Characteristics  of of Posidonia oceanica (L.) Del. meadows in the Montenegrin coast and heavy metal concentrations in the leaves ‐ frame analysis of the basis of collected data 

By Ivana Radonjić and Maja Dakić, MedCEM 

 

Introduction 

  The seagrass Posidonia oceanica (L.) Delile forms the most common and widespread meadows of the Mediterranean Sea  likely representing the marine ecosystem with the highest  levels of biodiversity  and  productivity  (Mazzella  et  al.,  1993).  The  development  of  these  meadows requires stable environmental conditions  (Gobert et al., 2006) and their distribution  is strictly related to a complex interaction of biotic and abiotic factors (Hemminga and Duarte, 2000). Trace  elements  are  elements  that  occur  naturally  in  very  low  concentrations  in  the environment and can be either essential or non essential  to  living organisms (Alloway, 1995). Seagrasses take up trace elements through leaves and roots which can be translocated among the parts of the plant. They also can be introduced into higher trophic levels of the ecosystem, through grazing and decomposition of leaves and epiphytes (Lewis and Devereux, 2009). Trace  elements  are  not  necessarily  toxic  but  many  anthropogenic  activities  increase  their natural  concentrations  causing  pollution  (Sanz‐L´azaro  et  al.,  2012).  Many  toxic  and bioaccumulative pollutants are found in only trace amounts in sea water, and often at elevated levels  in seagrass. Trace metals are regarded as serious pollutants of the marine environment because  of  their  toxicity  and  persistence,  their  difficult  biodegradability  and  tendency  to concentrate  in aquatic organisms (Conti et al., 2010). Marine coastal systems are areas under pressure of many anthropogenic activities (Turner et al., 1996). Posidonia oceanica is the most abundant  seagrass  in  the  Mediterranean  playing  a  key  role  in  the  cycling  of  matter  in Mediterranean coasts (Pergent et al., 1994). Leaves of P. oceanica can give an indication of the metal concentration in the environment over a short time period (Gosselin et al., 2006).  Also  in 2000, P. oceanica was  selected as a Biological Quality Element  (BQE; Med‐GIG, 2009) representative of  aquatic Mediterranean angiosperms  for monitoring  the ecological  status of coastal waters under the Water Framework Directive (EC, 2000). The aim of the present work was to measure concentrations of heavy metals and some other elements in samples collected along Montenegrin coast. Also in order to be able to apply more adequate protection measures  for  this endangered seagrass,  in  the present study we tried to collect  as  much  as  possible  basic  information  concerning  the  state  of  P.  oceanica  seagrass meadows off the Montenegrin coast.  

 

Materials and Methods   Sampling locations, sampling method, sample preparation and trace elements analyses  

Samples were collected by scuba diving at ten transects on following locations: islands Katic and Sv. Nedjelja, Buljarica, Canj and Maljevik. Covered area was in the infralittoral zone between 5 and 30 m. The sampling locations were chosen based on the abundance of seagrasses, state of the  meadows  and  anthropogenic  influences. All  samples  were  collected  in  summer  season during 2 years without any specific time‐pattern.

In order  to evaluate  the  state of  the meadows on given  locations, density per  square meter, ground  cover  and  percent  of  dead  layer  were  measured,  and  some  damage  was  recorded (caused by excessive anchoring, inadequate fishing, siltation and waste discharge into the sea).  The density of the meadows was measured in situ at all reference depths, counting the shoots in  the  frame of  40  x  40  cm, with  a  repetition of  3  times  to  reduce  the  probability  of  errors. Coverage and the percentage of dead layer are determined by the individual observation during dives.  All  parameters were  recorded  at  several  transects  (three  reference  depths  along  each transect) at given locations, with different types of substrates: sandy, muddy and rocky ground. For reference were taken three depths: the lower limit of the seagrass distribution, the depth of  15  ±  1 m where  the meadow  is  usually  the  healthiest with  the  highest  coverage  and  the upper limit along the coast. Measuring along the transect was conducted from  greater depths to  the  lower.  The  selected  area  where  the  data  were  collected  was  planned  for  the establishment of marine protected area,  just because of good condition of  the meadows and their  distribution.  Particularly  important  are  islands  Katic,  due  to  large  area  covered  by  P. oceanica.  

