Μελέτη της οικολογίας και ταξινομικής των θαλάσσιων βενθικών διατόμων του Σαρωνικού Κόλπου

Abstract

The purpose of this thesis is the ecological study of benthic diatom communities in coastal areas of the Saronicos Gulf. Particular emphasis was placed on the identification and taxonomic classification of benthic diatom species, which was necessary for the completion of the study. In addition, the composition of the community (biomass, diversity and abundance), seasonal succession and spatial distribution of benthic communities in the Saronicos Gulf were examined. A further objective of this thesis was to evaluate the potential of benthic sections for detecting eutrophication-induced coastal water quality differences in an oligotrophic system (such as the eastern Mediterranean). Finally, the thesis aimed to investigate and suggest diatom species and genera, which may serve as bio-indicators for assessing coastal water quality.The choice of coastal areas of the Saronicos Gulf as a subject of study was very interesting. Coastal ecosystems are known to play an important ecological role, host a high number of species and greatly contribute to global productivity (Cloern et al., 2013). These ecosystems are also particularly important from a socio-economic point of view because they are associated with activities such as recreation, fishing, tourism, etc., and are also subject to severe anthropogenic pressures (urbanization, agriculture). It is precisely because of these intense activities that there is a risk of eutrophication, especially in particularly oligotrophic systems, such as the southeastern Mediterranean (Tsirtsis et al., 2008). In such ecosystems the species composition (primary producers - microflora) reflects the low nutrient concentrations that prevail throughout the year, while being sensitive to abrupt changes with increased nutrient loads, resulting in changes in the composition of the bio-community (Hillebrand & Kahlert 2001, Spatharis et al. 2007a). It was therefore considered very important to seek and establish a suitable biological means for monitoring the quality of coastal ecosystems (biomarkers).Diatoms (Bacillariophyceae, diatoms) are the most numerous group of microbes, which due to their worldwide and widespread distribution in aquatic environments, have been established as indicators for assessing water quality, both in inland waters with the use of benthic diatoms and in lakes with phytoplankton species as wells as in coastal waters (phytoplankton species) - Water Framework Directive 2000/60 / EC (EC, 2000). It is also noted that phytoplankton are generally an efficient indicator for coastal eutrophication estimation (Spatharis & Tsirtsis, 2010). However, due to their passive movement from the marine currents, phytoplankton species cannot reflect and identify (hotpoints) sources of pollution and eutrophication. On the contrary, benthic diatoms, precisely because of their limited ability to move and their rapid response to changes in nutrient concentrations are potentially the appropriate organisms to detect at a lower spatial level the status of an ecosystem through changes in their abundance, composition and diversity (Morin et al., 2016). Very little information is available on benthic diatoms as biomarkers in coastal ecosystems and in particular oligotrophic coastal systems. Furthermore, despite the importance of marine benthic diatoms in the functioning of coastal ecosystems (MacIntyre et al. 1996; Cahoon 1999), little is known about the environmental factors that control the structure and composition of their communities (Cibic et al. 2007a, 2007b, Cibic & Blasutto 2011). Previous studies have focused primarily on tidal-controlled ecosystems (Agatz et al., 1999), estuaries, and brackish waters such as the Venice Lagoon (Facca & Sfriso 2007). In such systems, salinity and light play an important role in the structure of benthic diatom communities (Hillebrand & Sommer 1997, Weckström & Juggins 2005, Ulanova et al. 2009, Du et al. 2017). Primary producers in oligotrophic ecosystems appear to be less affected by the limitation of light and more by nutrient concentrations (Moore et al., 2013). In this context, the environmental factors that lead to the alteration of the benthic communities of diatoms, as well as the knowledge of the benthic species self-ecology along nutrient gradients, have been largely overlooked (Cibic & Blasutto 2011; Desrosiers et al. 2013). The contribution of knowledge in this direction is expected to help in the development of benthic bio-indicators, which will serve as an effective tool for assessing water quality in coastal ecosystems.During this study, sampling was carried out between June 