Models for estimating phytoplankton population densities under different environmental conditions with emphasis on climatic factors

Document Type : Research Paper

Authors

1 Assistant Prof., Department of Irrigation and Reclamation Engineering, University of Tehran, Karaj 31587-77871, Iran

2 Assistant Prof., Faculty of Life Sciences and Biotechnology, Shahid Beheshti University, G.C. Tehran, Iran

3 Associate Prof., Department of Biology, Faculty of Sciences, Islamic Azad University, Research and Science Branch, Tehran, Iran

Abstract

The aim of this study is to determine the effect of environmental conditions with emphasis on the main meteorological factors (air temperature variables, sunshine hour, and humidity), on phytoplankton communities. As important primary producers in aquatic ecosystems, phytoplankton communities could be affected by several factors. Environmental factors play the major role in occurrence and diversity of these photosynthetic microorganisms. In the present study, the relationship between phytoplankton occurrence and meteorological variables was assessed in several artificial ponds and lakes in the National Botanical Garden of Iran. For this purpose, surface water samples of the selected sites were monthly studied over a year. A total of 122 taxa of phytoplanktons were identified in the mentioned sites out of which, five taxa were new records for Iran. Among several taxa, six dominant genera, including Chroococcus (Cyanophyta), Nitzschia (Bacillariophyta), Glenodinium (Pyrrhophyta), Scenedesmus, Cosmarium, and Tetraedron (Chlorophyta), were selected for further investigation. The meteorological factors were considered with emphasis on air temperature variables (maximum and minimum temperatures, average air temperature, wet and dry temperatures, and dew point temperature), sunshine hour, and humidity. Results showed that, climatic conditions can be considered as effective factors on phytoplankton communities. The results of regression analysis between algal density and meteorological variables showed that, phytoplankton’s density has a significant correlation with the sunshine hour and air temperature variables. It seems that, the regression equation and environmental sensitivity vary from one taxon to another.

Keywords

Article Title [Persian]

ارایه مدل‌هایی برای تخمین تراکم جوامع فیتوپلانکتونی متاثر از شرایط محیطی با تاکید بر عوامل اقلیمی

Authors [Persian]

  • زهرا آقاشریعتمداری 1
  • زینب شریعتمداری​ 2
  • طاهر نژادستاری 3
1 استادیار گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران، کرج، ایران
2 استادیار داﻧﺸﮑﺪه ﻋﻠﻮم و فناوری زﯾﺴﺘﯽ، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
3 دانشیار دانشکده علوم پایه، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران، ایران
Abstract [Persian]

جوامع فیتوپلانکتونی، به عنوان گروه مهمی از تولیدکنندگان اولیه در اکوسیستم‌های آبی، تحت تاثیر عوامل مختلفی قرار دارند. بی‌تردید فاکتورهای محیطی نقش مهمی در فراوانی و تراکم این میکروارگانیسم‌های فتوسنتزکننده اعمال می‌نمایند. در این مطالعه، ارتباط میان فراوانی جوامع فیتوپلانکتونی و متغیرهای هواشناسی، در تعدادی از اکوسیستم‌های آبی واقع در باغ گیاه‌شناسی ملی ایران (مؤسسه تحقیقات جنگل‌ها و مراتع کشور، تهران) مورد ارزیابی قرار گرفت. به این منظور، نمونه‌هایی از آب سطحی اکوسیستم‌های آبی مورد نظر به صورت ماهانه و به مدت یک سال بررسی گردید. در مجموع، 122 آرایه فیتوپلانکتونی شناسایی شد که از آن میان، پنج آرایه برای نخستین بار از ایران گزارش می‌شوند. به منظور ارزیابی چگونگی تاثیرپذیری جوامع فیتوپلانکتونی از متغیرهای هواشناسی، شش جنس غالب از اکوسیستم‌های مورد نظر به اسامی (Cyanophyta) Chroococcus، Nitzschia (Bacillariophyta)، Glenodinium (Pyrrhophyta)، Scenedesmus، Cosmarium و (Chlorophyta) Tetraedronمورد بررسی قرار گرفتند. از جمله متغیرهای هواشناسی مورد مطالعه می‌توان به متغیرهای دمایی (دمای بیشینه و کمینه، دمای میانگین، دمای خشک و مرطوب و دمای شبنم)، تعداد ساعات آفتابی و شرایط رطوبتی اشاره نمود. نتایج این مطالعه نشان داد که عوامل اقلیمی از جمله عوامل مهم تاثیرگذار بر جوامع فیتوپلانکتونی هستند. همچنین، نتایج تحلیل وایازشی (آنالیز رگرسیون) تراکم جلبکی و متغیرهای هواشناسی نشان داد که تراکم فیتوپلانکتونی دارای همبستگی معنی‌داری با تعداد ساعات آفتابی و متغیرهای دمای هوا می‌باشد. از دیگر نتایج مطالعه حاضر، می‌توان به اختلاف روابط وایازشی (رگرسیون) و حساسیت‌های محیطی نمونه‌های مختلف در مقایسه با یکدیگر نیز اشاره نمود.

