universidade de lisboa faculdade de ciÊncias...

75
UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA ANIMAL VERTICAL DYNAMICS OF PLANKTONIC COMMUNITIES AT SOFALA BANK, MOZAMBIQUE Miguel Albuquerque da Costa Leal MESTRADO EM ECOLOGIA MARINHA 2009

Upload: others

Post on 21-Oct-2020

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • UNIVERSIDADE DE LISBOA

    FACULDADE DE CIÊNCIAS

    DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA ANIMAL  

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    VERTICAL DYNAMICS OF PLANKTONIC

    COMMUNITIES AT SOFALA BANK, MOZAMBIQUE  

     

     

     

    Miguel Albuquerque da Costa Leal

    MESTRADO EM ECOLOGIA MARINHA

    2009

     

  • UNIVERSIDADE DE LISBOA

    FACULDADE DE CIÊNCIAS

    DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA ANIMAL  

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    VERTICAL DYNAMICS OF PLANKTONIC

    COMMUNITIES AT SOFALA BANK, MOZAMBIQUE  

     

    Dissertação orientada pelos:

    Professor Doutor José Paula

    Professora Doutora Vanda Brotas

     

     

    Miguel Albuquerque da Costa Leal

    MESTRADO EM ECOLOGIA MARINHA

    2009

     

  •  

     

     

    Acknowledgements 

    To all people that in some way contributed to this work, I express my sincere gratitude, especially to: 

     

    Professor  Doutor  José  Paula,  for  taking  a  chance  on  me  and  for  all  the  support,  supervision, 

    confidence,  friendship and transfer of knowledge, but most of all  for his  joviality and all  the  joyfull 

    moments, which turned this hard and serious work into a delightful and pleasant learning process. 

    Professora  Doutora  Vanda  Brotas,  for  having  accepted  to  guide  this  thesis  and  for  the  support, 

    recommendations  and  companionship,  for  believing  in  me  and  also  for  spending  some  of  her 

    precious (and little) time with me. 

    Carolina Sá and Rafael Mendes, without whom part of this work would never be possible, for all the 

    trust,  patience,  and  time  spent  on  laboratory,  as well  for  the  friendship,  support  and  enthusiasm 

    during this work, even in the hardest moments. 

    All people onboard the R/V “Dr. Fridtjof” Nansen, for the collaboration during sample period, namely 

    Jens‐Otto Krakstad and Diana Zaera,  for  the nice discussions and help with paperwork, and also  to 

    Carlos  Bento,  Domingos  Zacarias  e  Zé  Chamuse  for  their  very  important  help  on  the  sampling 

    process. 

    Sónia Nordez and Maurício Lipassula, for their help processing plankton samples in Lisbon; to James 

    Mwaluma,  for  the  larval  fish  identification;  and  to  Paulo Oliveira  for  his  expertise  on  current  data 

    interpretation. 

    All  the  people  of  the  LMG,  namely  Ricardo  Mendes,  Gil  Penha‐Lopes  and  Laura  Antão,  for  the 

    friendship and nice chats when difficult choices had to be made. 

    Bruno Jesus, for his patience in teaching me the world of R and statistics, which definitively was very 

    important for the statistical and graphical analysis. 

    All my  friends, both  from the University and Ponto Zero,  for all  the  joy and happiness and also  for 

    encouraging and cheering me up in my worst days. Special thanks to my truly friend Vasco Mota, for 

  •  

     ii 

    all  the  articles  he  sent  me  from  the  Netherlands  and,  most  of  all,  for  his  friendship  and  nice 

    discussions. 

    My  Family,  for  the  unconditional  support,  concern,  care,  recommendations  and  patience.  Special 

    thanks to my mother, father and sister for accepting those (long) periods  in which I’m not present, 

    for  teaching me  the  importance of organization at work,  discipline and  timings,  but  essentially  for 

    what  I am today;  to my uncle  João Martins  for  the nice chats, holidays and gym classes  that were 

    essential to my welfare and mental sanity; to my uncle João Caraça, for the conversations that gave 

    me  a  scientific  view of  this world;  and  also  to my uncle  Luis  Leal,  for my  initiation  to  biology  and 

    kindle my interest in become a marine biologist, and to the discussions and stories about the natural 

    world, which are the reason for my interest  in biology and curiosity to explore and understand our 

    natural world. 

    At  last,  but  not,  by  any means,  less  important,  to Marta, my  source  of motivation  to  be  a  better 

    person  and  a  hard  working  scientist,  for  all  the  love,  care,  patience  and  trust,  for  providing  me 

    everyday with a smile  in my face and for making me understand how much this  life  is worth living. 

    Thank you for being here! 

