Interactive effect of temperature, acidification and ammonium enrichment in seagrass

 

In the last century, human activities have produced changes at a global scale that are affecting ecosystems around the world. Seagrass ecosystems are one of the most threatened for human pressures. Seagrasses are increasingly recognised for their ecological function and the services they provide us. Have a look to this post to know more about the importance of seagrasses. Regrettably, the proximity of seagrasses to anthropogenic coastal impacts and their shallow distribution in coastal areas has led to widespread seagrass losses. So, it is necessary to understand the responses of these ecosystems to multiple co-stressors in order to provide tools and strategies to conserve this valuable ecosystem.

Cymodocea nodosa meadow in Cadiz Bay

Global change effects (e.g. increase in temperature and seawater acidification) in combination with coastal anthropogenic stressors (e.g. nutrient load) act together in coastal areas, and their effects are expected to increase in the near future. These three factors (temperature, seawater acidification and nutrient load) directly affect photosynthetic rate, plant production, biomass and non-structural carbohydrate reserves in seagrasses. If we read about the effect of these factors in seagrass in previous research work, a negative effect, no effect or even a positive effect can be found depend on the seagrass species, the physiological status of the plants and, what can be more important, the interaction between these factors. While the plant response to a single factor can be well described and predicted, the combination of multiple factors acting together under natural conditions can induce a complex response difficult to predict, as plants may exhibit non-additive responses when exposed to multiple stressors.

Would you like to know how forecasted global change factors (high temperature, CO2 increase and ammonium enrichment) could affect to a temperate seagrass (such as Cymodocea nodosa)? Then, check one of our last publication “Interactive effect of temperature, acidification and ammonium enrichment on the seagrass Cymodocea nodosa” in the Marine Pollution Bulletin special issue: Securing a future for seagrass

Simplified diagram of the incubations and of the experimental design

Our study shows that although environmental factors may produce a limited response in seagrass when acting alone, the combined effect of several factors can produce a non so expected response. If you read our paper, you will see how warming increased plant production but at the expense of reducing carbon reserves. Meanwhile, acidification had not effects on plant production but increased slightly carbon reserves, while a slight stimulation of net production and a slight decrease on carbon reserves under ammonium supply were recorded. On the other hand, when all the factors were combined together improved the production and carbon reserves of Cymodocea nodosa, indicating that acidification improved ammonium assimilation and buffered the enhanced respiration promoted by temperature. Therefore, it could indicate that this temperate species may benefit under the simulated future scenarios, but indirect effects (e.g. herbivory, mechanical stress, etc.) may counteract this balance. We also underlines the importance of using multifactorial approach in the studying of the effect of environmental factors in coastal ecosystems, as several environmental factors acting together can produce a non so expected response. This should be taken into account to produce more realistic predictions of the possible effects of climate change on seagrass ecosystems.

Luis G. Egea, Rocío Jiménez-Ramos, Juan J. Vergara, Ignacio Hernández, Fernando G. Brun (2018) Interactive effect of temperature, acidification and ammonium enrichment on the seagrass Cymodocea nodosa. Marine Pollution Bulletin, 134: 14–26.

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INTERACCIONES ENTRE EL INCREMENTO DE TEMPERATURA, ACIDIFICACIÓN Y ENRIQUECIMIENTO DE AMONIO EN LAS ANGIOSPERMAS MARINAS

En el último siglo, las actividades humanas han producido cambios a escala global que afectan a los ecosistemas de todo el mundo. Los ecosistemas de angiospermas marinas son uno de los más amenazados por las presiones humanas. Las angiospermas marinas son cada vez más reconocidas por su función ecológica y los servicios ecosistémicos que proporcionan a la sociedad. Mira esta publicación para saber más sobre la importancia de las angiospermas marinas. Lamentablemente, la proximidad de las angiospermas marinas a los impactos litorales antropogénicos y su distribución superficial en las zonas costeras ha llevado a pérdidas generalizadas. Por lo tanto, es necesario comprender las respuestas de estos ecosistemas a múltiples co-factores de estrés con el fin de proporcionar herramientas y estrategias para conservar este valioso ecosistema.