Keywords [Persian]

  • اکوسیستم آب شیرین
  • تراکم جمعیت
  • شدت تابش
  • فلور جلبکی
  • هواشناسی

References

Andersen, R.A. 2005. Algal Culturing Techniques.  Elsevier Academic Press. Pp. 578.
Atkinson, D. 1995. Effects of temperature on the size of aquatic ecosystems: Exception to the general rule. Journal of Thermal Biology 20: 61–74.
Burnett, J.H., Baker, H.G., Beevers, H. & Whatley, F.R. 1977. The Biology of Diatoms. University of California Press. pp. 498.
Carlos, A.A. Carbonel, H.C. & Valentin, J.L. 1999. Numerical modelling of phytoplankton bloom in the upwelling ecosystem of CaboFrio (Brazil). Ecological Modelling 116: 135–148.
Eppley, R.W. 1972. Temperature and phytoplankton growth in the sea. Fishery Bulletin 70:
1063–1085.
Geider, R.J., MacIntyre, H.L. & Kana, T.M. 1997. Dynamic model of phytoplankton growth and acclimation: responses of the balanced growth rate and the chlorophyll a: carbon ratio to light, nutrient-limitation and temperature. Marine Ecology Progress Series 148: 187–200.
Gómez, P.I. & González, M.A. 2005. The effect of temperature and irradiance on the growth and carotenogenic capacity of seven strains of Dunaliella salina (Chlorophyta) cultivated under laboratory conditions. Biological Research 38: 151–162.
Grigorszky, I., Borics, G., Padisák, J., Tótmérész, B., Vasas, G., Nagy, S. & Borbély, G. 2003. Factors controlling the occurrence of Dinophyta species in Hungary. Hydrobiologia 506: 203–207.
Grimaud, G.M., Guennec, V.L.E., Ayata, S.D., Mairet, F., Sciandra, A. & Bernard, O. 2015. Modelling the effect of temperature on phytoplankton growth across the global ocean. IFAC-PaperOnline 48(1): 228–233.
Grover, J.P. & Chrzanowski, T.H. 2006. Seasonal dynamics of phytoplankton in two warm temperate reservoirs: association of taxonomic composition with temperature. Journal of Plankton Research 28(1): 1–17.
Guo, H., Yao, J., Sun, Z. & Duan, D. 2015. Effect of temperature, irradiance on the growth of the green alga Caulerpa lentillifera (Bryopsidophyceae, Chlorophyta). Journal of Applied Phycology 27(2): 879–885.
Javaheri, N., Dries, R., Burson, A., Stal, L.J., Sloot, P.M.A. & Kaandorp, J.A. 2015. Temperature affects the silicate morphology in a diatom. Scientific Reports 5: 11652.
John, D.M., Whitton, B.A. & Brook, A. 2002. The freshwater algal flora of the British Isles: An identification guide to freshwater and terrestrial algae. Cambridge University Press. Pp. 714.
Komárek, J. & Anagnostidis, K. 2005. Cyanoprokaryota 2. Teil/2ndPart: Oscillatoriales.
Lewandowska, A.M., Boyce, D.G., Hofmann, M., Matthiessen, B., Sommer, U. & Worm, B. 2014. Effects of sea surface warming on marine plankton. Ecology Letters 17: 614–623.
