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Assessment of diatom assemblage responses to an alkalinity enhancement experiment in the Ria Formosa saltmarsh
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Authors
Abstract(s)
O aquecimento climático é um dos maiores desafios que a humanidade enfrentará nos próximos anos, sendo impulsionado principalmente pelos gases de efeito estufa, como o dióxido de carbono (CO₂), que absorvem a radiação solar refletida e retêm calor. A concentração de CO₂ na atmosfera aumentou drasticamente desde a revolução industrial, levando ao aumento das temperaturas globais, mudanças nos padrões climáticos e inúmeros impactos nos ecossistemas e sociedades humanas. Para enfrentar estes desafios, estão a ser desenvolvidas estratégias modernas de remoção de dióxido de carbono (CDR). Uma abordagem promissora é o aumento da alcalinidade oceânica (OAE), que utiliza o intemperismo de rochas e minerais máficos para aumentar a capacidade do oceano de absorver e armazenar CO₂ atmosférico, mitigando, assim, a acidificação oceânica e promovendo o sequestro de carbono a longo prazo. Este processo envolve a dissolução de minerais silicatados compostos principalmente por magnésio, cálcio e ferro, que reagem com o CO₂ para formar iões bicarbonato estáveis.
Embora os benefícios químicos do OAE sejam promissores, estes materiais são estranhos aos ecossistemas naturais e podem ter impactos ecológicos, geoquímicos e biológicos. Por exemplo, a olivina contém quantidades traço de níquel, que, em concentrações suficientemente elevadas, já demonstrou ser prejudicial para organismos marinhos, como fitoplâncton e zooplâncton. Consequentemente, é fundamental avaliar estes potenciais impactos para reduzir os riscos ambientais. Embora estudos laboratoriais tenham testado amplamente o OAE, avaliações em campo são essenciais para validar os resultados laboratoriais em ecossistemas reais e compreender como a variabilidade natural e os fatores ambientais podem influenciar os resultados. Os potenciais benefícios do OAE devem ser equilibrados com os riscos ecológicos, e este equilíbrio é particularmente importante ao considerar ecossistemas costeiros frágeis, como os sapais.
Este estudo faz parte do projeto RECAP (REduce atmospheric Carbon by Alkalinity Enhancement in intertidal environments: Potential and impacts), que investiga o uso de dois materiais silicatados, olivina e basalto, para o OAE, a fim de capturar CO₂ da atmosfera (Mendes et al., 2023). A área de estudo é a Ria Formosa, numa zona de sapal intertidal com marés semi-diurnas e um clima quente e seco durante a maior parte do ano. Os sapais estão entre os ecossistemas mais produtivos do mundo, com elevadas taxas de sequestro natural de carbono, tornando-os ideais para estudos in-sit de aumento da alcalinidade. Além da sua capacidade de sequestro de carbono, os sapais proporcionam importantes habitats para diversas espécies, incluindo peixes, aves e invertebrados, e desempenham um papel crucial na proteção das costas contra a erosão. Esta combinação única de produtividade e sensibilidade faz dos sapais um excelente campo de testes para avaliar os impactos ecológicos do OAE.
As diatomáceas, produtores primários cruciais nos ecossistemas marinhos, desempenham um papel-chave no ciclo de nutrientes e na fixação de carbono. Elas formam a base de muitas teias alimentares marinhas e contribuem significativamente para o sequestro de carbono através da bomba biológica, um processo no qual o carbono orgânico produzido pelas diatomáceas afunda no fundo do oceano após a sua morte. A sua sensibilidade às mudanças ambientais torna-as excelentes bioindicadores para o estudo dos efeitos ecológicos do OAE. Compreender como as comunidades de diatomáceas respondem ao OAE é essencial para avaliar tanto as consequências ecológicas quanto os impactos mais amplos nas cadeias alimentares marinhas e no ciclo de carbono. Experiências laboratoriais já demonstraram que as populações de diatomáceas aumentam em resposta à disponibilidade de silício e ferro provenientes do intemperismo de silicatos, embora isso dependa das condições ambientais específicas. No entanto, as investigações sobre as respostas das associações de diatomáceas à olivina e ao basalto em ambientes naturais são escassas, particularmente em ecossistemas diversos e dinâmicos como os sapais.