Also, horizontal  and vertical  transparency,  temperature,  and  stated  the  substratum on which the plant grows were recorded for given locations.  

Sampling  was  done  at  15±1m  depth,  regard  to  highest  density  of  meadow  and  orthotropic growth  of  rhizomes.  From  every  sampling  location  we  took  10  shoots  of  P.  oceanica  with orthotropic  rhizomes.  Orthotropic  shoots  with  vertical  rhizome  growth  were  collected  along with rhizome, so they are not damaged during transportation. Also, morphological parameters such as number of leaves, their length, width, coefficient A per shoot, LAI index were measured and recorded.   In  laboratory,  samples  were  washed,  dried  on  60  ˚C  for  48  h  and  reduced  to  powder. Decomposition of organic matter was performed under high temperature and obtained sample was used  for making basic  solution by adding 10 ml of 25% HCl  to  the powder and gradually warming  up  in  order  to  convert  pyrophosphates  created  during  combustion  to orthophosphates, and dissolve the powder. The solution is then filtered, cooled down to 20˚C and fill up with distilled water to 100 ml to make  it ready for the analysis. Dissolved seagrass samples were  analyzed  and  levels  of  trace  element were  determined  using  graphite  furnace atomic absorption spectrometer by trained personnel.    

  

       GIS Map of project transects   Statistical data analysis  Statistical and graphical analysis of morphological parameters and concentrations of heavy metals in plants was carried out using Microsoft Office Excel XLSTAT package. Analysis of the relative impact of the habitats, physical and chemical characteristics of the water and the density of Posidonia were performed using generalized linear models in the programming language R.     Results :   Brief description of the measured environmental parameters      

Table 1. Environmental Factors   

  Temperature: The minimum temperature of 15 ˚ C was recorded at the site Buljarica, and the reason is diving in the month of May, when the temperature is lower than during the summer period. The maximum measured temperature is 25 ˚ C for islands Katic, which corresponds to small depth of 5 m and month of August. 

 Graph 1. Water temperature at the study locations  Substrate: At various study locations, different types of substrates, from soft (muddy and sandy) to hard substrates (stony and rocky ground) were observed.  Depth: In most transects a choice of three reference depths was followed, except in few cases where the distribution of the meadow itself did not allow for it. Therefore, at the site Maljevik only 2 points were registered at the transect ‐ the lower limit of the meadow at a depth of 24 m and the upper limit of 16 m, which was taken as a sampling point. Also, for the fifth transect around the islands Katic (Katic 5‐1 and 5‐2) the lowest depth for Posidonia distribution was 15 m, and samples were collected from a given point. At the site Buljarica the samples were collected from depth of 9 m.   

 Graph 2. Recorded depths with Posidonia present 

 

Vertical transparency in most cases was directly correlated with a depth, because maximum transparency was mostly down to the bottom. Therefore, the minimum value for the vertical transparency corresponds to the minimum value for the depth and is 4 m. Maximum value measured for vertical transparency was 23 m around the islands Katic.   Horizontal transparency varied at different locations. Minimal transparency was observed at the location Canj at the depth of 25 m and it measured 5 m, while the maximal horizontal transparency was around the islands Katic at a depth of 7 m and it measured 25 m. The mean value of the measured horizontal transparency at all sites was 14 m.  

