Historical data reveal power-law dispersal patterns of invasive aquatic species

Understanding how invasive species spread is of particular concern in the current era of globalisation and rapid environmental change. The occurrence of super-diffusive movements within the context of Lévy flights has been discussed with respect to particle physics, human movements, microzooplankton, disease spread in global epidemiology and animal foraging behaviour. Super-diffusive movements provide a theoretical explanation for the rapid spread of organisms and disease, but their applicability to empirical data on the historic spread of organisms has rarely been tested. This study focuses on the role of long-distance dispersal in the invasion dynamics of aquatic invasive species across three contrasting areas and spatial scales: open ocean (north-east Atlantic), enclosed sea (Mediterranean) and an island environment (Ireland). Study species included five freshwater plant species, Azolla filiculoides, Elodea canadensis, Lagarosiphon major, Elodea nuttallii and Lemna minuta; and ten species of marine algae, Asparagopsis armata, Antithamnionella elegans, Antithamnionella ternifolia, Codium fragile, Colpomenia peregrina, Caulerpa taxifolia, Dasysiphonia sp., Sargassum muticum, Undaria pinnatifida and Womersleyella setacea. A simulation model is constructed to show the validity of using historical data to reconstruct dispersal kernels. Lévy movement patterns similar to those previously observed in humans and wild animals are evident in the re-constructed dispersal pattern of invasive aquatic species. Such patterns may be widespread among invasive species and could be exacerbated by further development of trade networks, human travel and environmental change. These findings have implications for our ability to predict and manage future invasions, and improve our understanding of the potential for spread of organisms including infectious diseases, plant pests and genetically modified organisms.

Effects of Elodea nuttallii on temperate freshwater plants, microalgae and invertebrates: small differences between invaded and uninvaded areas

The invasive aquatic plant species Elodea nuttallii could pose a considerable risk to European freshwater ecosystems based on its current distribution, rate of spread and potential for high biomass. However, little research has been conducted on the impacts of this species on native biota. This study takes an ecosystem-wide approach and examines the impact of E. nuttallii on selected physicochemical parameters (dissolved oxygen and pH), algae, invertebrate and macrophyte communities. Elodea nuttallii had small but significant impacts on plant, invertebrate and algal species. The richness of algal periphyton was lower on E. nuttallii than on native macrophytes. The taxonomic composition of invertebrate communities associated with E. nuttallii differed from that associated with similar native plant species, but did not differ in terms of total biomass or species richness. Macrophyte species richness and total cover were positively correlated with percentage cover of E. nuttallii. Not all macrophyte species responded in the same way to E. nuttallii invasion; cover of the low-growing species, Elodea canadensis and charophytes were negatively correlated with E. nuttallii cover, whilst floating-rooted plants were positively correlated with E. nuttallii cover. All observed differences in the macrophyte community were small relative to other factors such as nutrient levels, inter-annual variation and differences between sites. Despite this, the observed negative association between E. nuttallii and charophytes is a key concern due to the rarity and endangered status of many charophyte species.

In situ, high-resolution imaging of labile phosphorus in sediments of a large eutrophic lake

Understanding the labile status of phosphorus (P) in sediments is crucial for managing a eutrophic lake, but it is hindered by lacking in situ data particularly on a catchment scale. In this study, we for the first time characterized in situ labile P in sediments with the Zr-oxide diffusive gradients in thin films (Zr-oxide DGT) technique at a two-dimensional (2D), submillimeter resolution in a large eutrophic lake (Lake Taihu, China, with an area of 2338km²). The concentration of DGT-labile P in the sediment profiles showed strong variation mostly ranging from 0.01 to 0.35mgL^-1 with a considerable number of hotspots. The horizontal heterogeneity index of labile P varied from 0.04 to 4.5. High values appeared at the depths of 0-30mm, likely reflecting an active layer of labile P under the sediment-water interface (SWI). Concentration gradients of labile P were observed from the high-resolution 1D DGT profiles in both the sediment and overlying water layers close to the SWI. The apparent diffusion flux of P across the SWI was calculated between -21 and 65ngcm^-2d^-1, which showed that the sediments tended to be a source and sink of overlying water P in the algal- and macrophyte-dominated regions, respectively. The DGT-labile P in the 0-30mm active layer showed a better correlation with overlying water P than the labile P measured by ex situ chemical extraction methods. It implies that in situ, high-resolution profiling of labile P with DGT is a more reliable approach and will significantly extend our ability in in situ monitoring of the labile status of P in sediments in the field.

