Author(s): Santos, Joana Isabel Marques dos
Date: 2023
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10773/40239
Origin: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Subject(s): Freshwater ecosystems; Macroinvertebrate communities; Ecological status; Mediterranean streams; Water scarcity; Environmental gradient; Functional traits
Water is recognised as an essential natural resource, providing key ecosystem services for humans and being a vital support for aquatic life. However, freshwater biodiversity is declining due to conflicts with human activities. In this scope, capable monitoring tools and assessment frameworks are needed to adequately support the conservation of freshwater ecosystems and, in the European case, to comply with the goals of the EU Water Framework Directive (WFD). This need is heightened under climate change, which exacerbates and confounds other key stressors (e.g. chemical pollutants). Rivers from the Mediterranean region are particularly vulnerable to water scarcity and intermittency, which are constitutive (in dryer areas) but have also been increasing in frequency or intensity in the last decades. Stemming from this, the main aim of this Thesis was to assess the effects of water scarcity in aquatic communities across a climatic and water availability gradient, and how this is reflected in the overall ecological status of freshwaters, using benthic macroinvertebrates as a sensitive proxy. To do so, this work intended to understand how various environmental datasets (climatic, hydromorphological and physicochemical) shape macroinvertebrate communities – structurally and functionally – and explain the ecological variation between regions. Also, this study reflects on the accuracy of the WFD bioassessment scheme to evaluate the effects of multiple stressors, including water scarcity, and identifies directions for the improvement of the current toolbox. Prompted by the issues raised by the scientific community involving the ecological evaluation of freshwaters, we initially developed a reflection on how the WFD bioassessment is performed and how it can be improved to face current challenges imposed to riverine communities, including those driven by climate change. Despite the irrefutable importance of the WFD in the evaluation of freshwater ecosystems in Europe, its standard assessment scheme should be re-assessed and new avenues should be explored towards higher effectiveness. This was done by exploring the existing literature on the WFD bioassessment scheme for rivers and reviewing improvements that have been suggested by the scientific community. Following that, a conceptual scheme for an improved bioassessment was built, consisting of a tiered approach of increasing complexity and spatial resolution that includes expert judgement in all decision phases. A chapter of this Thesis is devoted to this retrospective and prospective assessment. Given the current scenario of global climate change and the increasing occurrence of extreme phenomena, we conducted a survey on benthic macroinvertebrate communities and ecological status of a set of small streams from three Portuguese regions (Regions C, N and S) featuring distinct climatic and water availability scenarios. Within each region, sampling sites were chosen in locations that are prone to suffer intermittency periods. The sampling period was preceded by an unusually long drought period in 2017, with different degrees of severity according to the region. Sampling of macroinvertebrate communities took place in the Spring of 2018 (in the aftermath of the 2017 extreme drought) and 2019 (when precipitation was closer to the norm). Data from this extensive field and laboratory work delivered three chapters included in this Thesis. Through the comparison of the communities of the regions in one single year (2019), environmental and biotic gradients among regions were clearly identified. Region C was found to be the wettest and S was the driest, with Region N occupying an intermediate position. Also, there was overall higher ecological quality in Region C than in Regions N and S. This data highlighted the shared influence of the three environmental components (climate, hydromorphology and physicochemistry) in the modulation of macroinvertebrate community structure. Then, we compared the communities and their bioindicator value between 2018 and 2019. Despite the background differences, data showed consistent environmental and ecological gradients in both years and, once again, the separation between Region C (wettest) and S (driest) and the intermediate position of Region N. Region C remained the one with overall better ecological quality. The absence of marked differences between years with different water availability history suggested that macroinvertebrates may present some degree of adaption or resilience to stressful flow fluctuations; alternatively, this may translate incomplete recovery of these communities from the 2017 impacts. Finally, a trait-based approach was applied to the biological dataset of the three regions in both years, in an effort to understand if the previously detected regional differences translated into distinct functional features of the macroinvertebrate communities. Functional richness was higher in Region C (the less affect by water scarcity), opposing Region S (with more intermittency), indicating coherence between taxonomical and functional approaches. Importantly, loss of functional diversity was noticed in water-stressed regions, but long term data are missing to assess whether this reflects local adaptation of macroinvertebrate communities to constitutive ecosystem features or rather reflects drought effects.
