Mechanisms shaping size structure and functional diversity of phytoplankton communities in the ocean

The factors regulating phytoplankton community composition play a crucial role in structuring aquatic food webs. However, consensus is still lacking about the mechanisms underlying the observed biogeographical differences in cell size composition of phytoplankton communities. Here we use a trait-based model to disentangle these mechanisms in two contrasting regions of the Atlantic Ocean. In our model, the phytoplankton community can self-assemble based on a trade-off emerging from relationships between cell size and (1) nutrient uptake, (2) zooplankton grazing, and (3) phytoplankton sinking. Grazing 'pushes' the community towards larger cell sizes, whereas nutrient uptake and sinking 'pull' the community towards smaller cell sizes. We find that the stable environmental conditions of the tropics strongly balance these forces leading to persistently small cell sizes and reduced size diversity. In contrast, the seasonality of the temperate region causes the community to regularly reorganize via shifts in species composition and to exhibit, on average, bigger cell sizes and higher size diversity than in the tropics. Our results raise the importance of environmental variability as a key structuring mechanism of plankton communities in the ocean and call for a reassessment of the current understanding of phytoplankton diversity patterns across latitudinal gradients.

Effect of habitat fragmentation on the macroinvertebrate infaunal communities associated with the seagrass Zostera marina

1. The effect of habitat fragmentation was investigated in two adjacent, yet separate, intertidal Zostera marina beds in the Salcombe Estuary, Devon, UK. The seagrass bed on the west bank comprised a continuous meadow of ca. 2.3 ha, whilst the bed on the east bank of the estuary was fragmented into patches of 6–9 m2.2. Three 10 cm diameter core samples for infaunal macroinvertebrates were taken from three stations within each bed. No significant difference was found in univariate community parameters between beds, or in measured seagrass parameters. However, multivariate analysis revealed a significant difference in community composition, due mainly to small changes in species abundance rather than differences in the species present.3. The species contributing most to the dissimilarity between the two communities were polychaetes generally associated with unvegetated habitats (e.g. Magelona mirabilis) and found to be more common in the fragmented bed.4. A significant difference in median grain size and sorting coefficient was recorded between the two beds, and median grain size was found to be the variable best explaining multivariate community patterns.5. The results of the study provide evidence for the effects of habitat fragmentation on the communities associated with seagrass beds, habitats which are of high conservation importance. As the infaunal community is perhaps intuitively the component least likely to be affected by fragmentation at the scale observed, the significant difference in community composition recorded has consequences for more sensitive and high-profile parts of the biota (e.g. fish), and thus for the conservation of seagrass habitats and their associated communities.

Differences in composition of macroinvertebrate communities with invasive and native Gammarus spp. (Crustacea : Amphipoda)

1. Assessing the effects on communities of invasive species is often confounded by environmental factors. In Irish rivers, the introduced amphipod Gammarus pulex replaces the native G. duebeni celticus in lowland stretches. The two amphipods are associated with different macroinvertebrate communities, which may in part be the result of natural longitudinal physicochemical change. However, this hinders assessment of any direct community impacts of the invasive as compared with the native species. Here, we report on a fortuitous circumstance that allowed us to uncouple the community effects of Gammarus species from environmental differences.

Temporal changes in the distribution of native and introduced freshwater amphipods in Lough Neagh, Northern Ireland

