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Publication
Assessing the potential for resilience towards marine heatwaves and artificial light at night in kelp species
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Advisor(s)
Abstract(s)
Identifying adaptive or mitigating solutions for climate change is especially important for high conservation value ecosystems, such as kelp forests. The effects of Marine Heatwaves (MHWs), short-term increased temperature events, on the physiology of such organisms have been greatly overlooked when addressing thermal stress impacts, with a greater attention given to ocean warming. By testing the combined effect of heatwaves and ocean acidification, it has been demonstrated that the extra Carbon source helped organisms on their resilience to the thermal stressor, yet the effect extra light sources could have has never been analysed. In this study the combined effect of MHWs (+3ºC) and Artificial Light at Night (ALAN) (24hlight-0h dark), exposure was tested on the photosynthetic parameters (Fv, Fv/Fm, ETRm and Alfa), growth and respiration (R) rates and C/N tissue ratio of the species Laminaria digitata. A 14-day MHW simulation was performed followed by a 10-day recovery period, in short term mesocosm experiments at the Plymouth Marine Laboratory. A “collapsed factorial design”, was used with “SW Temperature” set as the main driver and “Light availability nested within SW Temperature” as the secondary one. As expected MHW alone caused significant negative impacts on growth and C/N tissue ratios, with organisms presenting the lowest rates, even in the recovery period, while it increased their fluorescence responses, with the highest’s values of Fv and Fv/FM observed only during the exposure period. On the other hand, MHW combined with ALAN treatments showed the highest values of growth and C/N ratios, while presenting the lowest values of Alfa, due to down regulations of light consumption mechanisms. It was concluded that by exposing organisms to ALAN this could help them on their resilience to MHW events, by enhancing their carbon fixation rates, and hence producing the extra amount of energy necessary to withstand the thermal stressor.
No atual contexto das mudanças ambientais observadas a nível global, compreender o seu impacto para os ecossistemas tornou-se o principal foco da comunidade científica. Identificar soluções que levem à adaptação e mitigação dos efeitos causados pelas alterações climáticas é de especial importância tendo em conta ecossistemas de alto valor de conservação. Dentro deste grupo, algas marinhas, onde florestas de “Kelps” estão incluídas, desempenham um importante papel, sendo dos organismos marinhos fotossintéticos com maiores taxas de produção primária, atuando como “engenheiros ecossistémicos” e importantes sequestradores de carbono azul e servindo de abrigo para uma enorme diversidade de organismos marinhos, em variadas zonas costeiras. No entanto, tendo em conta a dependência direta de condições de temperatura baixas a moderadas observada para estes organismos, a maior parte dos estudos realizados neste contexto tendem a dar uma maior ênfase aos efeitos causados pelo aumento de temperatura a nível global, o aquecimento progressivo dos oceanos. Deixando assim de lado eventos locais e temporários de aquecimento das águas denominados “Ondas de Calor Marinhas” (no inglês “Marine Heatwaves”), que acabam por receber menor atenção por parte dos investigadores. Ondas de Calor Marinhas constituem eventos locais de águas anomalamente quentes, podendo resultar de processos de escalas temporais e espaciais variadas. Os seus impactos já foram demonstrados para uma série de organismos marinhos, incluindo florestas de kelps, no entanto, maioritariamente de um ponto de vista ecológico, com abordagens a nível dos efeitos fisiológicos causados nos indivíduos ainda bastante limitadas. Com o aumento da frequência de ocorrência e intensidade das ondas de calor observadas atualmente e previstas no futuro, torna-se imprescindível compreender melhor a dinâmica destes efeitos nos organismos e a respetiva capacidade de resiliência. Embora limitados, alguns estudos já realizaram tal abordagem, simulando condições de ondas de calor em ambientes controlados, observando o seu efeito isolado e, em alguns casos, combinado com outras pressões ambientais. Em estudos simulando a exposição a ondas de calor e níveis elevados de CO2-acidificação dos oceanos- por exemplo, foi observado que ao invés de atuar como uma fonte adicional de stress fisiológico, as condições de elevada concentração de CO2 aumentaram a resiliência dos organismos perante o stress térmico. No entanto nenhuma abordagem foi feita até agora explorando o mesmo contexto em relação a condições de elevada disponibilidade de luz. Desempenhando um papel igualmente importante ao do carbono inorgânico na fotossíntese, a intensidade e disponibilidade da luz, influenciam diretamente toda a atividade fotossintética dos organismos e, consequentemente, a sua sobrevivência. Embora a luz solar seja a fonte principal de luz usada por estes organismos, a luz artificial é também uma fonte opcional, e, neste contexto, o uso de Luz Artificial Noturna (em inglês “Artificial Light at Night”) ganha particular atenção. Com uma