Two-dimensional images of dissolved sulfide and metals in anoxic sediments by a novel diffusive gradients in thin film probe and optical scanning techniques

A novel diffusive gradients in thin film probe developed comprises diffusive gel layer of silver iodide (AgI) and a back-up Microchelex resin gel layer. 2D high-resolution images of sulfide and trace metals were determined respectively on the AgI gel by densitometric analysis and on the Microchelex resin layer with laser-ablation-inductively-coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS).We investigated the validity of the analytical procedures used for the determination of sulfide and trace metals. We found low relative standard deviations on replicate measurements, linear trace-metal calibration curves between the LA-ICP-MS signal and the true trace-metal concentration in the resin gel, and a good agreement of the sulfide results obtained with the AgI resin gel and with other analytical methods. The method was applied on anoxic sediment pore waters in an estuarine and marine system. Simultaneous remobilization of sulfide and trace metals was observed in the marine sediment.

Methodologies for a sustainable development of estuarine ecosystems

As zonas costeiras, estuarinas e lagunares são consideradas áreas muito produtivas e dotadas de grande biodiversidade sendo, por isso, consideradas de elevado valor ecológico e económico. No entanto, nas últimas décadas tem vindo a verificar-se um aumento da contaminação destes ecossistemas como resultado de diversas actividades antrópicas. As abordagens actualmente disponíveis para avaliação do impacto da poluição em ecossistemas estuarinos e lagunares apresentam diversos tipos de lacunas, pelo que é importante desenvolver metodologias mais eficazes com organismos autóctones. Neste contexto, o objectivo central desta dissertação consistiu em desenvolver e validar métodos ecologicamente relevantes para avaliação da contaminação estuarina e dos seus efeitos, utilizando o góbio-comum (Pomatoschistus microps), quer como organismo-teste quer como espécie sentinela, devido à importante função que desempenha nas cadeias tróficas de diversos estuários da costa Portuguesa. A Ria de Aveiro foi seleccionada como área de estudo principalmente pelo facto de possuir zonas com diferentes tipos de contaminação predominante e de haver conhecimento científico de base abundante e de elevada qualidade sobre este ecosistema. Na primeira fase do estudo, foram investigados os efeitos agudos de dois hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAPs) (benzo[a]pireno e antraceno), de um fuel-óleo e de dois metais (cobre e mercúrio) em P. microps, utilizando ensaios laboratoriais baseados em biomarcadores e em parâmetros comportamentais, os quais foram avaliados utilizando um dispositivo expressamente desenvolvido para o efeito, designado por speed performance device (SPEDE). Como biomarcadores foram utilizados parâmetros envolvidos em funções fisiológicas determinantes para a sobrevivência e desempenho dos animais (neurotransmissão, obtenção de energia, destoxificação e defesas anti-oxidantes), nomeadamente a actividade das enzimas acetilcolinesterase, lactato desidrogenase, CYP1A1, glutationa S-transferases, glutationa reductase, glutationa peroxidase, superóxido dismutase, catalase, tendo ainda sido determinados os níveis de peroxidação lipídica como indicador de danos oxidativos. De forma global, os resultados indicaram que os agentes e a mistura testados têm a capacidade de interferir com a função neurológica, de alterar as vias utilizadas para obtenção de energia celular, induzir as defesas antioxidantes e, no caso do cobre e do mercúrio, de causarem peroxidação lipídica. Foram ainda obtidas relações concentração-resposta a nível dos parâmetros comportamentais testados, nomeadamente a capacidade de nadar contra a corrente e a distância percorrida a nadar contra o fluxo de água, sugerindo que os agentes testados podem, por exemplo, diminuir a capacidade de fuga aos predadores, as probabilidades de captura de presas e o sucesso reprodutivo. Na segunda fase, tendo sido já adaptadas técnicas para determinação de vários biomarcadores em P. microps e estudada a sua resposta a dois grupos de poluentes particularmente relevantes em ecossistemas estuarinos e lagunares (metais e HAPs), foi efectuado um estudo de monitorização utilizando P. microps como bioindicador e que incluiu diversos parâmetros ecológicos e ecotoxicológicos, nomedamente: 20 parâmetros indicativos da qualidade da água e do sedimento, concentração de 9 metais em sedimentos e no corpo de P. microps, 8 biomarcadores e 2 índices de condição na espécie seleccionada. A amostragem foi efectuada em quatro locais da Ria de Aveiro, um considerado como referência (Barra) e três com diferentes tipos predominantes de contaminação (Vagueira, Porto de Aveiro e Cais do Bico), sazonalmente, durante um ano. Os resultados obtidos permitiram uma caracterização ecotoxicológica dos locais, incluindo informação sobre a qualidade da água, concentrações de contaminantes ambientais prioritários nos sedimentos e nos tecidos de P. microps, capacidade desta espécie para bioacumular metais, efeitos exercidos pelas complexas misturas de poluentes presentes em cada uma das zonas de amostragem nesta espécie e possíveis consequências para a população. A análise multivariada permitiu analisar de forma integrada todos os resultados, proporcionando informação que não poderia ser obtida analisando os dados de forma compartimentalizada. Em conclusão, os resultados obtidos no âmbito desta dissertação indicam que P. microps possui características adequadas para ser utilizado como organismoteste em ensaios laboratoriais (e.g. abundância, fácil manutenção, permite a determinação de diferentes tipos de critérios de efeito utilizando um número relativamente reduzido de animais, entre outras) e como organismo sentinela em estudos de monitorização da poluição e da qualidade ambiental, estando portanto de acordo com estudos de menor dimensão previamente efectuados. O trabalho desenvolvido permitiu ainda adaptar a P. microps diversas técnicas bioquímicas vulgarmente utilizadas como biomarcadores em Ecotoxicologia e validá-las quer no laboratório quer em cenários reais; desenvolver um novo bioensaio, utilizando um dispositivo de teste especialmente concebido para peixes epibentónicos baseado na performance natatória de uma espécie autóctone e em biomarcadores; relacionar os efeitos a nível bioquímico com parâmetros comportamentais que ao serem afectados podem reduzir de forma drástica e diversificada (e.g. aumento da mortalidade, diminuição do sucesso reprodutivo, redução do crescimento) a contribuição individual para a população. Finalmente, foi validada uma abordagem multidisciplinar, combinando metodologias ecológicas, ecotoxicológicas e químicas que, quando considerada de forma integrada utilizando análises de estatística multivariada, fornece informação científica da maior relevância susceptível de ser utilizada como suporte a medidas de conservação e gestão em estuários e sistemas lagunares.