O objetivo deste estudo foi avaliar o impacto de dois tamanhos de grão de olivina e de basalto nas associações de diatomáceas móveis vivas no sapal da Ria Formosa ao longo de sete meses. A experiência foi desenhada para avaliar como diferentes tratamentos de materiais silicatados afetam as comunidades de diatomáceas e a relação entre as respostas biológicas e os parâmetros ambientais. As respostas das comunidades de diatomáceas foram avaliadas através da contagem e classificação das espécies, cálculo das concentrações, diversidade e equitatibilidade. Estes parâmetros biológicos foram depois relacionados com fatores físico-químicos da água superficial, tais como pH, oxigénio dissolvido, salinidade, temperatura e alcalinidade. A amostragem decorreu em três momentos: setembro de 2022, dezembro de 2022 e março de 2023 (15 amostras no total), captando padrões sazonais de clima e sucessão. Cada evento de amostragem incluiu cinco tratamentos: um controlo, olivina fina (OF), olivina grosseira (OG), basalto fino (BF) e basalto grosseiro (BG). Ao incluir tamanhos de grão fino e grosseiro, o estudo procurou capturar possíveis diferenças nas taxas de intemperismo e efeitos biológicos devido à área reativa disponível para reações químicas.
Técnicas multivariadas, incluindo a análise de clusters hierárquicos, análise de componentes principais (PCA), análise de componentes descentrados (DCA) e análise de redundância canónica (RDA), foram usadas para explorar a relação entre variáveis ambientais e a estrutura da comunidade de diatomáceas. Estas abordagens estatísticas permitiram uma compreensão abrangente de como as mudanças na química da água superficial, como o aumento da alcalinidade, poderiam influenciar as associações de diatomáceas ao longo do tempo. Com base na literatura, esperava-se que a olivina mostrasse mudanças mais cedo do que o basalto devido à sua taxa de dissolução mais rápida. Embora o basalto tenha um maior teor de cálcio e ferro, e menor de magnésio comparado à olivina, os efeitos dessas mudanças na composição química sobre as diatomáceas e outros organismos ainda não estão claros na literatura, pois poucos estudos abordaram este aspeto do OAE em ecossistemas naturais. Esperava-se que os tamanhos de grão mais finos se intemperizassem mais rapidamente devido à sua maior área reativa, potencialmente levando a mudanças mais rápidas na composição e abundância das comunidades de diatomáceas.
Os resultados revelaram que o tratamento BF teve o menor impacto na estrutura e composição das comunidades de diatomáceas, mantendo, no entanto, uma alcalinidade mais elevada em março (2.592 mM) do que o controlo (2.520 mM) e o BG (2.491 mM). Houve mudanças mínimas nas concentrações, diversidade e composição das espécies sob o tratamento BF, sugerindo que o basalto pode ser um material menos disruptivo para o OAE neste ecossistema. Em contraste, o tratamento BG foi o que mais se aproximou do controlo em termos de espécies dominantes em dezembro e março, embora a análise DCA tenha revelado mudanças significativas nas espécies não dominantes, indicando que, embora as principais espécies fossem estáveis, estavam a ocorrer mudanças mais subtis na composição da comunidade. Isto sugere que até pequenas alterações nas condições ambientais podem levar a alterações nas espécies menos abundantes, o que pode ter consequências ecológicas a longo prazo.
O tratamento OF mostrou o maior impacto na composição das espécies, com este efeito a tornar-se mais pronunciado ao longo do tempo, acompanhado de uma diminuição nas concentrações de diatomáceas em comparação com o controlo. Isto sugere que a olivina de grão fino pode causar maior perturbação nas comunidades de diatomáceas, possivelmente devido às taxas de dissolução mais rápidas e às mudanças associadas na química da água. O tratamento OG teve o impacto mais substancial na estrutura da comunidade de diatomáceas, com aumentos significativos nas concentrações e reduções na diversidade. Este efeito coincidiu com grandes mudanças na composição das espécies, conforme demonstrado pela DCA, embora estas mudanças parecessem diminuir até março. As perturbações iniciais podem ter sido moderadas ao longo do tempo à medida que o sistema se ajustava às novas condições ambientais. Estas descobertas destacam a necessidade de estudos a longo prazo para determinar se as mudanças nas comunidades são temporárias ou permanentes. Investigando o conteúdo de nutrientes e metais, juntamente com a composição da macrofauna e flora, ajudaria a esclarecer quais os aspetos dos materiais silicáticos que estão a causar as mudanças observadas. Incluir parâmetros físico-químicos da água intersticial poderia melhorar a relevância dos resultados da RDA, fornecendo uma melhor compreensão do ambiente das diatomáceas bentónicas. Além disso, examinar os efeitos em outros níveis tróficos poderia esclarecer os impactos ecológicos mais amplos não capturados neste estudo.
