Environmental factors related to the production of a complex set of spicules in a tropical freshwater sponge

Adverse natural conditions will, generally, induce gemmulation in freshwater sponges. Because of this environmental dependence, gemmoscleres are given exceptional value in taxonomic, ecological and paleoenvironmental studies. Other spicules categories such as microscleres and beta megascleres have received little attention with regard to their occurrence and function during the sponge biological cycle. Metania spinata, a South American species common to bog waters in the Cerrado biome, produces alpha and beta megascleres, microscleres and gemmoscleres. To detect the environmental factors triggering the production of all these kinds of spicules, the species annual seasonal cycle was studied. Artificial substrates were devised, supplied with gemmules and placed in Lagoa Verde pond which contained a natural population of M. spinata. Field monitoring was conducted for eight months in order to observe the growth of sponges and spicules formation. Samples of water were taken monthly for physical and chemical parameters determination. The appearance of the alpha megascleres was sequentially followed by that of microscleres, gemmoscleres and beta megascleres. The first ones built the new sponge skeleton, the last three were involved in keeping inner moisture in the sponge body or its gemmules. The water level, temperature and the silicon (Si) concentration in the pond were the most important factors related to this sequential production of spicules, confirming environmental reconstructions based on the presence or absence of alpha megascleres and gemmoscleres in past sediments

Estudo ecológico de Metania spinata (Porifera) na Lagoa Verde, Minas Gerais, Brasil, e análise isotópica de oxigênio em espículas, visando interpretação paleoambiental.

Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais. Departamento de Geologia. Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto.Esponjas de água doce (Porifera, Demospongiae) são produtoras de estruturas de biosílica denominadas espículas, com extraordinário valor taxonômico, e que podem apresentar-se em mais de uma categoria, conforme a espécie, tendo reconhecida utilização como marcadores ambientais. As populações dessas esponjas vivem em condições ambientais específicas e mudanças nestes ambientes provocam respostas que se traduzem na produção das diferentes categorias de espículas. As espículas são depositadas e preservam-se no sedimento de ambiente límnico após a morte da esponja. Quando há grandes concentrações de espículas no sedimento, estes constituem espongilitos. Os depósitos de espongilitos no noroeste de Minas Gerais (Brasil) são extensos, ocorrendo em aproximadamente 80 lagoas circulares ou semicirculares, e ocupam uma área de cerca de 45 Km2. Os espongilitos representam recurso mineral importante na indústria cerâmica. O processo de formação dos espongilitos dessa região ocorre há pelo menos 28 mil anos, havendo ainda hoje populações de esponjas que continuamente contribuem para os depósitos de espículas. Para compreender a formação dos depósitos, é necessário estudar o ciclo de vida dos organismos que os formam. O conhecimento ecológico relacionado às esponjas, bem como a caracterização das diferentes espículas e a sua relação com o ambiente em que se formaram, trazem informações fundamentais sobre as condições paleoambientais de deposição dos sedimentos formadores de espongilitos. Tais informações podem indicar se havia disponibilidade constante de água, ou se ocorriam eventos de estiagem. Biosílicas de diatomáceas e fitólitos têm sido intensamente estudadas através de técnicas de análises de isótopos de oxigênio, que mostram uma relação termodependente com o valor de sua composição isotópica menos o valor da composição isotópica da água em que se formou. Estas técnicas permitem determinar as condições térmicas durante a formação dos depósitos no passado através das biosílicas sedimentadas. Neste sentido, testar a técnica de análise de isótopos de oxigênio em sílica biogênica de esponjas visa à sua validação como marcadora da paleotemperatura se o fracionamento isotópico em espículas ocorre em equilíbrio com a água da sua formação. A Lagoa Verde, no noroeste de Minas Gerais onde a espécie Metania spinata (Carter, 1881) ocorre atualmente em abundância, foi selecionada para este trabalho, sendo esta espécie a que mais contribuiu para a formação dos depósitos de espongilitos. Tanto os estudos ecológicos da esponja nesta região, como as técnicas de isótopos de oxigênio, tiveram por objetivo contribuir para a interpretação paleoambiental durante a formação dos espongilitos. O estudo ecológico de M. spinata, que produz quatro categorias de espículas ao longo do seu ciclo biológico (megascleras alfa e beta, microscleras e gemoscleras) determinou a época de eclosão das gêmulas, o desenvolvimento dos espécimes, a formação das gêmulas e a morte sazonal das esponjas. À partir de um dado momento do ciclo de vida, as esponjas amostradas apresentaram uma sequencia temporal de síntese de diferentes categorias de espículas, relacionadas com a precipitação de chuvas, concentração de silício, nível d’água da lagoa, temperatura d’água e balanço entre a entrada e saída de água no sistema calculada de forma indireta (precipitação – evapotranspiração). As diferentes funções de cada espícula colaboram com as paleointerpretações onde há sedimentos com diferentes composições espiculares. Os testes de análise isotópica de oxigênio nas espículas das esponjas apresentaram resultado inverso (+0,3‰/ºC) aos estabelecidos para diatomáceas e fitólitos (-0,2 a - 0,4‰/ºC). O resultado sugere um fracionamento cinético, de causa biológica. Entretanto, a relação entre a composição isotópica das espículas com a composição isotópica da água do momento da amostragem é diretamente proporcional e incita atenção (R2=0,8, p<0,01). Novos testes se fazem necessários para compreender se após a morte da esponja e consequente depósito das espículas, estas podem sofrer alterações isotópicas com o meio, ou se a assinatura isotópica das espículas é proporcionalmente fiel à composição isotópica da água enquanto houver atividade fisiológica da esponja e, portanto, dependente da ação de enzimas específicas da síntese (silicateína) e remodelamento (silicase) da biosílica.Freshwater sponges (Porifera, Demospongiae) are producers of biosilica structures called spicules, with extraordinary taxonomic value and can be presented in more than one category, depending on the species, having recognized use as environmental markers. Populations of sponges live in specific environmental conditions and changes in these environments provoke responses that result in the production of various categories of spicules. The spicules are deposited and preserved in the limnological sediment after the death of the sponge. Sediments with high concentrations of spicules form the spongilite deposits. Spongilite deposits in northwestern Minas Gerais (Brazil) are extensive, occurring in approximately 80 ponds circular or semicircular, and occupy an area of about 45 km2. The spongilite represent important mineral resource in the ceramic industry. The process of formation of spongilitein in this region occurs for at least 28,000 years and even now populations of sponges continually contribute to the deposits of spicules. To understand the formation of the spongillite deposits, it is necessary to study the life cycle of the sponges. The ecological knowledge related to sponges, as well as the characterization of different spicules and their relationship with the environment in which they were formed, bring fundamental information about the paleoenvironmental conditions of deposition of sediments that form the spongilite. Such information may indicate whether there was constant availability of water, or drought events occurred. Diatoms and phytoliths biosilicas have been intensively studied by techniques of analysis of oxygen isotopes, which show a thermal dependent relation to the value of their isotopic composition less the value of the isotopic composition of the water in which they were formed. These techniques allow to determine the thermal conditions during the formation of deposits in the past through the sedimented biosilicas. Analysis of oxygen isotopes technique in biogenic silica of sponges aims to validate paleothermal marker when the isotopic fractionation in spicules occurs in equilibrium with the water in which they are formed. The Green Lagoon in northwest of Minas Gerais where Metania spinata (Carter, 1881) species currently occurs in abundance, was selected for this work. The Metania spinata species contributed most to the spongilite deposits. Both ecological studies of sponge in this region as the techniques of oxygen isotopes, aimed to contribute to paleoenvironmental interpretation of spongillite deposits. The ecological study of M. spinata, which produces four spicules categories throughout its life cycle (megascleras alpha and beta, and microscleras gemoscleras) determined the time of hatching of gemmules, the development of the specimens, the formation of gemmules and death seasonal sponges. From a given point in the life cycle, the sponges sampled showed a temporal sequence of synthesis of different categories of spicules, related to precipitation, the concentration of silicon, water level, water temperature and balance between the input and water outlet in the system calculated indirectly (precipitation - evapotranspiration). The different functions of each spicules collaborate with paleointerpretations where there are sediments with different spicular compositions. Isotopic analysis of oxygen in the spicules of sponges showed an opposite result (+ 0.3 ‰/°C) to those for diatoms and phytoliths (-0.2 to -0.4 ‰/°C). The result suggests a kinetic fractionation of biological cause. However, the ratio between the isotopic composition of spicules with the isotopic composition of water of simultaneous sampling is directly proportional and calls attention (R2 = 0.8, p <0.01). Further tests are needed to understand if after the death of sponge and consequent deposit of their spicules, they can undergo isotopic changes with the environment, or if the isotopic signature of spicules is proportionally faithful to the isotopic composition of water while there is physiological activity of the sponge and thus, dependent on the action of specific enzymes in the synthesis (silicateína), and remodeling (silicase) of biosílica

