Benthic Diatoms from the Hypersaline Mar Menor coastal lagoon: Taxonomy, phylogeny and responses to environmental changes

Abstract

Introducción y objetivos Las diatomeas son el grupo más abundante dentro de las microalgas bentónicas que forman tapetes microbianos en los sistemas acuáticos. Estas comunidades tienen un papel clave en el funcionamiento de los sistemas costeros poco profundos, como lagunas y estuarios, a nivel de producción primaria, ciclos biogeoquímicos y se consideran la base de la cadena alimenticia. Además, constituyen uno de los primeros compartimentos que reaccionan ante cualquier variación ambiental o tipo de impacto. En el medio marino, hay escasa información sobre la distribución, ecología, taxonomía y el uso de las diatomeas bentónicas como indicadores biológicos de cambios ambientales. El presente trabajo se ha llevado a cabo en la laguna costera del Mar Menor (SE España), de la que prácticamente no existe información florística previa. La laguna está sujeta a la presión ambiental de múltiples impactos antropogénicos, entre ellos los aportes de metales y nutrientes. Además, sus poblaciones se pueden ver muy afectadas por el aumento de temperatura asociado al cambio climático global. Por ello es un área de estudio ideal para investigar las relaciones de las especies y comunidades con los gradientes ambientales, y puede ayudar a entender los factores bióticos y abióticos que estructuran las comunidades de diatomeas bentónicas. El objetivo general de la tesis es mejorar el conocimiento de la ecología y taxonomía de las comunidades de diatomeas bentónicas de la laguna costera del Mar Menor, y evaluar su potencial como indicadores biológicos de los múltiples factores de estrés que afectan y amenazan la laguna. La realización de cualquier trabajo sobre bioindicadores se sustenta en un buen conocimiento florístico, sin embargo en el Mar Menor se carece de esta información. Por ello, se han marcado los siguientes objetivos específicos: i) Estudiar morfológica, ecológica y filogenéticamente el género Hyalosynedra; ii) Investigar la composición y abundancia de las especies del género Licmophora en la laguna, e investigar sus relaciones filogenéticas; iii) Evaluar el efecto conjunto de la temperatura y el ratio N:P estequiométrico del agua sobre poblaciones de la diatomea marina pedunculada Licmophora colosalis, y testar si la producción masiva de pedúnculos podría servir como indicador de contaminación por nutrientes; iv) Estudiar la composición, estructura y rasgos biológicos de las especies de dos comunidades de diatomeas bentónicas con diferente influencia de la contaminación crónica de metales y nutrientes, e investigar sus respuestas a descargas esporádicas de ambos factores. Todo ello para evaluar la idoneidad del uso de estas comunidades como herramienta para la monitorización ambiental de la laguna. Metodología Los trabajos florísticos incluyen descripciones morfológicas utilizando microscopia óptica y electrónica de barrido, y también análisis moleculares mediante el uso cultivos celulares, extracción del material genético, secuenciación y análisis filogenético de las secuencias. Los bioensayos de laboratorio consisten en la aplicación de diferentes tratamientos de temperatura y nutrientes para evaluar el efecto sobre la dinámica poblacional (medidas de crecimiento, tamaño celular, mortalidad), producción de pedúnculos (mediante análisis de imagen) y carbohidratos (análisis químico) de Licmophroa colosalis. El experimento de campo consiste en la aplicación de diferentes tratamientos de metales y nutrientes de forma individual y combinada. La respuesta de la comunidad se ha analizado a diferentes niveles, estructural (índices biológicos y abundancia de especies) y de rasgos biológicos (formas de crecimiento). La caracterización del tapete biológico se ha realizado mediante análisis de biomasa, contenido en clorofilas y carbohidratos. Resultados y Conclusiones Nuestros resultados revelan que las comunidades de diatomeas bentónicas pueden servir como indicadores biológicos de los impactos antropogénicos en la laguna costera del Mar Menor. La composición y abundancia de especies, así como la concentración de metales acumulada, puede evidenciar la existencia de descargas de metales y nutrientes de tan sólo una hora durante cuatro días, patrón similar