crescente atenção por parte da comunidade científica, o estudo da Luz Artificial Noturna tem ganho particular ênfase tendo em conta os seus efeitos em animais marinhos, negligenciando em parte os seus potenciais efeitos em organismos marinhos fotossintéticos, como nas macroalgas. Neste estudo o efeito combinado de Ondas de Calor (+3ºC) e Luz Artificial Noturna (24h claro-0h escuro), foi testado nos parâmetros fotossintéticos (Fv, Fv/Fm, ETRm e Alfa), taxas de crescimento e respiração (R) e razão percentual de C/N (Carbono por Azoto) nos tecidos da espécie Laminaria digitata. Foram simulados 14 dias de Ondas de Calor, seguidas por um período de recuperação de 10 dias, em experiências de curto prazo em mesocosmo no Plymouth Marine Laboratory (“PML”, Reino Unido). A experiência foi realizada no Inverno de 2022 e o desenho experimental foi definido como um “collapsed factorial design”, assim como sugerido por investigadores para diminuir o número de tratamentos e aumentar a possibilidade de replicados em estudos de múltiplos fatores. Foi definida a “Temperatura da água” como o fator principal e a “Disponibilidade de Luz aninhada dentro da Temperatura da água” como fator o secundário, tendo-se assim implementado dois tratamentos distintos: organismos expostos à onda de calor isolada e organismos expostos à onda de calor em combinação com a luz artificial noturna, além dos controlos expostos às condições ambientais de temperatura e luz. Como esperado, a exposição à Onda de Calor isolada causou impactos negativos significativos no crescimento e na relação tecidual de C/N dos organismos. Nesses tratamentos, valores mais baixos foram observados para estes parâmetros, estendendo-se ainda durante período de recuperação. O fator também causou o aumento da fluorescência dos organismos, com maiores valores de Fv e Fv/FM observados, embora apenas durante o período de exposição ao evento. Por outro lado, os tratamentos de Onda de Calor combinada com Luz Artificial Noturna, apresentaram os maiores valores de crescimento e razão C/N, enquanto observando-se os menores valores de Alfa, devido à regulação negativa dos mecanismos de consumo de luz. Para a maior parte dos parâmetros estudados foi observado um efeito apenas do fator “Disponibilidade de Luz aninhada dentro da Temperatura da água”, com a exceção do ETRm, onde não se observou efeito significativo de nenhum fator e de Fv/Fm, onde efeitos da “Temperatura da água” foram também observados. Concluiu-se então que, ao expor organismos de Kelp à Luz Artificial Noturna, a fonte adicional de energia luminosa pode contribuir para a sua maior resiliência a eventos de Ondas de Calor, aumentando a sua atividade fotossintética e fixação de carbono, e, portanto, produzindo a quantidade de energia necessária para suportar a pressão térmica. Esta descoberta é de extrema importância tendo em conta todos os serviços ecológicos e económicos prestados por florestas de Kelp, e outras algas marinhas. Ao identificar formas de aumentar a resiliência destes organismos às diferentes formas de pressão ambiental causados pelas alterações climáticas, contribui-se para o conhecimento de possíveis formas para melhorar a sua gestão, conservação e restauração. Em sequência, diminui-se também o impacto causado à diversidade de comunidades que estes ecossistemas abrigam e a toda sua teia trófica. Tal abordagem é também de grande interesse para indústrias de produção de florestas de Kelp. Particularmente para grandes produtores como a China, onde grandes números de eventos de ondas de calor são registados atualmente e previstos no futuro com o avanço das alterações climáticas, formas de mitigar os seus efeitos torna-se imprescindível.
No atual contexto das mudanças ambientais observadas a nível global, compreender o seu impacto para os ecossistemas tornou-se o principal foco da comunidade científica. Identificar soluções que levem à adaptação e mitigação dos efeitos causados pelas alterações climáticas é de especial importância tendo em conta ecossistemas de alto valor de conservação. Dentro deste grupo, algas marinhas, onde florestas de “Kelps” estão incluídas, desempenham um importante papel, sendo dos organismos marinhos fotossintéticos com maiores taxas de produção primária, atuando como “engenheiros ecossistémicos” e importantes sequestradores de carbono azul e servindo de abrigo para uma enorme diversidade de organismos marinhos, em variadas zonas costeiras. No entanto, tendo em conta a dependência direta de condições de temperatura baixas a moderadas observada para estes organismos, a maior parte dos estudos realizados neste contexto tendem a dar uma maior ênfase aos efeitos causados pelo aumento de temperatura a nível global, o aquecimento progressivo dos oceanos. Deixando assim de lado eventos locais e temporários de aquecimento das águas denominados “Ondas de Calor Marinhas” (no inglês “Marine Heatwaves”), que acabam por receber menor atenção por parte dos investigadores. Ondas de Calor Marinhas constituem eventos locais de águas anomalamente quentes, podendo resultar de processos de escalas temporais e espaciais variadas. Os seus impactos já foram demonstrados para uma série de organismos marinhos, incluindo florestas de kelps, no entanto, maioritariamente de um ponto de vista ecológico, com abordagens a