Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/22393
Title: Effect of global changes and spatial scale on diatom communities of temperate rivers: dealing with implications in bioassessment
Other Titles: Efeito das alterações globais e escala espacial nas comunidades de diatomáceas dos rios temperados: implicação na biomonitorização
Author: Elias, Carmen Lopes
Advisor: Almeida, Salomé Fernandes Pinheiro de
Feio, Maria João
Keywords: Diatomáceas
Macroinvertebrados
Rios - Qualidade da água
Defense Date: 8-Nov-2016
Publisher: Universidade de Aveiro
Abstract: Diatoms are generally the most frequent and abundant algae in streams and are known by their responsiveness to changes in the environmental conditions of streams. Diatoms are frequently the only biological quality element representative of the aquatic flora in small streams. As a result, diatoms are nowadays a mandatory biological element in the evaluation of the ecological quality of European rivers, according to the Water Framework Directive. Nevertheless, there is still a relative lack of knowledge of key effects of global changes and spatial scale on diatoms. To bridge this gap, this work aims to study the effect of relevant global changes as well as spatial scale on diatom communities of temperate rivers and to deal with its implications in bioassessment. The relevant global changes were assessed in streams from the central Portuguese littoral region which is highly populated and suffers from high anthropogenic impacts. The effect of spatial scale on diatom communities was investigated by a laboratorial experiment (mesocosm experiment) and by using diatom data from temperate regions of the United States of America and Australia. In order to achieve the main aim, three global questions were raised: (1) How to deal with the historical anthropogenic influences in the bioassessment?; (2) Are extreme events due to climatic changes reflected in diatom communities? A comparison with macroinvertebrate communities; (3) How are diatom communities influenced at the spatial scale (small-scale: habitats; large-scale: inter-continental). A strong anthropogenic influence on the streams and rivers of the Portuguese littoral region was confirmed as well as the lack of true reference sites. Sites in the Least Disturbed Condition (LDC) had considerable high nutrient concentrations. As the strong anthropogenic pressures (e.g., alteration of the riparian vegetation, morphological condition and sediment load) prevented an adequate definition of reference conditions for streams in this area an alternative procedure to define suitable reference conditions was investigated, consisting of a combination of modelling and filter approach. This procedure is suitable to deal with the implications of global changes on diatom and on macroinvertebrate communities. The communities observed in the different streams were less homogeneous than those predicted for the same streams under reference conditions (i.e., through the filter approach), as would be expected in sites having variable levels of anthropogenic change. Along with the development of this new approach a new multimetric diatom index was developed. This index produced strong correlations with the selected pressures, providing a more comprehensive assessment of biological quality than the Indice de Polluosensibilité Spécifique (IPS) officially adopted for Portugal. To answer the second global question a smaller set of streams were used within the Portuguese littoral region that were affected by an unusual drought event that lead to the complete drying of the stream channels. Diatoms, as well as macroinvertebrates, were affected by the drought event considering trait proportions, community’s composition and bioassessment classifications. However, the diatom communities had a faster recovery response than macroinvertebrates. The type of substrate – hard and soft –representing the small spatial scale affected diatom communities by changing its composition and trait proportions but not water quality classification in a mesocosm experiment. However, the differences found in the epipsammic and epilithic diatom communities in the streams that were used to answer the first global question were more evident than those found in the mesocosm experiment. In fact, with the mesocosm results, and under the same physical and chemical conditions the IPS differences between substrates disappeared contrasting with the differences that were found in the streams. Additionally, the diatom communities were different between continents with the same type of climate, suggesting that diatom communities are also influenced at the large-scale (even at the order level). Therefore, constraints other than climate are likely to have contributed to the inter-continental differences in diatom community composition found at all taxonomical levels (e.g., geology, historical biogeographic processes and hydrology). On the whole, the results obtained during this study bring new information and new approaches to deal with the bioassessment. However, some more work must be done in order to investigate e.g., based in the global warming predictions, the effects of the temperature increase, on the water quality assessment based on diatom communities.
