Physiological tolerance of intertidal fish communities to extreme weather events

Abstract

Marine heatwaves (MHWs) are extreme climate phenomena with significant impacts on marine ecosystems. According to climate change scenarios, these events will become more frequent, intense, and prolonged. This study investigated the effects of marine heatwaves on intertidal zone fish species from rocky reef habitats (Coryphoblennius galerita and Gobius paganellus) and from a coastal lagoon, the Ria de Aveiro (Pomatochistus microps). The species from the rocky reef were exposed to a control temperature (21°C) and a simulated intense heatwave, representing a temperature anomaly of +7°C for 10 days. Meanwhile, Pomatochistus microps was subjected to a control temperature (21°C) and two heatwave scenarios, one simulating a prolonged heatwave (26°C for 25 days) and another simulating two short but consecutive heatwaves (26°C for 10 days, 5 days at 21°C, and again 26°C for 10 days). In both experiments, fish were sampled to assess routine metabolic rates, histopathological alterations, and mortality rates. In the experiment with P. microps, the critical thermal maximum (CTMax) was also estimated. Contrary to predictions, there was no significant increase in routine metabolic rates or mortality rates in any of the tested species under MHW scenarios. However, histopathological analyses in the different species revealed significant tissue changes (e.g., liver hyperemia, gill detachment, and presence of parasites in the kidneys), indicating potential physiological stress responses to extreme temperatures. Analyses of the critical thermal maximum in P. microps revealed that this fish species has a low capacity to acclimate to its upper thermal limit. Interestingly, fish exposed to prolonged MHW scenarios exhibited more pronounced physiological alterations than those exposed to short sequential events. We can conclude that intertidal fish species appear to be well-adapted to high temperatures, but histopathological changes in tissues and the low acclimation capacity of these species could be a long-term concern, considering the forecast that heatwaves will be significantly more intense and prolonged in the future. The study emphasizes the complex nature of fish responses to MHWs and highlights the importance of histopathological assessments to understand the true impacts on fish health. Additionally, it underscores the need to explore local adaptations and genetic variations in diverse fish populations under various heatwave conditions.

As ondas de calor marinhas (MHWs) são fenómenos climáticos extremos com impactos significativos nos ecossistemas marinhos. De acordo com os cenários de alterações climáticas, estes eventos serão cada vez mais frequentes, intensos e duradouros. Este estudo investigou os efeitos das ondas de calor marinhas em espécies de peixe de zonas entremarés, provenientes de habitats de recife rochoso (Coryphoblennius galerita e Gobius paganellus) e de lagoa costeira, a Ria de Aveiro (Pomatochistus microps). As espécies do recife rochoso foram expostas a uma temperatura controlo (21°C) e uma simulação de onda de calor intensa, correspondendo a um aumento de temperatura de +7 °C por 10 dias. Já o Pomatochistus microps foi sujeito a uma temperatura controlo (21°C) e dois cenários de onda de calor, um deles simulando uma onda de calor prolongada (26°C durante 25 dias) e outro simulando duas ondas de calor curtas, mas consecutivas (26 ºC durante 10 dias, 5 dias a 21°C e novamente 26 ºC durante 10 dias). Em ambas as experiências, foram amostrados peixes para avaliar as taxas metabólicas de rotina, alterações histopatológicas e as taxas de mortalidade. Na experiência com o P. microps foi também estimado o máximo térmico crítico (CTMax). Contrariamente às previsões, não houve um aumento significativo das taxas metabólicas de rotina ou das taxas de mortalidade em nenhuma das espécies testadas em cenários de MHW. No entanto, as análises histopatológicas nas diferentes espécies revelaram alterações significativas nos tecidos (por exemplo hiperémia no fígado, descolamento das brânquias e presença de parasitas nos rins), indicando potenciais respostas fisiológicas de stress a temperaturas extremas. As análises do máximo térmico crítico no P. microps revelaram que esta espécie de peixe possui uma baixa capacidade de aclimatação do seu limite térmico superior. Curiosamente, os peixes expostos a cenários prolongados de MHW exibiram alterações fisiológicas mais pronunciadas do que os expostos a eventos sequenciais curtos. Podemos concluir que as espécies de peixes de zonas entre-marés parecem estar bem-adaptadas a temperaturas elevadas, mas as alterações histopatológicas nos tecidos e a baixa capacidade de aclimatação destas espécies podem ser um problema a longo prazo, tendo em conta a previsão de que as ondas de calor serão significativamente mais intensas e duradoras no futuro. O estudo enfatiza a natureza complexa das respostas dos peixes às MHWs e destaca a importância das avaliações histopatológicas para compreender os verdadeiros impactos na saúde dos peixes. Além disso, sublinha a necessidade de explorar as adaptações locais e as variações genéticas em diversas populações de peixes sob várias condições de ondas de calor.