Development of water quality indices for mediterranean aquatic systems based on morphological, taxonomic and functional biodiversity of zooplankton

Abstract

Zooplankton community occupies an important and strategic position within the trophic web of lake ecosystems. Changes in abundance, biomass and structure of the zooplankton community can yield information about the food web functioning. The aim of the dissertation was to develop zooplankton indices based on the functional, morphological and taxonomic diversity of zooplankton groups for assessing eutrophication and ecological water quality of Mediterranean lakes during the summer period. For that, data of 17 Greek lakes covering the whole trophic spectrum and ecological water quality were analyzed. Almost all summer zooplankton communities had the same dominance pattern with mainly rotifers dominating in abundance and crustaceans in biomass, while the dominant species and their size were influenced by phytoplankton composition and fish predation. Copepoda clustered the lakes into six groups, regardless of the lake’s trophic state or morphological characteristics. For eutrophication assessment, two trophic state indices TSIROT and TSICR based on rotifer and crustacean communities, respectively, developed for temperate lakes, were applied to data from the Greek lakes. The evaluation of the indices was made based on TSISD and phytoplankton biomass. Both indices did not assess correctly the trophic state. TSIZOO, a new zooplanktonic trophic state index, developed as the average of the formulae of TSIROT and TSICR which were significantly correlated with the eutrophication proxies. TSIZOO was the most efficient of the zooplanktonic indices detecting two categories, low (oligotrophic–mesotrophic) and high (eutrophic–hypertrophic) trophic state. For ecological water quality assessment of natural lakes two indices were developed, PhyCoIGP and Zoo-IQ. PhyCoIGP is a modification of the phytoplankton-based PhyCoI index including grazing potential (GP) as a functional metric measuring the potential zooplankton grazing on phytoplankton. GP combines data of zooplankton and phytoplankton communities incorporating weighting factors for efficient zooplankton grazers and the suitability of phytoplankton as food. High GP values indicated dominance of large-bodied zooplankton and low GP values indicated increased phytoplankton biomass and/or domination of small-bodied zooplankton. PhyCoIGP successfully assessed the water quality of the studied lakes. Zooplankton Index of water Quality, Zoo-IQ, is the first zooplankton-based index developed for water quality assessment of natural lakes in Europe. Its final metrics (abundance, biomass, mean body-size and abundance ratio or large body cladocerans) were influenced by eutrophication and/or fish predation. Zoo-IQ successfully assessed the water quality of the studied lakes, since almost all hypertrophic lakes were characterized as poor and deep lakes as good. Both indices can be efficiently used in ecological water quality monitoring using a five-grade classification scheme. Overall, zooplankton proved to be an effective element for the assessment and monitoring of eutrophication and ecological water quality and should be included as a biological quality element in the Water Framework Directive.

