Benthic biodiversity and bottom-up effects based on food web attributes in response to sediment condition in Sado estuary (SW Coast, Portugal)

Abstract

Studies that concurrently assess diversity patterns and interactions among benthic organisms remain scarce. This research aims to investigate how benthic community diversity influences trophic interactions and the structure of benthic food webs, providing fundamental knowledge to support the development of new approaches for assessing Descriptors 1, 4 and 6 (Marine Strategy Framework Directive). Spatial-temporal patterns of benthic bacterial and nematode communities in response to sediment conditions were analysed at three sampling sites in Sado estuary (Portugal) using 16S metagenomic and morphological identification, respectively. Both communities exhibited comparable responses to environmental variables, although nematodes were more sensitive to site-specific variations than bacteria. The co-occurrence of specific taxa suggests potential interactions these communities most likely influenced by local anthropogenic activities, emphasizing their value as effective ecological indicators. Benthic food webs were analyzed through stable isotope ratios δ13C and δ15N of macrobenthic organisms and their potential food sources. Isotopic metrics were combined with multivariate methods to identify food web indicators. Trophic structure, aligned with the benthic diversity, revealed a clear spatial pattern driven by sediment grain size, organic matter content, and primary production. “Navigator” and “Gambia” sites exhibited simpler food webs, consistent with organic enrichment, dominance of anaerobic bacteria, and prevalence of opportunistic nematode genera. Temporal variability of both food webs was driven by differences in the resources. In contrast, “Tróia” food webs were more complex, with a high diversity of consumers and efficient resource exploitation. Overall, spatial differences were more pronounced than temporal trends, although food web complexity increased over time at 'Navigator' and 'Gambia'. The 'Tróia' food web exhibited only minor temporal variation, reflecting subtle changes in resource use. This study introduces a novel approach integrating benthic diversity and trophic interactions to assess estuarine habitat condition, supporting Blue Economy activities, habitat recovery, and sustainable coastal management; - Biodiversidade e os efeitos “bottom-up” na cadeia trófica bentónica estuarina em resposta a diferentes condições dos sedimentos (Estuário do Sado, Portugal) RESUMO: Estudos que avaliem simultaneamente padrões de diversidade e interações entre organismos bentónicos para compreensão do funcionamento dos ecossistemas são raros. Este estudo investigou o efeito da diversidade das comunidades bentónicas nas interações tróficas, promovendo novas abordagens para avaliar os Descritores 1, 4 e 6 da Diretiva-Quadro Estratégia Marinha. A distribuição espacial e temporal das comunidades bentónicas bacterianas e de nemátodes em resposta às condições sedimentares foi analisada em três locais do estuário do Sado (Portugal), através da metagenómica 16S e identificação morfológica, respetivamente. Embora as comunidades respondessem de forma semelhante às condições do sedimento, as comunidades de nemátodes mostraram-se mais sensíveis às variações locais. Verificou-se a coocorrência de taxa específicos sugerindo potenciais interações entre bactérias e nemátodes possivelmente influenciado pelos efeitos antropogénicos e evidenciando o seu valor como indicadores ecológicos. As cadeias tróficas bentónicas foram analisadas através da medição de isótopos estáveis - δ13C e δ15N - de organismos macrobentónicos e fontes alimentares. As razões isotópicas, combinadas com métodos multivariados, permitiram identificar indicadores tróficos. As topologias tróficas refletiram os padrões de diversidade bentónica, sendo fortemente influenciados pela granulometria, matéria orgânica e produção primária. Os locais “Navigator” e “Gambia” apresentaram cadeias tróficas simples, associadas ao enriquecimento orgânico, elevada prevalência de bactérias anaeróbicas e géneros oportunistas de nemátodes. A variabilidade temporal resultou das diferenças no uso de recursos. Em oposição, as cadeias tróficas de “Tróia” mostraram-se mais complexas, com maior diversidade de consumidores e uso eficiente dos recursos disponíveis. Os padrões temporais foram menos evidentes do que os espaciais, embora a complexidade trófica em “Navigator” e “Gambia” tenha aumentado ao longo do tempo. Cadeias tróficas de “Tróia” mostraram ligeira variabilidade sazonal associada às mudanças no uso dos recursos. Este estudo propõe uma abordagem inovadora para avaliar ecossistemas, integrando diversidade bentónica e interações tróficas, recuperação de habitats, apoiando Economia Azul.