Impact of the invasive seaweed Asparagopsis armata on coastal environments

Abstract

The introduction of invasive species has been increasing with globalization and is recognized as one of the main threats to the oceans and the second cause of biodiversity loss. The red alga Asparagopsis armata exhibits a strong invasive behavior inducing significant changes in the invaded community. The study of the impact of this invasive on ecologically relevant species is crucial for risk assessment. Assessing sub-organismal endpoints may therefore provide early indicators of A. armata exposure and their possible impacts on natural populations. The results emphasize the importance of considering specific (biomarkers) as well as more generalized and ecologically related in situ responses to identify and evaluate biological effects of A. armata in the field. To validate the fatty acid profile (FAP) tool, the marine snail G. umbilicalis was exposed to three metals: cadmium, nickel and mercury, and the total lipid content, lipid peroxidation and FAP were measured. The FAP analysis suggested a change in fatty acid metabolism and indicated a link between exposure to metals and homeoviscous adaptation and immune response. In particular, five fatty acids (palmitic, eicosatrienoic, arachidonic, eicosapentaenoic, and docosahexaenoic acids) proved to be good indicators of the responses of G. umbilicalis to the metals used, thus having the potential to be used as biomarkers for contamination by metals in this species. In the continued use of this species, there was also a need to characterize it biochemically. To assess the different enzymatic forms present in the sea snail, different substrates and selective inhibitors were used. Additionally, in vitro and in vivo effects of the pesticide chlorpyrifos (CPF) on AChE activity were investigated, along with effects on snails' behaviour. The results obtained showed that G. umbilicalis has cholinesterases with characteristics of AChE. In addition, CPF inhibited AChE activity both in vitro and in vivo conditions, and AChE inhibition was positively correlated with flipping test. To understand the mechanisms of toxicity of the invasive A. armata, lethal and sublethal effects of A. armata were investigated and biochemical biomarkers responses associated with energy metabolism were analyzed.Results showed invertebrates’ physiological status impairment after exposure to this algae exudate. Highest concentrations of exudate significantly increased lipid content in both organisms. In the shrimp, protein content, ETS, and LDH were also significantly increased. On the contrary, these parameters were significantly decreased in G. umbilicalis. Behavioural impairments were observed in G. umbilicalis exposed to A. armata exudate, with reduction in feeding consumption and increased flipping time. Antioxidant defences, oxidative damage and neuronal parameter as well as the fatty acid profile were evaluated after exposure to A. armata exudate. Results revealed different metabolic responses between species, indicating that A. armata exudate affected the organisms through different pathways. Despite previous studies indicating that the exudate effected G. umbilicalis’ survival and behaviour, this does not seem to result from oxidative stress or addressed neurotoxicity. For P. elegans, an inhibition of AChE and the decrease of antioxidant capacity with the increase of LPO, suggests neurotoxicity and oxidative stress as mechanisms of exudate toxicity for this species. For fatty acids, there were differences more pronounced for P. elegans with a general increase in PUFA, which commonly means a defence mechanism protecting from membrane disruption. Omega-3 PUFAs ARA and DPA were increased in both invertebrates. To evaluate the effects of this invasive in a more realistic scenario, Variations on native intertidal seaweed and macroinvertebrate assemblages inhabiting rock pools with and without the presence of the invasive macroalgae A. armata were assess. Results showed different patterns in the macroalgae composition of assemblages but not for the macrobenthic communities. Ellisolandia elongata was the main algal species affected by the invasion of A. armata. Invaded pools tended to show less species richness, showing a more constant and conservative structure, with lower variation of its taxonomic composition than the pools not containing A. armata. This work relied on the ecotoxicological and ecological information to provide insight in how A. armata affects specific invertebrates and in general coastal communities, embracing methods at different biological organization levels which prepare the way for various hypotheses testing in assessing Asparagopsis armata exudates toxicity. The analyses of biochemical biomarkers contribute to the knowledge of the sub lethal effects and ecological impacts on communities. Thus, aiding the comprehensive understanding of the mechanisms that lead to higher level responses.

