A trait-based approach to investigate macrobenthic community functioning in estuarine and coastal ecosystems

Abstract

Research based on species traits can lead to a deeper understanding on how anthropogenic disturbance and environmental gradients may impact communities and ecosystem functioning, thereby improving ecosystem-based management and conservation, which is vital in the current era of rapid environmental change. Because of this potential, trait-based studies are rapidly expanding. Yet, the utilisation of trait-based approaches in estuaries and coastal zones is still largely unexplored, despite the increasing demand for environmental assessments of these systems to include more functional orientated approaches. This context sets the main objective of this study, which was to explore whether trait-based approaches can provide an improved picture on how environmental change may impact macrobenthic community functioning in estuarine and coastal environments. Therefore, this study aims to contribute to a deeper knowledge of the overall functioning of these ecosystems, helping to improve ecosystem-based management. To achieve this goal, we specifically focussed on testing and evaluating multiple complementary and novel trait-based indices. These include the: “community-weighted mean trait values” (CWM) defining the dominant traits in a community; several functional diversity (FD) indices expressing the extent of trait differences in a community; and a new index developed during this study that is based on the relation between taxonomic and functional diversity. The indices were tested for their ability to reflect anthropogenic disturbance and/or environmental gradients on macrobenthic communities in estuaries and coastal zones located in different biogeographical regions, i.e. a temperate European estuary (Mondego estuary, Portugal) and coastal zone (Basque coast, Bay of Biscay, Spain), and in two tropical estuaries (Paraíba and Mamanguape, N-E Brazil). One of the main lessons learned from the Mondego estuary case study, is that abundance-weighted FD indices should be used with caution in estuarine systems where few and dominant species naturally occur. Within this respect, non-weighted indices, reflecting the extinction of rare species with often-rare combinations of traits, such as the new developed redundancy index, are potentially more useful, particularly when used in combination with the CWM index. The Basque coastal zone case study showed us primarily that trait-based indices can face difficulties assessing anthropogenic seafloor disturbance caused by effluents, when traits simultaneously respond to multiple other sources of environmental change (anthropogenic and naturally induced) existing in the area. In the final case study of this thesis, we explored the trait-based approach in two tropical Brazilian estuaries. An important lesson learned from this study is that different taxonomic groups (Polychaetes and Molluscs) within the macrobenthic community might behave differently in response to environmental change. Therefore, we need to be cautious when evaluating the results given by only one macrobenthic group in isolation. Preferably, the entire macrobenthic community should be included in environmental assessment studies. Overall, our results showed that trait-based approaches have potential to complement the classical taxonomic-based approaches for benthic assessment in estuarine and coastal systems. By using both approaches we could better determine changes in community structure (i.e. taxonomic and the underlying functional structure) that has, potentially, key consequences in the functioning of these ecosystems. Trait-based approaches, despite not being very helpful for detecting subtle gradients in the form of anthropogenic disturbance, were capable of detecting strong environmental gradients. There is, nevertheless, sufficient room for improvement. Particularly important is the acquisition of abundant and accurate trait data on marine macroinvertebrates, which is currently missing for many species, especially for tropical species. Trait-based research is very recent, and new approaches, frameworks, indices and tools are swiftly being developed. All this is promising news for the future of ecosystem-based management and a sustained conservation of estuarine and coastal ecosystems. RESUMO: A investigação baseada em atributos (traits) de espécies pode levar a uma compreensão mais profunda de como perturbações antropogénicas e gradientes ambientais podem afetar as comunidades e o funcionamento dos ecossistemas, permitindo desta forma