al de las lluvias torrenciales de la zona. Los resultados revelan que descargas esporádicas de nutrientes pueden amplificar el impacto de los metales sobre las comunidades bentónicas del Mar Menor, como se ha observado a todos los niveles estudiados: composición y estructura de la comunidad, acumulación de metales, concentración de clorofila a, y la estructura tridimensional del tapete. A nivel estructural, la descarga de metales favorece la colonización de especies tolerantes, y cuando actúan conjuntamente con nutrientes, estos parecen favorecer principalmente a aquellas que tienen formas de crecimiento específicas. Así, las comunidades afectadas por ambos factores de estrés se caracterizan por especies tolerantes como Berkeleya fennica, que forma tubos de mucílago, y Neosynedra provincialis, que forma colonias en forma de zig-zag, lo que se refleja en un aumento en la complejidad de la estructura tridimensional del tapete. O. krumbeinii, sin embargo, fue afectada negativamente por todos los tratamientos, y se propone como especie potencialmente sensible. Estos datos parecen indicar que el estudio de los rasgos biológicos de las especies podría aportar información adicional sobre la ecología de las especies, que pueden revelar rápidamente cambios ambientales y podrían ser útiles en la monitorización de estos ambientes. Los 47 taxones encontrados durante los trabajos de esta tesis son nuevas citas para la laguna costera del Mar Menor, y se han descrito dos nuevas especies para la ciencia, Hyalosynedra lanceolata y Licmophora colosalis. Los análisis filogenéticos han sido imprescindibles para su identificación y también se han propuesto modificaciones de algunos taxones cercanos. Se pone en evidencia la necesidad de realizar trabajos moleculares de un mayor número de especies para poder clarificar las relaciones filogenéticas entre grupos taxones íntimamente relacionados, como ocurre con las especies del género Hyalosynedra y S. toxoneides. En un contexto del cambio climático global, un aumento de temperatura hasta los 36ºC, que entre dentro de los límites de las predicciones para las aguas de la laguna, resultará letal para las poblaciones de L. colosalis. La temperatura óptima de crecimiento está en torno a los 26ºC, y un rango estequométrico de N:P=16. Por ello, sus poblaciones podrán afrontar mejor el aumento de temperatura, si ese rango N:P se mantiene balanceado. En el caso del Mar Menor, con los aportes actuales de nitratos, el valor de la ratio N:P es mayor que 16. Nuestros resultados indican que, en esta situación, un aumento de temperatura hasta 31ºC (temperatura que se puede alcanzar en agosto actualmente) puede provocar una elevada mortalidad y una producción masiva de pedúnculos mucilaginosos. Lo que indica que un rango estequiométrico N:P desequilibrado (e.g., N:P >16) junto con el estrés térmico, pueden provocar cambios en la dinámica poblacional de L. colosalis. Además, sugiere que la producción de pedúnculos, que da lugar a colonias arbóreas y macroscópicas en medio natural, podría utilizarse para la detección de la contaminación por nutrientes. Introduction and objectives Diatoms are the most abundant group within benthic microalgae that form biofilms in aquatic systems. These communities play a key role in the functioning of shallow coastal systems, such as lagoons and estuaries, at the primary production level and in biogeochemical cycles, and are considered the basis of the food chain. They also constitute one of the first compartments that react to any environmental variation or type of impact. In the marine environment, information on distribution, ecology and taxonomy, and the use of benthic diatoms as biological indicators of environmental changes, are scarce. The present assay was carried out in the coastal Mar Menor lagoon (SE Spain), where previous floristic information practically cannot be found. The lagoon is subject to multiple anthropogenic impacts, including contributions of metals and nutrients loads. Populations may be strongly affected by the increase in temperature associated with global climate change. Therefore, it is an ideal study area to investigate the relationships of species and communities with environmental gradients, and it may help to understand the biotic and abiotic factors that structure benthic diatom communities.

