seedlings of both species increased approximately 60% their total biomass in response to CO2 enrichment but at two different CO2 concentrations: 500 ppm for Q. cerrioides and 700 ppm for Q. ilex. This increase in seedlings biomass was entirely due to an augmentation of root biomass. Considering germination and biomass partitioning, an enriched CO2 atmosphere might not be appropriate for growing Mediterranean evergreen oaks, such as Q. ilex, since it reduces acorn germination and the only gains in root biomass occur at a high concentration (700 ppm). On the other hand, a moderate CO2 enrichment (500 ppm) appears as a promising nursery technique to stimulate the germination, growth and root/shoot ratio of deciduous oaks, such as Q. cerrioides. Resumen: El uso de una atmósfera enriquecida en CO2 durante la fase de vivero puede contribuir a aumentar la producción viverística, a la vez que ayudar a conseguir plántulas con una mayor relación biomasa subterránea/biomasa aérea, más adecuadas para hacer frente al severo estrés hídrico que generalmente limita el éxito de las repoblaciones en el clima Mediterráneo. En este estudio hemos analizado el efecto de tres niveles de abonado carbónico atmosférico (350, 500 y 750 ppm) en la germinación y morfología de plántulas de encina (Quercus ilex) y roble cerrioide (Quercus cerrioides). Una atmósfera enriquecida en CO2 incrementó la germinación de Q. cerrioides (de 70±7 a 81±3 %) mientras que disminuyó la de Q. ilex (de 71±10 a 41±12 %). Las plántulas de ambas especies incrementaron aproximadamente un 60% su biomasa en respuesta a una mayor concentración de CO2, aunque esta respuesta se produjo a diferentes dosis: 500 ppm en Q. cerrioides y 700 ppm en Q. ilex. El aumento en la biomasa total de las plántulas se debió enteramente a un mayor desarrollo de su sistema radical, Considerando tanto la germinación como los efectos sobre la relación biomasa subterránea/biomasa aérea, una atmósfera enriquecida en CO2 no parece ser un tratamiento adecuado para la producción en vivero de plántulas de Q.ilex, puesto que diminuye su germinación y solo aumenta su sistema radicular a dosis muy elevadas (700 ppm). Por el contrario, un aumento moderado en la concentración de CO2 (500 ppm) aparece como una técnica interesante para estimular el crecimiento y obtener plántulas de Q. cerrioides con un sistema radical más desarrollado.

Effects of atmospheric carbon dioxide fertilization on biomass and secondary metabolites of some plant species with pharmacological interes under greenhouse conditions

RESUMEN El aumento del CO2 atmosférico debido al cambio global y/o a las prácticas hortícolas promueve efectos directos sobre crecimiento vegetal y el desarrollo. Estas respuestas pueden ocurrir en ecosistemas naturales, pero también se pueden utilizar para aumentar la producción de algunas plantas y de algunos compuestos secundarios. El actual trabajo intenta estudiar los efectos del enriquecimiento atmosférico del CO2 bajo condiciones de invernadero en el crecimiento y la concentración y la composición de metabolitos secundarios de Taxus bacatta, Hypericum perforatum y Echinacea purpurea en condiciones ambientales mediterráneas. La fertilización del CO2 muestra perspectivas interesantes para la mejorara y aplicabilidad de técnicas hortícolas para aumentar productividad de plantas medicinales, a pesar de diferencias claras entre la especie. En general esta técnica promueve aumentos importantes y significativos en producción primaria y, en algunos casos, también en compuestos secundarios. Esto tiene una gran importancia hortícola porque la productividad a nivel de cosecha total aumenta, directamente porque se aumenta la concentración e indirectamente porque se aumenta la biomasa. SUMMARY The increase of atmospheric CO2 due to global change and/or horticultural practices promotes direct effects on plant growth and development. These responses may occur in natural ecosystems, but also can be used to increase the production of some plants and some secondary compounds. Present work tries to study the effects of atmospheric CO2 enrichment under greenhouse conditions on growth and in the concentration and composition of secondary metabolites of Taxus bacatta, Hypericum perforatum and Echinacea purpurea under Mediterranean environmental conditions. CO2 fertilization shows interesting perspectives to increase and improve horticultural techniques in order to increase plant medicinal productivity, in spite of clear differences among the species. In general this technique promotes important and significant increases in primary productivity and, in some cases, also in secondary compounds. This has a great horticultural relevance because the total productivity of this kind of products increase at crop level, directly because concentration is increased and /or indirectly because biomass is increased. RESUM L'augment del CO2 atmosfèric a causa del canvi global i/o a les pràctiques hortícoles promou efectes directes sobre creixement vegetal i el desenvolupament. Aquestes respostes poden ocórrer en ecosistemes naturals, però també es poden utilitzar per a augmentar la producció d'algunes plantes i d'alguns compostos secundaris. L'actual treball intenta estudiar els efectes de l'enriquiment atmosfèric del CO2 sota condicions d'hivernacle en el creixement i la concentració i la composició de metabòlits secundaris de Taxus bacatta, Hypericum perforatum i Echinacea purpurea en condicions ambientals mediterrànies. La fertilització del CO2 mostra perspectives interessants per a la millora i aplicabilitat de tècniques hortícoles per a augmentar productivitat de plantes medicinals, a pesar de diferències clares entre l'espècie. En general aquesta tècnica promou augments importants i significatius en producció primària i, en alguns casos, també en compostos secundaris. Això té una gran importància hortícola perquè la productivitat a nivell de collita total augmenta, directament perquè s'augmenta la concentració i indirectament perquè s'augmenta la biomassa.