Ecological quality assessment in transitional systems

Estuaries are poles of attraction for human settlement which is a source of pressures to surface water bodies. The implementation of the European Water Framework Directive (WDF, 2000/60/EC) has increased the investigation in order to develop methodologies to assess the Ecological Quality Status (EQS) of aquatic ecosystems. Transitional systems are naturally stressed and characterized by highly dynamic physical, chemical and hydro-morphologic conditions and by species with a higher level of tolerance to change, being more difficult to develop suitable quality indicators for these systems. The general purpose of this study is to test the ability of synthesis descriptors, including primary (S, taxa richness) and derived biological variable (H’, Shannon-Wiener diversity), biotic indices (AMBI and M-AMBI), body size properties (abundance distribution by body size classes, length, weight and length-weight relationships) and non-taxonomic indices (ISS), as well as functional indicators related to the decomposition rates of various experimental substrates, a macrophyte (Phragmites australis) and an alga (Fucus vesiculosus), to evaluate the environmental quality in transitional systems. This study was carried out in one of the most pristine channels of the Ria the Aveiro, Mira Channel, along a full salinity gradient and in a metals and metalloid sediment contamination area, the Estarreja Channel, and two reference channels (Canelas and Salreu). In this study were used different sampling techniques, the leaf-bag technique and a hand-held corer. In Mira Channel, the alga and the macrophyte presented an opposite trend in the decomposition rate along the salinity gradient, with the decomposition rates of the alga always higher than those of the macrophyte. The decomposition rates of the macrophyte and the alga were higher in the mid estuary and in higher salinity areas, respectively, corresponding to the preferencial distribution areas of each species. The macrobenthic fauna associated with the decaying and an artificial substrate (control) showed equally well the benthic succession from the marine to the freshwater areas and, despite the strong differences in the decay rates, no significant differences were found between the benthic communities associated with the alga and the macrophyte. The body size properties of the macrobenthic fauna associated with the P. australis leaf-bag (1mm and 5mm) and corer samples were studied along the full salinity gradient. The dominant species of the sub-set of measured specimens were not the same of the original macrobenthic fauna sampled but, despite that, the sub-set of measured specimens was also able to show the benthic succession from the marine to the freshwater areas. The body size abundance distribution of the benthic macroinvertebrates according to the ISS size classes did not show a particular trend in any sampler along the salinity gradient. Significant differences were found in the length, weight and length-weight relationships of Annelids, , Molluscs and even some species along the salinity gradient. No significant differences were found in the AMBI, M-AMBI and ISS values along the salinity gradient for all the samplers. The EQS of the corer samples obtained using the M-AMBI was lower than that of the leaf-bags. The EQS obtained with the ISS was higher than that obtained with the M-AMBI in the leaf-bags but not in the corer samples. The ecological effects of contaminated sediments associated with the industrial chemical effluents discharged in the Estarreja Channel were studied a decade after ceasing the emissions, using the Sediment Quality Triad approach and two reference channels. The results showed that despite the emissions ceased in 2004, the sediment remains polluted with high levels of metals and metalloid, available to bioaccumulation and with severe consequences at the community level. The sediment contamination problem was also studied using the leaf-bag technique with a macrophyte, an alga and a control substrate. The results showed that the decay rates, the associated macrofauna and the application of the AMBI, M-AMBI and ISS indices to the mesh-bag samples were not able to identify the sediment contamination. Contrarily to the AMBI, the M-AMBI and the ISS showed significant differences between the contaminated and the reference channels for the corer samples. Although such statistical significance, the interest of using these complex biotic indices could be questioned, when much simple ones, like the S and H’ allow to reach the same conclusions.

