Επίδραση της φωτορρύπανσης σε παράκτια βενθικά οικοσυστήματα

Abstract

Light is an important cue for a wide range of molecular, physiological, and behavioural processes, as organisms have evolved under natural light cycles. Artificial light at night is a widespread feature of the nocturnal environment that may alter coastal ecosystems. The aim of this doctoral dissertation was to investigate the effects of artificial light at night on coastal ecosystems at three levels of biological organisation: community, metabolism, and physiology. At the community level, the effects of artificial light on the taxonomic and trophic composition of benthic and hyperbenthic assemblages were studied across three different substrates (hard, soft, and seagrass meadows). Additionally, the interaction between artificial light and the lunar phase was explored. To this end, light traps with LED lights and unlit traps were deployed on the three substrate types at sunset and collected at sunrise the following day. Sampling was conducted during three distinct lunar phases: new moon, quarter moon, and full moon. The results indicated that artificial light at night can affect the taxonomic composition of benthic and hyperbenthic communities in different habitats, and consequently, the coastal ecosystem functioning through observed changes in the trophic composition of these communities. Moreover, the lunar phase and its interaction with artificial lighting appeared to influence only the communities in hard and soft substrates. At the metabolic level, the effects of artificial light at night on the respiration rate of coastal benthic communities were examined in different substrates (hard and soft substrates) and under different lunar phases. Benthic chambers equipped with LED lights and unlit chambers were placed on both substrate types, and water samples were collected during the new moon, quarter moon, and full moon phases. The Winkler method was used to measure dissolved oxygen levels before sunset and at sunrise, in order to calculate the community respiration rate. The results showed that only the respiration rate of the hard substrate community was affected by artificial night lighting and lunar phase, with no interaction observed between the two factors. At the physiological level, the effects of artificial lighting on the nocturnal secretion of melatonin and two of its biosynthetic precursors, serotonin and tryptamine, were studied in the polychaete H. carunculata. To this end, melatonin, serotonin, and tryptamine levels were measured every three hours over a 24-hour period in the heads of polychaetes exposed either to continuous light or to a normal photoperiod (12 hours of light and 12 hours of darkness). Melatonin concentrations were determined using an an enzyme immunoassay, while serotonin and tryptamine were analyzed via liquid chromatography-tandem mass spectrometry. The results indicated that artificial light at night can influence melatonin secretion patterns by shifting its secretion pattern under continuous light conditions, although serotonin and tryptamine, as biosynthetic precursors, were not affected.In conclusion, the findings of this dissertation demonstrate that artificial lighting at night can influence coastal benthic ecosystems at various levels of biological organization, including community structure and function, metabolism, and physiology. Given the limited research on the impacts of nocturnal lighting in marine environments, particularly on coastal benthic communities, this study contributes significantly to filling existing knowledge gaps and can serve as a foundation for the development of conservation policies for coastal ecosystems.