Estudo ecológico de Metania spinata (Porifera) na Lagoa Verde, Minas Gerais, Brasil, e análise isotópica de oxigênio em espículas, visando interpretação paleoambiental

Les éponges d'eau douce (Porifera) produisent des spicules siliceuses dont la morphologie a une valeur taxonomique et environnementale. Les sédiments très concentrés en spicules, dénommés spongilite, sont présents en abondance dans le nord-ouest du Minas Gerais (Brésil). Ils se sont formés au cours des derniers 28000 ans. Afin d'étudier l'aptitude de ces dépôts à enregistrer les paléoenvironnements, nous avons procédé, à partir des éponges produites actuellement dans un dans un petit lac du nord-ouest du Minas Gerais (Lagoa Verde), à 2 types de calibrations. (1) Le suivi écologique de M. spinata, éponge unique du lac, a été fait au cours de son cycle de vie annuel. L'éponge produit 4 catégories de spicules en lien avec les variations saisonnières de l'équilibre entre précipitation et évaporation, de la température de l'eau et de la concentration en silicium dissout. La mise en évidence de ces relations conforte les interprétations paléoenvironnementales précédemment tirées des assemblages de spicules fossiles. (2) La composition isotopique en oxygène (δ18O) des silicates biogéniques est communément utilisée comme marqueur paléoenvironnemental. Ce marqueur n'a jamais été calibré pour les spicules d'eau douce. Nous avons testé si M. spinata précipitait ses spicules en équilibre isotopique avec l'eau du lac. La composition δ18O des spicules montre une relation thermo-dépendante positive avec la composition δ18O de l'eau, inverse de ce qui est attendu pour une précipitation à l'équilibre isotopique. Ce résultat suggère un fractionnement cinétique d'origine biologique à déterminer en vue de reconstitutions paléoenvironnementales.Freshwater sponges (Porifera) produce siliceous spicules with taxonomic and paleoenvironmental value. Sediments with high concentrations of spicules, called spongilite, are present in NW Minas Gerais (Brazil). They formed during the last 28000 years. In order to investigate the reliability of these deposits to record past environmental changes, we proceeded to two kinds of calibration, from sponges currently produced in a small lake of NW Minas Gerais (Lagoa verde). (1) The ecology of M. spinata, the only sponge of the lake, was monitored over its annual cycle. The sponge produced 4 spicules categories in relation with seasonal changes in precipitation, evaporation, water temperature and dissolved silicon content. These relationships confirm previous paleoenvironmental reconstructions from fossil spicule assemblages. (2) The oxygen isotopic composition (δ18O) of biogenic silica is commonly used as a paleoenvironmental proxy. This proxy has never been calibrated for fresh water sponge spicules. We checked whether M. spinata formed its spicules in isotopic equilibrium with the lake water. The δ18O signature of the spicules showed a positive thermo-dependent relationship with the δ18O of the lake water, conversely to what was expected for an equilibrium precipitation. This result suggests that a biological kinetic fractionation occurred. This kinetic fractionation needs to be systematically characterized for paleoenvironmental reconstruction purpose