A comprehensive review of existing and new methods and approaches to assess benthic ecosystem functions

Peña, Cecilia Vanessa Mendoza

http://hdl.handle.net/10400.1/26982

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78759 Thesis_CECILIA_PENA.pdf		2.11 MB	Adobe PDF	Download

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Authors

Peña, Cecilia Vanessa Mendoza

Advisor(s)

Castilho, Rita

Hinz, Hilmar

Abstract(s)

Nos últimos anos, tem havido um reconhecimento crescente da necessidade de aprimorar as metodologias para avaliar as funções dos ecossistemas bentónicos devido ao seu papel crítico na manutenção da biodiversidade marinha e da saúde dos ecossistemas. Avaliar essas funções é essencial para compreender a dinâmica dos ecossistemas, apoiar esforços de conservação e orientar a gestão de recursos. No entanto, a complexidade e variabilidade inerentes aos ambientes marinhos apresentam desafios significativos para o desenvolvimento de abordagens amplamente aplicáveis e padronizadas. Este estudo avalia três principais metodologias — abordagens baseadas em estrutura, processos e funções — cada uma oferecendo vantagens e limitações distintas na pesquisa ecológica marinha. As metodologias baseadas em estrutura, como a análise de características biológicas (BTA – Biological Trait Analysis), permitem perceber melhor as funções dos ecossistemas ao vincular características das espécies a processos ecológicos. A BTA concentra-se em caracterizar os componentes estruturais dos ecossistemas, incluindo a composição, abundância e características particulares das espécies, para inferir as suas contribuições relativamente às funções ecológicas. Ao examinar as relações entre as características funcionais das espécies e os processos que elas influenciam, a BTA contribui para a compreensão da biodiversidade e do funcionamento dos ecossistemas. No entanto, a padronização dos métodos baseados nas estruturas apresenta desafios significativos. A ampla gama de espécies e características requer um gasto de tempo considerável, colaboração e construção de consensos na comunidade científica para alcançar consistência nas definições das características, medições destas e na estratégia de tratamento de dados. A variabilidade dos dados e a subjectividade inerente complicam ainda mais os esforços para padronizar esses métodos. Apesar desses desafios, os métodos baseados na estrutura permanecem cruciais, especialmente quando medições diretas não estão disponíveis ou são impraticáveis. Eles fornecem uma ampla compreensão de como as espécies contribuem para as funções dos ecossistemas e são particularmente valiosos quando combinados com outras metodologias para alcançar um entendimento mais abrangente. A integração de métodos baseados em estrutura com outras abordagens, como metodologias baseadas em processos e funções, melhora sua utilidade e eficácia. Por exemplo, a incorporação de técnicas não invasivas, como análise de DNA ambiental (eDNA) ou monitoramento por vídeo subaquático, permite a colheita de dados de interações de espécies e composição da comunidade com distúrbio mínimo. Essa integração oferece novas oportunidades para monitorização de ecossistemas e fornece uma compreensão mais robusta dos mecanismos subjacentes que impulsionam os processos ecológicos observados. Além disso, a BTA pode ser aplicada a estruturas físicas criadas pelos organismos, como refúgios e recifes, servindo como proxies funcionais e ampliando sua aplicabilidade em diversos ambientes ecológicos. Esforços contínuos para harmonizar as definições das características e protocolos de recolha de dados ajudarão a melhorar a comparabilidade e a integração entre estudos, maximizando o potencial dos métodos baseados em estrutura na ecologia marinha. As metodologias baseadas em processos oferecem medições diretas de atividades dinâmicas dentro dos ecossistemas bentónicos, como filtração, bioturbação, produção primária e modificação de habitats. Esses métodos abrangem tanto técnicas visuais — como sistemas de vídeo remoto iscado subaquático (BRUVs - Baited Remote Underwater Video Systems), câmeras autónomas iscadas e imagens de perfil de sedimentos (SPI – sediment profile images) — quanto sistemas controlados, como incubações e mesocosmos, para fornecer dados altamente padronizados e comparáveis. As abordagens baseadas em processos beneficiam de protocolos estabelecidos e equipamentos padronizados, permitindo a coleta de dados confiáveis e reprodutíveis em vários estudos e regiões. Por exemplo, BRUVs e câmeras autónomas iscadas capturam efetivamente comportamentos de escavadores e interações de espécies, fornecendo dados de alta resolução com um mínimo viés provocado pelo observador. Da mesma forma, as câmeras SPI oferecem visualizações detalhadas da estratigrafia do sedimento e das atividades dos organismos bentónicos, como bioturbação e bioirrigação, tornando-as adequadas para monitoramento ecológico de longo prazo. Apesar de seu alto potencial de padronização, as metodologias baseadas em processos também enfrentam vários desafios, particularmente relacionados à complexidade operacional e