2006 and June 2007 at six (6) stations along the Saronicos Gulf, at approximately 2 weeks’ intervals, with a total of 26 excursions. An attempt was made to collect the samples on windless days in order to collect as much undisturbed substrate as possible. Samples were taken from the sub-coastal zone at a depth of 1-4 m. Plexiglas tubes with 3.3 cm diameter were used to collect the samples (sediment cores), and 1-liter plastic bottles were used to collect the water samples. Three (3) repeat samples (material and water) were taken from each station, while measurements were made in the field of parameters such as light radiation, temperature, salinity, pH conductivity, and dissolved oxygen. In the laboratory chlorophylls a and c, organic matter and chemicals were determined (according to the protocols described in Strickland & Parsons 1967, Standard Methods 1980, Parsons et al. 1984 for phosphorus, silicon, nitrate, nitrite and ammonia).The taxonomic part consisted of 2 stages. The first stage involved identifying and classifying benthic diatom species, while the second involved quantitative determination (absolute abundance). The diatoms samples were then treated with concentrated acids using the classic protocols of Hasle and Fryxell (1970) and Schrader (1973 and three replicates slides of 250 μL were mounted using Naphrax© resin and 250 fields were counted in each slide. This quantitative method ensured the estimation of total abundance. Frustule counts were carried out using a Carl Zeiss photonic microscope at x1000 magnification and pictures were taken with a Canon G7 digital camera. Taxonomic identification to species level was carried out using reference floras (Hustedt, 1930, 1964, Hendey, 1964, Round et al., 1990, Witkowski et al., 2000, Lange-Bertalot 2001, Weckstrom & Juggins, 2006, Bukhtiyarova, 2006, Levkov, 2009, Louvrou et al., 2012). A total of 216 samples were analyzed and more than 24,000 frustules were counted. 91 genera and 448 diatom species were identified. Most taxa were rare, with only 284 taxa contributing over 1% to absolute abundance.The study of abiotic parameters revealed that there is a direct correlation between rainfall and nutrient concentrations resulting in coastal waters, and that these are directly influenced by urban and agricultural runoff of adjacent areas. Furthermore, the results of the study showed that abundance and biomass of the community respond to nutrient changes caused by human activities (nitrogen, phosphorus) with a delay of 2-4 weeks.The results of this study indicate that changes in dissolved inorganic nitrogen (DIN) concentrations caused by anthropogenic activities shape the composition of the benthic diatoms primarily spatially affecting their abundance, biomass and diversity. These characteristics of benthic diatom communities are sensitive (secondary) to temporal/ seasonal variations due to other environmental parameters (temperature, dissolved oxygen, pH, etc.) that affect the composition of the community but to a lesser extent. Nitrogen concentrations indicate a strong association with specific species and genera of diatoms, suggesting that these taxa could be bio-indicators of eutrophication, from anthropogenic activities, in coastal oligotrophic ecosystems. Specifically, 37 species of diatoms showed a positive correlation with nitrogen (6 species of Cocconeis and 4 species of Tryblionella) while 4 species showed a negative correlation with nitrogen of which 2 species of the genus Mastogloia. Species that showed a positive association with DIN were typical of station S3 (Skaramagas), which exhibited the highest DIN values throughout the year. Species that showed a negative correlation with DIN were typically at station 1 (Sounio), which is presented as the least congested (reference station). Specifically, species of the genus Mastogloia showed their highest concentrations during the summer and autumn months where DIN concentrations were lower. It seems that the study of benthic diatom communities could provide a more detailed spatial analysis of coastal eutrophication than traditional approaches such as phytoplankton biomass and diversity.We recommend the use of total abundance as well as abundances of genera Cocconeis and Trybillonella as reliable indicators of eutrophication by enriching nutrients in oligotrophic systems. The genus Mastogloia can be used as an indicator of low nutrient concentrations in undisturbed areas. This study is the first to indicate the importance of these genera / species in the detection of local nutrient hot spots and pristine areas in the marine coastal ecosystem. Future research would also be interesting to focus further on the self-ecology of these species.

