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Title: Salinization effects on coastal terrestrial and freshwater ecosystems
Other Titles: Efeitos da salinização em ecossistemas costeiros terrestres e de água doce
Author: Venâncio, Cátia Alexandra Ribeiro
Advisor: Lopes, Isabel Maria Cunha Antunes
Ribeiro, Rui Godinho Lobo Girão
Pereira, Ruth Maria de Oliveira
Keywords: Ecossistemas terrestres
Ecossistemas aquáticos
Zonas costeiras
Defense Date: 2017
Publisher: Universidade de Aveiro
Abstract: The projections made by the International Panel on Climate Changes (IPCC) until the year 2100 foresee scenarios of increased sea level rise and extreme weather events. As a consequence of these changes it is anticipated that coastal ecosystems (both terrestrial and freshwater) will suffer from seawater (SW) intrusions and, consequently, become impacted with salinization. Such salinization, caused by SW intrusion, may occur through surface flooding (for example due to violent storms, which may lead to pulses of SW intrusion with high peaks of salinity that, most probably, will cause lethal effects on biota) and/or groundwater intrusion (which may occur more gradually, and, most likely starts by inducing sublethal effects in the ecological receptors). In this context, the present work intended to evaluate the adverse effects that salinization, due to SW intrusion, may cause to coastal ecosystems. For this, several specific goals were identified: (i) to determine if sodium chloride (NaCl) may be used as a surrogate of SW at early stages of ecological risk assessment frameworks. This possibility would be advantageous since many toxicity data exist for NaCl and, therefore, it would reduce the number of toxicity assays needed to be carried out; (ii) to identify the ecological receptors most sensitive to salinization, by using standard approaches; (iii) to establish if biota is capable of acquire an increased tolerance to low levels of salinization through mechanisms of phenotypic plasticity; (iv) to assess the effects of increased salinity on interspecies relationships; and (v) to identify the effects of salinization for freshwater and soil communities under realistic exposure scenarios. These objectives were addressed along seven chapters by using standard and non-standard ecotoxicological approaches from the individual (by exposing organisms, from species belonging to different trophic levels, to increased salinity levels) to the community level (by performing multispecies exposures under more realistic scenarios of exposure). Obtained results revealed that, in general, NaCl exerted a similar or higher toxicity than SW, both to freshwater and terrestrial species. These results, suggest that NaCl could be used as a surrogate of SW at early stages of ecological risk assessment of salinization caused by SW intrusion. However, caution must be taken since there were a few species for which SW revealed higher toxicity, and multigenerational exposures showed an increase in the sensitivity to SW for microalgae species. Within the freshwater compartment, cladocerans and rotifers were the two taxonomic groups exhibiting the highest sensitive to salinization (both for NaCl and SW) while fish and macrophytes showed to be the most tolerant groups. Ecotoxicity data obtained for terrestrial plants and fungi (generated in the present work) was integrated with data obtained from literature, allowing to identify microinvertebrates (Folsomia candida and Enchytraeus crypticus) as the most sensitive group to salinization while fungi and plants were the most tolerant ones. The toxicity data generated from standard assays (or in part compiled from literature for terrestrial species) was used to compute the hazard concentrations that allowed protecting 95% of species (HC5), on the basis of species sensitive distribution curves. The values of HC5 were computed for freshwater and terrestrial species and for NaCl and SW; all of these values were very low (HC5 ≤ 2.26 mScm-1) when compared to the conductivity of natural seawater (≈ 52 mScm-1), foreseeing that coastal ecosystems will be at a high risk due to salinization. Experiments involving a pre-short and long-term (multigerational) exposure to low levels of salinity, overall, did not caused a change in the tolerance of biota to this stressor. However, some species revealed an increased tolerance (either associated with physiological acclimation or other mechanisms of phenotypic plasticity) to salinity after short (the