Desempenho de índices bióticos de qualidade ambiental em distintas escalas de variabilidade espaço-temporal da macrofauna bêntica

Abstract

Resumo: Problemas relacionados à poluição por efluentes urbanos e anoxia são antigos, profundamente enraizados na sociedade e demandam urgente solução. Apesar da disseminação e do uso crescente de índices bênticos para avaliação da qualidade de ambientes marinhos e costeiros alguns problemas relacionados à ambiguidade ainda necessitam de investigações detalhadas. A estrutura trófica de associações bênticas pode igualmente integrar respostas funcionais ao enriquecimento orgânico. Entretanto, os índice bênticos e a estrutura trófica podem responder tanto a distúrbios antropogênicos quanto aos naturais, podendo variar em distintas escalas espaciais e temporais em virtude de diferentes processos interativos. A escolha de índices apropriados deve envolver técnicas de comparação o mais objetivas e integrativas o possível, de forma que variações temporais não sejam subestimadas. As respostas de indicadores à contaminação ainda necessitam de testes que adequadamente detectem os padrões de variabilidade com delineamentos amostrais robustos. O presente trabalho teve como objetivo principal avaliar a confiabilidade, congruência e variabilidade espaço-temporal das respostas de distintos indicadores de qualidade ambiental baseados na macrofauna bêntica. Para tanto, foram utilizadas as seguintes abordagens nos próximos quatro capítulos: (i) testes de congruência aos índices amplamente utilizados AMBI, M-AMBI e BENTIX, usando um delineamento hierárquico em um sub-estuário sujeito a distintos níveis de descargas de esgotos, com correlações a proxies químicos de contaminação e análises de similaridade de respostas; (ii) uma abordagem multivariada para a valiação da congruência e consistência dos índices ITI, BO2A, BENTIX, AMBI e M-AMBI, com correlações a marcadores químicos estáveis de contaminação e avaliação do grau de concordância entre diagnósticos ao longo de dois anos; (iii) avaliação da importância relativa de escalas temporais (quinzenas e estações ao longo de dois anos), espaciais (entre 101 e 103 m) e interativas na variabilidade que potencialmente afeta o desempenho dos índices AMBI, ITI e BO2A, assim como a contribuição relativa dos principais grupos ecológicos macrofaunais na explicação da variabilidade observada de cada índice; (iv) avaliação da consistência da estrutura trófica de comunidades expostas a diferentes níveis de contaminação por esgotos com o uso de dois métodos distintos para classificação de guildas tróficas a partir da abundância e biomassa como variáveis preditivas. Para tanto, um delineamento hierárquico foi novamente utilizado, com duas escalas espaciais (103 e 102m) e três temporais (Estações, Eventos e Quinzenas), em baixios entremarés da Baía de Paranaguá. No primeiro capítulo, os índices tiveram um baixo grau de similaridade de respostas em função da influência da variabilidade espacial em seu desempenho. Somente o AMBI variou na escala da contaminação (103 m) e foi congruente com os proxies físico-químicos. Respostas ambíguas refletiram efeitos de inputs naturais de matéria orgânica, e não a qualidade ambiental associada aos esgotos. Em adição, os resultados do segundo capítulo sugerem que apenas o ITI, AMBI e BO2A estão prontamente aptos à aplicação nas áreas estuarinas em termos de congruência de respostas e consistência com os proxies químicos de contaminação. Os piores graus de similaridade e correlação às variáveis da poluição envolveram os índices BENTIX e M-AMBI. Sua aplicação é, portanto, não recomendável antes de reajustes adequados dos limites numéricos das categorias de cada status ecológico (ou diagnósticas). Visto que uma avaliação mais detalhada das escalas de variabilidade de AMBI, ITI and BO2A ainda era necessária, no terceiro capítulo a consistência nos padrões de variação desses índices foi avaliada em diferentes graus de contaminação orgânica. As variações presumidamente fortes e marcadas relacionadas à mudança de estações não foi detectada por esses índices, apesar de variações interativas entre as menores escalas espaciais com escalas temporais de pequeno e longo prazo. Tais variações são uma provável consequência de distúrbios de pulso e pressão específicos. O input orgânico dos esgotos pode operar tanto na maior escala especial (103m) quanto na escala temporal de longo prazo vi (interanual). GI (espécies sensíveis) e suspensívoros tendenciaram grandemente os padrões de variabilidade do AMBI e ITI, assim como os anelídeos oportunistas para o BO2A. Ao contrário de testes equivocados (ou pseudoreplicados) de escalas espaciais, temporais e interativas de variação, nossos resultados foram consistentes à medida que foram avaliados com um delineamento hierárquico robusto e complexo e resultaram congruentes entre os três índices testados. A variabilidade interativa dos índices nas menores escalas não significa, necessariamente, que as respostas foram ambíguas ou inexpressivas. No quart capítulo, apesar da aplicação de distintos métodos de classificação de guildas tróficas da macrofauna, ambas as metodologias refletiram o estado trófico bêntico em escalas de variação espaço-temporais similares. A escala espacial da condição (103m) frequentemente interagiram temporalmente, o que significa que as diferenças entre áreas contaminadas e não-contaminadas não tiveram as mesmas magnitudes em todas as escalas temporais. As escalas restantes, de baixios, quinzenas e eventos também variaram, representando fatores estruturais adicionais ou secundários atuantes no sistema. O uso da biomassa como variável preditiva aumentou a consistência entre padrões de variabilidade em ambos os métodos de classificação de guildas tróficas. Independentemente do método utilizado, a detecção satisfatória de graus de poluição não depende somente do modo de alimentação da espécie e da qualidade e quantidade da matéria orgânica enriquecida, mas também do nível de tolerância a outros estressores ligados à poluição como a hipoxia. Os resultados enfatizam que os índices testados nos capítulos poderiam avaliar satisfatoriamente a saúde ambiental como ferramentas robustas de gestão, mas sua utilização ainda se beneficiará consideravelmente de avaliações das mudanças de níveis de tolerância de espécies indicadoras-chave. De forma semelhante, a estrutura trófica das associações ainda necessita de experimentos manipulativos que expliquem a complexidade dos fatores ecológicos estruturadores interativos. A utilização de invertebrados bênticos como indicadores, seja compondo índices ou em uma abordagem funcional com guildas tróficas, certamente contribuirá para a preservação da integridade das águas costeiras e para que as sociedades continuem a usufruir de seus bens e serviços.