     

  •  

     

     

    iii 

    Resumo 

    As zonas costeiras são ecossistemas de grande importância para as actividades humanas, onde se 

    desenrolam  complexos  processos  naturais  com  elevada  variabilidade  espacial  e  temporal.  Destes 

    processos,  com  particular  importância  para  a  geração  de  recursos,  destacam‐se  os  fenómenos  de 

    maré e as correntes costeiras, que, entre outros factores, estão fortemente associados às variações 

    das  propriedades  físico‐químicas  da  massa  de  água  costeira  (p.e.  temperatura,  salinidade  e 

    nutrientes). Consequentemente, esta variabilidade  influencia as diferentes  comunidades que estão 

    na base dos ecossistemas marinhos,  como as  comunidades  fito‐  e  zooplanctónicas,  assim como as 

    larvas de peixes e de invertebrados marinhos. É de salientar que, no que respeita aos processos bio‐

    ecológicos das larvas de peixes e de invertebrados marinhos, a variação na abundância e padrões de 

    distribuição na zona costeira está fortemente dependente de fenómenos como os ventos e correntes 

    que,  entre  outros  factores,  condicionam  a  sobrevivência  e,  consequentemente,  a  taxa  de 

    recrutamento para as populações de organismos costeiros. 

    O  presente  estudo  decorreu  no  Banco  de  Sofala  (Moçambique),  uma  extensa  plataforma 

    continental existente na zona costeira situada em frente ao delta do Rio Zambeze (um dos maiores 

    rios de África), onde ocorrem as mais importantes actividades pesqueiras de Moçambique. Tendo em 

    consideração a importância económica do Banco de Sofala e a grande influência do Rio Zambeze no 

    funcionamento  dos  processes  ecológicos  costeiros,  os  objectivos  desta  investigação  foram 

    direccionados para as variações existentes ao nível hidrológico e biológico que suportam esta intensa 

    actividade pesqueira. Aspectos como as propriedades físico‐químicas da massa de água e correntes 

    costeiras  foram  estudados  conjuntamente  com  a  distribuição  e  abundância  de  nutrientes, 

    comunidades fitoplanctónicas (estudados através de assinaturas de pigmentos analisadas por HPLC), 

    zooplâncton  e  larvas  de  peixe  (especificamente  da  espécie  Herklotsichthys  quadrimaculatus), 

    decorrentes  no  Banco  de  Sofala.  Os  trabalhos  desenvolvidos  foram  especialmente  direccionados 

    para  a  distribuição  horizontal  na  plataforma  continental  (baseada  na  amostragem  de  11  estações 

    radiais  distribuídas  ao  longo  de  3  transectos  perpendiculares  à  costa),  e  para  a  dinâmica  vertical 

    destes processos ao longo de um ciclo de 48 horas (com uma periodicidade de amostragem de 2 h 

    numa estação  fixa). O processo de amostragem decorreu ao  longo de 3 dias e  foi desenvolvido no 

    decorrer  de  uma missão  oceanográfica  realizada  a  bordo  do N/O  “Dr.  Fridtjof  Nansen”,  integrada 

    num projecto direccionado para o estudo dos ecossistemas costeiros de Moçambique. 

  •  

     iv 

    A  variação  horizontal  da maioria  dos  parâmetros  analisados  revelou  a  existência  de  gradientes 

    costa –  largo e de descargas do rio Zambeze, evidenciadas pela de  intrusão de águas estuarinas na 

    zona  costeira.  A  distribuição  superficial  das  propriedades  físico‐químicas  analisadas  evidenciou  a 

    presença  de  uma  massa  de  água  menos  salina  e  mais  quente  na  zona  central,  associada 

    provavelmente a descargas estuarinas, enquanto que a distribuição das concentrações de nutrientes 

    só  evidenciou  gradientes  perpendiculares  à  costa  para  os  silicatos,  dado  que  a  distribuição  de 

    fosfatos foi independente da distância à costa e a concentração de nitratos foi sempre menor que o 

    limite de detecção do método. Relativamente à distribuição superficial de fitoplâncton, foi observada 

    maior  biomassa  numa  das  estações  mais  costeira,  visto  que  foi  provavelmente  a  primeira  a  ser 

    influenciada  pelas  descargas  do  rio  Zambeze  e,  consequentemente,  onde  maior  concentração  de 

    nutrientes  ficou primeiramente disponível  para o  fitoplâncton. O único  grupo de  fitoplâncton  com 

    diferente distribuição relativamente à biomassa fitoplanctónica foi o das Cianobactérias, para o qual 

    foram observadas maiores concentrações pigmentares na massa de água mais oceânica. 

    No  que  respeita  a  dinâmica  vertical  estudada  ao  longo  de  48  horas,  as  correntes  de  maré 

    revelaram  ser  um  factor  crucial  para  as  variações  hidrológicas  decorrentes  na  coluna  de  água, 

    nomeadamente para o transporte horizontal e vertical da biomassa fitoplanctónica e para a variação 

    da  disponibilidade  de  nutrientes.  As  concentrações  de  nutrientes  obtidas  estão  de  acordo  com 

    resultados obtidos em outras zonas costeiras oligotróficas, contudo os rácios de nutrientes obtidos 

    (N:P e N:Si)  foram extremamente baixos e fortemente  influenciados pelas reduzidas concentrações 

    de nitratos + nitritos (N). As concentrações de N obtidas foram anormalmente baixas relativamente a 

    muitos  ecossistemas  costeiros,  contudo  semelhantes  a  alguns  estudos  obtidos  no  Oceano  Índico, 

    nomeadamente  na  Austrália  e  no  Quénia,  onde  o  N  desempenha  um  papel  crucial  como  factor 

    limitante  da  biomassa  fitoplanctónica.  Para  além  destas  concentrações  evidenciarem  o  estado 

    oligrotrófico do Banco de Sofala durante o período de amostragem, sugerem ainda a existência de 

    reduzidas descargas estuarinas para a zona costeira, o que é típico da época seca durante a qual foi 

    realizado este estudo. 