  Graph 3. Horizontal and vertical transparency varied at the study locations   

 

Characteristics of underwater seagrass meadows of the study area 

Table 2. General condition: Density per m², cover, dead matte, damage observed 

 Meadows’ density per m²: minimal density is 37 shoot per m² and was observed among islands Katic (transect: Katic 6) at a depth of 24 m, where the siltation was present. At the same transect, at a depth of 7 m the highest density of a meadow was recorded of 690 shoot per m². In the vicinity of that transect there was a direct inlet of wastewater. The mean value of meadows’ density at all sites is 184 shoot per m².   Ground cover was estimated by individual observations and ranges between 10% and 100%. Generally, the highest coverage was recorded at the healthiest parts of the meadow and middle depths where mechanical influence of waves is absent. The mean value of ground cover at all sites is 68%.  

 Graph 4.  Density of P. oceanica ‐ the number of shoots per m2 at the study area 

         Figure 5. Evaluation of seagrass ground cover at the study area  Influence of some environmental conditions on the density of P. oceanica 

For different types of substrates, two basic models were used: effect of soft substrates (mud and sand) compared to the effect of rocky substrate on the density of P. oceanica. The results showed that the density of P. oceanica is not conditioned by the presence of soft substrates (mud and sand), but the coverage was significantly higher on the predominantly sandy substrate (Charts), which was also confirmed by Mačić (2012) on neighboring sites. Because of the importance of predicting substratum in P. oceanica meadow biometry changes, our 

knowledge of substratum type should receive due attention in the future to produce reliable estimates of meadow status (Maida et al.,2013). 

Analysis revealed that there is no correlation between density and coverage of P. oceanica  and the temperature of the water column. The graph shows that the density of sea‐grass reaches a maximum value at about 15 m depth at the study area.  

 Graph 6. Generalized linear model‐ relation between density of P. oceanica  and the depth, with so‐called. "Loess" nonparametric regression line.  

Results  of  the  analysis  of  morphological  parameters  and  heavy  metal  and  some  macro elements content 

Morphological  parameters  of  a  seagrass  are:  number  of  leaves  per  shoot,  length  of  adult, juvenile  and  intermediate  leaves,  width  of  adult  and  intermediate  leaves  and  percentage  of damage of apex of leaves (coefficient A%), as well as LAI‐leaf area index.  

 Table 3. Morphological parameter values  The values of morphological parameters do not differ from the values measured at neighboring sites, except for less leaf damage in comparison with data from a literature.  

  

Table 4. Mean values of phenological characteristics recorded for 10 orthotropic shoots of Posidonia oceanica for each of 3 surveyed locations in Montenegro. Source: Macic,V.,(2012), Characteristics of Posidonia oceanica (L.) Delile (Posidoniaceae) seagrass meadows in the Southeast Adriatic Sea of Montenegro, BiologiaSerbica, Vol. 34 No. 1‐2 103‐106 

 Table 4. Element concentrations in leaves  Comparing the average values of the examined elements in seagrass leaves, it can be concluded the content in P. oceanica is showed in the following order: Na>Ca>K>Mg>Fe>Zn>Cu>Pb>Cr>Cd The mean value of the concentration of major elements (K, Ca, Na, Mg) is within the normal range, even lower than most of the results found in the literature.  

 Graphic 7. Concetration of macroelements in the leaves   

 Graphic 8. Coefficient of variation   Coefficient of variation (CV%) shows that trace toxic metals have higher variations than macroelements. This is not the case with Ca, but we should take into account the existence of epiphyte organisms with calcified shells, which are difficult to remove from the surface of the leaves. In addition, Ca variation may be due to seasonal change and increasing population of these organisms. (Graph 1.)  

 Table 5.   

 Concentrations of metals in the leaves depend not only on environmental factors, but also on synergistic action and reaction from the plant tissues themselves. The computed values of the investigated elements in the correlation with Pearson are shown in Table 5.  Cd is correlated with essential Cu metal, and toxic Pb is correlated with essential Fe. Also Fe is correlated with Cr.   The results show that the mean content of Cu is in a higher concentration, which is probably a consequence of metabolic activity induced by temperature and light exposure. It is estimated that relative contribution of Cr is much higher in some other parts of the plant, so concentrations in the leaves are not the best indices of the concentration in the whole plant. However, the high concentrations of Cr around the islands Katic and Buljarice may indicate inflow of wastewater.  