Microphytobenthos vs Hydrobia: trophic coupling in estuarine environment

Os estuários são ambientes complexos, biologicamente diversos e muito importantes no que respeita à produtividade primária. As zonas intertidais destes ecossistemas são ocupadas por organismos que possuem uma elevada capacidade de sobrevivência e adaptação face às variadas e rápidas alterações nos factores ambientais (tais como temperatura, salinidade, conteúdo hídrico, etc.). As cadeias tróficas com origem no ecossistema estuarino bentónico são essencialmente herbívoras, regulando o fluxo de energia desde o fundo sedimentar e através do ecossistema. Nas áreas estuarinas intertidais a produção primária é essencialmente suportada pelo microfitobentos (MPB). Estas comunidades de microalgas bênticas constituem uma importante fonte de matéria orgânica e são por si só a principal fonte alimentar para as populações de Hydrobia. Neste contexto, a interacção MPB - Hydrobia é um modelo-chave na investigação da cadeia trófica estuarina de origem bentónica, actuando como um importante canal de transporte de energia para os níveis tróficos superiores, especialmente se considerarmos que Hydrobia é uma importante presa para peixes, aves e caranguejos. O presente estudo tem por objectivos gerais: i) a investigação do controlo ambiental (particularmente da luz e do teor em água do sedimento) e endógeno na migração vertical do MPB e ii) a identificação e potencial utilização de marcadores tróficos (pigmentos e ácidos gordos) úteis à investigação da interacção MPB – Hydrobia em laboratório e em condições naturais, considerando a existência de uma elevada plasticidade trófica por parte da Hydrobia e a elevada densidade populacional que estes organismos podem apresentar. A primeira fase de investigação resultou na comparação do papel dos estímulos ambientais e do controlo endógeno nos padrões de comportamento migratório vertical do microfitobentos, demonstrando a existência de um controlo essencialmente endógeno na formação e desintegração do biofilme superficial. A regulação e manutenção da biomassa à superfície do sedimento são claramente controladas pela variação dos factores ambientais, em especial da luz, cuja presença é essencial à formação total do biofilme microalgal à superfície do sedimento intertidal. Foi proposta uma nova abordagem metodológica com vista à estimativa nãodestrutiva do teor de água de sedimentos intertidais vasosos , possibilitando o estudo da influência da acção do vento no conteúdo hídrico dos sedimentos e o consequente impacto da dessecação na comunidade microfitobêntica. Observou-se que a dessecação provoca efeitos limitantes não só na biomassa superficial mas também na actividade fotossintética dos biofilmes microfitobênticos, conduzindo à diminuição da produtividade primária. No que respeita à dinâmica trófica da interacção MPB - Hydrobia foi estabelecido o uso do pigmento feoforbide a, quantificado nas partículas fecais da fauna, como marcador trófico que permite estimar a quantidade de biomassa de microalgas (clorofila a) incorporada pelos organismos animais.Para tal foi investigada e comprovada a existência de uma relação significativa entre a concentração de feopigmentos excretados e a concentração de clorofila a ingerida. Estes estudos foram desenvolvidos numa primeira fase à escala diária, considerando os efeitos dos ciclos sazonais, dia-noite e maré, e depois com a validação em condições naturais, numa escala mensal. A taxa de ingestão média de indivíduos de H. ulvae varia ao longo do dia, com o máximo em torno dos períodos diurnos de maré baixa, o que pode estar relacionado com a disponibilidade de MPB. As taxas de ingestão (TI) de H. ulvae variam ainda em função da estação do ano (TI verão > TI primavera) e em função da densidade de indivíduos (> densidade, < ingestão). Verificou-se um efeito negativo na concentração de clorofila disponível após herbívoria independentemente da densidade de indivíduos. Finalmente, a comparação dos perfis de ácidos gordos de H. ulvae provenientes de diferentes habitats com os perfis de potenciais fontes alimentares permitiu demonstrar que os ácidos gordos são ferramentas úteis na identificação do habitat ocupado por estes organismos. No entanto, apesar da ocupação de diferentes habitats e da integração de múltiplas fontes de produção primária na sua dieta foram sempre observados significativos níveis de ácidos gordos específicos de microalgas (em particular diatomáceas), reforçando o papel importante das comunidades de microalgas bênticas na dieta das populações de H. ulvae.