Multi-Scale Integrated Analysis of Societal and Ecosystem Metabolism (MUSIASEM): an outline of rationale and theory

This paper presents an outline of rationale and theory of the MuSIASEM scheme (Multi-Scale Integrated Analysis of Societal and Ecosystem Metabolism). First, three points of the rationale behind our MuSIASEM scheme are discussed: (i) endosomatic and exosomatic metabolism in relation to Georgescu-Roegen’s flow-fund scheme; (2) the bioeconomic analogy of hypercycle and dissipative parts in ecosystems; (3) the dramatic reallocation of human time and land use patterns in various sectors of modern economy. Next, a flow-fund representation of the MUSIASEM scheme on three levels (the whole national level, the paid work sectors level, and the agricultural sector level) is illustrated to look at the structure of the human economy in relation to two primary factors: (i) human time - a fund; and (ii) exosomatic energy - a flow. The three levels representation uses extensive and intensive variables simultaneously. Key conceptual tools of the MuSIASEM scheme - mosaic effects and impredicative loop analysis - are explained using the three level flow-fund representation. Finally, we claim that the MuSIASEM scheme can be seen as a multi-purpose grammar useful to deal with sustainability issues.

Using life strategies to explore the vulnerability of ecosystem services to invasion by alien plants

Invasive plants can have different effects of ecosystem functioning and on the provision of ecosystem services, from strongly deleterious impacts to positive effects. The nature and intensity of such effects will depend on the service and ecosystem being considered, but also on features of life strategies of invaders that influence their invasiveness as well as their influence of key processes of receiving ecosystems. To address the combined effect of these various factors we developed a robust and efficient methodological framework that allows to identify areas of possible conflict between ecosystem services and alien invasive plants, considering interactions between landscape invasibility and species invasiveness. Our framework combines the statistical robustness of multi-model inference, efficient techniques to map ecosystem services, and life strategies as a functional link between invasion, functional changes and potential provision of services by invaded ecosystems. The framework was applied to a test region in Portugal, for which we could successfully predict the current patterns of plant invasion, of ecosystem service provision, and finally of probable conflict (expressing concern for negative impacts, and value for positive impacts on services) between alien species richness (total and per plant life strategy) and the potential provision of selected services. Potential conflicts were identified for all combinations of plant strategy and ecosystem service, with an emphasis for those concerning conflicts with carbon sequestration, water regulation and wood production. Lower levels of conflict were obtained between invasive plant strategies and the habitat for biodiversity supporting service. The added value of the proposed framework in the context of landscape management and planning is discussed in perspective of anticipation of conflicts, mitigation of negative impacts, and potentiation of positive effects of plant invasions on ecosystems and their services.