 

 Graphic  9. Trace metal concentrations in leaves:  Based on the results the concentrations of toxic Cd were rather high in Buljarica location, which is probably the result of some anthropogenic factors. Also the highest concentration of Cu was recorded on the same location, which could be the reason for high corellation between those two elements. The highest concentrations of Pb were recorded on the first two transects around Katic islands. The significantly high concentration of Zn was recorded in Maljevik.  Pasqualini et al. (1999) found a correlation between the characteristics of P. oceanica meadows and Cu, Pb and Cd  contamination levels, therefore it is necessary to monitor the effects of these heavy metals and their influence on seagrass meadows .                     

Conclusion:      Considering  importance  of  Posidonia  meadows  for  whole  ecosystem  and  it’s existence,  condition  of meadows  should  be  monitored.  Due  to  Posidonia  sensitivity  to  changes  caused  by  anthropogenic factors, it never exist in extremely influenced habitats, so it is supposed that all waters, where Posidonia is present, are in better condition than the worst ranked waters classiefied by WFD. Therefore, all work and effort  in conservation of  this  species, wolud contribute  to conservation of  littoral  in Montenegro. Monitoring of meadow’s  condition  in  future will  enable  spotting  and perhaps  stopping  it’s  regression caused  by  anthropogenic  factors.  First  and  the  most  important  is  to  educate  local  people  about importance  of  conservation  of  natural  dinamics  and  it’s  rarities.  Also,  this  study  and  data  colection became the base for further research which should be done in that area. We made one step closer to establishment of first MPA in Montenegro. Even though planning and investment in nature conservation is very difficult, due to general sutuation in Montenegro, we hope that our efforts will slowly give some results.  Because  of  harmful  impact  of  heavy metals  on  biodiversity  in  general,  it  is  important  to  pay more  attention  to  contamination  source  spotting  and  improvement  of  legislation  for  regulation  of emission and input control. In order to obtain accurate results and establish precise correlation between the concentrations of these trace elements in the plant and the external conditions, it is necessary to do more  detailed  analysis.  In  addition  to  the  concentration  in  the  plant  (not  only  the  leaves  but  also complex  ‐  root +  rhizome),  the analysis would be expected  to occur  in  the sediments and  the aquatic environment.  Also  it  is  necessary  to  determine  more  accurately  the  possible  sources  of  pollution  in terms of the concentration of heavy metals. Since Montenegro has done little in terms of monitoring the state  of marine  ecosystem  such  research,  based  on  the  capabilities  of  this  bioindicator  species  could help in monitoring the status of the ecosystem. Being able to differentiate stations presenting low levels of  metal  contamination,  it  demonstrates  once  again  its  high  sensitivity.  Thus  the  usefulness  of  P. oceanica  as a  tracer of  spatial metal  contamination and as a good  tool  for water quality evaluation  is reinforced (C. Lafabrie et al.2008).   References:   1. Marc Gosselin, Jean‐Marie Bouquegneau, Frédéric Lefèbvre, Gilles Lepoint, Gerard Pergent, Christine Pergent‐Martini and Sylvie Gobert, 2006. Trace metal concentrations in Posidonia oceanica of North Corsica(northwestern Mediterranean Sea): use as a biological monitor. BMC Ecology , 6:12. 2. Nicolas Luy, Sylvie Gobert, Stéphane Sartoretto, Renzo Biondo, Jean‐Marie Bouquegneau, Jonathan Richir, 2012. Chemical contamination along the Mediterranean French coast using Posidonia oceanica (L.) Delile above‐ground tissues: a multiple trace element study. Ecological Indicators 18 (2012) 269–277. 3. C. Lafabrie *, C. Pergent‐Martini, G. Pergent. 2008. First results on the study of metal contamination along the Corsican coastline using Posidonia oceanica. Marine Pollution Bulletin 57 (2008) 155–159 4. M. Romeo , M. Gnassia‐Barelli , T. Juhel , A. Meinesz. 1995. Memorization of heavy metals by scales of the seagrass Posidonia oceanica, collected in the NW Mediterranean. MARINE ECOLOGY PROGRESS SERIES, Vol. 120: 211‐218.1 5. C. Sanz‐L´azaro, P. Malea, E. T. Apostolaki, I. Kalantzi, A. Mar´ın, and I. Karakassis. 2012. The role of the seagrass Posidonia oceanica in the cycling of trace elements,Biogeosciences, 9, 2497–2507. 6. Alloway, B. J.: Heavy Metals in Soils, Blackie Academi & Professional,Glasgow, 1995. 