    As  maiores  concentrações  de  pigmentos  fitoplanctónicos  foram  observadas  nas  maiores 

    profundidades amostradas (30 e 40 m), onde também foram registadas maiores concentrações de N. 

    Durante o decorrer do estudo, a comunidade fitoplanctónica foi dominada por microflagelados, mais 

    concretamente  por  microalgas  do  grupo  Prymnesiophyceae,  o  que  está  de  acordo  com  outros 

    estudos  em  regiões  oligotróficas  onde  a  dominância  de  microflagelados,  e  não  de  microplâncton 

    (diatomáceas e dinoflagelados), é habitualmente observada. De acordo com os  resultados obtidos, 

    toda  a  comunidade  fitoplânctónica  distribuiu‐se  de  modo  similar  na  coluna  de  água  ao  longo  do 

  •  

     

     

    espaço  de  tempo  considerado,  com  a  excepção  das  Cianobactérias  que  apresentaram  uma 

    distribuição vertical mais superficial. 

    Relativamente  à  distribuição  do  zooplâncton,  foram  observadas  elevadas  densidades  junto  ao 

    fundo (30/40 m), onde as maiores concentrações de fitoplâncton foram também verificadas. Durante 

    o período nocturno foram registadas maiores densidades de zooplâncton nas camadas de água mais 

    superficiais  (

  •  

     

     

    vii 

    Abstract 

    Coastal  ecosystems  are  largely  influenced  by  the  interaction  of  several  factors  operating  at 

    various  temporal  and  spatial  scales,  specifically  those  responsible  for  primary  and  secondary 

    production processes that modulate marine resources. Hydrological processes (e.g. tides and coastal 

    currents),  nutrients  availability,  phytoplankton  groups,  zooplankton  and  larval  fish  (specifically  the 

    clupeid Herklotsichths quadrimaculatus) abundance and distribution were investigated at the Sofala 

    Bank  (Mozambique),  with  special  emphasis  on  their  horizontal  distribution  and  vertical  dynamics. 

    Horizontal distribution has shown onshore‐offshore gradients  in all analysed parameters, as well as 

    inshore  waters  intrusion  probably  related  to  Zambezi  River  delta  runoff.  Tidal  currents  were 

    responsible  for  major  hydrological  vertical  variations  and  for  horizontal  and  vertical  advection  of 

    phytoplankton biomass in the surface and deepest layers, respectively. Nutrient concentrations were 

    typical  from oligotrophic regions, and nutrient ratios were strongly  influenced by depleted nitrite + 

    nitrate  concentrations,  suggesting  low  estuarine  discharges  typical  from  the  dry  season.  Both 

    phytoplankton pigments and zooplankton were found mainly near bottom (40 m deep), despite the 

    latter  displayed  vertical  migrations  triggered  by  light  variations.  Phytoplankton  community  was 

    dominated  by  microflagellates,  specifically  prymnesiophyceans,  and  vertical  distribution  changes 

    were  similar  for  the  whole  community.  Cyanobacteria  was  the  only  phytoplankton  group  that 

    displayed a different vertical distribution pattern, mainly concentrated at mid water column depths 

    (10  –  20 m). Herklotsichthys  quadrimaculatus  larvae  displayed  typical  diel  vertical  migrations  and 

    were mainly distributed  in  the upper water column (0 – 20 m) during  the night and almost absent 

    from all sampled strata during the day. Larger larvae dominated the neuston layer during the night 

    while  during  daylight  periods  remained  close  to  the  bottom.  This  investigation  enhances  the 

    importance  of  physico‐chemical  phenomena  determining  the  planktonic  communities  vertical 

    dynamics at a tropical coastal ecosystem of the Western  Indian Ocean, where planktonic dynamics 

    are still poorly described and understood. 

    Keywords: Phytoplankton pigments;  Zooplankton;  Fish  larvae; Herklostichthys  quadrimaculatus; 

    Diel vertical migration; Mozambique 

     

  • Table of contents 

     

    Acknowledgements  i Resumo  iii Abstract  vii 

     

    CHAPTER 1  1 

    General introduction  3 References  8 

     

    CHAPTER 2  11 

    Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique  13 Abstract  13 Introduction  14 Material and Methods  16 Results  18 Discussion  30 Conclusion  34 References  36 

     

    CHAPTER 3  41 

    Vertical  dynamics  of  the  gold‐spot  herring  (Herklotsichthys  quadrimaculatus)  larvae  at  Sofala  Bank, 

    Mozambique  43 Abstract  43 Introduction  43 Material and Methods  45 Results  46 Discussion  50 References  52 

     

    CHAPTER 4  55 

    Final considerations  57 

     

  •  

     

     

     

     

     

    Chapter 1 

     

  • General Introduction 

     

     

    General introduction 

    Coastal ecosystems and planktonic communities 

    Coastal  ecosystems  are  among  the  most  biologically  productive  environments  in  the  world, 

    providing  important  services  to  human  populations.  Their  existence  at  the  interface  between  the 

    terrestrial and marine environment exposes them to a wide variety of human and natural stressors 

    occurring at different spatial and time scales, which makes the coastal regions complex and dynamic 

    ecosystems (Kennedy et al., 2002). 