Gestió forestal de masses d'arboç (Arbutus unedo) en regeneració després de foc al terme municipal d'Esparreguera

Els incendis forestals són una pertorbació amb un paper decisiu en l’estructura i dinàmica dels ecosistemes mediterranis. La majoria de les seves espècies vegetals presenten mecanismes de resposta al foc, com la germinació de llavors i la rebrotada d’individus cremats. Les masses forestals regenerades a partir de rebrots assoleixen densitats massa altes i una baixa producció, i, per tant, és fonamental dur a terme una gestió mitjançant tractaments silvícoles. El principal objectiu d’aquest projecte és quantificar l’efecte de la selecció de rebrots i la selecció de rebrots més la desbrossada sobre el creixement de l’Arbutus unedo. S’han estudiat 12 parcel—les en regeneració després dels incendis de 1985, 1986 i 1994 al terme municipal d’Esparreguera. Els resultats mostren que els dos tractaments afavoreixen de la mateixa manera el creixement dels peus d’Arbutus unedo, a causa de la disminució de la competència intraespecífica i interespecífica. La desbrossada (a nivell de parcel—la, no d’individu), no obstant, provoca un increment probablement perjudicial de l’alçada dels rebrots, per la major disponibilitat de llum. Per tal de proposar un model de gestió forestal, s’ha realitzat una anàlisi multicriterial dels diferents escenaris, on s’han considerat altres criteris, com són el model de combustible, la possibilitat de pastura i el cost econòmic. L’alternativa preferida en els boscos d’Arbutus unedo és la selecció de rebrots i la desbrossada.

Identificació de variables d'estat del sistema costaner sensibles a la càrrega de nutrients

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la Napier University, Gran Bretanya, des d’octubre del 2006 a febrer del 2007. Els ecosistemes marins costaners són sistemes complexos, tant pel que fa a l’estructura de les comunitats que hi viuen com per la seva dinàmica, amb processos que impliquen múltiples escales d’espai i de temps. Aquesta complexitat natural s’ha incrementat al llarg de les darreres dècades com a conseqüència directa del creixement urbà al litoral. L’augment de població a les zones costaneres ha comportat no només un augment generalitzat en l’aport de nutrients inorgànics al mar, sinó també una forta intervenció sobre la línia de costa –construcció de ports, dics- i canvis en el moviment de les masses d’aigua. En aquest context, la interacció entre els factors turbulència-nutrients a la zona costanera pot ser clau per a millorar la nostra comprensió sobre el funcionament dels sistemes planctònics i, en darrer terme, per a derivar-ne mesures de gestió. A diferència de treballs experimentals previs, que adrecen els efectes de la turbulència i/o els nutrients sobre grups específics de plàncton, per avaluar la resposta conjunta de la comunitat necessitem paràmetres integradors, que relacionin diversos processos i donin una idea general de l’estat i funcionament de l’ecosistema. Durant l’estada de recerca alguns dels algoritmes que es fan servir per la costa escocesa van reformular-se i recalcular-se amb dades de la Mediterrània (dades procedents de la badia de Blanes i de la costa de Barcelona). Els resultats mostren una capacitat de resposta molt ràpida del plàncton als increments de nutrients, una variabilitat anual marcada (quant a diversitat d’organismes planctònics) i apunten el fòsfor com a principal limitant del creixement dels organismes en aquesta zona de la Mediterrània.

The origins of C4 grasslands: integrating evolutionary and ecosystem science.

The evolution of grasses using C4 photosynthesis and their sudden rise to ecological dominance 3 to 8 million years ago is among the most dramatic examples of biome assembly in the geological record. A growing body of work suggests that the patterns and drivers of C4 grassland expansion were considerably more complex than originally assumed. Previous research has benefited substantially from dialog between geologists and ecologists, but current research must now integrate fully with phylogenetics. A synthesis of grass evolutionary biology with grassland ecosystem science will further our knowledge of the evolution of traits that promote dominance in grassland systems and will provide a new context in which to evaluate the relative importance of C4 photosynthesis in transforming ecosystems across large regions of Earth.