Urban development modifies lake food webs in the Pacific Northwest

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

Larval habitat associations with human land uses, roads, rivers, and land cover for Anopheles albimanus, A. pseudopunctipennis, and A. punctimacula (Diptera: Culicidae) in coastal and highland Ecuador

Larval habitat for three highland Anopheles species: Anopheles albimanus Wiedemann, Anopheles pseudopunctipennis Theobald, and Anopheles punctimacula Dyar and Knab was related to human land uses, rivers, roads, and remotely sensed land cover classifications in the western Ecuadorian Andes. Of the five commonly observed human land uses, cattle pasture (n = 30) provided potentially suitable habitat for A. punctimacula and A. albimanus in less than 14% of sites, and was related in a principal components analysis (PCA) to the presence of macrophyte vegetation, greater surface area, clarity, and algae cover. Empty lots (n = 30) were related in the PCA to incident sunlight and provided potential habitat for A. pseudopunctipennis and A. albimanus in less than 14% of sites. The other land uses surveyed (banana, sugarcane, and mixed tree plantations; n = 28, 21, 25, respectively) provided very little standing water that could potentially be used for larval habitat. River edges and eddies (n = 41) were associated with greater clarity, depth, temperature, and algae cover, which provide potentially suitable habitat for A. albimanus in 58% of sites and A. pseudopunctipennis in 29% of sites. Road-associated water bodies (n = 38) provided potential habitat for A. punctimacula in 44% of sites and A. albimanus in 26% of sites surveyed. Species collection localities were compared to land cover classifications using Geographic Information Systems software. All three mosquito species were associated more often with the category “closed/open broadleaved evergreen and/or semi-deciduous forests” than expected (P ≤ 0.01 in all cases), given such a habitat’s abundance. This study provides evidence that specific human land uses create habitat for potential malaria vectors in highland regions of the Andes.

Effet de la salinité sur la compétition entre le roseau (Phragmites australis) et les quenouilles (Typha spp.)

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Le contenu en azote de Vallisneria americana : un élément intégrateur de l'hétérogénéité spatiale et temporelle du lac St-Pierre, un lac fluvial du fleuve St-Laurent

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Effet du développement résidentiel sur l'habitat et la distribution des macrophytes dans les lacs des Laurentides

L’effet du développement résidentiel des bassins versants sur l’habitat et la distribution des macrophytes dans le littoral de six lacs des Laurentides a été évalué à l’aide de carottes de sédiments et de quadrats. Le développement augmente la proportion de milieux déboisés ce qui réduit l’apport en débris de bois et augmente l’érosion et les apports de nutriments dans les sédiments du littoral. Les sédiments sont plus fins, plus denses et contiennent moins de matière organique. Ces changements favorisent les macrophytes en augmentant leur couverture dans les lacs développés. La présence d’espèces submergées de macrophytes est également favorisée au détriment des espèces à feuilles flottantes, plus caractéristiques des lacs moins développés. Même si la biomasse des macrophytes est limitée dans certains lacs, celle-ci augmente dans les lacs développés et montre des signes d’un effet tampon sur les apports de nutriments. Des quantités équivalentes à des valeurs entre 35 et 230% des apports annuels de phosphore et entre 79 et 659% des apports d’azote par les résidents ont été accumulées dans les tissus des macrophytes des lacs dont le bassin versant est très déboisé. Les sédiments s’enrichissent à la sénescence des macrophytes et contiennent alors plus de nutriments que la colonne d’eau et ce, pour tous les lacs. Une présence accrue d’espèces submergées et plus de nutriments dans les tissus des macrophytes des lacs développés, jumelés à l’absence de prolifération de phytoplancton malgré un plus grand apport de nutriments, laisse penser que les lacs des Laurentides sont en état d’eutrophisation précoce.