Organic-walled dinoflagellate cysts in recent sediments from the Guadiana river estuary, South-East Portugal

Dissertação de Mestrado, Biologia Marinha, Faculdade de Ciências do Mar e do Ambiente, Universidade do Algarve, 2007

Unraveling a Benchmark for Sulphur Akin in the Cochin Estuarine System

The thesis deals with a benchmark study of dissolved and sedimentary sulphur compounds which play prominent roles in the prevailing redox conditions in the selected sites of Cochin estuarine system. Sulphur and its analogues play prominent roles in estuarine biochemical processes. A complete knowledge on the sulphur involvement in these processes is restricted due to the lacking of data on the organic sulphur compounds. Sulphate and sulphide in surface and bottom water and Sulphate, acid volatile sulphide and total sulphur in sediments were studied and correlated to know their interrelations in determining the redox condition of the environment. It also characterises the sediments of the sites on the basis of total organic carbon: total sulphur ratio. The study had attempted to decrease the concentration levels of sulphur in the sedimentary environment by the application of a remedial measure. Knowledge of sulphur uptake by plants from prior literatures has prompted to use phytoremediation for decreasing the sulphur concentration. Phytoremediation is an emerging technology that uses plants to clean up or remediate contaminated soil, sludges, sediments, and ground water through contaminant removal, degradation or containment. The plant selected was wheat grass since earlier studies have shown that wheat grass is effective in remediating pollutants particularly trace metals. So reduction in the concentration of selected trace metals was also focussed.

Spatial and Temporal Variation of Microbial Community Structure In Surficial Sediments of Cochin Estuary

This thesis entitled spatial and temporal variarion of microbial community structure in surficial sediments of cochin estuary.In the estuarine and coastal systems, organic matter (OM) is derived not only from autochthonous primary production, but also from allochthonous (terrestrial) organic matter (OM) delivered by river discharge and runoff. A significant portion of the OM sinks through the water column and is ultimately stored in carbon pool in the sediments.Analysis of spatial and temporal variation in benthic microbial community of a tropical estuary was conducted for the first time using non selective measures that affirms that PLFA approach is a sensitive and reliable method in determining microbial community structures of surficial sediments of estuary.The close relationship between the concentrations of the microbial fatty acids and total biomass indicates that bacteria could account for the largest proportion of the biomass in the sediments.This is first study that has documented the changes in microbial community composition linkage to biotic and abiotic variables in benthic estuarine ecosystem. This contemporaneous community will be the backdrop for understanding the response of autochthonous community to increasing anthropogenic stress.

