Complementary tools for aquaculture management: remote sensing and in situ approaches for Sines

Tese de mestrado, Ciências do Mar, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020O estado crítico dos recursos marinhos tem vindo a impulsionar o rápido desenvolvimento da aquacultura. De facto, a nível mundial, a produção aquícola regista atualmente um crescimento mais rápido que qualquer outro setor da indústria alimentar. No entanto, o aumento de práticas intensivas de aquacultura tem gerado preocupações, principalmente devido aos potenciais impactos ambientais associados. A presente dissertação teve como foco uma produção intensiva de robalo (Dicentrarchus labrax, L. 1758) localizada no sudoeste da Costa Ibérica (Sines, Portugal). Na área de produção, a qualidade da água e os possíveis impactos da atividade no meio envolvente foram avaliados. Para tal, seis campanhas de amostragem, realizadas entre junho de 2018 e julho de 2019, foram realizadas para recolha de dados de parâmetros físicos, químicos e biológicos ao longo das jaulas onde se encontram os peixes. Foram analisados dados de temperatura, salinidade, parâmetros de claridade da água, matéria particulada em suspensão, oxigénio dissolvido, pH, nutrientes e biomassa e composição fitoplanctónica. Parte dos dados foram adquiridos a partir de sondas multiparamétricas (e.g. temperatura, salinidade, oxigénio dissolvido e pH); as concentrações de matéria particulada em suspensão, nutrientes e biomassa fitoplanctónica foram determinadas analiticamente em laboratório. Os parâmetros de claridade da água foram obtidos através de dados de radiometria e da profundidade de Secchi. Os resultados dos parâmetros de qualidade da água foram comparados com as gamas consideradas como aceitáveis e ótimas para a aquacultura de peixes em ambientes marinhos, de acordo com a literatura internacional. Atualmente, a literatura científica disponível ainda fornece uma orientação direta limitada para a avaliação da qualidade da água nas águas costeiras portuguesas. Os resultados apresentaram valores dentro das gamas aceitáveis definidas na literatura (exceto um valor isolado de fosfatos obtido em outubro de 2018). Para avaliar o impacto desta produção de peixe no meio recetor, as médias e extremos dos parâmetros de qualidade da água passíveis de serem diretamente influenciados pela aquacultura foram comparados com os dados disponíveis para a região de Sines, anteriores ao início da produção de robalo na região. Neste caso, foram obtidas concentrações mais elevadas de azoto inorgânico dissolvido em comparação com os valores de referência para Sines. No geral, a claridade da água, oxigénio dissolvido, nutrientes e biomassa fitoplanctónica não sugeriram impactos negativos das unidades de produção na qualidade da água local. Não obstante, são necessárias mais análises para diferenciar os potenciais impactos da elevada industrialização em Sines, dos impactos da aquacultura. Os resultados do presente trabalho apontam como causas para o baixo stress ambiental diversos fatores: o regime hidrodinâmico, o baixo tempo de residência da água no sistema, a estratégia de alimentação e a dimensão das unidades de produção. As campanhas de amostragem in situ permitiram ainda verificar uma grande variabilidade dos parâmetros analisados na região, e a necessidade de utilizar métodos complementares para uma melhor caracterização espácio-temporal da área envolvente. Os produtos de deteção remota (DR) disponibilizam dados com grande resolução espácio-temporal, que podem complementar as abordagens amostragens in situ fornecendo informações relevantes os end users, neste caso, o aquacultor. Dados climatológicos da temperatura da água e da concentração de clorofila-a (indicador de biomassa fitoplanctônica) com os respetivos parâmetros estatísticos (desvio padrão e percentis 10 e 90) foram determinados para a região envolvente da aquacultura. Para verificar a coerência dos mesmos para a região, estes foram comparados com os dados in situ recolhidos durante as campanhas de amostragem. As médias semanais do percentil 90 (p90) da temperatura da superfície do mar (TSM) provaram ser adequados para alertar condições anómalas no local da aquacultura. Por outro lado, devido à alta variabilidade sazonal e interanual de clorofila-a (Chl-a) na região, a média do p90 mostrou ser mais fidedigna para a deteção de condições de alerta. O cálculo de anomalias diárias em comparação com dias anteriores (7 e 14 dias) também forneceu informações relevantes sobre a ocorrência de blooms na região. Atualmente, a disponibilização de dados de satélite quase em tempo real em várias bases de dados públicas, possibilita facultar ferramentas valiosas de baixo custo ao aquacultor. Para além da região envolvente, a área onde se encontram instaladas as jaulas de peixe foi também caracterizada utilizando dados de DR (TSM, Chl-a e turbidez) e comparada com os dados obtidos in situ. Para fins de monitorização, medições discretas de temperatura e turbidez indicam ser suficientes para representar a área devido à baixa variabilidade espacial. A alta variabilidade de Chl-a na região revelam a necessidade de recolher dados em várias estações ao longo da produção, ou complementar dados in situ mais escassos com produtos de DR de maior resolução. A adequabilidade de diversos produtos de DR considerados ao longo desta tese foi preliminarmente avaliada para a área da aquacultura em Sines. Para analisar a Chl-a, os novos sensores de alta resolução espacial da Agência Espacial Europeia, desenvolvidos no âmbito do Programa Copernicus da Comissão Europeia, como o Ocean and Land Color Instrument (OLCI) e o Multispectral Instrument (MSI) a bordo dos satélites Sentinel-3 e Sentinel-2, mostrou contribuições importantes para as áreas adjacentes ao litoral. Missões com dados históricos de Chl-a, como o Medium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS) a bordo do Envisat e o produto que engloba múltiplos sensores da Ocean Colour Climate Change Initiative (OC-CCI), possibilitam