    The  natural  stressors  occurring  in  the  coastal  marine  environments  are  typically  physical  and 

    chemical processes that differently affect biological communities, hence their population dynamics. 

    Some of the most important physical processes are winds, tides and coastal currents, which promote 

    water  mass  advection,  thus  spatial  and  temporal  variability  on  water  column  physico‐chemical 

    properties  (Epifanio  and Garvine,  2001;  Lutjeharms,  2006; Queiroga  et  al.,  2007).  The  interactions 

    between  physical  and  chemical  variations  induce  high  heterogeneity  on  coastal  shelf  waters, 

    specifically  near  river  deltas,  where  surface  and  river  runoff  together  with  tidal  currents  are 

    responsible  for  strong  hydrological  gradients  and  cyclic  variations  (e.g.  temperature  and  salinity), 

    clines  vertical  oscillation,  both water  column  stratification  and  vertical mixing  processes,  and  also 

    large nutrient inputs (Verity et al., 1993; Epifanio and Garvine, 2001; Wawrik et al., 2004; Silva et al., 

    2008). 

    Nutrient loadings into coastal ocean zones are from various sources and frequently associated to 

    human activities. Surface and river runoff, estuarine discharges and exchanges with the open ocean 

    are  commonly  the  source  and  sink  of major  nutrients  inputs,  but  continental  shelf  sediments  and 

    respiration  associated with  the  sediment  surface photosynthesis  are  also  thought  to  be  important 

    nutrient sources and recycling (Wawrik et al., 2004; Wassmann and Olli, 2005, Giraud et al., 2008). 

    Additionally, potentially important sources of nutrients are atmospheric deposition and groundwater 

    discharges.  All  nutrient  inputs  to  coastal  zones,  together  with  the  diverse  physical  processes, 

    differently disturb coastal biological communities, and the most directly influenced are possibly from 

    the lower trophic levels (e.g. phyto‐ and zooplankton) (Cottingham, 1999; Tyrrell, 1999; Anderson et 

    al., 2002; Kennedy et al., 2002). 

    Changes on physico‐chemical water properties may be reflected  in  the dynamics of populations 

  • Chapter 1 

     4 

    thriving  in coastal systems, strongly determining their abundance and distribution variations  (Paula 

    et al., 1998; Cottingham, 1999; Calbet et al., 2001; Elliott et al., 2007). The small  scale changes on 

    planktonic  communities  distribution  patterns  makes  them  particularly  sensitive  to  hydrological 

    variations,  presenting  a  great  variety of  both  spatial  and  temporal  changes,  respectively  from  thin 

    water column layers to large‐scale gradients (e.g. onshore‐offshore, north‐south) and from hours to 

    seasons  (Verity  et  al.,  1993;  Paula  et  al.,  1998;  Gibson,  2001;  Walther  et  al.,  2002;  Balkis,  2003; 

    Brunet  and  Lizon,  2003;  Queiroga  et  al.,  2007;  Criales‐Hernández,  2008).  Accordingly,  these 

    variations  are  often  related  to  environmental  drivers,  particularly  the  preference  or  avoidance  to 

    particular  physico‐chemical  properties  and  hydrological  processes,  such  as  temperature,  salinity, 

    oxygen, light penetration, turbulence, currents and nutrients availability. 

    Spatial and temporal variations of several planktonic organisms (e.g. phytoplankton, zooplankton 

    and invertebrate and fish larvae), specifically their vertical distribution, have been widely studied in 

    different  coastal  ecosystems,  due  to  their  importance  to  organic  matter  flows,  primary  and 

    secondary production, larval recruitment processes and population connectivity, among others (e.g. 

    Steinberg et al., 2002; Brunet and Lizon, 2003; Fiksen et al., 2007; Leis, 2007; Queiroga et al., 2007). 

    Plankton vertical dynamics 

    Vertical  migration  is  a  commonly  observed  phenomenon  in  many  species  of  freshwater  and 

    marine plankton  and occurs  at  a  variety  of  periods,  including diel,  semi‐diel  and  also  tidal  periods 

    (Ohman, 1990; Hill,  1991;  Epifanio and Garvine,  2001; Brunet  and  Lizon,  2003;  Fiksen et  al.,  2007; 

    Queiroga  et  al.,  2007).  The  explanations  for  vertical  migration  may  include  predation  avoidance, 

    bioenergetic  advantages  and  regulation  of  horizontal  position.  The  hypothesis  of  a  predator 

    avoidance  mechanism  is  generally  accepted,  as  vertical  migration  often  results  when  prey 

    populations are under intense, selective pressures from visually dependent predators (e.g. Zaret and 

