Idea Transcript
E DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS
Effects of ocean warming and acidification on the early stages of marine fishes
Doutoramento em Ciências do Mar
Marta Cristina Silva Pimentel da Silva
Tese orientada por: Professor Doutor Rui Rosa Professor Doutor Jorge Machado
Documento especialmente elaborado para a obtenção do grau de doutor
2016
E DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS
Effects of ocean warming and acidification on the early stages of marine fishes
Doutoramento em Ciências do Mar
Marta Cristina Silva Pimentel da Silva
Tese orientada por: Professor Doutor Rui Rosa Professor Doutor Jorge Machado
Júri: Presidente: ● Doutora Maria da Luz da Costa Pereira Mathias Vogais: ● Doutor Mário Emanuel Campos de Sousa Diniz ● Doutor Emanuel João Flores Gonçalves ● Doutora Maria Manuela Gomes Coelho de Noronha Trancoso ● Doutor Henrique Manuel Roque Nogueira Cabral ● Doutor Rui Afonso Bairrão da Rosa ● Doutor Gil Pessanha Penha Lopes
Documento especialmente elaborado para a obtenção do grau de doutor Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)
2016
!
!
! Dedico! ! ! À!Rita!! ! ! ! ! !
!
!
!
!
AGRADECIMENTOS!
! Quero!expressar!a!minha!gratidão!a!todas!as!pessoas!que!me!ajudaram!e!tornaram! esta! tese! possível.! São! poucas! as! palavras! que! tenho! para! adjetivar! o! meu! agradecimento,!Obrigado.! ! Em!primeiro!lugar!quero!agradecer!!aos!meus!orientadores!que!foram!incansáveis! durante!a!realização!desta!tese!de!doutoramento.!A!constante!orientação!teórica!e! prática!foram!muito!valiosas.!Os!meus!mais!profundos!e!sinceros!agradecimentos,! foi! um! prazer! trabalhar! convosco.! Ao! Doutor! Rui! Rosa! por! me! ter! incentivado! e! motivado!a!realizar!esta!tese!de!doutoramento,!obrigado!pelas!palavras!de!ânimo! no! momento! de! decisão.! A! sua! predisposição! incondicional,! ajuda,! orientação! e! dedicação!constantes!foram!essenciais!durante!este!processo.!Obrigado!pela!total! disponibilidade! e! por! todos! os! esclarecimentos,! sugestões! e! críticas! que! foram! sempre! tão! construtivas.! Acima! de! tudo! obrigado! pela! amizade! e! entusiasmo! incansáveis.! Ao! Doutor! Jorge! Machado! pela! sua! orientação,! supervisão! e! apoio! durante!as!várias!fases!desta!tese.!Obrigado!por!todas!as!palavras!tão!motivadoras.! Agradeço!também!às!instituições!de!acolhimento,!ao!MARE!–!Centro!de!Ciências!do! Mar! e! do! Ambiente,! Laboratório! Marítimo! da! Guia! R! Faculdade! de! Ciências! da! Universidade!de!Lisboa!e!ao!ICBAS!–!Instituto!de!Ciências!Biomédicas!Abel!Salazar,! Universidade!do!Porto.! ! Quero! expressar! os! meus! agradecimentos! ao! Aquário! Vasco! da! Gama,! Oceanário,! Manresa,!CRIPSul!e!à!University!of!Miami!Experimental!Hatchery!of!the!Rosenstiel! School! of! Marine! and! Atmospheric! Science! pelo! fornecimento! de! rotíferos,! microalgas,! Artemia,! ovos! de! linguado,! corvina,! dourada! e! doirado! para! o! desenvolvimento! das! experiências! decorridas! durante! esta! tese.! Em! especial! ao! Hugo!Baptista,!Sara!Chalante!e!Dra.!Fátima!Gil!pelo!valioso!apoio!na!produção!de! alimento!vivo!e!por!estarem!sempre!disponíveis.! ! Ao! Doutor! Mário! Diniz! pela! sua! disponibilidade,! amabilidade,! ajuda! e! assistência! técnica! nos! trabalhos! desenvolvidos! na! Faculdade! de! Ciências! e! Tecnologia! e! Universidade! Nova! de! Lisboa.! Quero! agradecer! também! à! Diana! Madeira! pela! excelente!assistência!técnica!com!as!análises!laboratoriais.! ! !