The Argentine ant (Linepithema humile) invasion effects on Mediterranean forests’ trophic web: blue tit (Parus caeruleus) reproduction and development

Les invasions biològiques representen una greu amenaça per al funcionament dels ecosistemes i per a la preservació de la biodiversitat.. La formiga argentina (Linepithema humile) està considerada com una de les 100 espècies invasores més nocives. Prospera en extenses àrees de clima mediterrani de regions temperades i subtropicals de tots els continents amb l’excepció de l’Antàrtida. És una formiga dominant i una competidora agressiva que mitjançant múltiples mecanismes, des de predació directe a competència, produeix efectes negatius en una amplia varietat de taxons, principalment formigues i altres artròpodes, però també vertebrats. S’ha investigat, per primera vegada, els efectes de la formiga invasiva sobre les comunitats d’artròpodes de fullatge i com aquestes pertorbacions es transmeten en la xarxa tròfica del bosc esclerofil•le mediterrani. En les suredes estudiades la invasió de formiga argentina és causa directe de la extinció local de la gran majoria de poblacions de formigues natives. En el període mostrejat s’han constatat també impactes negatius en la diversitat i en l’abundància d’artròpodes natius en les capçades dels arbres, particularment d’erugues. Una avaluació preliminar basada únicament amb dades del 2005 indica que, reduint la disponibilitat d’erugues, la formiga argentina empobreix l’hàbitat reproductiu de la mallerenga blava (Parus caeruleus). La mallerenga blava basa la dieta insectívora estricte de la seva pollada fonamentalment en les erugues. No hem detectat impactes en l’èxit reproductiu de les mallerengues blaves en zones envaïdes. Els polls crescuts en àrees envaïdes assoleixen una condició física similar als de les zones no envaïdes, però la reducció en la disponibilitat d’erugues associada a la invasió de formiga argentina es tradueix en un creixement descompassat i en una menor mida estructural del polls volanders. Així, les pertorbacions en la comunitat d’artròpodes associades a la invasió de la formiga argentina promouen efectes bottom-up que acaben perjudicant el desenvolupament dels polls de mallerenga blava.

Ecological aspects of nematode parasites of introduced salmonids from Valdivia river basin, Chile

Between 1986 and 1987 fishes distributed among the following species introduced in Chile, and from different sectors of the Valdivia river basin (39º30' - 40º00', 73º30' - 71º45'W), were examined: 348 Salmo trutta, 242 Salmo gairdneri, 24 Cyprinus carpio and 52 Gambusia affinis holbrooki. The presence of Camallanus corderoi and Contracaecum sp. in S. gairdneri and of C. corderoi in S. trutta is recorded in Chile for the first time. Cyprinus carpio and G. a. holbrooki did not present infections by nematodes. The prevalence and mean intensity of the infections by nematodes presented significant differences among some sectors of the Valdivia river basin. In general, the prevalence and intensity of the infections by C. corderoi were greater than those by Contracaecum sp. The infections in S. gairdneri were higher than in S. trutta. The sex of the hosts had no influence on the prevalence and intensity of the infections by both nematodes. The length of the hosts did have an influence, except in the case of the infections by Contracaecum sp. in S, gairdneri. The infrapopulations of both nematode species showed over dispersion in most cases. The diet of the examined salmonids suggests that they would become infected principally throught the consuption of autochthonous fishes.