    Suffern, 1976;  Irigoien et al., 2004). However, some contradictory cases show that predation  is not 

    the only adaptive reason for vertical migration, and the attempt to provide only one hypothesis  to 

    account for all observed vertical migrations represent a simplistic outlook on natural selection. Other 

    hypothesis  is  vertical  migration  as  a  bioenergetic  advantage,  resulting  of  a  compromise  between 

    reducing energy expenditure and mortality, taking advantage of feeding opportunities (e.g. Ohman, 

    1990;  Fiksen  et  al.,  2007).  The  other  common  hypothesis  to  planktonic  vertical  migration  is  the 

    horizontal  position  regulation.  These  communities  have  very  limited  capacity  for  horizontal 

    movements,  thus  position  control  by  vertical  migration  potentially  provides  a  means  to  affect 

    transport  to  specific  locations  or  to  promote  retention  in  particular  areas  (Hill,  1991;  Leis,  2007; 

    Queiroga et al., 2007). The integration of several hydrological and biological processes, such as tidal 

  • General Introduction 

     

     

    currents and behaviour,  respectively,  regulate dispersal, supply to coastal habitats and recruitment 

    of  several planktonic organisms,  specifically  larval  stages of  fish and crustacean species  (Hill, 1991; 

    Epifanio  and  Garvine,  2001;  Queiroga  et  al.,  2006;  Santos  et  al.,  2006).  Taking  into  account  the 

    several  theories  and  the  diversity  of  organisms  displaying  vertical  movements  there  should  be 

    variability among vertical migrations patterns,  since  the  same vertical behaviour does not produce 

    the same optimum compromise between reduced mortality and energetic cost for different groups, 

    species  and  stages  (Ohman,  1990;  Epifanio  and  Garvine,  2001;  Irigoien  et  al.,  2004;  Leis,  2007). 

    Furthermore,  the  mortality  risks  for  each  organism  are  not  the  same  because  of  the  different 

    selectivity of predators. 

    Different  vertical  distribution  and  diel  vertical  migration  (DVM)  can  be  found  among  plankton 

    communities,  from  phyto‐  to  zooplankton  and  also  invertebrate  and  fish  larvae.  Phytoplankton 

    vertical distributions may differ between day and night, indicating either migration or differences in 

    production/mortality  rates  (Hajdu  et  al.,  2007;  Brunet  et  al.,  2008).  Accordingly,  the  vertical 

    distribution  differences  found  on  previous  studies  are mainly  triggered  by  light  requirements  and 

    nutrient  availability  in  different  water  column  layers.  However,  sinking  cells  and  water  exchange 

    ascribable to tidal currents and vertical mixing processes can easily bias results, since phytoplankton 

    cells  are  easily  advected  (Brunet  and  Lizon,  2003;  Hajdu  et  al.,  2007).  Furthermore,  additional 

    difficulties  arise  when  taking  into  account  phytoplankton  −  zooplankton  interactions,  specifically 

    grazing and nutrient regeneration, which affect phytoplankton abundance estimations (Vertiy et al., 

    1993; Vrede et al., 1999). Zooplankton itself also displays vertical movements, both to predate and 

    avoid predators (Zaret and Suffern, 1976; Ohman, 1990). Accordingly, both normal and reverse DVM 

    are  found,  strongly  determined  respectively  by  diurnal  or  nocturnal  predators,  and  also  by  prey 

    distribution.  Besides  phyto‐  and  zooplankton,  invertebrate  and  fish  species  commonly  have 

    planktonic larval stages, which also display DVM (Epifanio and Garvine, 2001; Hare and Govoni, 2005; 

    Fiksen et al., 2007; Queiroga et al., 2007). Due to the importance of larval fish ecology to recruitment 

    success, thus to enhance fish stocks, special attention is given to larval fish vertical migration. 

    Larval fish vertical dynamics 

    The fact that most of coastal fish species have a pelagic larval stage has important implications for 

    the  dynamics  of  fish  populations  and  fisheries  management  (Leis,  2007).  Management  of  coastal 

    fishes  must  incorporate  the  scales  over  which  their  populations  are  connected  due  to  dispersal 

    processes  and  connectivity,  therefore  it  is  important  to  integrate  coastal  currents  knowledge with 

  • Chapter 1 

     6 

    larval  behaviour,  specifically  vertical  migration,  to  improve  our  understanding  of  larval  survival, 

    growth and dispersal (Fiksen et al., 2007). 