!
Ao!Doutor!Tiago!Marques!e!Doutora!Regina!Bispo!da!empresa!StartFactor,!o!meu! muito! obrigado! por! estes! últimos! meses! e! inestimável! ajuda.! Foi! um! prazer! trabalhar!convosco,!posso!dizer!que!sim,!“my!head!hurts”.! ! Ao! Doutor! Myron! Peck! e! Doutor! Hans! O.! Pörtner! pelos! valiosos! comentários,! criticas!e!sugestões!dos!trabalhos!científicos.! ! Agradeço! à! Fundação! para! a! Ciência! e! Tecnologia! (FCT)! pelo! financiamento! da! minha! bolsa! de! doutoramento! (SFRH/BD/81928/2011)! e! também! aos! projetos! PTDC/MAR/0908066/2008! e! PTDC/AAGRGLO/3342/2012! liderados! pelo! Doutor! Rui! Rosa,! que! financiaram! todo! o! material! necessário! para! o! desenvolvimento! desta!tese!de!doutoramento.! ! Quero! agradecer! à! Filipa! Faleiro! pela! amizade! e! por! ter! sido! um! grande! pilar! ao! longo! deste! percurso.! Obrigado! pela! ajuda,! críticas,! comentários! e! pela! total! disponibilidade.!O!meu!muito!obrigado.!Não!haverá!sushi!suficiente!para!expressar! o!meu!agradecimento.! ! Quero! agradecer! também! a! todos! os! meus! colegas! do! Laboratório! Marítimo! da! Guia,!em!especial!à!Ana!Pego,!Carina,!Catarina!Frazão,!Catarina!Santos,!Inês!Rosa,! Gisela! Dionísio,! Joana! Portugal,! Katja! Trübenbach,! Maria! Rita,! Miguel! Baptista,! Ricardo! Cyrne,! Rita! Lopes,! Tiago! Repolho! e! Vanessa! Madeira,! pelas! noitadas! de! trabalho,! ajudas! inestimáveis,! amizade,! amostragens,! mergulhos! gelados,! churrascadas,! risos! e! companheirismo.! O! meu! muito! obrigado! à! Catarina! Santos! pela! valiosa! ajuda.! Ao! gang! da! estatística! pelos! recentes! desvarios,! busca! de! conhecimento,! entusiasmo! e! companheirismo.! Gisela! e! Joana!obrigado! pela! vossa! amizade!e!cumplicidade.! ! Obrigado!a!todos!os!meus!amigos!por!todos!os!momentos!valiosos,!confidências!e! por!me!manterem!à!tona.!À!mana!Sara!Saraiva,!não!existem!palavras!que!possam! descrever! a! nossa! amizade;! o! meu! muito! obrigado! por! todos! os! comentários! e! ajuda! ao! longo! deste! processo.! Não! menos! importante,! quiero! agradecer! a! mis! amigos! que! están! lejos! y! que! tanto! me! han! apoyado! desde! el! inicio! de! este! viaje.! Andrea,!Carmen!y!Laia!vuestro!amor!y!cariño!mantuvo!mi!salud!mental!para!seguir! luchando!por!mis!objetivos!y!sueños.!Gracias!por!todas!las!palabras!de!conforto.!Os! !