Studies of invasion scenarios over long time periods are important to refine explanations and predictions of invasion success and impact. We used data from surveys in 1958 and 1999 of the macroinvertebrates of Lough Neagh, Northern Ireland, to assess changes in the distribution of native and introduced amphipods in relation to the wider assemblage. In 1958, the invader G. tigrinus dominated the shoreline fauna, with the native G. d. celticus present in very low numbers, whereas in 1999 the reverse was evident. In both surveys, G. tigrinus was the only amphipod present in the mid-Lough. G. tigrinus thus seems to have become established within L. Neagh, perhaps overshot and then senesced, with the native species re-establishing on the shoreline, with the invader mostly restricted to the deep mid-Lough. The non-amphipod macroinvertebrate assemblage was similar between the two surveys, in terms of Bray-Curtis community similarity, assemblage diversity, dominance and the taxa based ASPT water quality index. However, the mean density of macroinvertebrates (all taxa combined) was lower in 1999 compared to 1958, largely accounted for by a decline in oligochaete numbers. Since Gammarus species may be predators of other macroinvertebrates and influence their distribution and abundance, we investigated this trophic link in staged laboratory encounters. Both G. tigrinus and G. d. celticus preyed on isopods, alderflies, mayflies, chironomids and mysids, however, the native G. d. celticus had a significantly greater predatory impact on isopods and chironomids than did the invader G. tigrinus. While we cannot definitively ascribe cause and effect in the present scenario, we discuss how replacement of one amphipod species by another may have impacts on the wider macroinvertebrate assemblage.

Life history of turbot in Icelandic waters: Intra- and inter-population genetic diversity and otolith tracking of environmental temperatures

The stock structure of turbot was investigated between samples from S-Norway, the Irish Sea and the Kattegat, using 12 microsatellite loci and compared to the turbot caught in Icelandic waters. Highly significant genetic differentiation was observed between samples from Kattegat and other areas. Significant genetic differentiation was also observed between the Irish Sea sample on one hand and Iceland and S-Norway on the other hand. No significant genetic differentiation was observed between Iceland and S-Norway. Otoliths of 25 turbot, age ranging from 3 to 19 years, were subjected to nearly 300 mass spectrometry determinations of stable oxygen and carbon isotopes. Oxygen isotope composition (δ¹⁸O) in the otolith samples was used to estimate ambient temperature at time of otolith accretion, and yielded estimated temperatures experienced by the turbot ranging from 3 to 15°C. Overall, the genetic analysis indicates panmixia between turbot in Icelandic and Norwegian waters. While the extensive migration of larvae between Norway and Iceland is unlikely, passive drift of turbot larva from other areas (e.g. Ireland) cannot be ruled out. 

Abundance and diversity of sedimentary bacterial communities in a coastal productive setting in the Western Irish Sea

The bacterial community composition and biomass abundance from a depositional mud belt in the western Irish Sea and regional sands were investigated by phospholipid ester-linked fatty acid profiling, denaturing gradient gel electrophoresis and barcoded pyrosequencing of 16S rRNA genes. The study area varied by water depth (12-111 m), organic carbon content (0.09-1.57% TOC), grain size, hydrographic regime (well-mixed vs. stratified), and water column phytodetrital input (represented by algal polyunsaturated PLFA). The relative abundance of bacterial-derived PLFA (sum of methyl-branched, cyclopropyl and odd-carbon number PLFA) was positively correlated with fine-grained sediment, and was highest in the depositional mud belt. A strong association between bacterial biomass and eukaryote primary production was suggested based on observed positive correlations with total nitrogen and algal polyunsaturated fatty acids. In addition, 16S rRNA genes affiliated to the classes Clostridia and Flavobacteria represented a major proportion of total 16S rRNA gene sequences. This suggests that benthic bacterial communities are also important degraders of phytodetrital organic matter and closely coupled to water column productivity in the western Irish Sea.

