Τaxonomic and functional components of the planktonic food web (bacterioplankton, phytoplankton, zooplankton) in the urban sea front of Thessaloniki Bay under natural and experimental conditions

Abstract

The present dissertation’s aim is the investigation of the taxonomic and functional components of bacterioplankton, phytoplankton (pico-, nano-, micro-), protozooplankton (nano-, micro-) and the smallest size fraction of metazooplankton; in order to identify the drivers of the phytoplankton blooms in Thessaloniki Bay. The structural equation modelling, focusing on the top-down and bottom-up regulations, pointed out the size composition as significant for the plankton food web structuring. More specifically, the small-sized metazooplankton dominating in the study area, proved to be insufficient in controlling the phytoplankton abundance through grazing, based on the undetected negative pathways of copepods to the phytoplankton taxa responsible for the blooms, and the undetected resource flow between the phytoplankton and zooplankton communities according to the resource use efficiency estimations. These predator-prey mismatches result in ‘loopholes’, which the phytoplankton populations of Thessaloniki Bay can exploit and increase, further explaining the frequency of phytoplankton blooms. Moreover, the utilization of a smaller mesh size plankton net aiming to the collection of metazooplankton, revealed the presence and distribution patterns of non-indigenous species. The presence of the non-indigenous Pseudodiaptomus marinus was reported for the first time in Thessaloniki Bay, which is also its first record in the Hellenic Seas. Also, the temporal distribution of the already established Oithona davisae was studied, which was recognized as a significant contributor to the metazooplankton community of the study area and confirmed its thermophilic character, by exhibiting higher abundance during summer-autumn. To date, O. davisae exhibits balanced coexistence with the indigenous Oithona nana. Moreover, unknown biodiversity patterns within the metazooplankton community were recorded. These include the marine Rotifera, whose presence is overlooked in coastal environments. Four rotifers, all belonging to the Synchaeta genus, were encountered. Their temporal patterns were mainly driven by temperature; S. neapolitana was cold stenothermal, contrary to the thermophilic distribution pattern of S. baltica. Network analysis unveiled negative links among Synchaeta and filter-feeding taxa, suggesting potential competitive trophic interactions. Last, the responses of natural plankton communities of Thessaloniki Bay after the inputs of effluents originating from the open-loop exhaust gas cleaning systems (scrubbers) were investigated through mesocosm experiments. Overall, a non-significant change was documented in the low scrubber effluent treatments (LS; 1% concentration) compared to controls, contrary to the significant effects in terms of abundance and composition in the high scrubber effluent treatments (HS; 10% concentration). Thus, the dilution at LS, which is 20 times lower than the actual dilution in the open sea, did not have an acute effect on the natural bacterioplankton, phytoplankton and metazooplankton communities of Thessaloniki Bay. These findings emphasize the importance of examining the effects of open-loop effluents on the first responders in the marine environment, the plankton communities. By integrating multiple taxa responses, better understanding of the real environmental consequences resulting from scrubber effluent discharges is achieved, especially under the buffering effects of the bacterioplankton communities – reaching numbers up to 106 cells/mL – which enhance the resilience of natural communities against stressors.

