Invertebrate community responses to pollutants in mediterranean basins : insights from ecotoxicological approaches = Respostes de la comunitat d'invertebrats als contaminants en conques mediterrànies: aproximacions ecotoxicològiques

Abstract

Aquatic systems are under pressure from multiple stressors that affect the structure, the functioning, and the health of species, communities and ecosystems. One of the main human pressures affecting the Earth’s ecosystems is chemical pollution. Large-scale chemical production has led to the release of these compounds from agricultural, industrial, and municipal waste, into riverine, transitional, and marine waters. These pollutants can cause harmful effects on aquatic species and communities, in turn causing severe negative impacts on the structure and functioning of ecosystems, and the goods and services they provide. Chemical pollution is not only one of the most important threats to aquatic systems, it is also a complex threat due to the diversity of compounds present in these systems and the dynamics and interaction of these compounds with physical (water, sediment) and biological (amphibian, fish, invertebrate, algae) compartments. Furthermore, aquatic pollution is of special concern in Mediterranean basins, which suffer high flow variability and receive significant contaminant inputs from diffuse and point sources. Future scenarios predict that these basins will be increasingly affected by both the scarcity of water, enhanced by climate change, and high pollution.

Apart from well-known pollutants, called priority substances, many studies have revealed the widespread occurrence of low level concentrations of organic micropollutants, also known as emerging contaminants (ECs), and awareness is growing with regard to the importance of mixtures of several contaminants, priority and emerging, as found in the more polluted water bodies of Europe. Different tools can be used in order to link the chemical and ecological quality of aquatic ecosystems: ecological methods (Chapter 3, 4 and 5), biomarkers of field-exposed organisms (Chapter 4 and 6), or in vitro and in vivo bioassays (Chapter 4, 5, 6 and 7). By combining these different tools, this thesis provides evidence of the effects of chemical stressors (emerging and priority pollutants) on invertebrate communities in four threatened Mediterranean rivers of the Iberian Peninsula: the Ebro, the Llobregat, the Júcar and the Guadalquivir. The ecotoxicological effects have been detected at community level, but also at the population and individual levels. It has been found that contaminants in water and also contaminants accumulated in surficial sediments affect community structure (richness and abundance). It has also been seen these contaminants affect the reproductive capacity (number of eggs), the development, the feeding, growth and the activity of antioxidative enzymes (catalase) of diferent species. The general picture obtained shows that priority and emerging pollutants represent a serious toxicity risk for invertebrates in these basins, and that the main specific drivers of this risk are pesticides, alkylphenols, and metals. Additionally, the thesis is completed with a laboratory experiment where the direct and indirect effects of two specific contaminants in the detritivorous Gammarus pulex have been tested. Research based on field studies and laboratory toxicity tests, combining experimental assays with natural community studies, is essential to understand the effects of stressors at different scales and to prevent future degradation of aquatic ecosystems. This thesis integrates observational and experimental approaches of diferent environmental disciplines (environmental chemistry, ecotoxicology and ecology) to elucidate the effects of pollution. The combination of experimental tests to study natural communities can help to understand the effects of disturbances at different scales and prevent the degradation of aquatic ecosystems and improve its management.

Els sistemes aquàtics estan subjectes a la pressió de múltiples pertorbacions que afecten l'estructura i el funcionament de les comunitats i ecosistemes. Una de les principals pressions antropogèniques que afecten als ecosistemes aquàtics és la contaminació. La producció química a gran escala ha donat lloc a l'alliberament de substàncies d’origen agrícola, industrial i urbà als sistemes fluvials. Aquesta contaminació és una amenaça complexa i múltiple, degut a la diversitat de compostos presents i a la dinàmica i interacció d'aquests amb els compartiments físics (aigua, sediments) i biològics (organismes). A les conques fluvials mediterrànies, on la variabilitat hidrològica és important, aquesta contaminació és motiu d'especial preocupació especialment en el període d’estiatge, quan disminueix la capacitat de dilució dels rius. A més dels contaminants prioritaris legislats, molts estudis han posat de manifest la presència generalitzada de microcontaminants, també anomenats contaminants emergents. Aquesta tesi proporciona evidència dels efectes dels contaminants emergents i prioritaris en les comunitats d'invertebrats en quatre conques mediterrànies de la Península Ibèrica: l'Ebre, el Llobregat, el Xúquer i el Guadalquivir, emprant mètodes ecològics, biomarcadors, i bioassaigs in vitro i in vivo. Els efectes ecotoxicològics s’han detectat a nivell de comunitat, de població i d’individu, i s’ha vist que tant els contaminants presents a l’aigua com els acumulats en els sediments superficials afecten l’estructura de la comunitat (riquesa específica i abundàncies). També s’ha vist que la contaminació afecta la capacitat de reproducció (nombre d’ous), el desenvolupament, l’alimentació, el creixement i l’activitat d’enzims antioxidatius (catalasa). En concret, els principals responsables de l’alt risc ecotoxicològic identificats han estat els plaguicides, els alquilfenols industrials, i els metalls. Addicionalment, la tesi es completa amb un experiment de laboratori on es testen els efectes directes i indirectes de dos contaminants concrets en el detritívor Gammarus pulex. Aquesta tesi integra aproximacions observacionals i experimentals de múltiples disciplines ambientals (química ambiental, ecotoxicologia i ecologia) per dilucidar els efectes dels diferents contaminants. La combinació dels assajos experimentals amb estudis de les comunitats naturals permet comprendre millor els efectes de les pertorbacions a diferents escales i prevenir la degradació dels ecosistemes aquàtics, així com millorar la seva gestió.