Assemblage structure and secondary production of mesozooplankton in shallow water volcanic CO2 vents of the Azores

Dissertação de mestrado, Biologia Marinha, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015 Atmospheric CO2 concentrations have increased by at least 30% since pre-industrial times due to human activities. Part of this CO2 has been absorbed by oceans, inducing ocean acidification and, therefore, several impacts in the marine biota. Natural shallow-water CO2 vents have generated a substantial interest in recent years as in situ laboratories for ocean acidification studies. The present study was focused on the effects of ocean acidification on mesozooplankton communities. Two active volcanic areas with submarine CO2 emissions, in the islands of São Miguel and Faial, were chosen and independently studied, through the choice of three different sites: Reference, Intermediate and Vent, characterized for their increase in the CO2 degassing activity, and consequent pH decrease. Differences in the abundance, diversity and structure of mesozooplankton among sites were described, along with the characterization of the community in these areas, since previous information is scarce. Differences were found in the composition of the zooplanktonic assemblages among sites in São Miguel and among dates in Faial. Through the nMDS analyses, Radiozoa, Paracalanus parvus and Evadne spinifera appeared more related to vent conditions, while Cirripedia nauplii were closer to the reference conditions. Conditions in Faial did not allow a clear separation among sites in the nMDS analyses, since the strong currents mix the water, dissipating the effect of the gas emissions, and variation among days becomes more important and statistically significant. The RNA:DNA ratio of selected mesozooplankton populations was used, as proxies for physiological condition. RNA:DNA did not show a clear pattern of variation, copepods in São Miguel and cladocerans in Faial had an higher ratio in the reference sites, but with no gradual decrease to the Vent. Fish eggs seem to have an inverted pattern. Additional experiments conducted under natural conditions were performed to determine the egg production rate (EPR) of the dominant free-spawning copepod species, as a proxy for secondary production. In São Miguel, the EPR showed a decreasing trend along the CO2 gradient, with no differences between the exposure times. In Faial, EPR was higher in the reference, but it did not differ significantly from the other sites. This study demonstrated the suitability of the submarine degassing sites in S. Miguel and Faial Islands for investigating the effect of future dissolved CO2 levels in planktonic and pelagic communities of the NE Atlantic. It also provided the first in-situ evidence of a significant decrease of EPR of copepods under near future CO2 levels. Desde os tempos pre-industriais que se registou um incremento do CO2 atmosférico, de pelo menos 30% devido a atividades humanas, principalmente pelo uso de combustíveis fósseis. Os oceanos têm absorvido parte deste CO2 através da sua capacidade de “sumidouro de carbono”, induzindo mudanças na composição química da água do mar (acidificação do oceano), com potenciais impactos nos organismos marinhos. As possíveis consequências ecológicas deste processo têm motivado um incremento no esforço de investigação nos últimos anos. A maioria dos efeitos nos organismos marinhos tem sido observada em experiências no laboratório, onde o CO2 é manipulado em escalas temporais curtas. Não obstante, a necessidade de usar diferentes abordagens, como experiências de campo, em ambientes marinhos específicos que contenham comunidades, mais do que espécies isoladas, tornou-se evidente. Locais de desgaseificação natural de CO2 em águas pouco profundas têm gerado um interesse substancial como laboratórios in situ para estudos de acidificação do oceano. Alterações significativas na estrutura da comunidade bentónica têm sido associadas com estes locais de desgaseificação, mas os efeitos no plâncton permanecem largamente desconhecidos. O presente estudo analisou os efeitos da acidificação do oceano nas comunidades de mesozooplâncton. Os objetivos especificos foram (i): o estudo observacional sobre as comunidades zooplanctónicas, para