Triterpenoids as Biomarkers of Mangrove Organic Matter in Cochin Estuarine System

This thesis entitled triterpenoids as biomarkers of mangrove organic matter in cochin estuarine system.Mangrove forests, known as rainforests of the sea are one of the most important coastal ecosystems in the world in terms of primary production and coastal protection.Estuaries, the important areas of world’s coastal zones link the carbon cycle of the oceans to the continents.Three mangrove ecosystems and three estuarine stations around Cochin region, southwest coast of India were selected for the present study. The thesis is divided into five chapters. Chapter 1 is the Introduction and it deals with the aim and scope of the present study. Chapter 2 is Materials and Methods. This chapter deals with the nature and general geographical features of the study area. It also contains the details of the sampling and analytical methodology.the present study. Chapter 3 is Geochemistry and it includes the seasonal and spatial variations of the geochemical parameters in the surface sediments.Chapter 4 is Biochemical Composition. It covers the biochemical composition of organic matter in the surface sediments to examine the quality and quantity of organic matter.Chapter 5, Triterpenoid Biomarkers in Sediments, characterize the organic matter in the sediments of the mangrove and estuarine ecosystems under study, to assess the possible sources with the help of triterpenoid biomarkers along with other lipid biomarkers.

Spatial budgetary evaluation of organochlorine contaminants in the sediments of Cochin Estuary, India

This paper presents the first detailed investigation on the residual levels of organochlorine insecticide (OCI) concentrations in the Cochin estuarine sediment. It aims in elucidate their distribution and ecological impact on the aquatic system. Concentrations of persistent organochlorine compound (OC) were determined for 17 surface sediment samples which were collected from specific sites of Cochin Estuarine System (CES) over a period of November 2009 and November 2011. The contaminant levels in the CES were compared with other worldwide ecosystems. The sites bearing high concentration of organochlorine compounds are well associated with the complexities and low energy environment. Evaluation of ecotoxicological factors suggests that adverse biological effects are expected in certain areas of CES

Biennial Metal Discrepancy In The Surface Sediment Of Cochin Estuarine System

This study gave the first report on the biennial metal divergence in the sediments of Cochin Estuarine system (CES). Surface sediments from 6 prominent regions of CES were sampled in 2009 and 2011 for the geochemical and environmental assessment of trace metals (Cd, Co, Cr, Cu, Pb Fe, Mg, Mn, Ni and Zn).Besides texture, total organic carbon (TOC) and CHNS were also done. The contamination and risk assessment were performed by determining geochemical indices. Comparison with sediment quality guidelines were done to assess the probability for ecotoxicological threat to the estuary. Results showed that the measured heavy metals had varied spatial distribution patterns, indicating that they had complex origins and controlling factors

Seasonality of modern pollen and sediment deposition in an estuarine context: the Severn Estuary Levels, southwest England

Recent sedimentological and palynological research on subfossil Holocene banded sediments from the Severn Estuary Levels suggested seasonality of deposition, registered by variations in mineral grain-size and pollen assemblages between different parts of the bands. Here we provide data that strengthen this interpretation from sampling of modern sediments and pollen deposition on an active mudflat and saltmarsh on the margin of the Severn Estuary, and comparison with a vegetation survey and contemporary records of climate, river and tidal regimes. The results of grain-size analysis indicate deposition of comparatively coarse-grained silts during the relatively cool and windy conditions of winter and comparatively fine-grained sediments during relatively warm and calm summer months. Pollen analysis demonstrates the significance of long-term storage of pollen grains and fern spores in the estuarine waterbody, superimposed on which seasonal variations in pollen inputs from local and regional vegetation remain detectable. Copyright (C) 2007 John Wiley & Sons, Ltd.

Laser granulometry of Holocene estuarine silts: effects of hydrogen peroxide treatment

The Holocene estuarine silts of the Severn Estuary Levels (southwest Britain) are representative of their kind in northwest Europe. They contain two broad types of plant material: particles codeposited with mineral grains from the estuarine water body, and extraneous debris (stems of indigenous prior plants; post depositional root matter) which is difficult to remove completely by physical means. Treatment with hydrogen peroxide before laser granulometry removes all plant material regardless of kind, drastically reduces values for the mean grain size and median size relative to untreated samples, but has little effect on the mode, except for a restricted group of bimodal-platykurtic, medium-coarse silts. It is concluded that, in the case of sediments of the general kind examined, no advantages acrue from the treatment of samples with hydrogen peroxide prior to analysis. Although a discrete rather than continuous variable, values of the mode obtained from untreated sediments are suggested to be acceptable for most purposes where a measure of central tendency is required.