uma melhor compreensão de variações intra-anuais. O produto de TSM do Group of High Resolution Sea Surface Temperature (GHRSST) revelou captar consistentemente o sinal de temperatura em Sines. Dada a intensa industrialização da zona de Sines e, neste caso, a presença de uma descarga de água quente proveniente da central termoelétrica de Sines a sul da produção, o uso deste último produto requer atenção na interpretação dos dados. Tal facto destaca a necessidade de aquisição de conhecimentos sólidos sobre a região de estudo para posteriores aplicações de produtos de DR, de modo a minimizar possíveis erros nas análises. Por fim, é salientada a necessidade da utilização de produtos de alta resolução espacial e temporal para monitorar as áreas costeiras, bem como a complementaridade da deteção remota com a recolha de dados in situ.The critical status of marine resources has provided impetus for rapid growth in aquaculture, which has become the fastest growing sector of the food industry worldwide. However, the increase of intensive aquaculture practices has been raising global concern mostly due to the associated potential environmental impacts. The present dissertation focused on an intense aquaculture in the SW Iberian Coast (Sines, Portugal) dedicated to the production of European sea bass (Dicentrarchus labrax, L. 1758). Water quality and potential impacts were assessed in the production area. Physical, chemical and biological parameters were collected along the cages in the course of six field campaigns, carried out between June 2018 and July 2019. These were temperature, salinity, water clarity parameters, suspended particulate matter, dissolved oxygen, pH, nutrients, and phytoplankton biomass and composition. The obtained water quality parameters were compared with threshold values for marine fish production, according to international literature. The scientific literature currently provides limited direct guidance for water quality assessment in Portuguese coastal waters. Results showed values within the acceptable for marine fish production (except an isolated value of phosphates obtained in October 2018). To assess the impact of this fish production in the receiving medium, the averages and extremes of water quality parameters that might be directly influenced by aquaculture were further compared with available data for Sines region, previous to the sea bass production in the area. A higher dissolved inorganic nitrogen signal was found in the collected data, compared to background nutrient levels for Sines. Overall, water clarity, dissolved oxygen, nutrients and phytoplankton biomass did not suggest any detrimental impacts of the production units on local water quality, although more research is needed. The findings point to the hydrodynamic regime, low water residence time in the system, feeding strategy and the dimension of production units as the reason for the lack of stress on the receiving waters. Typically, coastal aquaculture faces with high water quality variability. Given the capabilities of satellite remote sensing (RS) products to provide high spatio-temporal data, they have the potential to be used as complementary tools to support the activity, providing important knowledge for end users. Climatological water temperature and phytoplankton biomass (indexed as chlorophyll-a concentration) data with respective statistics were provided for the aquaculture region and compared with the in situ data collected to verify consistency. Sea surface temperature (SST) weekly 90th percentiles (p90) proved to be suitable to alert anomalous conditions in the aquaculture site. On the other hand, due to high chlorophyll-a (Chl-a) seasonal and interannual variability in the region, the mean p90 proved to be more reliable for the detection of alert conditions. The computation of daily anomalies compared to previous days (7-days and 14-days) also provided valuable information on the occurrence of blooms in the region. Currently, near real time satellite data can be accessed freely, providing users with valuable tools in a cost-effect way. The aquaculture site was also characterized using RS retrieved variables (SST, Chl-a and turbidity) and compared with the ground truth. For monitoring purposes, single discrete measures of SST and turbidity were found to be most likely sufficient to represent the area due to low spatial variability. High Chl-a variability in the region emphasized the need to collect several datapoints along the production or to complement scarcer in situ data with higher resolution RS products. In this thesis, several remote sensing products were considered, and their suitability for the aquaculture area in Sines was preliminarily assessed. To study the variability of Chl-a, novel high spatiotemporal resolution RS sensors, such as the Ocean and Land Colour Instrument on Sentinel-3 (OLCIS3) and the Multispectral Instrument on Sentinel-2 (MSI-S2), showed important contributions when focusing areas adjacent to the coast. Missions with available historical Chl-a data such as the Medium Resolution Imaging Spectrometer on-board Envisat, and the multi-sensor product from Ocean Colour Climate Change Initiative (OC-CCI), further enable understanding interannual features. The SST product from the Group of High Resolution Sea Surface Temperature (GHRSST) revealed to consistently capture the temperature signal in Sines area. For the aquaculture surroundings, given the high industrialization of the region and, in this case, the presence of a hot water discharge from a thermoelectric powerplant south of the production, the use of this product requires caution to not misinterpret data contamination. This highlights the need to have knowledge of the study region in order to minimize possible error inducers in analyzes with satellite products. The necessity of high spatial and temporal resolution products to monitor coastal areas is therefore underlined, as well as the complementarity of remote sensing and in situ approaches