Το φως αποτελεί σημαντικό ερέθισμα για μία πληθώρα μοριακών, φυσιολογικών και συμπεριφορικών διεργασιών, καθώς οι οργανισμοί έχουν εξελιχθεί κάτω από φυσικούς κύκλους φωτός. Το τεχνητό φως κατά τη διάρκεια της νύχτας αποτελεί ένα ευρέως διαδεδομένο χαρακτηριστικό του νυχτερινού περιβάλλοντος, το οποίο μπορεί να μεταβάλλει τα παράκτια οικοσυστήματα. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η διερεύνηση των επιπτώσεων του τεχνητού φωτός τη νύχτα στα παράκτια οικοσυστήματα σε τρία επίπεδα βιολογικής οργάνωσης: βιοκοινότητας, μεταβολισμού και φυσιολογίας. Στο επίπεδο βιοκοινότητας, μελετήθηκαν οι επιπτώσεις του τεχνητού φωτός στη ταξινομική και τροφική σύνθεση και ποικιλότητα των βενθικών και υπερβενθικών συνευρέσεων σε τρεις διαφορετικούς τύπους υποστρωμάτων (σκληρό, μαλακό και φανερογάμων). Επιπρόσθετα, διερευνήθηκε η αλληλεπίδραση του τεχνητού φωτός με τη σεληνιακή φάση. Για το σκοπό αυτό, κατασκευάστηκαν φωτοπαγίδες με φώτα LED και παγίδες χωρίς φως, οι οποίες τοποθετήθηκαν στα τρία διαφορετικά υποστρώματα κατά τη δύση του ηλίου και συλλέγονταν την επόμενη ημέρα κατά την ανατολή. Οι δειγματοληψίες πραγματοποιήθηκαν σε τρεις διαφορετικές σεληνιακές φάσεις οι οποίες αντιστοιχούσαν στη νέα σελήνη, στο τέταρτο σελήνης και στην πανσέληνο. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το τεχνητό φως τη νύχτα μπορεί να επηρεάσει την ταξινομική σύνθεση των βενθικών και υπερβενθικών κοινοτήτων διαφορετικών ενδιαιτημάτων και, ενδεχομένως, τη λειτουργικότητα των παράκτιων οικοσυστημάτων μέσω των διαφοροποιήσεων στην τροφική σύνθεση αυτών των κοινοτήτων. Επιπρόσθετα, η σεληνιακή φάση αλλά και η αλληλεπίδρασή της με τον τεχνητό φωτισμό φάνηκε να επηρεάζει μόνο τις κοινότητες σε σκληρά και μαλακά υποστρώματα. Στο επίπεδο μεταβολισμού των παράκτιων οικοσυστημάτων, διερευνήθηκαν οι επιπτώσεις του τεχνητού φωτός τη νύχτα στον ρυθμό αναπνοής των παράκτιων βενθικών κοινοτήτων σε διαφορετικούς τύπους υποστρωμάτων (σκληρό και μαλακό υπόστρωμα) και σε διαφορετικές σεληνιακές φάσεις. Για το σκοπό αυτό, τοποθετήθηκαν βενθικοί θάλαμοι με φώτα LED και βενθικοί θάλαμοι χωρίς φως στα δύο υποστρώματα, από τα οποία συλλέχθηκαν δείγματα νερού σε τρείς σεληνιακές φάσεις (νέα σελήνη, τέταρτο σελήνης και πανσέληνος). Η μέθοδος Winkler χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση του διαλυμένου οξυγόνου πριν τη δύση και κατά την ανατολή του ηλίου, προκειμένου να υπολογιστεί ο ρυθμός αναπνοής. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι μόνο ο ρυθμός αναπνοής της κοινότητας του σκληρού υποστρώματος επηρεάστηκε από το νυχτερινό φωτισμό και τη σεληνιακή φάση, χωρίς να παρατηρείται αλληλεπίδραση μεταξύ τους. Στο επίπεδο της φυσιολογίας, μελετήθηκαν οι επιπτώσεις του τεχνητού φωτισμού στη νυχτερινή έκκριση μελατονίνης και των δύο πρόδρομων βιοσυνθετικών ορμονών της, της σεροτονίνης και της τρυπταμίνης, στον πολύχαιτο H. carunculata. Για το σκοπό αυτό, τα επίπεδα της μελατονίνης, σεροτονίνης και τρυπταμίνης μετρήθηκαν κάθε τρεις ώρες για 24 ώρες στα κεφάλια των πολυχαίτων που διατηρήθηκαν είτε σε συνεχή φωτισμό είτε σε φυσιολογική φωτοπερίοδο 12 ωρών φωτός και 12 ωρών σκοταδιού. Η συγκέντρωση της μελατονίνης προσδιορίστηκε μέσω ανοσοενζυμικής ανάλυσης, ενώ η σεροτονίνη και η τρυπταμίνη αναλύθηκαν με υγρή χρωματογραφία-φασματομετρία μαζών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο τεχνητός φωτισμός τη νύχτα μπορεί να επηρεάσει τα πρότυπα έκκρισης της μελατονίνης μέσα από την μετατόπιση του προτύπου έκκρισης υπό συνθήκες συνεχούς φωτισμού, παρόλο που η σεροτονίνη και η τρυπταμίνη, ως δύο από τους βιοσυνθετικούς της προδρόμους, δεν επηρεάστηκαν. Συμπερασματικά, από τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής φάνηκε ότι ο τεχνητός φωτισμός τη νύχτα μπορεί να επηρεάσει τα παράκτια βενθικά οικοσυστήματα σε διάφορα επίπεδα της βιολογικής οργάνωσης, όπως τη δομή και τη λειτουργικότητα, το μεταβολισμό και τη φυσιολογία. Καθώς η σχετική βιβλιογραφία για τις επιπτώσεις του νυχτερινού φωτισμού στο θαλάσσιο περιβάλλον, και ιδιαίτερα στις παράκτιες βενθικές κοινότητες, είναι περιορισμένη, η παρούσα μελέτη συνεισφέρει ουσιαστικά στην κάλυψη ερευνητικών κενών και μπορεί να αποτελέσει βάση για πολιτικές διατήρησης των παράκτιων οικοσυστημάτων.