The general objective of this thesis is to improve knowledge about the ecology and taxonomy of the benthic diatom communities in the coastal Mar Menor lagoon and to evaluate their potential as biological indicators of the multiple stressors that affect and threaten the lagoon. Any work conducted on bioindicators is based on good floristic knowledge, but this information is lacking in Mar Menor. For this reason, the following specific objectives were identified: i) to morphologically, ecologically and phylogenetically study the genus Hyalosynedra; ii) investigate the composition and abundance of the species of the genus Licmophora in the lagoon, and its phylogenetic relationships; iii) evaluate the combined effect of temperature and the stoichiometric N:P ratio of water on populations of the stalked marine diatom Licmophora colosalis, and to test whether overproduction of stalks could serve as an indicator of nutrient contamination; iv) study the composition, structure and biological traits of the species of two benthic diatom communities influenced differently by the chronic contamination of metals and nutrients, and investigate their responses to the sporadic exposure of both factors. These objectives aim to evaluate the suitability of these communities as a tool to environmentally monitor the lagoon.

Methodology Floristic works include morphological descriptions obtained by optical microscopy and scanning electron microscopy, and by molecular analyses using cell cultures, extraction of genetic material, sequencing and phylogenetic analyses of sequences. Laboratory bioassays consist of applying different temperatures and nutrient treatments to evaluate the effect on population dynamics (growth measures, cell size, mortality), stalks production (by image analyses) and carbohydrates (chemical analyses) of Licmophroa colosalis. The field experiment involves applying different treatments of metals and nutrients individually and combined. The community response was analysed at different levels: structural (biological indices and species abundance) and biological traits (growth form types). Biofilm characterisation was done by a biomass analysis, accumulated metal, chlorophyll a and carbohydrates content.

Results and Conclusions Our results show that benthic diatom communities can serve as biological indicators of anthropogenic impacts on the coastal Mar Menor lagoon. The composition and abundance of species, as well as concentration of accumulated metals, can show the existence of discharges of metals and nutrients of only 1 hour for 4 days, which is a similar pattern to the torrential rains in the area. The results reveal that sporadic discharges of nutrients can amplify the impact of metals on the benthic communities in the Mar Menor, which was observed at all the studied levels: community composition and structure, metal accumulation, chlorophyll a concentration, and the 3-dimensional biofilm structure. At the structural level, metal inputs favour the colonisation of tolerant species, and when they act together with nutrients, they seem to favour mainly those with specific growth forms. Thus the communities affected by both stressors are characterised by tolerant species, such as Berkeleya fennica, which forms mucilage tubes, and Neosynedra provincialis, which forms zig-zag-like colonies, as reflected by the increased complexity of the 3-dimensional biofilm. O. krumbeinii, however, was negatively affected by all the treatments, and is proposed as a potentially sensitive species. These data suggest that the approach based on biological species traits can provide additional information on the species’ ecology, which can rapidly reveal environmental changes and can be useful for monitoring these environments.

The 47 taxa found in the works of this thesis are new cites for the Mar Menor lagoon, and two new species were described for science: Hyalosynedra lanceolata and Licmophora colosalis. The phylogenetic analysis was crucial to identify them, and changes in some closely related taxa are also proposed. The need to perform more molecular studies with a larger number of species to clarify the phylogenetic relationship among closely related taxonomic groups was evidenced; for example, Hyalosynedra species and S. toxoneides.

In the global climate change context, an increase in temperature up to 36°C, which falls within the prediction limits for lagoon waters, would be lethal to L. colosalis. The optimal growth temperature is around 26°C, with a stoichiometric range of N:P = 16. Hence their populations would be able to better face the increase in temperature if the N: P range remains balanced. With Mar Menor, and current contributions of nitrates, the N:P ratio value is above 16. Our results indicate that, in this situation, if the temperature increases up to 31ºC, which was reached in August 2017), it can lead to high mortality and the massive production of mucilaginous stalks. This indicates that an unbalanced N:P (e.g., N: P> 16) stoichiometric range, along with thermal stress, can cause changes in the population dynamics of L. colosalis. It also suggests that production of stalks, which gives rise to arbuscular macroscopic colonies in a natural environment, can be used to detect nutrient contamination.