The genome of Laccaria bicolor provides insights into mycorrhizal symbiosis

Mycorrhizal symbioses--the union of roots and soil fungi--are universal in terrestrial ecosystems and may have been fundamental to land colonization by plants. Boreal, temperate and montane forests all depend on ectomycorrhizae. Identification of the primary factors that regulate symbiotic development and metabolic activity will therefore open the door to understanding the role of ectomycorrhizae in plant development and physiology, allowing the full ecological significance of this symbiosis to be explored. Here we report the genome sequence of the ectomycorrhizal basidiomycete Laccaria bicolor (Fig. 1) and highlight gene sets involved in rhizosphere colonization and symbiosis. This 65-megabase genome assembly contains approximately 20,000 predicted protein-encoding genes and a very large number of transposons and repeated sequences. We detected unexpected genomic features, most notably a battery of effector-type small secreted proteins (SSPs) with unknown function, several of which are only expressed in symbiotic tissues. The most highly expressed SSP accumulates in the proliferating hyphae colonizing the host root. The ectomycorrhizae-specific SSPs probably have a decisive role in the establishment of the symbiosis. The unexpected observation that the genome of L. bicolor lacks carbohydrate-active enzymes involved in degradation of plant cell walls, but maintains the ability to degrade non-plant cell wall polysaccharides, reveals the dual saprotrophic and biotrophic lifestyle of the mycorrhizal fungus that enables it to grow within both soil and living plant roots. The predicted gene inventory of the L. bicolor genome, therefore, points to previously unknown mechanisms of symbiosis operating in biotrophic mycorrhizal fungi. The availability of this genome provides an unparalleled opportunity to develop a deeper understanding of the processes by which symbionts interact with plants within their ecosystem to perform vital functions in the carbon and nitrogen cycles that are fundamental to sustainable plant productivity.

Estudi de la successió primària en esculls artificials en un port marítim

Treball de recerca realitzat per una alumna d'ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit científic del Jovent l'any 2009. La llum i el temps són factors importants en tots els ecosistemes i especialment en ecosistemes aquàtics, ja que constitueixen variables ambientals que condicionen la seva evolució i equilibri. L’objectiu principal del treball de recerca és estudiar el desenvolupament de les successions primàries all llarg del temps en esculls artificials submergits en un ambient marí i observar les conseqüències de la incidència, directa o no, de la llum en aquests esculls pel que fa al desenvolupament de la successions primàries. Els resultats obtinguts demostren satisfactòriament que la incidència de la llum és un factor determinant en la constitució de les successions primàries en ambients marins. Per altra part, els resultats també demostren que el temps és un factor que actua condicionant la diversitat de les formes de vida que colonitzen aquests medis marins, concretament la diversitat s’incrementa amb el temps.

El bosc dels fartets o la història d'una depuradora ecològica

Treball de recerca realitzat per una alumna d'ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit científic del Jovent l'any 2009. Aquest treball té per objectiu plantejar el disseny d’una depuradora ecològica i un petit bosc de ribera amb la finalitat de divulgar i reivindicar el paper crucial que juguen les zones humides en el gran ecosistema de la Terra. Davant l’imminent esgotament de les principals energies fòssils i la manca de recursos tant bàsics com l’aigua, es pretén insistir en els molts avantatges d’importar la capacitat depuradora de les zones humides com a tecnologia alternativa per tractar aigües residuals industrials, agrícoles i urbanes, amb una despesa energètica pràcticament nul•la i uns beneficis ecològics, econòmics i de cost de la oportunitat més que evidents. El reciclatge d’aigües residuals es presenta com un dels reptes més importants de les societats actuals. La denominada fitodepuració aprofita el poder refinador de la vegetació present en les zones humides per reduir o eliminar contaminants de l’aigua mitjançant una sèrie de complexos processos biològics i fisicoquímics que la natura, en la seva dinàmica perfecte, ha dissenyat durant 4500 milions d anys. I és en base a aquestes qualitats depuradores d’aquests ecosistemes aquàtics que sorgeix la figura de l’aiguamoll artificial.

Vector incrimination and effects of antimalarial drugs on malaria transmission and control in the Amazon Basin of Brazil

World ecosystems differ significantly and a multidisciplinary malaria control approach must be adjusted to meet these requirements. These include a comprehensive understanding of the malaria vectors, their behavior, seasonal distribution and abundance, susceptibility to insecticides (physiological and behavioral), methods to reduce the numbers of human gametocyte carriers through effective health care systems and antimalarial drug treatment, urban malaria transmission versus rural or forest malaria transmission, and the impact of vaccine development. Many malaria vectors are members of species complexes and individual relationship to malaria transmission, seasonal distribution, bitting behavior, etc. is poorly understood. Additionaly, malaria patients are not examined for circulating gametocytes and both falciparum and vivax malaria patients may be highly infective to mosquitoes after treatment with currently used antimalarial drugs. Studies on the physiological and behavioral effects of DDT and other insecticides are inconclusive and need to be evalusted.