Marine and coastal ecosystem services mapping and assessment - an application to the municipality of Sines

Anthropogenic pressures threaten the provision of marine and coastal ecosystem services (MCES) that are essential for human well-being. Ecosystem-based marine spatial management that is informed by mapping and assessing MCES and pressures is needed. Using an expert-based matrix approach based on literature findings, this study maps and assesses the potential capacity of MCES provision in Sines. The results show that provisioning services are potentially provided at high levels, whereas regulatory and cultural services are only provided by certain habitats. The potential pressures were identified, which relate mainly to the maritime-industrial complex in Sines. An expert survey was conducted to obtain more precise data, the results of which cannot yet be presented

Pedunculate cirripedes of the genus Pollicipes: 25 years after Margaret Barnes' review

Twenty-five years ago, Margaret Barnes reviewed the genus Pollicipes published in Oceanography and Marine Biology: An Annual Review. Our review complements and updates Barnes (1996). An endemic species of Pollicipes, P. caboverdensis, from Cape Verde Islands, has since been described, joining the three previously known extant species (P. polymerus, northeastern Pacific Ocean, P. elegans, tropical eastern Pacific Ocean, and P. pollicipes, north-eastern Atlantic Ocean). Most research has been on Pollicipes polymerus and P. pollicipes. We provide a georeferenced map of the worldwide distribution of Pollicipes. All Pollicipes species are harvested throughout their geographic distributions with varying intensity and levels of management. Phylogeography and population genetics are new areas developed since Barnes (1996). We update systematics and morphological studies (adult descriptions, cirral form and function, and adhesion). Various aspects of the life history of Pollicipes (reproduction, larval phase, settlement, recruitment and growth), the biological assemblages associated with Pollicipes and post-settlement population processes are reviewed. Pollution and geochemical studies are outlined before a detailed appraisal of Atlantic and Pacific fisheries. Considerable progress has been made in emerging areas, particularly phylogeography, adhesion and cement, fisheries management and aquaculture. Research gaps are highlighted, despite the much progress in the last quarter-century