A introdução de espécies invasoras tem aumentado com a globalização e é reconhecida como uma das principais ameaças aos oceanos e a segunda causa da perda de biodiversidade. A alga vermelha Asparagopsis armata exibe um forte comportamento invasor induzindo mudanças significativas na comunidade invadida. O estudo do impacto desta invasora em espécies ecologicamente relevantes é crucial para a avaliação de risco. A avaliação de parâmetros ao nível suborganismal pode, portanto, fornecer indicadores precoces da exposição de A. armata e seus possíveis impactos nas populações naturais. Os resultados enfatizam a importância de se considerar respostas específicas in situ (biomarcadores), bem como respostas mais generalizadas e ecologicamente relacionadas, para identificar e avaliar os efeitos biológicos de A. armata no campo. Para validar a ferramenta de perfil de ácidos gordos (PAG), o caracol marinho G. umbilicalis foi exposto a três metais: cádmio, níquel e mercúrio, e mediu-se o teor de lipídios totais, peroxidação lipídica e PAG. A análise PAG sugeriu uma mudança no metabolismo dos ácidos gordos e indicou uma ligação entre a exposição a metais e adaptação homeoviscosa e resposta imune. Em particular, cinco ácidos gordos (ácidos palmítico, eicosatrienóico, araquidónico, eicosapentaenóico e docosahexaenóico) mostraram-se bons indicadores das respostas de G. umbilicalis aos metais utilizados, tendo, portanto, potencial para serem utilizados como biomarcadores de contaminação por metais em esta espécie. No uso continuado desta espécie, houve também a necessidade de a caracterizar bioquimicamente. Para avaliar as diferentes formas enzimáticas presentes no caracol marinho, foram utilizados diferentes substratos e inibidores seletivos. Além disso, os efeitos in vitro e in vivo do pesticida clorpirifos (CPF) sobre a atividade da AChE foram investigados, juntamente com os efeitos sobre o comportamento de caracóis. Os resultados obtidos mostraram que G. umbilicalis possui colinesterases com características de AChE. Além disso, o CPF inibiu a atividade da AChE tanto in vitro quanto in vivo, e a inibição da AChE foi positivamente correlacionada com o teste de viragem. Para compreender os mecanismos de toxicidade da invasora A. armata, os efeitos letais e subletais de A. armata foram investigados e as respostas de biomarcadores bioquímicos associadas ao metabolismo energético foram analisadas. Os resultados mostraram comprometimento do estado fisiológico dos invertebrados após a exposição a este exsuda do de algas. As concentrações mais altas de exsuda do aumentaram significativamente o conteúdo de l í pidos em ambos os organismos. No camarão, o teor de proteína, ETS e LDH também aumentaram significativamente. Ao contrário, esses parâmetros diminuíram significativamente em G. umbilicalis. Efeitos comportamentais foram observados em G. umbilicalis exposto ao exsuda do de A. armata, com redução no consumo de alimento e aumento do tempo de viragem. As defesas antioxidantes, dano oxidativo e parâmetro neuronal, bem como o perfil de ácidos gordos foram avaliados após exposição ao exsuda do de A. armata. Os resultados revelaram diferentes respostas metabólicas entre as espécies, indicando que o exsuda do de A. armata afetou os organismos por diferentes vias. Apesar de estudos anteriores indicarem que o exsuda do afetou a sobrevivência e o comportamento de G. umbilicalis, isso não parece resultar de stress oxidativo ou neurotoxicidade direcionada. Para P. elegans, a inibição da AChE e a diminuição da capacidade antioxidante com o aumento da LPO, sugere neurotoxicidade e stress oxidativo como mecanismos de toxicidade do exsudado para esta espécie. Para os ácidos gordos, houve diferenças mais pronunciadas para P. elegans com um aumento geral de PUFA, o que comumente significa um mecanismo de defesa que protege da ruptura da membrana. PUFAs ómega -3 ARA e DPA foram aumentados em ambos os invertebrados. Para avaliar os efeitos desse invasor em um cenário mais realista, foram avaliadas as variações nas comunidades nativas de algas marinhas intertidais e macroinvertebrados habitando poças rochosas com e sem a presença da macroalga invasora A. armata. Os resultados mostraram diferentes padrões na composição de macroalgas das comunidades, mas não para as comunidades macrobentónicas. Ellisolandia elongata foi a principal espécie de algas afetada pela invasão de A. armata. As poças invadid as tenderam a apresentar menor riqueza de espécies, apresentando uma estrutura mais constante e conservadora, com menor variação de sua composição taxonómica do que as poças sem A. armata. Este trabalho baseou -se na informação ecotoxicológica e ecológica para fornecer uma visão de como A. armata afeta invertebrados específicos e em comunidades costeiras no geral, abrangendo métodos em diferentes níveis de organização biológica que preparam o caminho para o teste de várias hipóteses na avaliação da toxicidade do exsudado de Asparagopsis armata. As análises de biomarcadores bioquímicos contribuem para o conhecimento dos efeitos subletais e impactos ecológicos nas comunidades. Auxiliando assim na compreensão abrangente dos mecanismos que levam a respostas de nível superior.