amphibian species Pelophylax perezi) and multigenerational exposure (the cyanobacteria Cylindrospermopsis raciborskii and the cladoceran Daphnia longispina) to low levels of salinity. Contrarily to this, it was also observed that a few species revealed a higher sensitivity to salinization after multigenerational exposure (the microalgae Raphidocelis subcapitata and the macrophyte Lemna minor). These diverse results may be due to differences in the intensity of salinity stress and to the duration of the periods of exposure to low levels of salinization. To more accurately understand the influence of prolonged exposure to low levels of salinity in biota tolerance to this stressor, further studies should be carried out involving multigenerational exposure to sublethal levels of salinization. Regarding the specific objective (iv), the obtained results revealed that sublethal salinization levels influenced interspecific relationships. For freshwater microalgae, it was observed that, at low levels of salinity, a shift in the competition between the two microalgae species occurred. Adding to the direct effect that these changes will caused in the structure of microalgae community, indirect effects on other species (e.g. cladoceran species that feed on them) are also foresee. For terrestrial plants in the absence of salinization, a lower productivity was registered for some tested plants when exposure occurred under polyculture conditions comparatively to monoculture conditions. However, exposure to the salinity threshold of 4 mScm-1 under such conditions seemed not to alter the pattern of responses. Finally, exposure under more realistic scenarios (outdoor mesocosms) suggested a much lower toxicity of salinization to freshwater ecosystems than that predicted from standard approaches, suggesting a higher resilience of communities to salinization under more complex and relevant scenarios of exposure. These results suggest that risk of salinization to freshwater ecosystems may be overestimated when using standard methodologies and that ecologically relevant scenarios at higher stages of ecological risk assessment for this stressor should be considered.
Os relatórios de avaliação do Painel Intergovernamentl para as Alterações Climáticas (IPCC) baseados nas últimas décadas preveem, até 2100, cenários de contínua subida do nível médio da água do mar e eventos climatéricos extremos. Como consequência destas alterações prevê-se a ocorrência de intrusões de água do mar e subsequente salinização destes ecossistemas costeiros (tanto terrestres como dulçaquícolas). A salinização destas regiões costeiras pode ocorrer diretamente por inundações de superfície pela água do mar, por exemplo, devido a tempestades costeiras violentas (provavelmente, causando sobretudo efeitos letais), mas também pode ocorrer por intrusão de água do mar nos sistemas subterrâneos de água doce (o que pode ocorrer de forma mais gradual, provavelmente causando efeitos subletais). Tendo em conta estes aspectos, o presente trabalho pretendeu avaliar os efeitos adversos que tal salinização pode causar nos ecossistemas costeiros. Para tal, foram delineados os seguintes objectivos específicos: (i) determinar se o cloreto de sódio (NaCl) pode ser utilizado como substituto da água do mar, em avaliações preliminares de risco ecológico. Esta alternativa seria vantajosa uma vez que existem muitos dados de toxicidade para NaCl e, portanto, reduziria o número de ensaios de toxicidade que seria necessário realizar; (ii) identificar quais os receptores ecológicos mais sensíveis à salinização, utilizando protocolos padronizados; (iii) estabelecer se a biota é capaz de aumentar a sua tolerância a baixos níveis de salinização através de mecanismos de plasticidade fenotípica; (iv) avaliar os efeitos do aumento da salinidade nas relações interespecíficas; e (v) identificar os efeitos de salinização nas comunidades dulçaquícolas e terrestres em cenários de exposição mais realistas. Estes objetivos foram abordados ao longo de sete capítulos, recorrendo a abordagens ecotoxicológicas padronizadas e não padronizadas desde o nível de organização biológica indivíduo (expondo organismos, de espécies pertencentes a diferentes níveis tróficos, a níveis de salinidade crescentes) até ao nível da comunidade (realizando exposições com várias espécies em cenários mais realistas de exposição). Os resultados obtidos revelaram que, de um modo geral, o NaCl exerceu uma toxicidade similar ou superior à provocada pela