Oceanography and Marine Biology

Oceanography and Marine Biology: An Annual Review remains one of the most cited sources in marine science and oceanography. The ever-increasing interest in work in oceanography and marine biology and its relevance to global environmental issues, especially global climate change and its impacts, creates a demand for authoritative refereed reviews summarizing and synthesizing the results of both historical and recent research. This Volume celebrates 60 years of OMBAR, over which time it has been an essential reference for research workers and students in all fields of marine science. The peer-reviewed contributions in Volume 60 are available to read Open Access via this webpage and on OAPEN. If you are interested in submitting a review for consideration for publication in OMBAR, please email the Editor-in-Chief, Stephen Hawkins ([email protected]) for Volume 61. For Volume 62 onwards, please email the new co-Editors in Chief, Dr Peter Todd ([email protected]) and Dr Bayden Russell ([email protected]). Volume 60 features an editorial on the UN Decade of Ocean Science and goes on to consider such diverse topics as Cenozoic tropical marine biodiversity, blue carbon ecosystems in Sri Lanka, marine litter and microplastics in the Western Indian Ocean, and the ecology and conservation status of the family Syngnathidae in southern and western Africa. This volume also contains a retrospective Prologue on the evolution of OMBAR and pays tribute to one of its early Editors in Chief, Margaret Barnes, by providing an update on her review in OMBAR of the stalked barnacle Pollicipes. Supplementary online videos as well as additional Tables and Appendices are available on the Support Tab of the book's Routledge webpage. An international Editorial Board ensures global relevance and expert peer review, with editors from Australia, Canada, Hong Kong, Ireland, Singapore and the UK. The series volumes find a place in the libraries of not only marine laboratories and oceanographic institutes, but also universities worldwide

Avaliação do potencial das ascídias em sistemas de aquacultura multi-trófica integrada e sua distribuição na Ria de Aveiro

of aquaculture production requires the use of more feed per area, increasing waste generation. Unavoidably, aquaculture productions will always generate waste inputs and they are often a nuisance to the environment with no economic value. The concern for aquaculture to be sustainable has made it a public interest. In an operational Integrated Multi- Trophic Aquaculture (IMTA) system, the recovery and recycling of uneaten feed and wastes are performed by extractive species belonging to different trophic levels. These systems enable the combination of different species, and they represent valuable market potential. The main objective of this thesis was to investigate the potential of ascidians as an extractive species in an IMTA framework. To achieve these goals, the present study was divided into three main tasks. The first step was focused on a systematic review to understand the ecological importance of ascidians as efficient filter-feeders, investigate their potential contribution as extractive species, set the benchmark for their nutritional value and potential added value to the aquaculture industry. Afterward, a field survey to monitor and explore the existing ascidian biofouling community present in the Ria de Aveiro was performed through a customized 3-D artificial substrate unit (ASU) using oyster shell waste as a nature-based substrate, an available coproduct of oyster farming from the study site. The final and third step examined the lipid profile of ascidians (Ascidiacea) and seaweed (Ulva spp. and Fucus sp.) present in the Ria de Aveiro under the influence of organic-rich effluent originated from fish farming activities, to identify and quantify the fatty acids present. The present study revealed that in recent years, ascidians have gained popularity concerning their role in the aquaculture industry. Overall, ascidians present a high ability to filtrate large quantities of water, enabling them to be excellent potential extractive species in an IMTA framework. Furthermore, ascidians have shown to be promising candidates as ingredients for aquafeed formulations, as they are rich in essential fatty acids, improving the quality of fish produced in aquaculture. The 295-day field research, conducted in the Ria de Aveiro, allowed the retrieval of 12 ascidian species. Two of which, Clavelina lepadiformis and Ascidiella aspersa were for the first time, collected and registered for mainland Portugal. Ascidian establishment showed to be influenced by hydrodynamics, seasonality, and