Pradera de Cymodocea nodosa en la Bahía de Cádiz

Los efectos del cambio climático (por ejemplo, el aumento de la temperatura y la acidificación del agua de mar) en combinación con factores de estrés de origen antrópico (por ejemplo, aumento en la carga de nutrientes) actúan juntos en las zonas costeras, y se espera que sus efectos aumenten en un futuro próximo. Estos tres factores (temperatura, acidificación y aumento de la carga de nutrientes) afectan directamente la tasa fotosintética, la producción, la biomasa y las reservas de carbohidratos no estructurales en las praderas de angiospermas marinas. Si leemos sobre el efecto de estos factores en angiospermas marinas en trabajos de investigación anteriores, se puede encontrar un efecto negativo, ningún efecto o incluso un efecto positivo, dependiendo de las especies de angiospermas marinas, el estado fisiológico de las plantas y, lo que puede ser más importante, la interacción entre estos factores. Si bien la respuesta de la planta a un solo factor ha sido bien descrita y predicha, la combinación de múltiples factores que actúan juntos en condiciones naturales puede inducir una respuesta compleja difícil de predecir, ya que las plantas pueden mostrar respuestas no aditivas cuando se exponen a múltiples factores estresantes.

¿Te gustaría saber cómo éstos factores de cambio global (incremento de temperatura, aumento de CO2 y enriquecimiento de amonio) pueden afectar a una pradera de angiosperma marina de latitudes templadas (como Cymodocea nodosa)? Consulte una de nuestras últimas publicaciones «Efecto interactivo de la temperatura, la acidificación y el enriquecimiento de amonio en la angiosperma marina Cymodocea nodosa» en el número especial del Marine Pollution Bulletin: Securing a future for seagrass.

Diagrama simplificado de las incubaciones y del diseño experimental

Nuestro estudio muestra que aunque los factores ambientales pueden producir una respuesta limitada en las praderas de angiospermas marinas cuando actúan aisladamente, el efecto combinado de varios factores puede producir una respuesta no tan esperada. Si lee nuestro artículo verá cómo el calentamiento incrementó la producción de las plantas pero a costa de reducir las reservas de carbono. Mientras tanto, la acidificación no tuvo efectos en la producción vegetal, pero aumentó ligeramente las reservas de carbono, mientras que se registró una ligera estimulación de la producción neta y una ligera disminución en las reservas de carbono bajo el enriquecimiento de amonio. Por otro lado, cuando todos los factores se combinaron, se mejoró la producción y las reservas de carbono de Cymodocea nodosa, lo que indica que la acidificación mejoró la asimilación de amonio y amortiguó la respiración aumentada derivada por el incremento en temperatura. Por lo tanto, podría indicar que esta especie de latitudes templadas puede beneficiarse en los escenarios futuros simulados. Sin embargo, los efectos indirectos (por ejemplo, herbivoría, estrés mecánico, etc.) pueden contrarrestar este equilibrio. También subrayamos la importancia de utilizar el enfoque multifactorial en el estudio del efecto de los factores ambientales en los ecosistemas costeros, ya que varios factores ambientales que actúan juntos pueden producir una respuesta no tan esperada. Esto debe tenerse en cuenta para producir predicciones más realistas de los posibles efectos del cambio climático en los ecosistemas de angiospermas marinas.

Luis G. Egea, Rocío Jiménez-Ramos, Juan J. Vergara, Ignacio Hernández, Fernando G. Brun (2018) Interactive effect of temperature, acidification and ammonium enrichment on the seagrass Cymodocea nodosa. Marine Pollution Bulletin, 134: 14–26.