Η διατριβή έχει ως αντικείμενο την οικολογική μελέτη των βενθικών βιοκοινοτήτων των διατόμων σε παράκτιες περιοχές του Σαρωνικού κόλπου. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην αναγνώριση και ταξινομική κατάταξη των ειδών των βενθικών διατόμων, η οποία ήταν απαραίτητη για την ολοκλήρωση της μελέτης. Επιπλέον εξετάστηκε η σύνθεση της βιοκοινότητας (βιομάζα, ποικιλότητα και αφθονία), η εποχική διαδοχή και η χωρική κατανομή των βενθικών βιοκοινοτήτων στον Σαρωνικό κόλπο. Περαιτέρω στόχος της διατριβής ήταν η εκτίμηση των δυνατοτήτων των βενθικών διατομών για ανίχνευση διαφορών στην ποιότητα των παράκτιων υδάτων λόγω ευτροφισμού, που προέρχεται από ανθρωπογενείς δραστηριότητες, σε ένα ολιγοτροφικό σύστημα (όπως είναι η Ανατολική Μεσόγειος). Τέλος η διατριβή είχε ως στόχο να διερευνήσει και να προτείνει είδη και γένη διατόμων, τα οποία ενδέχεται να λειτουργήσουν ως βιοδείκτες για την εκτίμηση της ποιότητας των παράκτιων υδάτων.Η επιλογή των παράκτιων περιοχών του Σαρωνικού κόλπου ως θέμα μελέτης κρίθηκε πολύ ενδιαφέρουσα. Είναι γνωστόν ότι τα παράκτια οικοσυστήματα επιτελούν σημαντικό οικολογικό ρόλο, φιλοξενούν υψηλό αριθμό ειδών και συμβάλλουν σε μεγάλο βαθμό στην παγκόσμια παραγωγικότητα (Cloern et al., 2013). Τα οικοσυστήματα αυτά είναι επίσης ιδιαιτέρως σημαντικά από κοινωνικοοικονομική άποψη επειδή συνδέονται με δραστηριότητες όπως αναψυχή, αλιεία, τουρισμός κ.α., ενώ δέχονται και έντονες ανθρωπογενείς πιέσεις (αστικοποίηση, γεωργία). Ακριβώς λόγω των εντόνων αυτών δραστηριοτήτων υπάρχει και ο κίνδυνος ευτροφισμού, ειδικότερα σε ιδιαιτέρως ολιγοτροφικά συστήματα, όπως η νοτιοανατολική Μεσόγειος (Tsirtsis et al., 2008). Σε τέτοια οικοσυστήματα η σύνθεση των ειδών (πρωτογενείς παραγωγοί - μικροφύκη) αντικατοπτρίζουν τις χαμηλές συγκεντρώσεις θρεπτικών που επικρατούν στη διάρκεια του έτους, ενώ παρουσιάζουν ευαισθησία σε απότομες αλλαγές με αυξημένα φορτία θρεπτικών, που έχουν ως αποτέλεσμα μεταβολές στη σύνθεση της βιοκοινότητας (Hillebrand & Kahlert 2001, Spatharis et al. 2007a). Θεωρήθηκε λοιπόν πολύ σημαντικό να αναζητηθεί και να καθιερωθεί ένα κατάλληλο βιολογικό μέσον παρακολούθησης της ποιότητας των παράκτιων οικοσυστημάτων (βιοδείκτες).Τα Διάτομα (Bacillariophyceae, diatoms) αποτελούν την πολυπληθέστερη ομάδα των μικροφυκών, τα οποία λόγω της παγκόσμιας και ευρύτατης εξάπλωσής τους σε ποικίλα υδάτινα περιβάλλοντα έχουν εδραιωθεί ως δείκτες για την εκτίμηση της ποιότητας των υδάτων, τόσο σε εσωτερικά ύδατα με τη χρήση βενθικών ειδών (ποτάμια) και φυτοπλαγκτικών ειδών (λίμνες) όσο και σε παράκτια ύδατα (φυτοπλαγκτικά είδη) - οδηγία πλαίσιο για