!
quiero!demasiado.!Muchas!gracias!por!todo!y!por!vuestra!valiosa!amistad.! ! À! Rita! que! sempre! me! motivou! enquanto! pôde! e! que! tanto! me! ensinou,! as! suas! palavras!e!amizade!foram!inestimáveis!e!nunca!serão!esquecidas.!Espero!honrar!a! tese!que!nunca!pôde!terminar.!! ! Quero!agradecer!e!dar!o!meu!bem!haja!à!minha!família,!sem!o!apoio!de!todos!eles! esta! tese! não! seria! possível,! obrigado.! TenhoRvos! bem! presente! em! mim.! Em! especial!quero!agradecer!à!minha!Mãe!pelo!carinho!e!amor!incondicional.!Por!fim! quero! agradecer! ao! Fernando! por! todo! o! amor,! paciência,! ajuda! em! todos! os! momentos,!dedicação!e!carinho!ao!longo!desta!viagem.!!
!
!
Table!of!Contents! !
TABLE!OF!CONTENTS! !
! List!of!abbreviations!and!units!!.....................................................................................................................!1! ! List!of!figures!!........................................................................................................................................................!4! List!of!tables!!..........................................................................................................................................................!10! Abstract!and!Keywords!!...................................................................................................................................!13! Resumo!e!PalavrasRchave!!...............................................................................................................................!15! Resumo!alargado!!................................................................................................................................................!17! List!of!papers!!........................................................................................................................................................!22!!! ! CHAPTER!1!! General!introduction!!........................................................................................................................................!25! ! CHAPTER!2!! Defective!skeletogenesis!and!oversized!otoliths!in!fish!early!stages!in!a!changing!ocean!..!55! ! CHAPTER!3!! Foraging! behaviour,! swimming! performance! and! malformations! of! early! stages! of! commercially!important!fishes!under!ocean!acidification!and!warming!...................................!67! ! CHAPTER!4! Impact!of!ocean!acidification!in!the!metabolism!and!swimming!behavior!of!the!dolphinfish! (Coryphaena*hippurus)!early!larvae!!...........................................................................................................!93! ! CHAPTER!5!! Metabolic! potential! of! fish! early! life! stages! with! different! life! strategies! and! locomotory! abilities!under!ocean!warming!and!acidification!!...............................................................................!101! ! CHAPTER!6!! Oxidative!stress!and!digestive!enzyme!activity!of!flatfish!larvae!in!a!changing!ocean!!......!125! ! CHAPTER!7! General!discussion!and!final!considerations!!........................................................................................!147!
!
!
!
LIST OF ABBREVIATIONS AND UNITS
List of Abbreviations and Units
ANOVA
Analysis of variance
ATP
Adenosine 5’-triphosphate
BSA
Bovine Serum Albumin
Ca
Calcium
CAT
Catalase
CDNB
l-chloro-2,4-dinitrobenzene
CO2
Carbon Dioxide
CS
Citrate Synthase
CTMax
Critical Thermal Maximum
e.g.
For Example
EDTA
Ethylenediaminetetraacetic acid
etc.
Et cetera
GR
Glutathione reductase
GSH
Reduced glutathione
GST
Glutathione S-Transferase
H2O
Water
H2O2
Hydrogen peroxide
HSP
Heat Shock Proteins
HSR
Heat Shock Response
HOAD
3-hydroxyacyl CoA dehydrogenase
IPCC
Intergovernmental Panel on Climate Change
LDH
Lactate Dehydrogenase
LT50
Temperature required for 50% of mortality
LT100
Temperature required for 100% of mortality
MDA
Malondialdehyde
NOAA
National Oceanic and Atmospheric Administration
O2
Oxygen
OA
Ocean Acidification
OCR
Oxygen Consumption Rates
p-value
Probability of the test statistic
Q10
Thermal sensitivity
RMRs
Routine metabolic rates
ROS