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Ocean Acidification and Hydrodynamics in seagrass

 

Every year the scientists warn about the CO2 increase in the atmosphere and the subsequent seawater pH reduction. The net impact of pH decrease is still unclear because there are many ambient variables that could ameliorate or aggravate their effects. One of these ambient variables is the hydrodynamics.

In recent years, studies have underscored the crucial role of shallow coastal ecosystems, which function not only as transition zones between land and ocean but also as filters for carbon sequestration. Seagrasses are marine flowering plants that form one of the richest coastal ecosystems, providing a large number of ecological services including long-term carbon catchment (please see this post to know more about seagrasses). They are highly productive and the excess organic matter that they produce can be exported to adjacent ecosystems in particulate or dissolved forms.

Cymodocea nodosa meadow

Cymodocea nodosa meadow

Dissolved organic carbon (DOC) is a central factor in the global carbon cycle, acting as a vector for quick transfer of C and energy in food webs, as it is easily assimilated by marine organisms and fully involved in the C exchange between communities. The global net DOC exported from seagrass meadows may be more important than previously believed and changes in environmental factors could affect significantly this DOC release.

Conceptual model showing seagrass DOC release as vector for quick transfer of C and energy in food webs. Vector symbols courtesy by Integration and Application Network (ian.umces.edu/symbols/)

Conceptual model showing seagrass DOC release as vector for quick transfer of C and energy in food webs. Vector symbols courtesy by Integration and Application Network (ian.umces.edu/symbols/).

Little attention has been given to the effect of CO2 increase and hydrodynamics on DOC flux in seagrass meadows. Recent studies have highlighted the direct relationship between ecosystem productivity and DOC flux. Therefore, if CO2 increase and hydrodynamics conditions affect photosynthesis, and thus productivity, these factors may also have a significant effect on the DOC flux released by seagrass. Changes in DOC release in seagrass are essential for carbon flux in coastal communities.

Flume tanks and incubation used in the experiment.

Flume tanks and incubation used in the experiment.

Do you want to know how ocean acidification and current velocity affect productivity and the DOC release in the temperate seagrass Zostera noltei? Look our recent publication. You will see how:

  • Acidification produced a significant increase in gross production rate and respiration.
  • Acidification increased the non-structural carbohydrates.
  • Increasing current velocity had a positive effect on productivity, but this depended on water pH and shoot density.
  • Current velocity and DOC release had a direct and positive relationship both under current pH and acidification conditions.

Conceptual model showing the likely effects of ocean acidification and current velocity on Gross Primary Production (GPP), Respiration (R) and dissolved organic carbon (DOC) release. Vector symbols courtesy by Integration and Application Network (ian.umces.edu/symbols/).

Conceptual model showing the likely effects of ocean acidification and current velocity on Gross Primary Production (GPP), Respiration (R) and dissolved organic carbon (DOC) release. Vector symbols courtesy by Integration and Application Network (ian.umces.edu/symbols/).

We conclude that acidification and high current velocity may lead to favourable growth scenarios for Z. noltei populations, increasing their productivity, non-structural carbohydrate concentrations and DOC release.

Luis G. Egea, Rocío Jiménez-Ramos, Ignacio Hernández, Tjeerd J. Bouma, Fernando G. Brun. Effects of ocean acidification and hydrodynamic conditions on carbon metabolism and dissolved organic carbon (DOC) fluxes in seagrass populations. PlosOne 13(2): e0192402.  

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ACIDIFICACIÓN OCEÁNICA E HIDRODINÁMICA
EN FANERÓGAMAS MARINAS

Cada año, los científicos nos advierten sobre el aumento de CO2 en la atmósfera y como ésto reduce el pH del agua de mar. El impacto neto de la disminución del pH aún no está claro porque existen muchas variables ambientales que podrían aminorar o agravar sus efectos. Una de estas variables ambientales es la hidrodinámica.