Effet des macrophytes aquatiques sur le traitement d’eau contaminée à l’ACC et au PCP

L’objectif principal de ce projet est d’évaluer le potentiel d’un système de marais filtrants combinés pour le traitement d’un lixiviat contaminé aux agents de préservations du bois - l’arséniate de cuivre chromaté (ACC) et le pentachlorophénol (PCP) - en portant une attention particulière au rôle des plantes. Pour ce faire, une expérience en pot faisant varier la concentration d’exposition de quatre espèces de macrophyte (Typha angustifolia, Phalaris arundinacea, Phragmites australis americanus et Phragmites australis australis) a été effectuée. Le suivi de quatre marais filtrants à écoulement horizontal sous-surfacique, plantés d’une des quatre espèces de macrophyte et d’un bassin planté de saules (Salix Miyabeana SX67) a également été réalisé. La résistance des plantes au milieu contaminé, la capacité de bioaccumulation des macrophytes et les efficacités de traitement des différents systèmes ont été analysés. Nos résultats montrent que la concentration d’exposition n’influence pas la capacité des plantes à croître en milieu contaminé. Par contre, il existe une relation dose-réponse entre la concentration d’exposition et la capacité de bioaccumulation des macrophytes. Les quatre marais pilotes ont tous des efficacités de traitements supérieures à 55% en 2013 et 82% en 2014 pour les contaminants à l’étude. Le bassin de saule a la capacité théorique d’évapotranspirer jusqu’à 1200 L par jour. De plus, ses efficacités de traitements sont supérieures à 59% pour tous les composés à l’étude. L’utilisation de marais filtrants pour le traitement d’un lixiviat contaminé aux agents de préservations du bois est donc une alternative intéressante aux méthodes de traitement conventionnel.

Réponse de la communauté de mollusques aux perturbations physiques et chimiques dans un grand lac fluvial (Lac Saint-Pierre, Fleuve Saint-Laurent, QC)

Les mollusques sont des indicateurs de perturbations anthropiques et environnementales. Ce groupe de macroinvertébrés représente en outre une source importante de nourriture pour les poissons et les oiseaux aquatiques du littoral. Les hypothèses de cette étude sont que la communauté de mollusques est influencée indirectement par les tributaires agricoles et/ou par des variables environnementales (comme la dessiccation et l'exposition aux vagues) puisque ces perturbations sont susceptibles de modifier leurs sources alimentaires et leur habitat. Les indicateurs de la réponse des mollusques aux agents perturbateurs sont la composition, la diversité, la densité, ainsi que la biomasse des espèces. En septembre 2013, des mesures de paramètres physico-chimiques de l'eau ont été réalisées, et des échantillons de mollusques et de végétation aquatique ont été prélevés à 14 sites le long des rives du lac Saint-Pierre (Fleuve Saint-Laurent, Québec, Canada). Le long de la rive nord, les sites fortement exposés à l'action du vent, situés à de plus grandes élévations, affichaient une plus faible densité, biomasse et richesse spécifique de mollusques que les sites de la rive sud, en milieu plus abrité et profond. Les sites physiquement perturbés étaient caractérisés par de faibles biomasses en macrophytes submergés. Les sphaeriidae apparaissent comme des exceptions à ces patrons, montrant une abondance plus élevée aux sites presque dépourvus de macrophytes. Bien que les variables physiques et l'habitat exercent une influence déterminante sur les communautés de mollusques, les gastéropodes et les moules unionidés étaient également affectés par la dégradation de la qualité de l'eau dans le panache des tributaires agricoles. La richesse, la densité et la biomasse des gastéropodes étaient négativement influencées par des teneurs élevées de matières en suspension et de fer dissous. Les résultats de notre étude montrent que la communauté de mollusques du lac Saint-Pierre est directement affectée par l'émersion périodique, l'exposition au vent, et indirectement par l'effet de ces variables physiques sur les macrophytes qui constituent leur habitat.