7.Lewis, M. A. and Devereux, R. 2009. Nonnutrient anthropogenic chemicals in seagrass ecosystems: fate and effects, Environ. Toxicol. Chem., 28, 644–661. 8. Conti, E.M., B. Bocca, M. Iacobucci, M. G. Finoia, M. Mecozzi, A. Pino and A. Alimonti .2010. Baseline Trace Metals in Seagrass, Algae, and Mollusks in a Southern Tyrrhenian Ecosystem (Linosa Island, Sicily). Arch. Environ. Contam. Toxicol., 58: 79–95 9. Turner, R. K., Subak, S., and Adger, W. N. 1996. Pressures, trends, and impacts in coastal zones: interactions between socioeconomic and natural systems, Environ. Manage., 20, 159–173. 10.Pergent, G., Romero, J., Pergent‐Martini, C., Matteo, M.‐A., Boudouresque. C.‐F. 1994 .Primary production, stocks and fluxes in the Mediterranean seagrass Posidonia oceanlca. Mar. Ecol. Prog. Ser. 106: 139‐146 11. Danijela Joksimović, Ana R. Stanković and Slavka Stanković.  METAL ACCUMULATION IN A BIOLOGICAL INDICATOR (POSIDONIA OCEANICA) FROM THE MONTENEGRIN COAST. Stud. Mar., 25(1): 37‐58 12. Mazzella, L., Scipione, M.B., Gambi, M.C., Buia, M.C., Lorenti, M., Zupo, V.,Cancemi, G., 1993. The Mediterranean seagrass Posidonia oceanica and Cymodocea nodosa: a comparative overview. In: Ozhaen, E. (Ed.), Proceedings of the First International Conference. 13. Gobert, S., Cambridge, M.L., Pergent, G., Lepoint, G., Bouquegneau, J.M., Dauby, P.,Pergent‐Martini, C., Walker, D., 2006. Biology of Posidonia. In: Larkum, A.W.D.,Orth, R.J., Duarte, C.M. (Eds.), Seagrasses: Biology, Ecology and Conservation.Springer, Netherlands, pp. 387e408. 14. Hemminga, M.A., Duarte, C.M., 2000. Seagrass Ecology. Cambridge University Press, UK 15. Pasqualini V, Pergent G, Pergent‐Martini C: Utilisation de l'herbier à Posidonia oceanica comme indicateur biologique de la qualité du milieu littoral en Corse. Contrat agence de l'eau et Université de Corse 1999. 16. Macic,V.,(2012), Characteristics of Posidonia oceanica (L.) Delile (Posidoniaceae) seagrass meadows in the Southeast Adriatic Sea of Montenegro, BiologiaSerbica, Vol. 34 No. 1‐2 103‐106. 17. Di Maida, G., Tomasello, A., Sciandra, M., Pirrotta, M., Milazzo, M., Calvo, S. , (2013) , Effect of different substrata on rhizome growth, leaf biometry and shoot density of Posidonia oceanica ,Marine Environmental Research 87‐88 96e102