Diversity of Aeromonas species from different environments in Portugal

Espécies de Aeromonas encontram-se distribuídas por diferentes habitats, estando especialmente relacionadas com ambientes aquáticos. O seu papel em complicações na saúde humana e animal é reconhecido. De facto, não só pelo seu potencial de virulência, mas também pelos determinantes genéticos de resistência a antibióticos que possam conter, estes organismos constituem uma preocupação na medicina humana e veterinária. Assim, é essencial o estudo da diversidade de espécies de Aeromonas bem como explorar as suas características fenotípicas e genéticas que podem conduzir a impactos negativos. A água constitui um importante veículo de transmissão de microrganismos e espécies de Aeromonas estão amplamente distribuídas em águas tratadas e não tratadas. Em Portugal é ainda comum o consumo de águas não tratadas cuja qualidade, na maioria das vezes, não é sujeita a monitorização, como acontece por exemplo, em explorações agrícolas de gestão familiar. Neste estudo, investigou-se a presença de Aeromonas em águas não tratadas para consumo. Estabeleceu-se também uma linha horizontal de colheitas de diferentes amostras de origem agrícola com o intuito de avaliar a possibilidade de a água ser uma das vias de contaminação de culturas agrícolas e animais por espécies de Aeromonas. Obtiveram-se 483 isolados que foram discriminados por RAPD-PCR. 169 estirpes distintas foram identificadas ao nível da espécie por análise filogenética baseada no gene gyrB. Verificou-se uma frequente ocorrência bem como uma diversidade considerável de espécies de Aeromonas. Em alguns casos, as relações genotípicas entre isolados de diferentes amostras eram muito próximas. Adicionalmente, a maioria das amostras continha diferentes espécies e estirpes distintas da mesma espécie. A. media e A. hydrophila foram as espécies mais ocorrentes. Um grupo de isolados apresentou variantes moleculares de gyrB diferente das conhecidas até agora, o que indica que poderão constituir espécies não descritas. O perfil de susceptibilidade da colecção de Aeromonas a diferentes antibióticos foi estabelecido, constituindo um perfil típico do género, com algumas excepções. Estirpes multirresistentes foram encontradas. A presença de genes tet e bla foi investigada por estudos de PCR, hibridação e, em alguns casos, de sequenciação. Como era esperado, cphA/imiS foi o mais detectado. A detecção de integrões fez-se por PCR e hibridação e a sua caracterização foi feita por sequenciação de DNA; a sua ocorrência foi reduzida. A maioria das estirpes sintetizou enzimas extracelulares com actividade lipolítica e proteolítica que potencialmente contribuem para virulência. A análise por PCR e hibridação permitiram a detecção de vários determinantes genéticos que codificam moléculas possivelmente envolvidas em processos patogénicos. Diversas espécies de Aeromonas apresentando características relacionadas com resistência a antibióticos e potencialmente de virulência estão frequentemente presentes em produtos para consumo humano e animal em Portugal. ABSTRACT: Aeromonas spp. are present in a wide range of ecological niches, being mainly related to aquatic environments. Their role in human and animal health complications is recognised. In fact, not only for their putative virulence but also for the antibiotic resistance genetic determinants Aeromonas may harbour, these organisms constitute an issue of concern in human and veterinary medicine. Thus, it is essential to get knowledge on Aeromonas sp. diversity and on their genotypic and phenotypic characteristics that may lead to negative impacts. Water constitutes a good contamination route for microorganisms and Aeromonas are widespread in untreated and treated waters from different sources. In Portugal there is still an extensive use of untreated water which is not regularly monitored for quality. This is often the case in family smallholding farms. In this study untreated drinking and mineral waters were assessed for their content in Aeromonas spp. Furthermore, a sampling scheme was designed to investigate the occurrence and diversity of Aeromonas sp. in different agricultural correlated sources and to assess the possibility of water being the transmission vehicle between those sources. 483 isolates were obtained and discriminated by RAPD-PCR. Identification at the species level for 169 distinct strains was done by gyrB based phylogenetic analysis. Results demonstrated the frequent occurrence and considerable diversity of Aeromonas spp. In some cases, genotypic close relations were found between isolates from different sources. Also, most samples contained different species and distinct strains of the same species. A. media and A. hydrophila were the most occurring. A group of isolates displayed gyrB gene sequences distinct from the previously known, indicating that they may constitute representatives of non-described species. The antibiotic susceptibility profile of the aeromonads collection was established and constituted a typical profile of the genus, although few exceptions. Multiresistance patterns were found. The presence of tet and bla genes was investigated by PCR, hybridisation and, in some cases, sequencing analysis. As expected, cphA/imiS was the most detected. Integrons were screened by PCR and hybridisation and characterised by DNA sequencing; low occurrence was recorded. The bulk of strains was able to produce extracellular enzymes with lipolytic and proteolytic activities, which may contribute to virulence. PCR and hybridisation surveys allowed the detection of distinct genetic determinants coding for molecules putatively involved in pathogenic processes. Diverse Aeromonas sp. presenting distinct antibiotic resistance features and putative virulence traits are frequently present in many sources for human and animal consumption in Portugal.