nível dos efeitos fisiológicos causados nos indivíduos ainda bastante limitadas. Com o aumento da frequência de ocorrência e intensidade das ondas de calor observadas atualmente e previstas no futuro, torna-se imprescindível compreender melhor a dinâmica destes efeitos nos organismos e a respetiva capacidade de resiliência. Embora limitados, alguns estudos já realizaram tal abordagem, simulando condições de ondas de calor em ambientes controlados, observando o seu efeito isolado e, em alguns casos, combinado com outras pressões ambientais. Em estudos simulando a exposição a ondas de calor e níveis elevados de CO2-acidificação dos oceanos- por exemplo, foi observado que ao invés de atuar como uma fonte adicional de stress fisiológico, as condições de elevada concentração de CO2 aumentaram a resiliência dos organismos perante o stress térmico. No entanto nenhuma abordagem foi feita até agora explorando o mesmo contexto em relação a condições de elevada disponibilidade de luz. Desempenhando um papel igualmente importante ao do carbono inorgânico na fotossíntese, a intensidade e disponibilidade da luz, influenciam diretamente toda a atividade fotossintética dos organismos e, consequentemente, a sua sobrevivência. Embora a luz solar seja a fonte principal de luz usada por estes organismos, a luz artificial é também uma fonte opcional, e, neste contexto, o uso de Luz Artificial Noturna (em inglês “Artificial Light at Night”) ganha particular atenção. Com uma crescente atenção por parte da comunidade científica, o estudo da Luz Artificial Noturna tem ganho particular ênfase tendo em conta os seus efeitos em animais marinhos, negligenciando em parte os seus potenciais efeitos em organismos marinhos fotossintéticos, como nas macroalgas. Neste estudo o efeito combinado de Ondas de Calor (+3ºC) e Luz Artificial Noturna (24h claro-0h escuro), foi testado nos parâmetros fotossintéticos (Fv, Fv/Fm, ETRm e Alfa), taxas de crescimento e respiração (R) e razão percentual de C/N (Carbono por Azoto) nos tecidos da espécie Laminaria digitata. Foram simulados 14 dias de Ondas de Calor, seguidas por um período de recuperação de 10 dias, em experiências de curto prazo em mesocosmo no Plymouth Marine Laboratory (“PML”, Reino Unido). A experiência foi realizada no Inverno de 2022 e o desenho experimental foi definido como um “collapsed factorial design”, assim como sugerido por investigadores para diminuir o número de tratamentos e aumentar a possibilidade de replicados em estudos de múltiplos fatores. Foi definida a “Temperatura da água” como o fator principal e a “Disponibilidade de Luz aninhada dentro da Temperatura da água” como fator o secundário, tendo-se assim implementado dois tratamentos distintos: organismos expostos à onda de calor isolada e organismos expostos à onda de calor em combinação com a luz artificial noturna, além dos controlos expostos às condições ambientais de temperatura e luz. Como esperado, a exposição à Onda de Calor isolada causou impactos negativos significativos no crescimento e na relação tecidual de C/N dos organismos. Nesses tratamentos, valores mais baixos foram observados para estes parâmetros, estendendo-se ainda durante período de recuperação. O fator também causou o aumento da fluorescência dos organismos, com maiores valores de Fv e Fv/FM observados, embora apenas durante o período de exposição ao evento. Por outro lado, os tratamentos de Onda de Calor combinada com Luz Artificial Noturna, apresentaram os maiores valores de crescimento e razão C/N, enquanto observando-se os menores valores de Alfa, devido à regulação negativa dos mecanismos de consumo de luz. Para a maior parte dos parâmetros estudados foi observado um efeito apenas do fator “Disponibilidade de Luz aninhada dentro da Temperatura da água”, com a exceção do ETRm, onde não se observou efeito significativo de nenhum fator e de Fv/Fm, onde efeitos da “Temperatura da água” foram também observados. Concluiu-se então que, ao expor organismos de Kelp à Luz Artificial Noturna, a fonte adicional de energia luminosa pode contribuir para a sua maior resiliência a eventos de Ondas de Calor, aumentando a sua atividade fotossintética e fixação de carbono, e, portanto, produzindo a quantidade de energia necessária para suportar a pressão térmica. Esta descoberta é de extrema importância tendo em conta todos os serviços ecológicos e económicos prestados por florestas de Kelp, e outras algas marinhas. Ao identificar formas de aumentar a resiliência destes organismos às diferentes formas de pressão ambiental causados pelas alterações climáticas, contribui-se para o conhecimento de possíveis formas para melhorar a sua gestão, conservação e restauração. Em sequência, diminui-se também o impacto causado à diversidade de comunidades que estes ecossistemas abrigam e a toda sua teia trófica. Tal abordagem é também de grande interesse para indústrias de produção de florestas de Kelp. Particularmente para grandes produtores como a China, onde grandes números de eventos de ondas de calor são registados atualmente e previstos no futuro com o avanço das alterações climáticas, formas de mitigar os seus efeitos torna-se imprescindível.
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Keywords
Climate change Marine heatwaves ALAN Kelps Laminaria digitata Resilience