Reactive oxygen species
SST
Sea surface temperatures
TBARS
Thiobarbituric acid reactive substances
%
Percentage 1
List of Abbreviations and Units
±
Approximately
°C
Degree Celsius
atm
Atmosphere
ww
Wet weight
g
Gram(s)
G
Relative centrifugal force or G-force
H
Hour(s)
Kg
Kilogram(s)
L
litre(s)
M
Molar concentration
Mg
Miligram(s)
Min
Minute(s)
mL
Milliliter(s)
μmol
Micromole(s)
mM
Milimolar
mm
Millimetre(s)
rpm
Revolutions per minute
sec
Second(s)
U
Units
λ
Wavelength
μg
Micrograma(s)
μL
Microlitre(s)
μmol
Micromole
2
3
List of Figures
LIST OF FIGURES CHAPTER 1 – General introduction
Fig. 1. (A) Carbon dioxide concentration levels from previous 800 thousands of years until November 26th 2015 (Graph from NOAA and data from Mauna Loa Observatory); and (B) projected surface temperature changes for the late 21st century (figure SPM.6. from IPCC 2007 report); temperatures are relative to the period 1980-1999. Fig. 2. (A) Changes in ocean surface pH (1976-2005 to 2071-2100) for the IPCC AR5, RCP 2.6 scenario; (B) RCP 8.5 scenario, graphs are courtesy from Joana Boavida-Portugal. Fig. 3. Thermal window of performance and oxygen- and capacity-limited thermal tolerance concept (OCLTT) (Pörtner et al., 2006; Pörtner, 2010). CHAPTER 2 – Defective skeletogenesis and oversized otoliths in fish early stages in a changing ocean Fig. 1. Effect of ocean warming and acidification on the early life stages of Solea senegalensis. (A) Hatching success (n=30), (B) survival rate (n=3), (C) standard length (n=60) and (D) specific growth rate (SGR) (n=60) of 30 days post hatching (dph) larvae at different temperature and pH scenarios. Fig. 2. Impact of ocean warming and acidification on the metabolism and thermal tolerance of Solea senegalensis larvae. (A) Oxygen consumption rates (OCR) (n=9), (B) upper thermal tolerance limits (LT50) (n=30) and (C) critical thermal maximum (CTmax) (n=30) of 0 and 30 ph larvae (dark and light gray, respectively) at different temperature and pH scenarios. Fig. 3. Skeletal deformities of 30 dph Solea senegalensis larvae under the effects of ocean warming and acidification. (A) Cranium deformity, ocular migration anomaly; (B) opercle and cranium deformity; (C) vertebra fusion and compression, deformed spines, arches and parapophysis; (D) vertebra fusion and deformed spines and arches; (E) vertebra fusion, urostyle fusion and caudal fin complex anomalies such as modified neural and hemal spine, hypural and fin rays; (F) vertebra fusion and compression, deformed spines and arches; (G) vertebral fusion, deformed hypural and modified hemal spines; (H) pelvin fin deformity; (I) 4
List of Figures
scoliosis; (J) lordosis and kyphosis.
Fig. 4. Incidence of skeletal deformities in Solea senegalensis larvae under the effects of ocean warming and acidification. (A) Total skeletal deformities of 30 dph larvae at different temperature and pH scenarios, which include deformities in the (B) cranium, (C) abdominal vertebra, (D) caudal vertebra, (E) caudal fin complex, (F) dorsal fin, (G) pectoral fin and (H) pelvic fin. Fig. 5. Incidence of severe skeletal deformities in Solea senegalensis larvae under the effect of ocean warming and acidification. (A) Total severe skeletal deformities and severe vertebral curvatures, such as (B) scoliosis, (C) lordosis and (D) kyphosis of 30 dph larvae at different temperature and pH scenarios. Fig. 6. Effect of ocean warming and acidification on otolith size of 30 dph Solea senegalensis larvae. Otolith area at different temperature and pH scenarios. CHAPTER
3
–
Foraging
behaviour,
swimming
performance
and
malformations of early stages of commercially important fishes under ocean acidification and warming Fig. 1. Effect of ocean warming and acidification on the survival of early stages of Sparus aurata and Argyrosomus regius. Hatching success of S. aurata (A) and A. regius (B), and survival of 15 dph S. aurata larvae (C) and 10 dph A. regius larvae (D) under different temperature and pH scenarios. Open circles represent normocapnia and crosses hypercapnia conditions. Red dots represent each point of observation (n=12; p