τα ύδατα 2000/60/ΕΚ (EC, 2000). Σημειώνεται επίσης ότι φυτοπλαγκτόν εν γένει αποτελεί αποδοτικό δείκτη για την εκτίμηση ευτροφισμού των παράκτιων υδάτων (Spatharis & Tsirtsis, 2010). Ωστόσο, τα φυτοπλαγκτικά είδη λόγω της παθητικής μετακίνησής τους από τα θαλάσσια ρεύματα, δεν δύνανται να αντικατοπτρίσουν και να αναγνωρίσουν (σημειακές) πηγές ρύπανσης και ευτροφισμού. Αντιθέτως, τα βενθικά διάτομα, ακριβώς λόγω της περιορισμένης τους ικανότητας να μετακινούνται και της ταχείας τους απόκρισης σε αλλαγές συγκεντρώσεων θρεπτικών, δυνητικά αποτελούν τους κατάλληλους οργανισμούς ώστε να διακρίνεται σε μικρότερο χωρικά επίπεδο η κατάσταση ενός οικοσυστήματος, μέσω αλλαγών στην αφθονία, σύνθεση και ποικιλότητά τους (Morin et al., 2016). Για τα βενθικά διάτομα πολύ λίγη πληροφόρηση υπάρχει για την αποτελεσματικότητα αυτών ως βιοδεικτών σε παράκτια οικοσυστήματα και ειδικότερα σε ολιγοτροφικά παράκτια συστήματα. Επιπλέον παρά τη σημασία των θαλάσσιων βενθικών διατόμων στη λειτουργία των παράκτιων οικοσυστημάτων (MacIntyre et al. 1996, Cahoon 1999), λίγα είναι γνωστά για τους περιβαλλοντικούς παράγοντες που ελέγχουν τη δομή και τη σύνθεση των βιοκοινοτήτων τους (π.χ. Cibic κ.ά. 2007a, 2007b, Cibic & Blasutto 2011). Οι προηγούμενες μελέτες είχαν κυρίως εστιαστεί σε οικοσυστήματα που ελέγχονται από παλίρροιες (π.χ. Agatz et al., 1999), εκβολές ποταμών, και υφάλμυρα ύδατα (όπως π.χ. η λιμνοθάλασσα της Βενετίας, Facca & Sfriso 2007). Σε τέτοια συστήματα, η αλατότητα και το φως διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη σύνθεση της δομής των κοινοτήτων των βενθικών διατόμων (π.χ. Hillebrand & Sommer 1997, Weckström & Juggins 2005, Ulanova et al. 2009, Du et al. 2017). Οι πρωτογενείς παραγωγοί σε ολιγοτροφικά οικοσυστήματα φαίνεται να επηρεάζονται λιγότερο από τον περιορισμό της φωτεινής ακτινοβολίας και περισσότερο από τις συγκεντρώσεις θρεπτικών (Moore et al., 2013). Στο πλαίσιο αυτό, οι περιβαλλοντικοί παράγοντες που οδηγούν στην αλλαγή δομής των βενθικών κοινοτήτων των διατόμων, καθώς και η γνώση της αυτοοικολογίας των βενθικών ειδών κατά μήκος διαβαθμίσεων θρεπτικών ουσιών, έχουν παραβλεφθεί σε μεγάλο βαθμό (Cibic & Blasutto 2011, Desrosiers et al. 2013). Η συνεισφορά γνώσης προς αυτή την κατεύθυνση αναμένεται να βοηθήσει στη δημιουργία δεικτών βενθικών διατομών, που θα χρησιμεύσουν ως αποτελεσματικό εργαλείο για την αξιολόγηση της ποιότητας των υδάτων στα παράκτια οικοσυστήματα.