Molecular diversity and transferability of integrons from wastewaters

Na evolução bacteriana, a capacidade de explorar novos ambientes e de responder a diferentes pressões selectivas deve-se principalmente à aquisição de novos genes por transferência horizontal. Integrões são elementos genéticos bacterianos que constituem sistemas naturais de captura e expressão de cassetes de genes, sendo um dos principais mecanismos bacterianos envolvidos na aquisição de resistências a antibióticos. Estudos recentes suportam a hipótese de que os ambientes naturais constituem importantes reservatórios de integrões e cassetes de genes. Uma vez que as águas residuais são descarregadas em receptores naturais, torna-se fundamental conhecer a presença e dispersão de integrões nestes ambientes, assim como a sua associação a outros elementos genéticos móveis e a genes de resistências a antibióticos. Neste trabalho, pretendeu-se avaliar a prevalência e diversidade de integrões em águas residuais de origem animal e doméstica, bem como a sua associação a plasmídeos conjugativos, usando metodologias dependentes e independentes do cultivo de microrganismos em laboratório. Os resultados obtidos sustentam assim a hipótese de que ambientes particularmente ricos em matéria orgânica, como é o caso das águas residuais, constituem ambientes propícios à presença de integrões e à ocorrência de transferência horizontal de genes de resistência a antibióticos, embora a sua prevalência e diversidade seja influenciada pelo tipo de efluente em questão. A presença de integrões em estações de tratamento de águas residuais, e em especial nos efluentes tratados, constitui assim um factor preocupante, uma vez que tal contribui para a sua disseminação e dispersão por outros ecossistemas aquáticos, nomeadamente rios e mares. Os métodos utilizados permitiram também detectar uma elevada diversidade de cassetes de genes associadas a integrões, sendo possível que algumas dessas sequências codifiquem para proteínas que desempenhem um importante papel na adaptação bacteriana às intensas pressões selectivas características deste tipo de ambientes. Assim, é possível concluir que as comunidades bacterianas presentes em águas residuais reúnem diferentes tipos de elementos geneticamente móveis que desempenham um importante papel não só na adaptação bacteriana, mas também na disseminação de determinantes genéticos de resistência para ambientes naturais. Adicionalmente, a presença de potenciais proteínas com possíveis aplicações biotecnológicas reforça a importância das águas residuais como fontes de diversidade funcional. Este trabalho incluiu também a criação e implementação da base de dados INTEGRALL, desenvolvida com o intuito de congregar informação acerca de integrões e de uniformizar a nomenclatura de cassetes de genes.

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.

Spatial variability of macroinvertebrate assemblages and the influence of hydrological and environmental variables along the Sigi River, Tanzania-East Africa

The study of investigating the spatial and temporal variability of macroinvertebrate and their relation to hydrology, hydraulic and environmental factors was done along the Sigi River during two sampling periods in the dry (March) and wet (May) periods of 2012. The river was demarcated based on slope ranges and five river zones were identified as mountains streams (MS), upper foothills (UF), lower foothills (LF), rejuvenated foothills (REJ) and mature lower river (MR). Samples of macroinvertebrate were collected from the five river zones and measurements of hydrological (discharge), hydraulics (Depth, velocity and Froude number) and Environmental (pH, Temperature, substrate, conductivity) parameters were done in each zone. In characterizing the macroinvertebrate assemblages along the Sigi River diversity indices (number of taxa, total abundances, Margalef richness index and ShannonWiener index) were calculated and the most representative species for the spatial and temporal variation were identified. Melanoides and Afronurous showed differences in abundance in two samplings periods while Cleopatra, Potamonautes, Ephemerythus, Neoperla, Caenis, Ceratogomphus and Cheumatopsyche showed significant difference among the river zones. Spearman rank correlation and Distance Linear Model (DistLM) used to revealed physical factors governing the macroinvertebrate assemblages distribution. The study demonstrated that the variation of physical factors like discharge, temperature, conductivity and pH have an important role in the spatial distribution of macroinvertebrate assemblages along the river and the life cycle of macroinvertebrate (Afronurus) is important in determining the temporal variability.