analítica. O uso de ferramentas como remote operated vehicles (ROVs), autonomous underwater vehicle (AUVs) e câmeras SPI requer conhecimentos especializados, planeamento substancial e equipamentos sofisticados para garantir a recolha correcta de dados. Os custos associados a esses métodos — equipamentos, manutenção e análise de dados — podem ser proibitivos, especialmente em ambientes com recursos limitados, restringindo sua aplicação mais ampla. Além disso, embora os métodos baseados em processos forneçam medições diretas de funções específicas, estes podem não capturar todo o espectro de processos que contribuem para essas funções. Integrar metodologias baseadas em processos com abordagens baseadas na estrutura pode ajudar a superar essas limitações, proporcionando uma compreensão mais abrangente da dinâmica dos ecossistemas. Por exemplo, entender a composição de características das espécies observadas por meio de métodos visuais pode melhorar as interpretações de seus papéis ecológicos e contribuições. Esforços futuros devem-se concentrar em superar os desafios operacionais e relacionados aos custos associados a esses métodos, garantindo que sejam acessíveis a uma gama mais ampla de pesquisadores. As metodologias baseadas em funções, particularmente aquelas que utilizam câmaras de fluxo bentónicas (BFCs - Benthic Flux Chambers), oferecem os meios mais diretos e padronizados de avaliar as funções dos ecossistemas bentónicos. As BFCs medem diretamente resultados como ciclagem de nutrientes, estabilização de sedimentos e troca de gases, fornecendo dados de alta resolução essenciais para compreender a saúde e a dinâmica dos ecossistemas aquáticos. A principal vantagem das BFCs reside na sua capacidade de gerar observações in situ de sistemas relativamente não perturbados, preservando a integridade dos processos naturais e minimizando os vieses introduzidos por distúrbios amostrais. Essas câmaras demonstraram versatilidade em uma variedade de ambientes, desde habitats subtidais rasos até regiões de mar profundo, capturando processos biogeoquímicos críticos. No entanto, apesar de suas vantagens, os métodos baseados em funções, como as BFCs, ainda são subutilizados, especialmente em escalas temporais e espaciais mais amplas. Custos elevados, a necessidade de conhecimentos especializados e desafios logísticos associados à sua implantação limitam seu uso generalizado. Para expandir a aplicação das BFCs, esforços devem ser feitos para abordar essas barreiras, como o desenvolvimento de versões mais económicas desses instrumentos e o aproveitamento de avanços tecnológicos, como capacidades de transmissão remota de dados. Incentivar a integração das BFCs com métodos complementares, como abordagens baseadas em estrutura e processos, também pode melhorar o escopo e a profundidade das avaliações ecológicas, apoiando modelos preditivos mais robustos e estratégias de conservação eficazes. Olhando para o futuro, a investigação nesta área deve concentrar-se em ampliar a aplicação dessas ferramentas inovadoras, ao mesmo tempo em que promove colaborações interdisciplinares e parcerias para melhorar a comparabilidade dos dados em diferentes contextos. Ao integrar múltiplas metodologias, os investigadores podem capitalizar os pontos fortes de cada abordagem, proporcionando uma compreensão abrangente das funções dos ecossistemas. Essa abordagem integrada apoiará estratégias de conservação mais eficazes e decisões políticas, garantindo a preservação da biodiversidade marinha e da saúde dos ecossistemas.

Assessing benthic ecosystem functions requires methodologies that provide comprehensive, reliable, and standardized data across various settings. Structural-based methods, such as trait- based analysis (BTA), offer valuable insights into species' roles in ecosystem functioning but face challenges in standardization due to species and trait diversity. Process-based methods, including visual techniques like baited remote underwater video systems (BRUVs), autonomous baited camera landers, and sediment profile imaging (SPI) cameras, as well as controlled systems like incubations and mesocosms, deliver direct measurements with high standardization potential, although they are often constrained by operational complexity and costs. Function-based methodologies, such as benthic flux chambers (BFCs), enable precise measurements of ecosystem functions, such as nutrient cycling and gas exchange, but their broader application is limited by financial and logistical barriers. This study emphasizes the need for an integrated approach that combines these methodologies, leveraging their complementary strengths to improve the comprehensiveness and reliability of ecosystem assessments. Future research should prioritize expanding the use of innovative tools like BFCs, developing more cost-effective versions, and fostering interdisciplinary collaborations to enhance global data comparability and support conservation strategies. Such an integrated framework is crucial for generating high-quality data that inform policy decisions aimed at preserving marine biodiversity and ecosystem health.