Στα πλαίσια της διατριβής αυτής διενεργήθηκαν δειγματοληψίες κατά την περίοδο μεταξύ Ιουνίου 2006 και Ιουνίου 2007 σε έξι (6) σταθμούς κατά μήκος του Σαρωνικού Κόλπου, ανά διαστήματα περίπου 2 εβδομάδων, ενώ συνολικά πραγματοποιήθηκαν 26 εξορμήσεις. Προσπάθεια έγινε ώστε οι δειγματοληψίες να πραγματοποιούνται σε απάνεμες ημέρες ώστε να συλλέγεται κατά το δυνατόν αδιατάρακτο υπόστρωμα. Τα δείγματα ελήφθησαν από την υποπαράλια ζώνη σε βάθος μεταξύ 1-4 m. Για τη συλλογή των δειγμάτων (πυρήνες ιζήματος) χρησιμοποιήθηκαν σωλήνες (plexiglass) διαμέτρου 3,3 cm, ενώ για τη συλλογή δειγμάτων νερού χρησιμοποιήθηκαν πλαστικές φιάλες 1 λίτρου. Τρία (3) επαναληπτικά δείγματα (υλικού και νερού) ελήφθησαν από κάθε σταθμό, ενώ παράλληλα έγιναν μετρήσεις στο πεδίο παραμέτρων όπως φωτεινή ακτινοβολία, θερμοκρασία, αλατότητα, αγωγιμότητας pH, και διαλυμένο οξυγόνο. Στο εργαστήριο προσδιορίστηκαν οι χλωροφύλλες a και c, η οργανική ύλη καθώς και χημικά στοιχεία (σύμφωνα με τα πρωτοκόλλα που περιγράφονται στους Strickland & Parsons 1967, Standard Methods 1980, Parsons et al. 1984 για φωσφόρο, πυρίτιο, νιτρικά, νιτρώδη και αμμωνία).Το ταξινομικό μέρος περιελάμβανε 2 στάδια. Το πρώτο στάδιο αφορούσε στην αναγνώριση και ταξινόμηση των ειδών των βενθικών διατόμων, ενώ το δεύτερο στάδιο αφορούσε στην ποσοτική μέτρηση αυτών (απόλυτη αφθονία). Ακολούθησε η επεξεργασία των δειγμάτων που προορίζονταν για ποιοτικό και ποσοτικό προσδιορισμό, έγινε καθαρισμός των θυρίδων με οξέα (διά βρασμού) σύμφωνα με τις κλασικές μεθόδους και στη συνέχεια προετοιμάστηκαν μόνιμα παρασκευάσματα με τη χρήση ρητίνης (Nathrax). Για κάθε μόνιμο παρασκεύασμα χρησιμοποιήθηκε ίδιος όγκος (80 l) που προήλθε από αρχικό δείγμα όγκο 20 ml. Συνολικά καταμετρήθηκαν 250 πεδία από κάθε μόνιμο παρασκεύασμα και τα τελικά αποτελέσματα εκφράστηκαν σε αριθμό θυρίδων/κυβικό εκατοστό επιφάνειας. Για την καταμέτρηση χρησιμοποιήθηκε φωτονικό μικροσκοπίο Carl Zeiss σε μεγέθυνση x 1000, ενώ έγινε λήψη φωτογραφιών με ψηφιακή φωτογραφική μηχανή Cannon G7, ή διερευνήθηκε η λεπτή δομή τους με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM Jeol 235). Συνολικά αναλύθηκαν 216 δείγματα και καταμετρήθηκαν περισσότερες από 24.000 θυρίδες. Αναγνωρίστηκαν 91 γένη και 448 είδη διατόμων. Τα περισσότερα taxa ήταν σπάνια, με μόλις 284 taxa να συνεισφέρουν με άνω του 1% στην απόλυτη αφθονία.Από τη μελέτη των αβιοτικών παραμέτρων έγινε αντιληπτό ότι υπάρχει άμεση συσχέτιση της βροχόπτωσης με τις συγκεντρώσεις θρεπτικών που καταλήγουν στα παράκτια ύδατα, και ότι αυτά επηρεάζονται άμεσα από τις αστικές και γεωργικές απορροές των παρακείμενων περιοχών. Περαιτέρω, τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι η αφθονία και η βιομάζα της βιοκοινότητας ανταποκρίνονται στις αλλαγές των θρεπτικών που προκαλούνται από τις ανθρώπινες δραστηριότητες (άζωτο, φώσφορο) με καθυστέρηση 2-4 εβδομάδων.