Urban development modifies lake food webs in the Pacific Northwest

Thesis (Master's)--University of Washington, 2015

Les macroinvertébrés benthiques littoraux : bioindicateurs de la qualité écologique des milieux humides en zone urbaine

Les milieux aquatiques en zone urbaine sont reconnus comme des îlots de biodiversité qui offrent de nombreux services écologiques. Dans cette étude, nous avons utilisé les macroinvertébrés comme bioindicateurs de la qualité écologique des étangs, petits lacs et marais de l’Île de Montréal. Les macroinvertébrés ont été récoltés durant l’été 2011 dans la zone littorale de 20 sites variant par leur urbanisation et leurs caractéristiques limnologiques. Nous avons évalué la variation dans la richesse en taxa, les indices de diversité et plusieurs métriques basées sur la composition taxonomique ou les traits fonctionnels. Nous avons déterminé la réponse des métriques aux changements dans l’urbanisation, l’aménagement et les conditions des plans d’eau. Notre étude montre que les étangs, marécages et petits lacs constituent des réserves importantes de biodiversité en zone urbaine. Les marécages naturels et les étangs et lacs permaments avaient une meilleure qualité écologique et supportaient des communautés de macroinvertébrés plus diverses et abondantes que les petits étangs temporaires aménagés. Le couvert de végétation aquatique, l’enrichissement en nutriments et en matière organique ainsi que la biomasse des algues expliquaient le plus de variation dans les macroinvertébrés. Les aménagements, la densité urbaine et la permanence de l’eau avaient aussi une bonne influence. Les métriques univariées avaient moins de potentiel que les métriques multivariées. Nous avons discuté les implications de notre étude pour le suivi environnemental de la biodiversité et la qualité écologique des milieux aquatiques en zone urbaine.

Aquatic Cyanobacteria Isolated from Cochin: Growth characteristics and bioactive impact on selected microflora

Aquatic ecosystem in the south west coast of India is noted for its diversity of habitats. Very often these environments turn bluegreen when the bloom of bluegreen algae (cyanobacteria) appear consequent to eutrophication. This phenomenon occursin these habitats one after the other or simultaneously. This conspicuousness make one curious enough to know more about these nature’s gift bestowed upon mankind. While persuing the literature on the magnificent flora) it is understood that it may provide food fertilizer, chemicals and bioactive substances. These bioactive substances are likely to be involved in regulating natural populations and are potentially useful as biochemical tools and as herbicidal or biocontrol agents. The role of cyanobacteria in the aquatic food chain and contribution in abatement of heavy metals from the natural environment are well documented. Considering the manifold utilization of the flora and their significance in the food chain, the present investigation has been undertaken

Aquatic community patterns across environmental gradients in a Mediterranean floodplain and their application to ecosystem restoration

El presente estudio tiene como objetivo proporcionar una base de conocimiento sólida para la restauración ecológica de ríos, basada en la respuesta de comunidades acuáticas a cambios en la conectividad hídrica, factores medioambientales y presión antrópica. La conectividad hídrica lateral resultó ser el factor principal que estructura hábitats y comunidades acuáticas en el Ebro; mientras que la turbidez, salinidad y concentración de nutrientes fueron factores secundarios. La combinación de estos factores establece un marco ecológico que permite realizar predicciones acerca de los patrones taxonómicos y funcionales con más probabilidades de ocurrir en la llanura del Ebro. La posibilidad de que se creen nuevos humedales de forma natural en el Ebro es muy baja, mientras los que quedan están amenazados por una baja renovación del agua. El objetivo de la restauración ecológica debe por tanto consistir en re-establecer un amplio rango de condiciones hídricas, de acuerdo con el potencial sostenible del ecosistema.