by the availability of nutrient-rich locations. Additionally, ascidians showed a preference for locations with some degree of aquaculture activity. The ASU employed can be explored as an efficient support structure for short- or long-term monitoring of the ascidian community, as well as fouling communities. Investigation regarding the fatty acid profile revealed that ascidians and seaweeds under organic-rich effluents display significant differences in their lipid profile. Furthermore, when generated in such environment, they are valuable sources of fatty acids, promoters of human health. The scientific knowledge achieved contributes to an initial step toward incorporating ascidians in IMTA systems, providing marine biomass valorization and economic growth, using its by-products and simultaneously reducing the environmental impact caused by waste from aquaculture farms.A intensificação da produção da aquacultura requer o uso de mais ração por área, aumentando assim a produção de efluentes. Inevitavelmente, a aquacultura irá gerar sempre estas descargas, as quais muitas vezes são um obstáculo para o meio ambiente e os quais representam um encargo económico para o produtor. A preocupação para que a aquacultura seja mais sustentável tem se tornado de interesse público. Num sistema operacional de Aquacultura Multi-trófica Integrada (IMTA), a recuperação e reciclagem de nutrientes não consumidos, excretados e não assimilados são realizados por espécies extrativas que pertencem a diferentes níveis tróficos. Este sistema possibilita a combinação de diferentes espécies que poderão representar um manancial de biomassa adicional com elevado valor de mercado. O principal objetivo deste estudo foi investigar o potencial de ascídias como espécies extrativas em sistemas de IMTA. Para atingir este objetivo, o presente estudo foi dividido em três tarefas principais. A primeira foi focada numa revisão bibliográfica sistemática de modo a compreender a importância ecológica das ascídias como filtradoras eficientes, investigar a sua contribuição como espécies extrativas, estabelecer um padrão do seu valor nutricional e determinar o seu potencial para a indústria da aquacultura. Posteriormente, foi realizado um estudo para monitorizar a comunidade bioincrustrante de ascídias existente na Ria de Aveiro através do uso de uma unidade personalizada 3D de substrato artificial (ASU), recorrendo a conchas de ostras como substrato natural, um co-produto resultante da atividade ostrícola no local de estudo. A última etapa foi a realização de uma avaliação do perfil lipídico das ascídias (Ascidiacea) e de algas marinhas (Ulva spp. e Fucus sp.) presentes na Ria de Aveiro, sob a influência de efluentes ricos em matéria orgânica provenientes da atividade de produção piscícola, com o objetivo de identificar e quantificar os ácidos gordos presentes. O presente estudo revelou que nos últimos anos, as ascídias ganharam popularidade no que diz respeito ao seu papel na indústria da aquacultura. De um modo geral, as ascídias apresentam uma alta capacidade de filtração, o que as torna excelentes espécies extrativas em sistemas de IMTA. Além disso, as ascídias têm demonstrado ser candidatas promissoras como ingredientes para a formulação de rações, visto serem ricas em ácidos gordos essenciais, melhorando assim a qualidade do peixe produzido em aquacultura. Os 295 dias da experiência de campo, que decorreram na Ria de Aveiro, permitiram a recolha de 12 espécies de ascídias. Duas destas espécies, Clavelina lepadiformis e Ascidiella aspersa foram recolhidas e registadas pela primeira vez para Portugal continental. O estabelecimento das ascídias em um determinado substrato é influenciado pela hidrodinâmica, sazonalidade e pela presença de locais ricos em nutrientes. Adicionalmente, as ascídias mostraram preferência por locais com algum grau de atividade aquícola. A ASU utilizada pode ser explorada como uma estrutura de apoio eficiente para a monitorização a curto ou longo prazo da comunidade de ascídias, bem como de comunidades incrustantes. Relativamente ao perfil de ácidos gordos, este revelou que as ascídias e algas marinhas que se encontram sob a influência de efluentes ricos em matéria orgânica apresentam diferenças significativas no seu perfil lipídico. Verificou-se ainda que estas quando geradas em ambientes de atividade piscícola são fontes valiosas de ácidos gordos, promotores da saúde humana. O conhecimento científico obtido contribuiu para um primeiro passo na validação do uso de ascídias em sistemas IMTA, evidenciando a valorização da sua biomassa e o contributo para o crescimento económico.Programa Doutoral em Biologia e Ecologia das Alterações Globai