Τα αποτελέσματα της διατριβής υποδεικνύουν ότι οι μεταβολές των συγκεντρώσεων του διαλυμένου ανόργανου αζώτου (DIN) που προκαλούνται από ανθρωπογενείς δραστηριότητες, διαμορφώνουν τη σύνθεση της βιοκοινότητας των βενθικών διατόμων πρωτίστως χωρικά επηρεάζοντας την αφθονία, βιομάζα και ποικιλότητα των ειδών. Τα χαρακτηριστικά αυτά των κοινοτήτων των βενθικών διατόμων είναι ευαίσθητα (δευτερογενώς) σε χρονικές/εποχικές διακυμάνσεις λόγω άλλων περιβαλλοντικών παραμέτρων (θερμοκρασία, διαλυμένο οξυγόνο, pH, κ.α.) που επηρεάζουν τη σύνθεση της βιοκοινότητας αλλά σε μικρότερο βαθμό. Οι συγκεντρώσεις του αζώτου υποδεικνύουν ισχυρή συσχέτιση με συγκεκριμένα είδη και γένη διατόμων, γεγονός που υποδηλώνει ότι τα taxa αυτά θα μπορούσαν να αποτελέσουν βιοδείκτες ευτροφισμού, από ανθρωπογενείς δραστηριότητες, σε παράκτια ολιγοτροφικά οικοσυστήματα. Συγκεκριμένα, 37 είδη διατόμων παρουσίασαν θετική συσχέτιση με το άζωτο (εκ των οποίων 6 είδη Cocconeis και 4 είδη Tryblionella) ενώ 4 είδη παρουσίασαν αρνητική συσχέτιση με το άζωτο εκ των οποίων 2 είδη του γένους Mastogloia. Τα είδη που παρουσίασαν θετική συσχέτιση με DIN ήταν χαρακτηριστικά είδη του σταθμού S3 (Σκαραμαγκάς), ο οποίος παρουσίασε τις υψηλότερες τιμές DIN καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους. Τα είδη που παρουσίασαν αρνητική συσχέτιση με DIN, ήταν χαρακτηριστικά στον σταθμό 1 (Σούνιο), ο οποίος παρουσιάζεται ως ο λιγότερο επιβαρυμένος (σταθμός αναφοράς). Ειδικότερα τα είδη του γένους Mastogloia παρουσίασαν τις υψηλότερες συγκεντρώσεις τους κατά τους θερινούς και φθινοπωρινούς μήνες όπου οι συγκεντρώσεις DIN ήταν χαμηλότερες. Φαίνεται ότι η μελέτη των κοινοτήτων των βενθικών διατόμων θα μπορούσε να προσφέρει λεπτομερέστερη χωρική ανάλυση του παράκτιου ευτροφισμού σε σύγκριση με τις παραδοσιακές προσεγγίσεις, όπως η βιομάζα του φυτοπλαγκτού και η ποικιλότητα. Προτείνουμε τη χρήση της ολικής αφθονίας, καθώς και τις αφθονίες των γενών Cocconeis και Trybillonella ως αξιόπιστους δείκτες ευτροφισμού από εμπλουτισμό θρεπτικών συστατικών σε ολιγοτροφικά συστήματα. Το γένος Mastogloia μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δείκτης χαμηλών συγκεντρώσεων θρεπτικών σε μη διαταραγμένες περιοχές. Η μελέτη αυτή είναι η πρώτη που υποδεικνύει τη σημασία αυτών των γενών/ειδών στην ανίχνευση τοπικών σημείων εμπλουτισμού (hot points) θρεπτικών ουσιών και παρθένων συνθηκών (pristine areas) στο θαλάσσιο παράκτιο οικοσύστημα. Θα ήταν ενδιαφέρον επίσης οι μελλοντικές έρευνες να επικεντρωθούν περαιτέρω στην αυτοοικολογία των ειδών αυτών.