Abstract: Problems related to pollution due to urban effluents and anoxia are ancient, deeply rooted in the society and demand urgent solution. Despite the increased and widespread usage of benthic indices for environmental health assessment in coastal and marine areas some problems underlying ambiguous assessments still remain to be elucidated. The trophic structure of benthic assemblages may as well integrate functional responses to organic enrichment. However, the benthic indices and the trophic structure of benthic assemblages may respond either to maninduced or natural disturbances and are likely to vary in space and time at many scales due to distinct interacting processes. The choice of suited indicators must involve comparison techniques as objective and integrative as possible, so that temporal variations are as well outlined. The responses of indicators to disturbance remain to be adequately tested for the detection of spatial variability by robust sampling designs. The main objective of this study was to assess the reliability, conguence and spatiotemporal variation of the responses of distinct indicators of environmental health based on the macrobenthic fauna. To this purpose, the following approaches were employed in the next four chapters: (i) a congruence test to the widely used indices AMBI, M-AMBI and BENTIX using a hierarchical sampling design in a sub-estuary subjected to distinct levels of sewage discharges, with correlations to chemical proxies of contamination and an analysis of similarity of responses; (ii) a multivariate approach was used to address congruence and consistency patterns of the indices ITI, BO2A, BENTIX, AMBI and MAMBI with correlations to stable chemical indicators of contamination and evaluation of the overall agreement among responses over two years; (iii) assessment of the relative importance of temporal (within fortnights and seasons along two years), spatial (at scales ranging from 101 to 103 m) and interactive variability affecting the performance of the biotic indices AMBI, ITI and BO2A, as well as the relative contribution of major macrofaunal ecological groups in explaining the observed variability of each index; (iv) evaluation of the consistency of trophic assemblages exposed to distinct levels of sewage contamination using two different methodological approaches for trophic guild assignment and both abundance and biomass as predictive variables. To this purpose we also used a hierarchical sampling design, nested at two spatial (103 and 102m) and three temporal scales (Seasons, Events and Fortnights) in non-vegetated tidal flats of the subtropical Paranaguá Bay. In the first chapter, we found a low degree of similarity among indices as an expression of the spatial variation of macrofaunal assemblages on their performances. Only AMBI varied at the contamination scale (103 m) and was congruent with physical-chemical proxies. Ambiguous responses indicated effects of natural inputs of organic matter rather than environmental quality associated to sewage. Furthermore, the results from the second chapter showed that only ITI, AMBI and BO2A seemed readily suited to assess the health condition of estuarine areas in terms of congruence among responses and consistency with chemical tracers of contamination. The worst levels of agreement and correlations to the pollution variables involved BENTIX and M-AMBI. We thereafter discouraged the application of BENTIX and M-AMBI prior to proper boundaries readjustments for such habitats. Since further detailed investigation of several scales of variability was still needed, in the third chapter AMBI, ITI and BO2A were consistently responsive to varying contamination levels. The presumed strong and marked variations related to seasons were not detected by these indices, although there was interactive variation between smaller spatial scales with short- and long-term temporal scales. Such variations are probably a consequence of specific pulse and press disturbances. The sewage input is likely to operate either at the largest spatial scale (thousands of meters), and at the long-term temporal scale (interannual). GI (sensitive species) and suspension feeders were possibly responsible for most of the variability of AMBI and ITI, as the opportunistic annelids for BO2A. Unlike biased tests of spatial, temporal and/or interactive scales of variation, our viii assumptions were consistent as they were both assessed with a robust and complex hierarchical sampling design and were congruent among all tested indices. Benthic indices varied at a variety of interactive scales, which does not necessarily mean ambiguous or meaningless responses. In the fourth chapter, regardless of applying a broader versus a narrower classification of trophic guilds, both methodologies were able to indicate the benthic trophic status at similar spatiotemporal scales of variation. The spatial scale of condition (103m) often interacted with time, meaning that the differences between contaminated and non-contaminated sites were not of similar magnitudes for all temporal scales. The remaining scales of tidal flat, fortnight and event also varied, representing additional or secondary structuring factors in the system. The use of biomass as a predictive variable increased the consistency between the patterns of variation in both methods of trophic guild assignment. Regardless of the method to trophic guild assignment, a successful application to pollution detection will not only depend on the feeding mode of the species and the quality or quantity of organic enriched material, but also on its level of tolerance to other pollution-stressors like hypoxia. We underline that all the tested indices could successfully assess benthic quality conditions as robust management tools but, a suitable application might still considerably benefit from additional investigation towards tolerance shifts of key indicator species. The structure of trophic assemblages also still need manipulative experiments to unravel the complex interplay of ecological structuring processes. The use of benthic invertebrates as indicators, either in the indices' composition or in functional approaches with trophic guilds, would certainly contribute to the conservation of the integrity of coastal waters, so that societies can still benefit from its goods and services.