En los últimos años, muchos estudios han subrayado el papel crucial de los ecosistemas costeros, que no solo funcionan como zonas de transición entre la tierra y el océano, sino también como filtros para la captura de carbono. Las fanerógamas marinas son plantas con flores que forman uno de los ecosistemas costeros más importantes proporcionando gran cantidad de servicios, incluidos la captación de carbono a largo plazo (para saber más sobre fanerógamas marinas consulte este post). Son ecosistemas altamente productivos y el exceso de materia orgánica que producen puede ser exportado a ecosistemas adyacentes en forma particulada o disuelta.

Cymodocea nodosa meadow

Cymodocea nodosa meadow

El carbono orgánico disuelto (COD) es un factor clave en el ciclo global del carbono, ya que gracias a que es fácilmente asimilable por los organismos marinos, actúa como un vector de transferencia rápida de carbono y energía en las redes tróficas, siendo esencial en el intercambio de carbono entre comunidades. El COD neto mundial exportado por las praderas de fanerógamas marinas puede ser más importante de lo que se hasta ahora se creía y cambios en factores ambientales podrían afectar significativamente esta liberación de COD.

Conceptual model showing seagrass DOC release as vector for quick transfer of C and energy in food webs. Vector symbols courtesy by Integration and Application Network (ian.umces.edu/symbols/)

  Modelo conceptual que muestra la liberación de COD de las praderas marinas como vector para la transferencia rápida de C y la energía en las redes tróficas. Los símbolos del vector son cortesía de Integration and Application Network (ian.umces.edu/symbols/).

Se ha prestado poca atención al efecto del aumento de CO2 y la hidrodinámica en el flujo de COD en las praderas de fanerógamas marinas. Estudios recientes han resaltado la relación directa entre la productividad del ecosistema y el flujo de COD. Si el incremento de CO2 y las condiciones hidrodinámicas afectan a la fotosíntesis, y por lo tanto la productividad, estos factores también pueden tener un efecto significativo en el flujo de COD liberado por las fanerógamas marinas. Los cambios en la liberación de COD de las praderas marinas son esenciales para el flujo de carbono en las comunidades costeras.

Flume tanks and incubation used in the experiment.

Flume tanks and incubation used in the experiment.

¿Quieres saber cómo la acidificación de los océanos y la velocidad de la corriente afectan la productividad y la liberación de COD en las praderas de zonas templadas de Zostera noltei? Mira nuestra reciente publicación. Verás cómo:

  • La acidificación produjo un aumento significativo en la tasa de producción bruta y la respiración.
  • La acidificación aumentó los carbohidratos no estructurales.
  • El aumento de la velocidad de la corriente tuvo un efecto positivo en la productividad, pero dependiendo del pH del agua y la densidad de la pradera.
  • La velocidad de la corriente y la liberación de COD tuvieron una relación directa y positiva tanto en condiciones actuales de pH como de acidificación.

Conceptual model showing the likely effects of ocean acidification and current velocity on Gross Primary Production (GPP), Respiration (R) and dissolved organic carbon (DOC) release. Vector symbols courtesy by Integration and Application Network (ian.umces.edu/symbols/). Modelo conceptual que muestra los efectos probables de la acidificación de los océanos y la velocidad de la corriente en la producción primaria bruta (GPP), la respiración (R) y la liberación de carbono orgánico disuelto (DOC). Los símbolos del vector son cortesía de Integration and Application Network (ian.umces.edu/symbols/).

En conclusión, se observó que la acidificación y la alta velocidad de corriente pueden conducir a escenarios de crecimiento favorables para las poblaciones de Z. noltei, aumentando su productividad, las concentraciones de carbohidratos no estructurales y la liberación de COD.

Luis G. Egea, Rocío Jiménez-Ramos, Ignacio Hernández, Tjeerd J. Bouma, Fernando G. Brun. Effects of ocean acidification and hydrodynamic conditions on carbon metabolism and dissolved organic carbon (DOC) fluxes in seagrass populations. PlosOne 13(2): e0192402.

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