Mercury accumulation in the food web of the Scotia Sea, Southern Ocean

Abstract

The aim of the work presented in this thesis was to understand processes of bioaccumulation and biomagnification of mercury (Hg) in a Southern Ocean (SO) food web, and to evaluate the effect of organism size and habitat in Hg accumulation during the last decade. To do this, tissues of various species occupying different trophic levels were analysed in samples collected over various sampling years (2006/07 and 2016/17) from areas with distinctive environmental characteristics. Different accumulation patterns were found: Antarctic krill juveniles had higher Hg concentrations than adults; in squid, Hg concentration increased with individual size in one species (Alluroteuthis antarcticus), decreased in another (Galiteuthis glacialis), and in another still, there was no obvious relationship (Bathyteuthis abyssicola); for myctophid fish there was a consistent increase of Hg concentration with fish size, with the exception of Electrona antarctica females. Proportions of organic Hg also varied between trophic groups, from relatively low (15-37%) in krill to virtual 100% in all myctophid tissues. Regarding Hg tissue allocation, squid muscle was the tissue that had highest Hg, followed by digestive gland and gills. Myctophids’ Hg concentrations were higher in the liver and heart than in muscle or gills. Geographic differences in Hg concentration in krill were found, with individuals from the South Orkney having Hg levels 5 to 7 times higher than South Georgia: this geographic variation was not found in myctophids. As expected, when evaluating Hg along the food web, POM spell out had the lowest Hg levels, followed in increasing concentration by zooplankton, squid, myctophid, notothenid fish and seabirds. Predators exhibited variability in Hg levels which corresponding to the trophic level of their diets, with lower 􀁇15N levels corresponding to lower Hg concentrations. The mid food web groups (squid and myctophids) showed a decreasing trend in Hg level over the last decade, but that difference was not reflected in top predators, for which Hg levels were higher in 2016/17 than in 2007/08. This difference between years may be due to a decrease in the abundance of krill that year, which would have necessitated a change by krill predators to myctophids, a higher Hg body burden prey. This thesis revealed details of Hg contamination in SO biota, emphasizing the role of atmospheric transportation in global mercury contamination. Present-day regional warming may lead to increasing Hg availability in the SO as glacial melt is releasing contaminants previously trapped following atmospheric precipitation. Climate change, pollution and growing fishing pressure are together placing increased pressure on SO marine ecosystems and the living resources they contain.

O objetivo desta tese foi compreender os processos de bioacumulação e biomagnificação do mercúrio (Hg) na cadeia alimentar do Oceano Antártico (OA) e avaliar o efeito do tamanho e habitat do organismo na acumulação de Hg, durante a última década. Tecidos de várias espécies de diferentes níveis tróficos foram analisados em amostras recolhidas de vários anos de amostragem (2006/07 - 2016/17) de áreas com características distintas. Diferentes padrões de acumulação foram encontrados: os juvenis do krill antártico apresentaram maiores concentrações de Hg que os adultos; nas lulas, a concentração de Hg aumentou com o tamanho individual em algumas espécies (Alluroteuthis antarcticus), diminuiu em outras (Galiteuthis glacialis) e em outras não houve relação óbvia (Bathyteuthis abyssicola). Nos mictofídeos, houve um aumento da concentração de Hg com o tamanho dos peixes, com exceção das fêmeas de Electrona antarctica. As proporções de Hg orgânico variaram entre os grupos, de relativamente baixas (15-37%) em krill a virtual 100% em todos os tecidos de mictofídeos. Quanto ao Hg em tecidos, o músculo das lulas foi o tecido que apresentou maior Hg, seguido pela glândula digestiva e brânquias. Hg nos mictofídeos foi mais elevado no fígado e no coração do que nos músculos ou brânquias. Há diferenças geográficas na concentração de Hg no krill, indivíduos da Órcades do Sul têm níveis de Hg 5 a 7 vezes superiores aos da Geórgia do Sul. Esta variação geográfica não foi encontrada nos mictofídeos. Como esperado, ao avaliar o Hg ao longo da cadeia alimentar, POM apresentou os níveis mais baixos de Hg, seguidos de uma concentração crescente no zooplâncton, lulas, mictofídeos, peixes nototenídeos e aves marinhas. Os predadores exibiram variabilidade nos níveis de Hg que correspondiam ao nível trófico das suas dietas, com níveis mais baixos de 􀁇15N correspondendo a concentrações mais baixas de Hg. Os grupos do meio da cadeia alimentar (lulas e mictofídeos) mostraram uma tendência decrescente no nível de Hg na última década, mas esse decréscimo não se refletiu nos principais predadores, para os quais os níveis de Hg foram mais altos em 2016/17 do que em 2007/08. Essa diferença entre os anos pode ser devida a uma diminuição na abundância de krill naquele ano, o que exigiria uma mudança na dieta dos predadores de krill para mictofídeos, que têm níveis de Hg maiores. Esta tese revelou detalhes da contaminação por Hg na biota do OA enfatizando o papel do transporte atmosférico na contaminação global de mercúrio. O aquecimento regional atual pode levar ao aumento da disponibilidade de Hg no AO. Os glaciares a derreter, libertam contaminantes que foram retidos após a precipitação atmosférica. As mudanças climáticas, a poluição e a crescente pressão da pesca estão a exercer uma pressão crescente sobre os ecossistemas marinhos de OA e os recursos vivos que eles contêm.