A água é reconhecida como um recurso natural essencial, que fornece serviços de ecossistema essenciais para a vida humana e serve de suporte vital à vida aquática. No entanto, a biodiversidade de água doce está em declínio devido aos conflitos com as atividades humanas. Neste âmbito, são necessárias ferramentas de monitorização eficientes e um quadro de avaliação que suportem adequadamente a conservação dos ecossistemas aquáticos e, no caso Europeu, que promovam o cumprimento dos objetivos da Directiva Quadro da Água (DQA). Esta necessidade é agravada pelas alterações climáticas, que exacerbam e mascaram outros fatores de stress importantes (e.g. contaminação química). Os rios da região Mediterrânica são particularmente vulneráveis à escassez de água e intermitência, que são constitutivas (em zonas mais áridas) mas que também têm aumentado de frequência ou intensidade nas últimas décadas. Decorrente disto, o objetivo principal desta Tese foi avaliar os efeitos da escassez de água em comunidades aquáticas ao longo de um gradiente climático e de disponibilidade de água, e de que forma isso se reflete no estado ecológico geral das águas doces, usando macroinvertebrados bênticos como um indicador sensível. Para tal, este trabalho pretendeu entender como vários conjuntos de dados ambientais (climáticos, hidromorfológicos e físicoquímicos) moldam as comunidades de macroinvertebrados – estrutural e funcionalmente – e explicam a variação ecológica entre regiões. Além disso, este estudo faz uma reflexão sobre a capacidade do esquema de avaliação biológica da DQA para avaliar os efeitos de fatores de stress múltiplos, incluindo a escassez de água, e identifica direções para a melhoria do atual conjunto de ferramentas que propõe. Impulsionados pelas questões levantadas pela comunidade científica envolvendo a avaliação ecológica das águas doces, foi inicialmente desenvolvida uma reflexão sobre a maneira como o esquema de avaliação biológica da DQA é levado a cabo e como pode ser melhorado de maneira a fazer face aos desafios atuais impostos às comunidades aquáticas, incluindo os fatores que derivam das alterações climáticas. Apesar da importância irrefutável da DQA na avaliação dos ecossistemas aquáticos na Europa, o seu esquema de avaliação padronizado deve ser reavaliado e novos caminhos devem ser explorados no sentido de uma maior eficácia da avaliação. Isto foi feito explorando a literatura existente sobre o esquema de avaliação do estado ecológico da DQA para rios e revendo as melhorias que têm sido sugeridas pela comunidade científica. De seguida, um esquema conceptual para uma avaliação ecológica melhorada foi construído, consistindo numa abordagem complexidade progressiva e resolução espacial incremental, que inclui avaliação por peritos em todas as fases de decisão. Um capítulo desta Tese é dedicado a esta avaliação retrospectiva e prospectiva. Dado o cenário atual de alterações climáticas globais e a crescente ocorrência de fenómenos extremos, foi conduzida uma amostragem das comunidades de macroinvertebrados bênticos e do estado ecológico de um conjunto de ribeiras de três regiões Portuguesas (Regiões C, N e S) com distintos cenários climáticos e de disponibilidade de água. Em cada região, foram escolhidos locais de amostragem que são propensos a sofrer períodos de intermitência de água. O período de amostragem foi precedido por um intervalo de tempo invulgarmente longo de seca em 2017, com diferentes graus de severidade dependendo da região. A amostragem de macroinvertebrados teve lugar na Primavera de 2018 (após a seca extrema de 2017) e de 2019 (com precipitação mais próxima da norma). Os dados deste trabalho extenso de campo e de laboratório deram origem a três capítulos desta Tese. Através da comparação das comunidades das três regiões num único ano (2019), foram claramente identificados gradientes ambientais e bióticos entre regiões. A Região C foi a mais húmida e a S foi a mais seca, com a Região N a ocupar uma posição intermédia. Além disso, houve uma melhor qualidade ecológica geral na Região C. Estes dados realçaram a influência partilhada de três componentes ambientais (clima, hidromorfologia e físico-química) na modulação da estrutura das comunidades de macroinvertebrados. Em seguida, compararam-se as comunidades e o seu valor bioindicador entre 2018 e 2019. Apesar das diferenças dos níveis de precipitação prévia à amostragem dos dois anos, os dados mostraram gradientes ambientais e ecológicos consistentes em ambos os anos e, uma vez mais, a separação entre a Região C (mais húmida) e S (mais seca) e a posição intermédia da Região N. A Região C manteve-se com melhor qualidade ecológica geral. A ausência de diferenças marcadas entre anos que contrastam quanto à história de disponibilidade de água sugere que as comunidades de macroinvertebrados poderão apresentar algum grau de adaptação ou resiliência a flutuações de caudal que imponham stress; alternativamente, estes resultados podem traduzir uma recuperação incompleta destas comunidades dos impactos de 2017. Por fim, uma abordagem baseada em traços funcionais foi aplicada aos dados biológicos das três regiões nos dois anos, num esforço para perceber se as diferenças regionais previamente detetadas se traduzem em características funcionais distintas das comunidades de macroinvertebrados. A riqueza funcional foi maior na Região C (a menos afetada por escassez de água), por oposição à Região S (que apresenta mais intermitência), indicando coerência entre as abordagens funcional e taxonómica. É importante destacar que a perda de diversidade funcional foi notada em regiões com stress hídrico, mas seria necessária uma série de dados mais longa para perceber se isto reflete adaptação local das comunidades de macroinvertebrados a características constitutivas do ecossistema ou se, pelo contrário, reflete efeitos da seca.
