Phytoplankton diversity and bloom dynamics in coastal ecosystems under the influence of terrestrial runoff

Abstract

The research objective of the current work was the quantitative study of the ecological processes regulating the diversity, structure, and dynamics of phytoplankton communities in coastal ecosystems, influenced by terrestrial nutrient loading, mainly of anthropogenic origin. The thesis was based on the analysis of physical, chemical, and biological data sampled during the course of one year in the Gulf of Kalloni, Lesvos Island, Greece, and on an existing database compiled from five coastal areas in the Aegean Sea. The data were analysed with the application of novel methodologies rarely used in marine ecology. According to the results of the study, the primary productivity, biodiversity, and species composition of phytoplankton communities in coastal ecosystems is strongly affected by the nutrient loading from the watershed particularly during the winter months. It has been found that the import of nitrogen into the system was more critical than phosphorus for the development of eutrophication crises and blooms of potentially toxic species. During these blooms, the biodiversity, and community structure and composition change radically since a maximum of two species dominate the community almost entirely. The application of biological models on bloom and non-bloom assemblages has shown that resources rather than self-organisation processes drive the structure of phytoplankton assemblages. The diversity productivity relationship in phytoplankton was a humpback, when samples from bloom assemblages were included in the analysis. Investigation on the factors affecting the shape of this relationship has demonstrated a possible double abiotic stress mechanism, which regulates phytoplankton species richness in coastal ecosystems.

Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ποσοτική προσέγγιση των οικολογικών διεργασιών που ρυθμίζουν την βιοποικιλότητα, δομή και δυναμική των βιοκοινωνιών φυτοπλαγκτού σε παράκτια οικοσυστήματα υπό την επίδραση χερσαίων απορροών. Η διατριβή βασίστηκε στην ανάλυση φυσικών, χημικών, και βιολογικών δεδομένων που συλλέχθηκαν κατά τη διάρκεια ενός έτους από τον Κόλπο Καλλονής, Νήσου Λέσβου, και σε υφιστάμενη πληροφορία από πέντε παράκτιες περιοχές του Αιγαίου Πελάγους. Η ανάλυση των δεδομένων έγινε με την εφαρμογή καινοτόμων μεθοδολογιών που έχουν σπανίως έως τώρα χρησιμοποιηθεί στην θαλάσσια οικολογία. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής, η πρωτογενής παραγωγικότητα, βιοποικιλότητα και σύνθεση των ειδών στις φυτοπλαγκτικές βιοκοινωνίες παράκτιων οικοσυστημάτων επηρεάζεται έντονα από την εισροή θρεπτικών από τη χέρσο κυρίως κατά τη χειμερινή περίοδο. Βρέθηκε ότι η εισροή του ανόργανου διαλυτού αζώτου είναι πολύ πιο σημαντική από του φωσφόρου για την ανάπτυξη ευτροφικών κρίσεων και εξάρσεων πιθανώς τοξικών μικροφυκών. Κατά τη διάρκεια των εξάρσεων αυτών, η βιοποικιλότητα, η δομή και η σύνθεση της βιοκοινωνίας αλλάζουν σημαντικά εφόσον μικρός αριθμός ειδών κυριαρχεί σχεδόν ολοκληρωτικά. Η εφαρμογή βιολογικών μοντέλων σε βιοκοινωνίες χαρακτηριστικές διαφόρων περιβαλλοντικών συνθηκών, έδειξε ότι η δομή των φυτοπλαγκτικών βιοκοινωνιών ρυθμίζεται περισσότερο με βάση την διαθεσιμότητα πόρων για ανάπτυξη αντί διαδικασιών αυτό-οργάνωσης. Η σχέση βιοποικιλότητας-παραγωγικότητας στο φυτοπλαγκτόν βρέθηκε να είναι μια κυρτή καμπύλη, μόνο όταν στην ανάλυση συμπεριλαμβάνονταν δείγματα χαρακτηριστικά φυτοπλαγκτικών εξάρσεων. Περαιτέρω διερεύνηση της σχέσης αυτής έδειξε ότι σε συνθήκες πολύ χαμηλής και πολύ υψηλής πρωτογενούς παραγωγής, ένας μηχανισμός διπλού αβιοτικού 'στρες' πιθανώς ρυθμίζει τον πλούτο των ειδών φυτοπλαγκτού σε παράκτια οικοσυστήματα.