Weight of evidence to assess sediment quality

Estuaries are perhaps the most threatened environments in the coastal fringe; the coincidence of high natural value and attractiveness for human use has led to conflicts between conservation and development. These conflicts occur in the Sado Estuary since its location is near the industrialised zone of Peninsula of Setúbal and at the same time, a great part of the Estuary is classified as a Natural Reserve due to its high biodiversity. These facts led us to the need of implementing a model of environmental management and quality assessment, based on methodologies that enable the assessment of the Sado Estuary quality and evaluation of the human pressures in the estuary. These methodologies are based on indicators that can better depict the state of the environment and not necessarily all that could be measured or analysed. Sediments have always been considered as an important temporary source of some compounds or a sink for other type of materials or an interface where a great diversity of biogeochemical transformations occur. For all this they are of great importance in the formulation of coastal management system. Many authors have been using sediments to monitor aquatic contamination, showing great advantages when compared to the sampling of the traditional water column. The main objective of this thesis was to develop an estuary environmental management framework applied to Sado Estuary using the DPSIR Model (EMMSado), including data collection, data processing and data analysis. The support infrastructure of EMMSado were a set of spatially contiguous and homogeneous regions of sediment structure (management units). The environmental quality of the estuary was assessed through the sediment quality assessment and integrated in a preliminary stage with the human pressure for development. Besides the earlier explained advantages, studying the quality of the estuary mainly based on the indicators and indexes of the sediment compartment also turns this methodology easier, faster and human and financial resource saving. These are essential factors to an efficient environmental management of coastal areas. Data management, visualization, processing and analysis was obtained through the combined use of indicators and indices, sampling optimization techniques, Geographical Information Systems, remote sensing, statistics for spatial data, Global Positioning Systems and best expert judgments. As a global conclusion, from the nineteen management units delineated and analyzed three showed no ecological risk (18.5 % of the study area). The areas of more concern (5.6 % of the study area) are located in the North Channel and are under strong human pressure mainly due to industrial activities. These areas have also low hydrodynamics and are, thus associated with high levels of deposition. In particular the areas near Lisnave and Eurominas industries can also accumulate the contamination coming from Águas de Moura Channel, since particles coming from that channel can settle down in that area due to residual flow. In these areas the contaminants of concern, from those analyzed, are the heavy metals and metalloids (Cd, Cu, Zn and As exceeded the PEL guidelines) and the pesticides BHC isomers, heptachlor, isodrin, DDT and metabolits, endosulfan and endrin. In the remain management units (76 % of the study area) there is a moderate impact potential of occurrence of adverse ecological effects and in some of these areas no stress agents could be identified. This emphasizes the need for further research, since unmeasured chemicals may be causing or contributing to these adverse effects. Special attention must be taken to the units with moderate impact potential of occurrence of adverse ecological effects, located inside the natural reserve. Non-point source pollution coming from agriculture and aquaculture activities also seem to contribute with important pollution load into the estuary entering from Águas de Moura Channel. This pressure is expressed in a moderate impact potential for ecological risk existent in the areas near the entrance of this Channel. Pressures may also came from Alcácer Channel although they were not quantified in this study. The management framework presented here, including all the methodological tools may be applied and tested in other estuarine ecosystems, which will also allow a comparison between estuarine ecosystems in other parts of the globe

Oceanography and Marine Biology

Oceanography and Marine Biology: An Annual Review remains one of the most cited sources in marine science and oceanography. The ever-increasing interest in work in oceanography and marine biology and its relevance to global environmental issues, especially global climate change and its impacts, creates a demand for authoritative refereed reviews summarizing and synthesizing the results of both historical and recent research. This Volume celebrates 60 years of OMBAR, over which time it has been an essential reference for research workers and students in all fields of marine science. The peer-reviewed contributions in Volume 60 are available to read Open Access via this webpage and on OAPEN. If you are interested in submitting a review for consideration for publication in OMBAR, please email the Editor-in-Chief, Stephen Hawkins ([email protected]) for Volume 61. For Volume 62 onwards, please email the new co-Editors in Chief, Dr Peter Todd ([email protected]) and Dr Bayden Russell ([email protected]). Volume 60 features an editorial on the UN Decade of Ocean Science and goes on to consider such diverse topics as Cenozoic tropical marine biodiversity, blue carbon ecosystems in Sri Lanka, marine litter and microplastics in the Western Indian Ocean, and the ecology and conservation status of the family Syngnathidae in southern and western Africa. This volume also contains a retrospective Prologue on the evolution of OMBAR and pays tribute to one of its early Editors in Chief, Margaret Barnes, by providing an update on her review in OMBAR of the stalked barnacle Pollicipes. Supplementary online videos as well as additional Tables and Appendices are available on the Support Tab of the book's Routledge webpage. An international Editorial Board ensures global relevance and expert peer review, with editors from Australia, Canada, Hong Kong, Ireland, Singapore and the UK. The series volumes find a place in the libraries of not only marine laboratories and oceanographic institutes, but also universities worldwide

Connectivity patterns and early life history of the black-faced blenny Tripterygion delaisi (Cadenat and Blache, 1970)