melhorar a gestão e conservação destes sistemas. Este contributo para uma gestão mais eficiente é particularmente vital atualmente, numa época de rápidas mudanças ambientais. Graças ao potencial deste tipo de ferramentas de avaliação, o número estudos baseados em traits está a aumentar rapidamente. No entanto, a utilização de abordagens baseadas em traits em estuários e zonas costeiras ainda é reduzida, apesar da crescente exigência de incluir abordagens mais funcionas aquando da avaliação ambiental destes sistemas. Foi neste contexto que se delineou o objetivo principal deste estudo, i.e., analisar se as abordagens baseadas em traits podem fornecer uma imagem mais detalhada e precisa sobre como as alterações ambientais podem afetar o funcionamento das comunidades macrobentónicas de ambientes estuarinos e costeiros. Este estudo visou ser uma contribuição de relevo para um conhecimento mais aprofundado do funcionamento geral desses ecossistemas, contribuindo para uma gestão mais adequada e rigorosa destes sistemas. Para atingir esse objetivo, focámo-nos essencialmente no teste e avaliação de vários índices complementares e inovadores baseados em traits. Estes índices incluíram o "community-weighted mean trait value" (CWM) que define os traços dominantes numa comunidade; vários índices de diversidade funcional (FD) que expressam a presença dos diversos traits numa comunidade; e um novo índice desenvolvido durante este estudo que se baseia na relação entre diversidade taxonómica e a diversidade funcional. Os índices foram testados quanto à sua capacidade de refletir o impacto de perturbações antropogénicas e/ou gradientes ambientais nas comunidades macrobentónicas de estuários e zonas costeiras situadas em diferentes regiões biogeográficas. Como casos de estudo, (Baía de Biscaia, Espanha), e dois estuários tropicais (Paraíba e Mamanguape, NE do Brasil). Uma das principais lições do caso de estudo do estuário do Mondego foi que os índices FD ponderados pela abundância devem ser usados com cautela em sistemas estuarinos onde podem ocorrer naturalmente poucas espécies mas com elevada dominância. Neste contexto, os índices não ponderados, que refletem a extinção de espécies raras com combinações de traços frequentemente raras, são potencialmente mais úteis (o novo índice de redundância desenvolvido é um bom exemplo), particularmente quando utilizados em combinação com o índice CWM. Os resultados obtidos no caso de estudo da zona costeira basca mostraram claramente que os índices testados não conseguiram capturar adequadamente o estado das comunidades sujeitas a efluentes. Este resultado mostrou a dificuldade de utilizar traits que respondem simultaneamente a múltiplas fontes de pressão ambiental (antropogénicas e naturalmente induzidas) existentes na área. Por último, explorámos a abordagem baseada em traits em dois estuários tropicais brasileiros. Uma lição importante retirada deste caso estudo foi que diferentes grupos taxonómicos (Poliquetas e Moluscos) pertencentes às comunidades macrobentónicas podem apresentar comportamentos distintos face às pressões ambientais. Devemos pois ser cautelosos na generalização dos resultados obtidos quando analisados grupos taxonómicos isoladamente. De preferência, toda a comunidade macrobentónica deve ser incluída em estudos de avaliação ambiental. No geral, os resultados desta tese indicam que as abordagens baseadas em traits têm potencial para complementar as abordagens taxonómicas clássicas no contexto da avaliação da condição das comunidades macrobentônica estuarinas e costeiras. Usando simultaneamente ambas as abordagens, podemos determinar com maior precisão a resposta das comunidades a diferentes tipos de pressão (tanto em termos de alterações na estrutura taxonômica como nas funções que lhe são subjacentes). Apesar das abordagens baseadas em traits não terem sido muito bem sucedidas a detectar o impacto de perturbações antrópicas ligeiras, estas abordagens foram capazes de detectar o impacto de fortes gradientes ambientais nas comunidades macrobentónicas. Há, no entanto, ainda bastante espaço para aperfeiçoar estas ferramentas, sendo particularmente importante o investimento na aquisição de dados precisos sobre os traits de espécies de macroinvertebrados marinhos, particularmente de espécies tropicais. A investigação baseada em traits é muito recente e novas abordagens, índices e ferramentas têm sido propostas e testadas nos últimos tempos. Tudo isto são notícias esperançosas e promissoras para o futuro da gestão baseada em ecossistemas e para uma conservação sustentada dos ecossistemas estuarinos e costeiros.