determinar se existem diferenças consistentes na abundância, diversidade e composição entre os locais afetados por emissões de CO2 e os locais de controlo, sem emissões; e (ii) a relação entre os padrões observados no zooplâncton em relação aos resultados detetados na química da água do mar e do gás das emissões, (iii) a descrição do estado ecofisiológico de grandes grupos de zooplâncton utilizando índices derivados dos ácidos nucleicos e índices de produção de ovos e a sua relação com o possível stress causado pela acidificação. Para atingir estes objetivos foram seleccionadas duas áreas vulcânicas activas, com emanações de CO2 submarinas, uma na ilha de São Miguel e outra na ilha de Faial, no arquipélago dos Açores. Cada ilha foi independentemente estudada, através da escolha de três lugares diferentes: Reference, Intermediate e Vent, ao longo de um gradiente na emissão de CO2, e consequente diminuição de pH. O pH em São Miguel variou de 8.06 no Reference (pCO2 383.80 μatm) a 7.75 no Vent (pCO2 983.10 μatm), enquanto que no Faial diminuiu de 8.13 no Reference (pCO2 319.37 μatm) a 7.88 no Vent (pCO2 894.08 μatm). O CO2 foi o principal constituinte das emissões de gás nas duas ilhas (acima de 98%), minimizando o efeito de outros gases como H2S. Em São Miguel o mesozooplâncton foi amostrado usando arrastos oblíquos com uma rede WP2 de Ø60cm e malhagem de 200 μm, entre os dias 3 e 7 de Julho de 2014, enquanto que no Faial foi usada uma rede com malhagem de 500μm e a amostragem foi feita entre os dias 10 e 15 de Julho de 2014. Foram descritas as diferenças na abundância, diversidade e estrutura do mesozooplâncton entre locais, em paralelo com a caracterização das comunidades nestas áreas, já que a informação prévia era escassa. Foram identificados organismos de nove filos, num total de 71 taxa diferentes, 45 em S. Miguel e 61 no Faial. Em São Miguel foram encontradas diferenças entre locais na abundância total e nas abundâncias de Arthropoda e Chordata, com um incremento no Vent, relativamente ao Intermediate e o Reference. No Faial foram apenas encontradas diferenças na diversidade dos Arthropoda. A análise PERMANOVA ilustrou as diferenças na composição do zooplâncton entre locais, em São Miguel, e entre datas, no Faial. Os principais contribuintes para estas diferenças, realçados pelas anaáises SIMPER, foram Evadne spinifera, Paracalanus parvus, nauplios de Cirripedia e Radiozoa. Através das análises nMDS, Radiozoa, Paracalanus parvus e Evadne spinifera apareceram mais relacionados às condições do Vent, enquanto que nauplios de Cirripedia estiveram mais perto das condições do Reference. No Faial, os principais contribuintes foram Bassia bassensis, Radiozoa e efiras de Scyphozoa. As condições nesta ilha não permitiram uma separação entre locais nas análises nMDS, dado que as fortes correntes misturaram a coluna de àgua, dissipando o efeito das emissões de gases, e a variação entre dias é aparentemente mais importante e estatisticamente significativa. O racio RNA:DNA de populações de mesozooplâncton seleccionadas foi usado como indicador da condição fisiológica. O RNA:DNA não mostrou um padrão claro de variação: Copepoda em São Miguel e Cladocera no Faial apresentaram valores mais elevados no Reference, mas este não diminuiu de forma gradual ao longo do gradiente de CO2. Os ovos de peixe parecem ter um padrão invertido. Experiências adicionais foram levados a cabo para determinar a taxa de produção de ovos (EPR) das espécies dominantes de copépodes, como indicador da produção secundária. As câmaras de incubação foram colocadas perto do fundo durante períodos de 24 e 72h em São Miguel, e 72h no Faial. Em São Miguel, a EPR mostrou uma tendência de diminuição ao longo do gradiente de CO2, sem diferenças nos tempos de exposição. No Faial, EPR foi maior no Reference, mas não diferiu significativamente dos outros locais. Este estudo demonstrou o potencial das zonas de desgaseificação submarina nas ilhas de S. Miguel e Faial para a investigação dos efeitos dos níveis futuros de CO2 dissolvido nas comunidades planctónicas e pelágicas do Atlântico NE. Este trabalho também permitiu registar a primeira evidência in-situ de uma diminuição significativa da produção secundária em copépodes sob concentrações de CO2 previstas para o final do século.