Finalmente, é crucial expandir estas descobertas para além dos ecossistemas de sapal para avaliar os potenciais impactos do OAE em outros ambientes marinhos. Esta pesquisa oferece informações valiosas sobre como diferentes tamanhos de grão de olivina e basalto influenciam as comunidades de diatomáceas, com implicações mais amplas para o ciclo de carbono.
Ocean alkalinity enhancement (OAE) is a novel approach to reducing atmospheric CO₂ by enhancing the carbon sequestration capacity of seawater through the weathering of mafic rocks and minerals. While laboratory research has extensively explored this, field tests under natural conditions are still limited. This study forms part of project REduce atmospheric Carbon by Alkalinity Enhancement in intertidal environments: Potential and impacts, which investigates the use of two silicate substrates, olivine and basalt, for OAE as a measure to capture CO₂ from the atmosphere. The current study aimed to assess the impact of olivine and basalt on assemblages of living motile diatoms in the Ria Formosa salt marsh over seven months. Diatom community responses were assessed through species counting, classification, and specific responses, to then calculate concentrations and diversity. These biological parameters were then related to key surface water physiochemical factors, such as pH, dissolved oxygen, salinity, temperature, and alkalinity. Sampling started in 2022 and included the months of September, December, and March 2023 (15 samples in total). Each sampling event included five conditions: a control, olivine fine (OF), olivine coarse (OC), basalt fine (BF), and basalt coarse (BC). The data was analysed using multivariate techniques, including hierarchical clusters, principal component analysis (PCA), detrended component analysis (DCA), and canonical redundancy analysis (RDA). Results revealed that the BF treatment had the least impact on diatom community structure and composition compared to the control scenario. Conversely OF had the largest impacts on species composition. Future work should consider the reactions by the diatom community over a longer time scale to determine the recovery potential of the system to these changes. These findings provide insights into the role of different grain sizes of olivine and basalt in shaping diatom communities and broader implications for carbon cycling and ecosystem processes in saltmarsh systems.
Ocean alkalinity enhancement (OAE) is a novel approach to reducing atmospheric CO₂ by enhancing the carbon sequestration capacity of seawater through the weathering of mafic rocks and minerals. While laboratory research has extensively explored this, field tests under natural conditions are still limited. This study forms part of project REduce atmospheric Carbon by Alkalinity Enhancement in intertidal environments: Potential and impacts, which investigates the use of two silicate substrates, olivine and basalt, for OAE as a measure to capture CO₂ from the atmosphere. The current study aimed to assess the impact of olivine and basalt on assemblages of living motile diatoms in the Ria Formosa salt marsh over seven months. Diatom community responses were assessed through species counting, classification, and specific responses, to then calculate concentrations and diversity. These biological parameters were then related to key surface water physiochemical factors, such as pH, dissolved oxygen, salinity, temperature, and alkalinity. Sampling started in 2022 and included the months of September, December, and March 2023 (15 samples in total). Each sampling event included five conditions: a control, olivine fine (OF), olivine coarse (OC), basalt fine (BF), and basalt coarse (BC). The data was analysed using multivariate techniques, including hierarchical clusters, principal component analysis (PCA), detrended component analysis (DCA), and canonical redundancy analysis (RDA). Results revealed that the BF treatment had the least impact on diatom community structure and composition compared to the control scenario. Conversely OF had the largest impacts on species composition. Future work should consider the reactions by the diatom community over a longer time scale to determine the recovery potential of the system to these changes. These findings provide insights into the role of different grain sizes of olivine and basalt in shaping diatom communities and broader implications for carbon cycling and ecosystem processes in saltmarsh systems.
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Keywords
Assemblage Alkalinity Saltmarsh Ria Formosa