Seasonal deposition of Holocene banded sediments in the Severn Estuary Levels (southwest Britain): palynological and sedimentological evidence

Banded sediments outcrop widely in the intertidal zone of the Severn Estuary and have been suggested, on the basis of textural analysis, to have formed in response to seasonal variations in sea temperature and windiness (Holocene, 14 (2004) 536). Here palynological and sedimentological analyses of banded sediments of mid-Holocene date from Gold Cliff, on the Welsh side of the Severn Estuary, are combined to test and further develop the hypothesis of seasonal deposition. Pollen percentage and concentration data are presented from a short sequence of bands to establish whether textural variations in the bands coincide with variations in pollen content reflecting seasonal flowering patterns. It is shown that fine-grained band parts contain higher total pollen concentrations, and a higher proportion of pollen from late spring- to summer-flowering plants, than coarse-grained band parts. Pollen in the coarser deposits appears primarily to reflect deposition from the buffering `reservoir' of suspended pollen in the estuarine water-body and from rivers, when there is little pollen in the air in winter, while the finer sediments contain pollen deposited from the atmosphere during the flowering season, superimposed on these `background' sources. The potential of such deposits for refining chronologies and identifying seasonality of coastal processes is noted, and the results of charcoal particle analysis of the bands presented as an example of how they have the potential to shed light on seasonal and annual patterns of human activity. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Integrated sediment quality assessment in Paranagua Estuarine System, Southern Brazil

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Physical and chemical characteristics of the sediment in the estuarine region of Cananeia (SP), Brazil

Physical and chemical characteristics of sediment were analyzed at eight sampling areas in the estuarine region of Cananeia (SP), Brazil. The samples were collected in 1995 during four periods; summer, autumn, winter and spring. Total nitrogen and phosphorus concentrations, redox potential, water and organic matter percentage, sand and silt percentage and grain size were determined in six different layers of 20 cm deep columns of sediment. In general, the nutrient concentration and the percentage of organic matter decreased with depth and greater variations were observed in the first centimeter of the samples. Differences in nutrient concentration and organic matter were also observed during the study period. The highest concentrations were recorded during the rainy season (February) as a consequence of an accumulation of organic matter brought into the system by rivers and adjacent flooded areas. In general, the sediments had oxidized characteristics until the 5 or 10 cm depth in areas near the rich coastal vegetation. However, in areas open to the ocean, the entire sediment columns were almost completely oxidized.

Comparative sediment quality assessment in different littoral ecosystems from Spain (Gulf of Cadiz) and Brazil (Santos and Sao Vicente estuarine system)

The goal of this work was to establish comparisons among environmental degradation in different areas from Southern Spain (Gulf of Cadiz) and Brazil (Santos and Sao Vicente estuary), by using principal component analyses (PCA) to integrate sediment toxicity (amphipods mortality) and chemical-physical data (Zn, Cd, Pb; Cu, Ni, Co, V, PCBs, PAHs concentrations, OC and fines contents). The results of PCA extraction of Spanish data showed that Bay of Cadiz, CA-1 did not present contamination or degradation; CA-2 exhibited contamination by PCBs, however it was not related to the amphipods mortality. Ria of Huelva was the most impacted site, showing contamination caused principally by hydrocarbons, in HV-1 and HV-2, but heavy metals were also important contaminants at HV-1, HV-2 and HV-3. Algeciras Bay was considered as not degraded in GR-3 and -4, but in GR-3' high contamination by PAHs was found. In the Brazilian area, the most degraded sediments were found in the stations situated at the inner parts of the estuary (SSV-2, SSV-3, and SSV-4), followed by SSV-6, which is close to the Submarine Sewage Outfall of Santos - SSOS. Sediments from SSV-1 and SSV-5 did not present chemical contamination, organic contamination or significant amphipod mortality. The results, of this investigation showed that both countries present environmental degradation related to PAHs: in Spain, at Ria of Huelva and Gudarranque river's estuary areas; and in Brasil, in the internal portion of the Santos and Sao Vicente estuary. The same situation is found for heavy metals, since all of the identified metals are related to toxicity in the studied areas, with few exceptions (V for both Brazil and Spain, and Cd and Co for Brazilian areas). The contamination by PCBs is more serious for Santos and Sao Vicente estuary than for the investigated areas in Gulf of Cadiz, where such compound did not relate to the toxicity. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.