    Larval  fish  vertical  migration  is  strongly  determined  by  several  factors  (e.g.  predator/prey 

    interactions,  bioenergetics  and  mortality,  dispersal  processes  and  connectivity)  and  much  of  the 

    existent  knowledge  was  obtained  from  studies  focusing  clupeid  species,  since  its  importance  to 

    fisheries and human populations (e.g. Reid, 2001; Santos et al., 2006; Voss et al., 2007). Clupeid larval 

    stages  usually  feed  on  several  planktonic  species  and  are  strongly  predated  by  visual  predators, 

    namely  adult  fishes  (Aksnes  et  al.,  2004;  Fiksen  et  al.,  2007).  Therefore,  during  day  and  night 

    different  depth  distributions  are  usually  observed,  in  order  to  minimize  mortality  rates  without 

    ignoring feeding requirements. Furthermore, according to the larval stage, different vertical positions 

    are observed, since larvae depend upon different coastal currents to disperse and recruit (Hare and 

    Govoni,  2005;  Fiksen  et  al.,  2007).  Once more,  different  DVM  patterns  are  observed  for  different 

    species and  larval  stages. For example, Hare and Govoni  (2005),  for species  that moved  inshore or 

    remained on the shelf,  found that  larvae were  in deeper positions  in  the water column than  larval 

    from  species  that  were  exported  from  the  shelf.  Santos  et  al.  (2006)  found  that  sardine  larvae 

    vertical  position  was  strongly  associated  to  coastal  currents,  retaining  the  larvae  in  high  food 

    availability  layers.  The  knowledge  of  how much  energy  planktonic  species,  specifically  fish  larvae, 

    invest  on  predation  risk  and  feeding  opportunities  help  us  to  understand  their  ecology  and  life 

    history strategies, as indicators of how much do adults invest in larval stages hence, offspring quality 

    (Fiksen et al., 2007). 

    Work context 

    The work developed during  this  thesis  constituted a  special  study as part of  the oceanographic 

    campaign  “Ecosystem  Survey  Mozambique  2007”  of  the  wider  Nansen  EAF  Programme 

    “Strengthening  the  Knowledge  Base  for  and  Implementing  and  Ecosystem  Approach  to  Marine 

    Fisheries  in Developing Countries”. Sampling was made onboard the R/V “Dr. Fridtjof Nansen” and 

    took place at the Sofala Bank, a wide shallow shelf influenced by the Zambezi River delta and other 

    estuaries,  and  where  the  most  important  national  fisheries  occur.  Besides  important  surface  and 

    river runoff discharges, strong tidal currents and currents from the Mozambique Channel have major 

    effects  on  hydrological  and  occurring  ecological  processes  (Ridderinkhof  et  al.,  2001;  Lutjeharms, 

    2006). 

    Studies  from  Sofala  Bank  are  very  scarce  and  only  cruise  and  fisheries  reports  can  be  found 

    (Bandeira  et  al.,  2002,  and  references  therein).  It  is  known  that  this  neritic  region  has  high 

    phytoplankton  biomass  comparing  to  the  greater  part  of  the  Mozambican  oligotrophic  waters, 

  • General Introduction 

     

     

    mainly  because  of  the  nutrient  input  from  the  Zambezi  river  runoff,  which  enhances  the  system 

    productivity  and  supports  local  fisheries  (Gammelsrød,  1992;  Lutjeharms,  2006).  Therefore,  Sofala 

    Bank  is an excellent case study to understand the nutrients, phytoplankton, zooplankton and larval 

    fish dynamics in relation to the coastal currents and physico‐chemical environmental variability. 

    Several studies identified tidal energy, light and diel variations as key factors regulating planktonic 

    communities  vertical  distribution and diel  changes  (Hill,  1991; Queiroga et  al.,  2007; Brunet  et  al., 

    2008). At Sofala Bank, the tidal currents and estuarine discharges may strongly determine nutrients 

    availability  and  water  column  light  penetration  due  to  increased  turbidity,  thus  affecting  base 

    processes  that  modulate  planktonic  communities  dynamics.  Stratification  of  the  water  column, 

    strongly condition the effectiveness of primary production magnitude at the surface  layer and may 

    act as a barrier to vertical movements of zooplankton (Criales‐Hernández et al., 2008). However, due 

    to  the strong  local  tidal currents, vertical mixing might  locally  induce homogenization of  the water 

    column.  The  investigation  of  tidal  and  diel  variations  and  other  regulating  factors  is  therefore 

    important  to  understand  fundamental  ecological  processes  that  act  in  generating  primary 

    productivity and modulate resources supporting intense local fisheries activity. 

    Concerning  larval  fish  dynamics,  despite  numerous  worldwide  studies  on  a  great  variety  of 

    species, specifically clupeids, none  focused on the tropical herring Herklotsichthys quadrimaculatus 

     (Rüppell  1837),  also  known  as  the  gold‐spot  herring.  This  species  is  a  major  component  of  tuna 

    baitfish  (Lewis,  1990)  and  consumed  by  local  coastal  communities  at  the  Eastern  Africa  (KMFRI, 

    1981).  At Mozambique, H.  quadrimaculatus  is  broadly  present  on  the  coastal  zone,  namely  at  the 

    Sofala  Bank  (INIPM,  unpublished  data).  Knowledge  of  Herklotsichthys  spp.  larvae  is  very  scarce 

    (Thorrold  and  Williams,  1989),  and  for  H.  quadrimaculatus  from  the  Western  Indian  Ocean  only 

    Harris  and  Cyrus  (1999)  described  its  high  abundance  throughout  the  year  near  Durban  (South 

    Africa).  The  vertical  distribution  and  behaviour  is  still  unknown  for  H.  quadrimaculatus  and 

    information  regarding  ontogenic  changes  on  depth  distribution  throughout  diel  variations  are  still 

    missing. Furthermore, the hydrological unique properties of Sofala Bank may change the influence of 

    typical factors regulating larvae vertical dynamics (e.g. light and currents variations). Tidal energy and 

    vertical  mixing,  as  well  as  other  local  oceanographic  features,  could  therefore  have  a  major  role 

    determining H. quadrimaculatus larvae vertical distribution and diel movements. 