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση των ταξινομικών και λειτουργικών μονάδων και ομάδων του βακτηριοπλαγκτού, φυτοπλαγκτού (πικο-, νανο-, μικρο-), πρωτοζωοπλαγκτού (νανο-, μικρο-) και του μικρότερου κλάσματος μεγέθους του μεταζωοπλαγκτού για τον προσδιορισμό των δυνάμεων υπεύθυνων για τις φυτοπλαγκτικές ανθίσεις στον Όρμο Θεσσαλονίκης. Η μοντελοποίηση δομικών εξισώσεων, εστιάζοντας στις σχέσεις από την κορυφή προς τη βάση και από τη βάση προς την κορυφή, επεσήμανε τη σημασία του μεγέθους στη δόμηση του τροφικού πλέγματος. Αναλυτικότερα, το μικρού μεγέθους μεταζωοπλαγκτό που κυριαρχεί, αποδείχθηκε ανεπαρκές στον έλεγχο της φυτοπλαγκτικής αφθονίας μέσω της βόσκησης, με βάση τις μη σημαντικές αρνητικές συσχετίσεις μεταξύ κωπηπόδων και φυτοπλαγκτικών τάξα που ευθύνονται για τις ανθίσεις, καθώς και στην απουσία ροής πόρων μεταξύ των κοινωνιών ζωοπλαγκτού και φυτοπλαγκτού σύμφωνα με τις εκτιμήσεις αποδοτικότητας χρήσης πόρων. Αυτές οι αναντιστοιχίες καταναλωτή-λείας έχουν ως αποτέλεσμα τη δημιουργία «κενών» που εκμεταλλεύονται οι φυτοπλαγκτικοί πληθυσμοί του Όρμου Θεσσαλονίκης για να αυξηθούν, γεγονός που εξηγεί περαιτέρω τη συχνότητα των ανθίσεων. Επιπλέον, η χρήση διχτυού με μικρό άνοιγμα ματιού για τη συλλογή μεταζωοπλαγκτού, αποκάλυψε την παρουσία και τα πρότυπα κατανομής ξενικών ειδών. Η παρουσία του ξενικού Pseudodiaptomus marinus καταγράφηκε για πρώτη φορά στον Όρμο Θεσσαλονίκης, αποτελώντας και την πρώτη καταγραφή του στις ελληνικές θάλασσες. Επίσης, διερευνήθηκε η χρονική διακύμανση του ήδη εγκατεστημένου Oithona davisae, το οποίο παρουσίασε σημαντική συμμετοχή στο σύνολο της μεταζωοπλαγκτικής αφθονίας και επιβεβαίωσε τον θερμόφιλο χαρακτήρα του, παρουσιάζοντας μεγαλύτερη αφθονία το καλοκαίρι-φθινόπωρο. Το O. davisae προς το παρόν συνυπάρχει με το αυτόχθονο Oithona nana. Επιπλέον, καταγράφηκαν άγνωστα πρότυπα ποικιλότητας στην μεταζωοπλαγκτική κοινωνία. Αυτά αφορούν τα θαλάσσια Rotifera, η παρουσία των οποίων υποεκτιμάται σε παράκτια περιβάλλοντα. Συνολικά, καταγράφηκαν τέσσερα Rotifera του γένος Synchaeta, τα χρονικά των οποίων επηρεάστηκαν κυρίως από τη θερμοκρασία καθώς το είδος S. neapolitana χαρακτηρίστηκε ως ψυχρόφιλο, σε αντίθεση με το θερμόφιλο S. baltica. Η ανάλυση δικτύου αποκάλυψε αρνητικές συσχετίσεις μεταξύ των ειδών Synchaeta και διηθηματοφάγων ζωοπλαγκτικών οργανισμών, υποδηλώνοντας πιθανές ανταγωνιστικές τροφικές αλληλεπιδράσεις. Τέλος, διερευνήθηκαν μέσω πειραμάτων μεσόκοσμου οι αποκρίσεις των φυσικών πλαγκτικών κοινωνιών του Όρμου Θεσσαλονίκης μετά την προσθήκη αποβλήτων πλυντρίδας που προέρχονται από τα συστήματα καθαρισμού καυσαερίων ανοιχτού βρόχου. Συμπερασματικά, στη συνθήκη χαμηλής συγκέντρωσης αποβλήτων πλυντρίδας (1%) καταγράφηκε μη στατιστικά σημαντική επίδραση στις πλαγκτικές κοινωνίες συγκριτικά με τη συνθήκη αναφοράς, σε αντίθεση με τις σημαντικές επιδράσεις που καταγράφηκαν σε επίπεδο ταξινομικής σύνθεσης και αφθονίας στη συνθήκη υψηλής συγκέντρωσης αποβλήτων πλυντρίδας (10%). Έτσι, η αραίωση στη συνθήκη με τη χαμηλή συγκέντρωση αποβλήτων, η οποία είναι 20 φορές μικρότερη από την πραγματική αραίωση στην ανοιχτή θάλασσα, δεν είχε αρνητική επίδραση στις φυσικές κοινότητες βακτηριοπλαγκτού, φυτοπλαγκτού και ζωοπλαγκτού του Όρμου Θεσσαλονίκης. Τα αποτελέσματα αυτά υπογραμμίζουν τη σημασία της διερεύνησης των επιπτώσεων των αποβλήτων πλυντρίδας στους άμεσα αποκρινόμενους οργανισμούς, τις πλαγκτικές κοινωνίες. Μέσω της διερεύνησης των αποκρίσεων πολλαπλών τάξα επιτυγχάνεται καλύτερη κατανόηση των πραγματικών περιβαλλοντικών συνεπειών που προκύπτουν από την απόρριψη των αποβλήτων πλυντρίδας, ειδικά κάτω από τις πιθανές ρυθμιστικές επιδράσεις των κοινωνιών βακτηριοπλαγκτού – φτάνοντας σε αφθονία έως και 106 κύτταρα/mL – που ενισχύουν την ανθεκτικότητα των φυσικών κοινωνιών έναντι στρεσογόνων παραγόντων.