Effet du développement résidentiel sur la distribution et l’abondance des macrophytes submergés dans la région des Laurentides et de Lanaudière

Nous avons cherché des relations empiriques entre l’abondance des macrophytes submergés et le développement résidentiel du bassin versant, les propriétés du lac et la présence de milieux humides dans 34 lacs de la région des Laurentides et de Lanaudière sélectionnés à travers un gradient de développement résidentiel. Les macrophytes submergés ont été échantillonnés par méthode d’échosondage à l’intérieur de la zone littorale. L’abondance moyenne des macrophytes a ensuite été estimée à l’intérieur de quatre zones de croissance optiquement définies (profondeur maximale = 75 %, 100 %, 125 % et 150 % de la profondeur de Secchi) ainsi qu’à l’intérieur de toute la zone littorale. L’occupation humaine a été considérée selon trois échelles spatiales : celle présente 1- dans un rayon de 100 mètres autour du lac, 2- dans la fraction du bassin versant qui draine directement vers le lac et 3- dans le bassin versant en entier. Nous avons aussi testé, lac par lac, l’effet de la pente locale sur l’abondance des macrophytes. Nous avons observé des corrélations positives et significatives entre l’abondance des macrophytes submergés et l’occupation humaine de l’aire de drainage direct (r > 0.51). Toutefois, il n’y a pas de relation entre l’abondance des macrophytes submergés et l’occupation humaine de la bande de 100 mètres entourant le lac et du bassin versant entier. Les analyses de régression multiple suggèrent que l’abondance des macrophytes submergés est faiblement corrélée avec l’aire du lac (+) et avec la présence de milieux humides dans le bassin versant entier (-). Localement, l’abondance des macrophytes est reliée à la pente et à la profondeur qui expliquent 21% de la variance. Les profondeurs de colonisation maximale et optimale des macrophytes submergés sont corrélées positivement au temps de résidence et à la profondeur de Secchi et négativement à l’occupation humaine et à l’importance des milieux humides.

Diversité et structure du zooplancton : importance pour la conservation de la biodiversité aquatique en zone urbaine

L'écologie urbaine est un nouveau champ de recherche qui cherche à comprendre les structures et les patrons des communautés et des écosystèmes situés dans des paysages urbains. Les petits plans d’eau sont connus comme des écosystèmes aquatiques qui peuvent contenir une biodiversité considérable pour plusieurs groupes taxonomiques (oiseaux, amphibiens, macroinvertébrés), ce qui en fait des écosystèmes intéressants pour les études de conservation. Cependant, la biodiversité du zooplancton, un élément central des réseaux trophiques aquatiques, n’est pas entièrement connue pour les plans d’eaux urbains et devrait être mieux décrite et comprise. Cette étude a évalué les patrons de biodiversité des communautés zooplanctoniques dans des plans d’eau urbains sur l’Ile de Montréal et leurs sources de variation. Des suggestions pour l’évaluation et la conservation de la biodiversité sont aussi discutées. La biodiversité zooplanctonique des plans d’eaux urbains s’est avérée être assez élevée, avec les cladocères et les rotifères montrant les contributions à la diversité gamma et bêta les plus élevées. Sur l’ensemble des plans d’eau, il y avait une corrélation négative entre les contributions à la bêta diversité des cladocères et des rotifères. Au niveau de chaque plan d'eau, la zone littorale colonisée par des macrophytes s'est avérée être un habitat important pour la biodiversité zooplactonique, contribuant considérablement à la richesse en taxons, souvent avec une différente composition en espèces. Les communautés zooplanctoniques répondaient aux facteurs ascendants et descendants, mais aussi aux pratiques d’entretien, car le fait de vider les plans d’eau en hiver affecte la composition des communautés zooplanctoniques. Les communautés de cladocères dans ces plans d’eau possédaient des quantités variables de diversité phylogénétique, ce qui permet de les classer afin de prioriser les sites à préserver par rapport à la diversité phylogénétique. Le choix des sites à préserver afin de maximiser la diversité phylogénétique devrait être correctement établi, afin d’eviter de faire des choix sous-optimaux. Cependant, pour des taxons tels que les cladocères, pour lesquels les relations phylogénétiques demeurent difficiles à établir, placer une confiance absolue dans un seul arbre est une procédure dangereuse. L’incorporation de l’incertitude phylogénétique a démontré que, lorsqu’elle est prise en compte, plusieurs différences potentielles entre la diversité phylogenétique ne sont plus supportées. Les patrons de composition des communautés différaient entre les plans d’eau, les mois et les zones d’échantillonnage. Etant donné les intéractions sont significatives entres ces facters; ceci indique que tous ces facteurs devraient êtres considérés. L’urbanisation ne semblait pas sélectionner pour un type unique de composition des groupes alimentaires, étant donné que les communautés pouvaient changer entres des assemblages de types alimentaires différents. Les variables environnementales, surtout la couverture du plan d’eau en macrophytes, étaient des facteurs importants pour la biodiversité zooplanctonique, affectant la richesse spécifique de divers groupes taxonomiques et alimentaires. Ces variables affectaient aussi la composition des communautés, mais dans une moindre mesure, étant des variables explicatives modestes, ce qui indiquerait le besoin de considérer d’autres processus.