To ζωοπλαγκτό κατέχει σημαντική και στρατηγική θέση στο τροφικό πλέγμα των λιμναίων οικοσυστημάτων. Αλλαγές στην αφθονία, βιομάζα και σύνθεση των ζωοπλαγκικών κοινωνιών μπορούν να δώσουν πληροφορίες για τη λειτουργία του τροφικού πλέγματος. Σκοπός της διατριβής ήταν η ανάπτυξη δεικτών ζωοπλαγκτού με βάση τη λειτουργική, μορφολογική και ταξινομική ποικιλότητα για την αξιολόγηση της τροφικής κατάστασης και της οικολογικής ποιότητας των μεσογειακών λιμνών κατά τη θερινή περίοδο. Για αυτό, αναλύθηκαν δεδομένα από 17 ελληνικές λίμνες που καλύπτουν το εύρος της τροφικής κατάστασης και της οικολογικής ποιότητας. Οι ζωοπλαγκτικές θερινές κοινωνίες ακολουθούσαν το ίδιο μοτίβο κυριαρχίας με τα τροχοφόρα να κυριαρχούν στην αφθονία και τα καρκινοειδή στη βιομάζα, ενώ τα κυρίαρχα είδη και το μέγεθός τους καθορίστηκε από τη σύνθεση του φυτοπλαγκτού και τη θήρευση των ψαριών. Tα κωπήποδα διαχώρισαν τις λίμνες σε έξι ομάδες, ανεξάρτητα από την τροφική κατάσταση ή τα μορφολογικά χαρακτηριστικά. Για την εκτίμηση της τροφικής κατάστασης δύο δείκτες, TSIROT και TSICR με βάση τα τροχοφόρα και τα καρκινοειδή, αντίστοιχα, που αναπτύχθηκαν για εύκρατες λίμνες, εφαρμόστηκαν στα δεδομένα ελληνικών λιμνών. Η αξιολόγηση των δεικτών έγινε μέσω της συσχέτισης με τους δείκτες TSISD και φυτοπλαγκτική βιομάζα. Οι δύο δείκτες δεν εκτίμησαν σωστά την τροφική κατάσταση. Ο μέσος όρος των εξισώσεων των TSIROT και TSICR που συσχετίστηκαν σημαντικά με την τροφική κατάσταση αποτέλεσαν τον TSIZOO, ένα νέο ζωοπλαγκτικό δείκτη τροφικής κατάστασης. Ο TSIZOO ήταν ο πιο αποτελεσματικός ζωοπλαγκτικός δείκτης αναγνωρίζοντας δύο κατηγορίες τροφικής κατάστασης, τη χαμηλή (ολιγότροφη-μεσότροφη) και την υψηλή (εύτροφη-υπερεύτροφη). Για την αξιολόγηση της οικολογικής ποιότητας των φυσικών λιμνών αναπτύχθηκαν δύο δείκτες, ο PhyCoIGP και ο Zoo-IQ. Ο PhyCoIGP αποτελεί τροποποίηση του πολυμετρικού φυτοπλαγκτικού δείκτη PhyCoI συμπεριλαμβάνοντας το δυναμικό βόσκησης (GP) ως μετρική για την εκτίμηση της ζωοπλαγκτικής βόσκησης στο φυτοπλαγκτό. Το GP συνδυάζει δεδομένα ζωοπλαγκτού-φυτοπλαγκτού τα οποία παίρνουν συντελεστές βαρύτητας για την αποτελεσματικότητα των ζωοπλαγκτικών οργανισμών ως βοσκητές και για την καταλληλότητα του φυτοπλαγκτού ως τροφή. Οι υψηλές τιμές GP αποτελούν ένδειξη κυριαρχίας μεγαλόσωμου ζωοπλαγκτού, ενώ οι χαμηλές τιμές GP ένδειξη αυξημένης φυτοπλαγκτικής βιομάζας ή/και κυριαρχία μικρόσωμου ζωοπλαγκτού. Ο PhyCoIGP αξιολόγησε με επιτυχία την ποιότητα των λιμνών που μελετήθηκαν. Ο ζωοπλαγκτικός δείκτης ποιότητας των υδάτων Zoo-IQ, είναι ο πρώτος ζωοπλαγκτικός δείκτης που αναπτύχθηκε για την αξιολόγηση της ποιότητας φυσικών λιμνών στην Ευρώπη. Οι τελικές μετρικές του (αφθονία, βιομάζα, μέγεθος σώματος και λόγος των μεγαλόσωμων κλαδοκερωτών) επηρεάζονται από τον ευτροφισμό ή/και τη θήρευση από τα ψάρια. Ο Zoo-IQ αξιολόγησε με επιτυχία την ποιότητα των λιμνών, καθώς σχεδόν όλες οι υπερεύτροφες λίμνες χαρακτηρίστηκαν ως ελλιπείς και οι βαθιές ως καλές. Οι δύο δείκτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά στην παρακολούθηση της οικολογικής ποιότητας των υδάτων χρησιμοποιώντας ένα σύστημα ταξινόμησης πέντε επιπέδων. Συμπερασματικά, το ζωοπλαγκτό είναι αποτελεσματικό για την εκτίμηση και παρακολούθηση του ευτροφισμού και της οικολογικής ποιότητας και πρέπει να ενταχθεί ως βιολογικό στοιχείο στην Οδηγία 2000/60.