    The  scientific  papers  presented  point  toward  a  broadly  understanding  of  the  planktonic 

    communities  vertical  dynamics.  The  first  one  (submitted  to  Estuarine,  Coastal  and  Shelf  Science) 

  • Chapter 1 

     8 

    investigates  the horizontal and vertical oceanographic and planktonic processes at  the Sofala Bank 

    shelf waters,  specifically aimed to study currents, physico‐chemical water properties  (temperature, 

    salinity and nutrients), phytoplankton pigments as chemotaxonomic markers and zooplankton. The 

    second  paper  (submitted  to  African  Journal  of  Marine  Science)  is  a  specific  study  of  fish  larvae 

    vertical dynamics, aimed to study the vertical distribution movements of H. quadrimaculatus larvae, 

    its  relation  to  several  hydrological  and  biological  factors  (e.g.  light  variation,  vertical  mixing  and 

    zooplankton abundance) and also vertical distribution changes according to larval ontogeny. 

     

    References 

    Aksnes, D.L., Nejstgaard,  J.,  Soedberg,  E.,  Sørnes,  T.,  2004. Optical  control  of  fish  and  zooplankton populations. Limnology Oceanography 49, 233‐238. 

    Anderson,  D.M.,  Glibert,  P.M.,  Burkholder,  J.M.,  2002.  Harmful  Algal  Blooms  and  Eutrophication: Nutrient Sources, Composition, and Consequences. Estuaries 25, 704‐726. 

    Balkis, N., 2003. Seasonal variations in the phytoplankton and nutrient dynamics in the neritic water of Büyükçekmece Bay, Sea of Marmara. Journal of Plankton Research 25, 703‐717. 

    Bandeira,  S.O.,  Silva,  R.P.,  Paula,  J.,  Macia,  A.,  Hernroth,  L.,  Guissamulo,  A.T.,  Gove,  D.Z.,  2002. Marine Biological Research in Mozambique: Past, Present and Future. AMBIO 31, 606‐609. 

    Brunet,  C.,  Lizon,  F.,  2003.  Tidal  and  diel  periodicities  of  size‐fractionated  phytoplankton  pigment signatures  at  an  offshore  station  in  the  southeastern  English  Channel.  Estuarine,  Coast  and Shelf Science 56, 833‐843. 

    Brunet,  C.,  Gasotti,  R.,  Vantrepotte,  V.,  2008.  Phytoplankton  diel  and  vertical  variability  in photobiological  responses at a coastal  station  in  the Mediterranean Sea.  Journal of Plankton Research 30, 645‐654. 

    Calbet,  A.,  Garrido,  S.,  Saiz,  E.,  Alcaraz, M.,  Duarte,  C.M.,  2001.  Annual  zooplankton  succession  in coastal  NW Mediterranean  waters:  the  importance  of  the  smaller  size  fractions.  Journal  of Plankton Research 23, 319‐331. 

    Cottingham,  K.L.,  1999.  Nutrients  and  zooplankton  as  multiple  stressors  of  phytoplankton communities: Evidence from size structure. Limnology Oceanography 44, 810‐827. 

    Criales‐Hernández,  M.I.,  Schwamborn,  R.,  Graco,  M.,  Ayón,  P.,  Hirche,  H.J.,  Wolf,  M.,  2008. Zooplankton  vertical  distribution  and  migration  off  Central  Peru  in  relation  to  the  oxygen minimum layer. Helgoland Marine Research 62, S85‐S100 

    Elliott, M., Burdon, D., Hemingway, K.L., Apitz, S.E., 2007. Estuarine, coastal and marine ecosystem restoration:  Confusing management  and  science – A  revision of  concepts.  Estuarine,  Coastal and Shelf Science 74, 349‐366. 

    Epifanio,  C.E.,  Garvine,  R.W.,  2001.  Larval  Transport  on  the  Atlantic  Continental  Shelf  of  North America: a Review. Estuarine, Coastal and Shelf Science 52, 51‐77. 

    Fisken, Ø., Jørgensen, C., Kristiansen, T., Vikebø, F., Huse, G., 2007. Linking behavioural ecology and oceanography:  larval  behaviour  determines  growth, mortality  and  dispersal. Marine  Ecology Progress Series 347, 195—205. 

    Gammelsrød,T.,  1992.  Variation  in  Shrimp  Abundance  on  the  Sofala  Bank,  Mozambique,  and  its 

  • General Introduction 

     

     

    Relation to the Zambezi River Runoff. Estuarine, Coastal and Shelf Science 35, 91‐103. 

    Gibson, R.N., 2001. Go with the flow: tidal migration in marine animals. Hydrobiologia 503, 153‐161. 