Contributions of local, lateral and contextual habitat variables to explaining variation in fisheries productivity metrics in the littoral zone of a reservoir

Puisque l’altération des habitats d’eau douce augmente, il devient critique d’identifier les composantes de l’habitat qui influencent les métriques de la productivité des pêcheries. Nous avons comparé la contribution relative de trois types de variables d’habitat à l’explication de la variance de métriques d’abondance, de biomasse et de richesse à l’aide de modèles d’habitat de poissons, et avons identifié les variables d’habitat les plus efficaces à expliquer ces variations. Au cours des étés 2012 et 2013, les communautés de poissons de 43 sites littoraux ont été échantillonnées dans le Lac du Bonnet, un réservoir dans le Sud-est du Manitoba (Canada). Sept scénarios d’échantillonnage, différant par l’engin de pêche, l’année et le moment de la journée, ont été utilisés pour estimer l’abondance, la biomasse et la richesse à chaque site, toutes espèces confondues. Trois types de variables d’habitat ont été évalués: des variables locales (à l’intérieur du site), des variables latérales (caractérisation de la berge) et des variables contextuelles (position relative à des attributs du paysage). Les variables d’habitat locales et contextuelles expliquaient en moyenne un total de 44 % (R2 ajusté) de la variation des métriques de la productivité des pêcheries, alors que les variables d’habitat latérales expliquaient seulement 2 % de la variation. Les variables les plus souvent significatives sont la couverture de macrophytes, la distance aux tributaires d’une largeur ≥ 50 m et la distance aux marais d’une superficie ≥ 100 000 m2, ce qui suggère que ces variables sont les plus efficaces à expliquer la variation des métriques de la productivité des pêcheries dans la zone littorale des réservoirs.

Studies on the seaweeds of andaman and nicobar group of islands

The importance of marine algae, often referred to as seaweeds, has been felt over a long time and is appreciated more and more in modern times. The economic value of marine algae is understood both indirectly and directly. The indirect benefit is due to the role of marine phytoplankton as well as the benthic macrophyte biomass along the shore and in the continental shelf, in primary production of the sea. Direct benefit includes the use of marine algae as food, feed, fertilizer and as source of various products of commercial importance such as agar and alginic acid. Hence to understand the potential resources of seaweeds, their distribution, density, standing crop and interrelated environmental parameters, a detailed study (survey and ecological work) was carried out for a period of 20 months from August 1988 to March 1990 in South Andaman, North Andaman, Middle Andaman, Havelock, Neil, Car Nicobar, Terassa, Chowra and Bumpoka islands. However in South Andaman, data were collected from five fixed stations fortnightly during this period for the purpose of modelling and system analysis.