As diatomáceas são as algas que se encontram mais frequentemente e em maior abundância em cursos de água doce. São conhecidas pela capacidade dos diferentes taxa responderem a variações das condições ambientais dos rios e por serem frequentemente o único elemento de qualidade biológica representativo da flora aquática em pequenos rios e ribeiras. Em consequência destas características, e de acordo com a Directiva Quadro da Água, as diatomáceas são presentemente um dos elementos biológicos obrigatórios na avaliação da qualidade ecológica dos rios europeus. No entanto, ainda existe algum desconhecimento acerca dos efeitos das alterações globais e da escala espacial nas diatomáceas. Para colmatar esta lacuna, o presente trabalho tem como objetivo estudar o efeito de alterações globais relevantes e da escala espacial nas comunidades de diatomáceas de rios temperados assim como estudar a melhor forma de lidar com as suas implicações na biomonitorização. O efeito das alterações globais foi estudado em rios e ribeiras da região centro litoral de Portugal continental dado tratar-se de uma região densamente povoada e sujeita a impactos antropogénicos significativos. O efeito da escala espacial nas comunidades de diatomáceas foi investigado através de uma experiência laboratorial (mesocosmos) e também com recurso a informação estatística de comunidades de diatomáceas de várias regiões temperadas, incluindo as costas ocidentais dos Estados Unidos da América e da Austrália. De modo atingir o objetivo principal deste trabalho, três questões globais foram colocadas: (1) Como lidar com as influências antrópicas históricas na biomonitorização?; (2) Será que as comunidades de diatomáceas reflectem os eventos extremos causados pelas alterações climáticas? Uma comparação com as comunidades de macroinvertebrados; (3) Como são as comunidades de diatomáceas influenciadas pela escala espacial (pequena escala: habitats; grande escala: inter-continental). Verificou-se uma influência antropogénica considerável nos rios e ribeiras da região centro litoral de Portugal continental assim como a inexistência de verdadeiros locais de referência. Mesmo os locais considerados como estando em condições de menor perturbação apresentaram concentrações de nutrientes consideravelmente elevadas na água. Uma vez que as fortes pressões antropogénica (p.e., alteração da vegetação ripária, condição morfológica e carga de sedimentos) não permitiram o estabelecimento de condições de referência adequadas para os rios desta região, foi proposto um procedimento alternativo baseado numa combinação de dois métodos – modelação e filtros ambientais. A aplicação deste procedimento na definição de condições de referência revelou-se útil para lidar com os efeitos das alterações globais na biomonitorização com recurso a comunidades de diatomáceas e macroinvertebrados. De facto, como seria de esperar, as comunidades observadas em rios sujeitos a alterações antropogénicas revelaram-se menos homogéneas do que as previstas em condições de referência para esses mesmos rios, i.e., através da aplicação dos referidos filtros ambientais. Em conjunto com o desenvolvimento deste novo procedimento, foi também proposto um novo índice multimétrico de diatomáceas. Este novo índice revelou-se fortemente correlacionado com as pressões selecionadas, fornecendo uma avaliação da qualidade biológica mais abrangente do que o índice oficial adotado por Portugal, o Indice de Polluosensibilité spécifique (IPS). Para responder à segunda questão global apenas um subconjunto de ribeiras da região litoral de Portugal foi selecionado, o qual engloba as ribeiras cujos leitos secaram durante uma vaga de calor invulgar que ocorreu em Portugal em 2011/2012. Verificou-se que, de facto, quer as comunidades de diatomáceas quer de macroinvertebrados foram afetadas pelo evento de seca extrema tendo-se observado alterações ao nível das proporções de traits, composição e a classificação da qualidade biológica. No entanto, as diatomáceas apresentaram uma recuperação significativamente mais rápida que os macroinvertebrados. Os tipos de substratos usados na experiência de mesocosmos realizada neste trabalho (duro vs. macio; pequena escala espacial) também mostraram afetar as comunidades de diatomáceas, uma vez que houve diferenças quer na sua composição quer nas proporções de traits. Esta resposta ao tipo de substrato foi mais evidente em condições físico-químicas controladas do que aquela sugerida pelas diferenças entre as comunidades epipsâmicas e epilíticas dos rios monitorizados neste trabalho. Não obstante, durante a experiência de mesocosmos verificou-se que ao nível de IPS as diferenças entre substratos não eram relevantes quando comparadas com as que se haviam verificado nos rios. As diferenças observadas entre as comunidades de diatomáceas dos vários continentes (Europa, América e Austrália) sugerem que variações ao nível da grande escala também ocasionam diferenças nas comunidades, apesar de influenciados pelo mesmo tipo de clima. Isto sugere que outros factores para além do clima (p.e., geologia, processos biogeográficos históricos e hidrologia) podem ter contribuído para as diferenças inter-continentais verificadas ao nível da composição das comunidades de diatomáceas, a todos os níveis taxonómicos estudados. De um modo geral, os resultados obtidos durante este estudo trazem novas informações e novas abordagens para lidar com a biomonitorização. No entanto, mais trabalho será necessário a fim de investigar, por exemplo, os efeitos do aumento da temperatura previstos devido ao aquecimento global na avaliação da qualidade da água com base em comunidades de diatomáceas.
Description: Doutoramento em Biologia
URI: http://hdl.handle.net/10773/22393
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