Lawrenz, E. & Smith, E.M. 2013. Spectral irradiance, phytoplankton community composition and primary productivity in a salt marsh estuary, North Intel, South Carolina, USA. Estuaries and Coasts 36: 347–364.
Lehman, J.T., Botkin, D.B. & Likens, G.E. 1975. The assumption and rationales of a computer model of phytoplankton population dynamics. Limnology Oceanography 20: 343–364.
Lonin, S.A. & Tuchkovenko, Y.S. 2001. Water quality modelling for the ecosystem of the cienaga de tesca coastal lagoon. Ecological Modelling144: 279–293.
Marshalonis, D. & Pinckney, J.L. 2008. Grazing and assimilation rate estimates of hydromedusae from a temperate tidal creek system. Hydrobiologia 606: 203–211.
Norén, F., Haamer, J. & Lindahl, O. 1999. Changes in the plankton community passing a Mytilus edulis mussel bed. Marine Ecological Progress Series 191: 187–194.
Odum, W.E., Odum, E.P. & Odum, H.T. 1995. Natures pulsing paradigm. Estuaries  18: 547–555.
Popovich, C.A. & Gayoso, A.M. 1999. Effect of irradiance and temperature on the growth rate of Thalassiosira curviseriata Takano (Bacillariophyceae), a bloom diatom in Bahía Blanca estuary (Argentina). Journal of Plankton Research 21(6): 1101–1110.
Prescott, G.W. 1970. Algae of the western great lakes area. W.M.C. Brown Company Publishers. 977 pp.
Rasconi, S., Winter, K. & Kainz, M. 2017. Temperature increase and fluctuation induce phytoplankton biodiversity loss - Evidence from a multi-seasonal mesocosm experiment. Ecology and Evolution. DOI: 10.1002/ece2889.
Schabhüttl, S., Hingsamer, P., Weigelhofer, G., Hein, T., Weigert, A. & Striebel, M. 2013. Temperature and species richness effects in phytoplankton communities. Oecologia 171: 527–536.
Staehr, P.A. & Sand-Jensen, K. 2006. Seasonal changes in temperature and nutrient control of photosynthesis, respiration and growth of natural phytoplankton communities. Freshwater Biology 51: 249–262.
Striebel, M., Schabhüttl, S., Hodapp, D., Hingsamer, P. & Hillebrand, H. 2016. Phytoplankton responses to temperature increases are constrained by abiotic conditions and community composition. Oecologia 182: 815–827.
Tirok, K. & Gaedke, U. 2007. The effect of irradiance, vertical mixing and temperature on spring phytoplankton dynamics under climate change: long-term observations and model analysis. Oecologia 150: 625–642.
Wehr, J.D., Sheath, R.G. & Thorp, J.H. 2002. Freshwater algae of North America: Ecology and classification. Aquatic Ecology Press. 917 pp.
Whitford, L.A. & Schumacher, G.J. 1973. A manual of fresh-water algae. Sparks Press, Raleigh, N.C.
337 pp.
Rostaniha
Volume 18, Issue 2 - Serial Number 54
December 2017
Pages 166-180

Files

History

  • Receive Date: 21 October 2017
  • Revise Date: 11 November 2017
  • Accept Date: 25 November 2017

Share

How to cite

Statistics