Tese de doutoramento, Ciências do Mar, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015An understanding of population connectivity and the scale of larval dispersal is essential for designing management and conservation plans for meta-population dynamics, fisheries, and biodiversity reserves. In demersal reef fish that are relatively sedentary as adults, connectivity tends to occur via the pelagic larval phase. This pelagic larval phase, which is variable in duration, is an extremely critical stage in the life-cycle, and inherent characteristics such as early life history traits and larval behaviour usually interact with oceanographic processes and habitat characteristics to determine patterns of connectivity. In this thesis, connectivity of the black-faced blenny, Tripterygion delaisi was investigated at a local scale indirectly through the use of population genetic structure. Various aspects such as larval spatial distribution, allometric growth and larval development, and early life history characteristics of the critical pelagic larval stage was then examined. Local scale population genetic structure of this species showed that the three sample locations, Arrábida, Sines and Cascais were highly genetically connected over a small spatial scale of approximately 100 km. Within this scenario of high gene flow however, several pieces of evidence indicated that limited or restricted dispersal was occurring leading to some degree or extent of local scale genetic homogeneity. An examination of spatial and temporal distribution showed that T. delaisi larvae has a mainly inshore larval distribution and that all the different developmental stages occur in the nearshore environment where it might be completing its life-cycle. We provided estimates for a number of early life history parameters (size-at-hatch, size-at-settlement, pelagic larval duration, and larval and juvenile growth rates) of T. delaisi. In particular our PLD estimates (both mean the value and minimum – maximum values) are higher than those obtained from two previous studies conducted in the Mediterranean and may have consequences for connectivity. Overall, the early life history traits exhibited by T. delasi can explain a pattern of restricted limited/restricted dispersal.A compreensão dos padrões de conectividade entre populações, assim como a escala a que a dispersão das larvas de organismos marinhos ocorre, são essenciais para o desenvolvimento de medidas de gestão e conservação adequadas, tendo em vista a dinâmica de metapopulações e medidas de gestão da pesca e reservas de biodiversidade. Nas espécies de peixes demersais, que são relativamente sedentários na fase adulta, é a fase larvar pelágica que contribui largamente para a conectividade entre populações. Esta fase, representa uma etapa crítica no ciclo de vida dos peixes; os padrões de conectividade dependem de mecanismos biofísicos que condicionam a distribuição larvar, como a interacção entre as características intrínsecas dos indivíduos nos períodos iniciais de vida, os aspectos sensoriais ou comportamentais das larvas, e os processos oceanográficos e características do habitat. Nesta tese, foi examinada a conectividade enre populações do caboz-de-três-dorsais, Tripterygion delaisi, indirectamente através do uso da estrutura genética populacional, a uma escala local. Foram também investigados vários aspectos da fase larvar desta espécie, como a distribuição espacial de larvas, padrões de crescimento alométrico, o desenvolvimento larvar e algumas características relevantes dos períodos iniciais de vida. Os principais resultados obtidos são discutidos de modo a entender como o padrão de conectividade observado para esta espécie pode ser explicado e influenciado por estas características inerentes à fase larvar pelágica. A análise da estrutura genética populacional, a uma escala local, foi feita recorrendo a 8 microssatélites altamente polimórficos. Os resultados demonstraram que todos os valores pairwise Fst obtidos entre amostras de adultos eram baixos e sem significância, apontando para homogeneidade genética na presente área de estudo. Apesar deste cenário de alto fluxo genético verificou-se (1) isolamento significativo pela distância; (2) vários agregados genéticos identificados através do software Structure; e (3) a agregação e separação de locais através de análises multivariadas. Estes resultados apontam para a possibilidade de ocorrência de dispersão larvar restrita e heterogeneidade genética a uma escala local. Após a inclusão das amostras dos estados larvar e juvenil, observou-se a ocorrência de valores significativos pairwise Fst, deteção de vários agregados genéticos e separação de locais através de vários métodos, indicando ocorrência de padrões temporais na variabilidade genética. Em perspectiva este estudo detectou uma dispersão larvar restrita apesar do fluxo genético, fenómeno de “chaotic genetic patchiness”, e salientou a importância da amostragem a diferentes escalas espaciais e temporais na tentativa de decifrar os padrões de conectividade observados. De modo a se investigar a possível reteção de larvas junto à costa, foie studada a distribuição espacial e temporal de larvas