Light pollution and warming: consequences for freshwater invertebrate Girardia tigrina

Abstract

Human society has entered an era of increasing urbanization, and this persistent increase of people living in cities along with human activities poses great threats to biodiversity. All over the world human population shows a tendency to be near rivers and ponds making freshwater ecosystems more vulnerable to urbanization associated pressures. One of these pressures of urbanization is light pollution, which is caused by the presence of artificial light at night (ALAN). Light is an environmental cue that regulates circadian rhythms and melatonin production; however, ALAN may disrupt circadian rhythms through the suppression of melatonin production. Urban streams are also susceptible to warmer temperatures due the absence of grasslands and increased impervious surfaces (urban heat island), influencing thermal conditions of aquatic organisms. Therefore, it is essential to understand how exposure to ALAN influences thermal tolerance of species. The aim of this work was to evaluate if ALAN alters the thermal tolerance of Girardia tigrina and studying the role of melatonin in mediating such heat tolerance. To determinate the upper thermal limit of G. tigrina, organisms were exposed for fourteen days to different light intensities at night (0, 1 and 10 lx) in the presence and absence of exogenous melatonin (1 μM) and then the critical thermal maximum was estimated. To assess how ALAN and warming influence behaviour endpoints (feeding and locomotion) and regeneration, G. tigrina was subjected to a ten-day exposure of mean higher temperatures (20 and 24°C), ALAN (0, 1 and 10 lx) and exogenous melatonin (0 and 1 μM), in a full factorial design. ALAN reduced the critical thermal maximum of G. tigrina, in a light-intensity dependent manner. Exogenous melatonin tended to ameliorate the effects induced by exposure to ALAN. Planarians locomotor velocity was reduced by ALAN. Regarding regeneration, as expected, the higher temperature (24°C) accelerated the regeneration process and ALAN delayed regeneration in both temperatures Melatonin slightly increased locomotor velocity in higher levels of ALAN and, although melatonin mitigated the effects of ALAN on thermal tolerance of this species, the same was not confirmed for regeneration. Thus, with this work is possible to conclude that ALAN alters G. tigrina thermal tolerance and, observed effects may compromise organisms thermal limits, locomotor velocity and even their ability to reproduce. Since ALAN causes these effects in organisms, it would be necessary to establish strategies to reduce ALAN in order to promote conservation of these freshwater communities. Melatonin proved to be a hormone that regulates artificial light impacts. Finally, and considering the results obtained, it’s important to continue and narrow investigation of light pollution and its combined effects with other stressors (warming, chemical exposure) since is critical to understand ecological consequences of environmental changes in urban aquatic ecosystems.

A sociedade humana entrou numa era de crescente urbanização e, este aumento persistente de pessoas a viver em cidades juntamente com as atividades humanas, representa grandes ameaças à biodiversidade. No mundo, a população humana tende a estar perto de rios e lagos, tornando os ecossistemas de água doce mais vulneráveis à urbanização. Um dos impactos da urbanização é a poluição luminosa, causada pela presença de luz artificial à noite (ALAN). A luz é um sinal ambiental que regula os ritmos circadianos e a produção de melatonina; no entanto, ALAN pode perturbar os ritmos circadianos através da supressão da produção de melatonina. Os riachos urbanos também são suscetíveis a temperaturas mais altas devido à ausência de zonas verdes e ao aumento das superfícies impermeáveis (ilha de calor urbana), influenciando as condições térmicas dos organismos aquáticos. Torna-se assim essencial perceber de que maneira a exposição ao ALAN influencia a tolerância térmica das espécies. O objetivo deste trabalho foi avaliar se ALAN altera a tolerância térmica de Girardia tigrina e estudar qual o papel da melatonina na mediação da tolerância ao calor. Para determinar o limite térmico superior de G. tigrina, os organismos foram expostos durante catorze dias a diferentes intensidades de luz à noite (0, 1 e 10 lx) com presença e ausência de melatonina exógena (1 μM) e depois o limite térmico superior foi avaliado. Para avaliar como ALAN e o aquecimento afetam os testes comportamentais (alimentação e locomoção) e a regeneração, G. tigrina foi submetida a uma exposição de dez dias a temperaturas médias mais altas (20 e 24°C), ALAN (0, 1 e 10 lx) e melatonina exógena (0 e 1 μM), num desenho fatorial completo. ALAN diminuiu o limite térmico superior de G. tigrina, de maneira dependente da intensidade da luz. A melatonina exógena amenizou os efeitos de ALAN. A velocidade locomotora das planárias foi reduzida por ALAN. Em relação à regeneração, como esperado, a temperatura mais elevada (24°C) acelerou o processo de regeneração e ALAN atrasou a regeneração em ambas as temperaturas. A melatonina influenciou a velocidade locomotora em níveis mais elevados de ALAN e, embora a melatonina tenha mitigado os efeitos de ALAN na tolerância térmica desta espécie, o mesmo não se confirmou na regeneração. Assim, com este trabalho é possível concluir que ALAN afeta a tolerância térmica de G. tigrina e, os efeitos observados podem comprometer os limites térmicos dos organismos, a velocidade locomotora e até mesmo a sua capacidade de reprodução. Como o ALAN causa estes efeitos nos organismos, seria necessário estabelecer estratégias para reduzir ALAN a fim de promover a conservação destas comunidades de água doce. A melatonina revelou-se uma hormona que regula os efeitos da luz artificial. Finalmente, e considerando os resultados obtidos, é importante continuar a investigação acerca da poluição luminosa e os seus efeitos combinados com outros fatores de stress (aquecimento, exposição química), uma vez que é fundamental compreender as consequências ecológicas das alterações ambientais nos ecossistemas aquáticos urbanos.