Ecology and bioindicator potential of benthic macroinvertebrates in a Mediterranean salt wedge estuary: the Ebro River case

Abstract

The Ebro Delta-Estuary complex is one of the largest wetland areas in the western Mediterranean, and it is considered one of the most important estuarine zones in Europe. In 2013, the Ebro watershed, including its deltaic plain, was declared World Biosphere Reserve by the UNESCO. Due to its singularity, a total of 7.736 ha of Delta are protected under the Spanish Natural Park figure (including coastal lagoons, freshwater springs, bays and adjacent coastline) which stands out by its faunal (mainly, ornithological and ichthyological) and halophilic floral composition. The Ebro River flows into the Mediterranean Sea and forms a salt wedge or highly stratified estuary, a unique estuary type only found in microtidal coasts worldwide. Diverse human activities occur in this area such as tourism, shooting, commercial fishing and agriculture, as a consequence the entire Delta-Estuary complex is under permanent anthropogenic pressures threatening its ecological integrity; therefore, its conservation should be a priority task.

The main objective of the present PhD thesis was to analyze the ecology of the benthic macroinvertebrate community from the Ebro Estuary, in order to evaluate its potential use as biological indicator of highly stratified Mediterranean estuaries. To achieve this goal the study of the macroinvertebrate community was carried out at a high level of taxonomic resolution and its spatiotemporal dynamics in relation with the estuarine environmental gradients was assessed. An exhaustive environmental description of benthic condition of the Ebro Estuary was done, including water physico-chemistry, grain size characterization and total organic estimation in sediments. Furthermore, due to the relevance of river discharge on salt wedge dynamics and therefore on estuarine benthic ecology, a comparison between current salt wedge dynamics and past near natural conditions was done using historical data available at the Ebro basin authority database. Finally, the bioindicator potential of macroinvertebrates to assess the ES according to the WFD criteria was examined throughout the analysis of the response of macrozoobenthos based metrics to the main human pressures in the Ebro estuary, nutrient enrichment and altered flow regime.

El objetivo general de la presente tesis fue describir la ecología de la comunidad de macroinvertebrados bentónicos del estuario del Río Ebro, un estuario de cuña salina o altamente estratificado. En concreto esta tesis exploró a un alto nivel de resolución taxonómica la dinámica espacio-temporal de la comunidad de macroinvertebrados en relación con los gradientes ambientales de un estuario de este tipo, con el propósito de evaluar su uso potencial como indicadores biológicos en otros estuarios mediterráneos altamente estratificados. La condición bentónica actual del estuario del río Ebro fue descrita de manera exhaustiva, incluyendo la caracterización físico-química del agua (concentración de nutrientes, contenido de sólidos en suspensión, oxígeno disuelto, pH, temperatura y salinidad) así como un análisis granulométrico del sedimento y la estimación del contenido en materia orgánica. Los datos físico-químicos fueron utilizados para la estimación de un gradiente de contaminación orgánica mediante la técnica de PCA. Además, debido a la relevancia del caudal del río en la dinámica de la cuña salina (avance, retirada y permanencia) y por lo tanto en la ecología bentónica del estuario, se comparó la dinámica actual de la cuña salina, gravemente alterada por la regulación del caudal, con la dinámica natural de la cuña salina que se obtuvo a partir de datos históricos disponibles en la página web de la Confederación Hidrológica del Ebro. Finalmente, el potencial bioindicador de los macroinvertebrados, con el fin de determinar el Estado Ecológico de acuerdo con los criterios de la DMA, fue evaluado mediante el análisis de la respuesta de varios índices bióticos basados en macroinvertebrados en relación con las principales presiones antrópicas que afectan al estuario del Ebro, contaminación orgánica y la alteración hidrológica. Los resultados obtenidos evidencian la relevancia de los macroinvertebrados en el funcionamiento ecológico del estuario así como su idoneidad como indicadores biológicos en relación con la contaminación orgánica Las principales conclusiones obtenidas en esta tesis son: 1. La comunidad actual de macroinvertebrados del estuario del Ebro difiere en gran medida a la encontrada en la década de los 90 cuando la condición de anoxia, debida a un exceso de materia orgánica de origen eutrófico, impedían el establecimiento de comunidades biológicas. La comunidad actual de macroinvertebrados mostró valores excepcionalmente altos de riqueza (213 taxones) comparado con otros estuarios templados; los moluscos, poliquetos y crustáceos fueron los grupos dominantes en términos de riqueza y de abundancia. 2. Como consecuencia de la regulación hidrológica a la que está sometido el tramo bajo del río Ebro, la dinámica de la cuña salina está gravemente alterada causando largos períodos de presencia de cuña salina y de estratificación de la columna de agua. La presencia de cuña salina divide al estuario del Ebro en dos tramos opuestos en función de sus características limnológicas; aguas arriba de la cuña, un tramo con características fluviales y una comunidad de macroinvertebrados dulceacuícola (alto estuario) y aguas abajo un tramo estuarino con agua con salinidades prácticamente marinas debido a la escasa mezcla con el agua del río y una comunidad de macroinvertebrados de origen marino (bajo estuario). 3. El cambio brusco de salinidad fue el principal factor que determinó la estructura de la comunidad de macroinvertebrados del estuario del Ebro. Debido a la práctica inexistencia de agentes de mezcla entre la capa de agua dulce y la marina, el intercambio de materiales y de organismos es muy limitado, como consecuencia la distribución de la comunidad a lo largo del estuario encaja con un patrón de turnover o sustitución total. Este patrón junto con las características homogéneas de ambos ambientes (alto y bajo estuario) sugieren que el estuario del Ebro está funcionando en términos de fronteras ecológicas como un ecotono. 4. La estaciones de muestreo cercanas al punto nulo o nodal (punto donde contactan ambas capas de agua y con valores de velocidad cercanos a cero) mostraron los valores más bajos de riqueza y abundancia debido a que esta zona de mayor estrés dentro del estuario. 5. Durante la última década el estado químico del estuario del Ebro ha mejorado debido a la disminución de los aportes de nutrientes, en especial de fósforo, en toda la cuenca. Esto llevó a la mitigación del proceso de eutrofización y a una oligotrofización del estuario que actualmente recibe menos aportes de materia orgánica atenuando su impacto y reduciendo los eventos de anoxia e hipoxia. Como resultado de esta mejora, la comunidad de macroinvertebrados ha sido capaz de recolonizar el estuario alcanzando un alto grado de complejidad. 6. La comunidad de macroinvertebrados demostró su capacidad de respuesta frente a las principales presiones que afectan al estuario del Ebro. Los parámetros de la comunidad disminuyeron hacía el punto nodal en respuesta al incremento de factores de estrés hidrológico y al incremento de la contaminación en el punto nodal debido a la circulación convergente. 7. La alteración hidrológica de la dinámica de la cuña salina creó una estabilidad artificial en las condiciones ambientales, este hecho favoreció a la comunidad de macroinvertebrados. Como consecuencia tras la aplicación de varios índices biológicos se identificó una respuesta paradójica a esta presión, a mayor grado de alteración hidrológica mayor complejidad en la comunidad y por lo tanto mejor estado ecológico. Este resultado evidencia que es necesaria una aproximación diferente para la determinación del estado ecológico en cuencas mediterráneas donde los aspectos hidrológicos están ganando en relevancia en comparación con la calidad del agua y del sedimento.