de T. Delaisi no Parque Marinho da Arrábida (PMA) a partir de amostras recolhidas através de duas diferentes metodologias, armadilhas de luz e arrastos de plâncton através de “scooters”, ao longo de três anos. Pela primeira vez, foram colocadas armadilhas de luz muito próximo dos recifes e mais ao largo no PMA. Os principais resultados incluiram: (1) todas as fases ontogenéticas (preflexão, flexão e posflexão) das larvas de T. delaisi estavam presentes na área do “nearshore”; (2) a abundância de larvas de T. delaisi era maior “inshore” do que “offshore”; (3) verificaram-se diferenças na estrutura ontogenética das larvas de T. delaisi entre as amostras recolhidas pelos dois méodos e (4) diferenças verticais na estrutura ontogenética das amostras recolhidas com umdos métodos. Os resultados obtidos reforçam estudos anteriores para espécies da família Tripterygiidae, que demostram uma distribuição larvar maioritariamente muito próximo de costa, indicando a possibilidade de retençção larvar e de crescimento local. Os resultados realçam também a importância da utilização de vários tipos de metodologias para a determinação da ocorrência e dos padrões de distribuição larvar. A utilização de apenas uma metodologia ou equipamento poderia ser insuficiente para a recolha de todos os estados de desenvolvimento larvar. Em termos de desenvolvimento larvar e crescimento alométrico, os coeficientes de crescimento obtidos através de relações morfológicas bivariadas, demonstram que a maior parte das proporções corporais de T. delaisi, exibiam crescimento alométrico durante o desenvolvimento larvar. Quando foram detetados pontos de inflexão de crescimento, este era bifásico com os pontos a ocorrer no intervalo de comprimento corporal (Lb) = 8.7 a 8.9 mm. Tendo em conta os padrões de crescimento alométrico juntamente com as descrições ontogenéticas, foi colocada a hipótese de a 1ª fase consistir primariamente no desenvolvimento do sistema digestivo e, possivelmente, das capacidades natatórias da larva (desenvolvimento dos miómeros em comprimento e largura, e desenvolvimento da barbatana caudal), e da 2ª fase no desenvolvimento das capacidades de locomoção através do progressivo desenvolvimento e formação das diferentes barbatanas e da subsequente transição de larva para juvenil. Foi ainda colocada a hipótese de que algumas estruturas sensoriais já estariam num estado avançado de desenvolvimento à eclosão. É apresentada pela também, pela primeira vez, uma descrição completa do desenvolvimento larvar desta espécie, essencial na identificação da mesma e para a correcta interpretação de padrões ecológicos. Com o objectivo de determinar vários parâmetros dos estádios inciais do ciclo de vida de T. delaisi, procedeu-se à análise da microestutura dos otólitos sagittae de larvas e recrutas. Com a excepção dos estudos acerca de da duração da fase larvar (PLD) realizados no Mediterrâneo em que foram utilizados lapilli, não existia informação disponível acerca dos parâmetros das etapas iniciais de vida desta espécie. Foram examinadas larvas pertencentes aos três estados de desenvolvimento establecidos (preflexão, flexão e posflexão) e através de leituras de anéis diários a partir para a marca de assentamento, estimou-se a idade dos indivíudos, tendo-se verificado uma correspondência positiva entre a idade da larva mais velha analisada e a idade ao assentamento. O PLD estimado neste estudo para esta espécie situou-se no intervalo de 29 a 34 dias com uma média de 31.75 ± 1.54. Estes valores são mais elevados do que os obtidos em estudos anteriores para o Mediterrâneo. Por sua vez, as taxas de crescimento, comprimento à eclosão e comprimento no assentamento foram similares aos documentados para outros peixes demersais de recife. Este estudo demonstrou que a espécie T. delaisi exibe um padrão de dispersão restrita em simultâneo com alto fluxo genético ao longo de 100 km da linha costeira na costa oeste de Portugal. Várias das características do ciclo inicial de vida desta espécie podem contribuir para este padrão de dispersão restrita, onde a retenção local é o processo ecológico dominante em oposição à dispersão larvar. Estas características incluem, distribuição mais restrita e a ocorrência de todas as fases de desenvolvimento larvar larvar maioritariamente junto à costa, e o desenvolvimento de capacidades locomotoras e possivelmente sensoriais nas fases iniciais de vida. A compreensão dos padrões de conectividade para T. delaisi na área de estudo, assim como, os padrões de conectividade em geral podem ser melhorados no futuro através de (1) um maior aprofundamento do conhecimento dos processos locais de pequena escala que ocorrem no “nearshore” e dos mecanismos que podem promover retenção larvar (2) um estudo das características físicas do local que podem favorecer a rentenção “Coastal Boundary Layer” (3) Estudos que tenham como objectivo o estudo das capacidades sensoriais e locomotoras nas primeiras fases de vida desta espécie e (4) o desenvolvimento e aplicação de modelos para prever padrões e (5) idealmente, uma combinação de abordagens complementares a estes temas.MARESCCMARUPMC - SORBONNE UNIVERSITÉSMAREFCT - Fundação para a Ciência e Tecnologi