água do mar, quer nas espécies dulçaquícolas quer nas terrestres. Esses resultados sugerem que o NaCl pode ser usado como substituto da água do mar nos primeiros estágios de avaliação do risco ecológico de salinização causada pela intrusão de água do mar. No entanto, o seu uso deve ser cauteloso, uma vez que houve algumas espécies para as quais a água do mar apresentou maior toxicidade, e no caso de exposições multigeracionais de espécies de microalgas, estas mostraram um aumento na sensibilidade à agua do mar. No compartimento dulçaquícola, os cladóceros e os rotíferos foram os dois grupos taxonómicos que apresentaram maior sensibilidade à salinização (tanto para NaCl como para água do mar), enquanto que os peixes e as macrófitas mostraram ser os grupos mais tolerantes. Os dados de ecotoxicidade obtidos para plantas terrestres e fungos (gerados no presente trabalho) foram integrados com dados recolhidos da literatura, permitindo identificar os microinvertebrados terrestres (Folsomia candida e Enchytraeus crypticus) como o grupo mais sensível à salinização, enquanto que os fungos e as plantas demonstraram ser os mais tolerantes. Os dados de toxicidade gerados a partir de ensaios padronizados (ou em parte compilados a partir de literatura para espécies terrestres) possibilitaram calcular as concentrações de risco que permitem proteger 95% das espécies num ecossistema (HC5), com base em curvas de distribuição de sensibilidade das espécies. Os valores de HC5 foram calculados para espécies dulçaquícolas e terrestres e para NaCl e água do mar; todos esses valores revelaram-se muito baixos (HC5 ≤ 2,26 mScm-1) quando comparados com a condutividade da água do mar natural (≈ 52 mScm-1), o que faz prever que os ecossistemas costeiros estarão em alto risco devido a salinização. De um modo geral, a pré-exposição a curto e a longo (multigeracional) prazo a baixos níveis de salinidade, não causou uma alteração significativa na tolerância da biota à salinização. No entanto, algumas espécies revelaram uma maior tolerância (associada à aclimatação fisiológica ou outros mecanismos de plasticidade fenotípica) à salinidade após curta exposição (espécie de anfíbio Pelophylax perezi) e exposição multigeracional (a cianobactéria Cylindrospermopsis raciborskii e o cladócero Daphnia longispina) a baixos níveis de salinidade. Contrariamente, observou-se também que algumas espécies apresentavam uma maior sensibilidade à salinização após exposição multigeracional (a microalga Raphidocelis subcapitata e a macrófita Lemna minor). Estes resultados diversos podem ser devidos a diferenças na intensidade de salinidade e à duração dos períodos de exposição a baixos níveis de salinização. Para compreender com maior exactidão a influência da exposição prolongada a baixos níveis de salinidade na tolerância da biota à salinidade, devem ser realizados estudos adicionais que envolvam exposição multigeracional a níveis subletais de salinização. Em relação ao objetivo específico (iv), os resultados obtidos revelaram que os níveis de salinização subletal influenciaram as relações interespecíficas. Para as microalgas dulçaquícolas, observou-se que, a baixos níveis de salinidade, ocorreu uma alteração na competição entre as duas espécies estudadas. Adicionando ao efeito direto que estas alterações irão provocar na estrutura da comunidade de microalgas, também se preveem efeitos indiretos em outras espécies (por exemplo, espécies de cladóceros que se alimentam delas). Para as plantas terrestres, na ausência de salinização, foi registada uma menor produtividade para algumas plantas testadas quando as mesmas se apresentavam num cenário de policultura comparativamente às condições de monocultura. A exposição ao limiar de salinidade de 4 mScm-1 pareceu não alterar este padrão de respostas. Finalmente, a exposição em cenários mais realistas (mesocosmos) sugeriu uma toxicidade inferior da salinização nos ecossistemas dulçaquícolas do que aquela prevista através de abordagens padronizadas, sugerindo uma maior resiliência das comunidades à salinização em cenários de exposição mais complexos e relevantes. Esses resultados sugerem que o risco de salinização para os ecossistemas dulçaquícolas pode ser sobrestimado quando se utilizam metodologias padrão e que cenários ecologicamente relevantes devem ser considerados em estágios avançados do processo de avaliação do risco ecológico para salinização.
Description: Doutoramento em Biologia
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