    Giraud,  X.,  Quéré,  C.L.,  Cunha,  L.C.,  2008.  Importance  of  coastal  nutrient  supply  for  global  ocean biogeochemistry. Global Biogeochemical Cycles, 22, GB2025. 

    Hajdu, S., Höglander, H., Larsson, U., 2007. Phytoplankton vertical distributions and composition  in Baltic Sea cyanobacterial blooms. Harmful Algae 6, 189‐205. 

    Hare,  J.A., Govoni,  J.J., 2005. Comparison of average  larval  fish vertical distributions among species exhibiting  different  transport  pathways  on  the  southeast  United  States  continental  shelf. Fisheries Bulletin 103, 728—736. 

    Harris, S.A., Cyrus, D.P., 1999. Composition, abundance and seasonality of fish larvae in the mouth of Durban harbour, Kwazulu‐Natal, South Africa. Sout African Journal of Marine Science 21, 19—39. 

    Hill, A.E., 1991. Vertical migration in tidal currents. Marine Ecology Progress Series 75, 39‐54. 

    Irigoien,  X.,  Conway,  D.V.P.,  Harris,  R.P,  2004.  Flexible  diel  vertical  migration  behaviour  of zooplankton in the Irish Sea. Marine Ecology Progress Series 267, 85‐97. 

    K.M.F.R.I., 1981. Aquatic Resources of Kenya. Proc. of the Workshop of Kenya Marine and Fisheries Research Institute, July 13‐19. 

    Kennedy,  V.S.,  Twilley,  R.R.,  Kleypas,  J.A.,  Cowan,  J.H.,  Hare,  S.R.,  2002.  Coastal  and  marine ecosystems  &  Global  climate  change  –  Potential  Effects  on  U.S.  Resources.  PEW  Center  on Global Climate Change. 

    Leis,  J.M, 2007. Behaviour as  input  for modelling dispersal of  fish  larvae: behaviour, biogeography, hydrodynamics,  ontogeny,  physiology  and  phylogeny  meet  hydrography.  Marine  Ecology Progress Series 347, 185‐193. 

    Lewis, A.D., 1990. Tropical south Pacific tuna baitfisheries. In: Blaber, S.J.M., Copland, J.W. (Editors) Tuna baitfish in the Indo‐Pacific region. Aust. Coun. Int. agr. Res. Proc. 30, 10—21. 

    Lutjeharms,  J.R.E.,  2006.  The  costal  oceans  of  south‐eastern  Africa.  In:  A.R.  Robinson,  K.H.  Brink (Editors) The Sea Vol 14. Harvard University Press, Cambridge, MA, pp. 783‐834. 

    Ohman, M.D., 1990. The Demographic Benefits of Diel Vertical Migration by Zooplankton. Ecological Monographs 60, 257‐281. 

    Paula, J., Pinto, I., Guambe, I., Monteiro, S., Gove, D., Guerreiro, J., 1998. Seasonal cycle of planktonic communities at Inhaca Island, southern Mozambique. Journal of Plankton Research 20, 2165‐2178. 

    Queiroga, H., Almeida, M.J., Alpuim, T.,  Flores, A.A.V.,  Francisco,  S., Gonzàlez‐Gordillo,  I., Miranda, A.I.,  Silva,  I.,  Paula,  J.,  2006.  Tide  and  wind  control  of  megalopal  supply  to  estuarine  crab populations on the Portuguese west coast. Marine Ecology Progress Series 307, 21‐36. 

    Queiroga, H.,  Cruz,  T.,  dos  Santos,  A.,  Dubert,  J.,  González‐Gordillo,  J.I.,  Paula,  J.,  Peliz,  A.,  Santos, A.M.P., 2007. Oceanographic and behavioural processes affecting invertebrate larval dispersal and supply in the western Iberia upwelling ecosystem. Progress in Oceanography 74, 174‐191. 

    Reid,  D.G.,  2001.  SEFOS  –  shelf  edge  fisheries  and  oceanography  studies:  an  overview.  Fisheries Research 50, 1—15. 

    Ridderinkhof,  H.,  Lutheharms,  J.R.E.,  Ruijter,  W.P.M.,  2001.  A  research  cruise  to  investigate  the Mozambique Current. South African Journal of Science 97, 461‐464. 

  • Chapter 1 

     10 

    Santos, A.M.P., Ré, P., Dos Santos, A., Péliz, A., 2006. Vertical distribution of  the European sardine (Sardina plichardus) larvae and its implications for their survival. Journal of Plankton Research 28, 523—532. 

    Silva,  A.,  Mendes,  C.R.,  Palma,  S.,  Brotas,  V.,  2008.  Short‐time  scale  variation  of  phytoplankton succession  in  Lisbon bay  (Portugal) as  revealed by microscopy cell  counts and HPLC pigment analysis. Estuarine, Coastal and Shelf Science 79, 230‐238. 

    Steinberg, D.K., Goldthwait, S.A., Hanself, D.A., 2002. Zooplankton vertical migration and the active transport of dissolved organic and inorganic nitrogen in the Sargasso Sea. Deep‐Sea Research 49, 1445‐1461. 

    Thorrold,  S.R.,  Williams,  D.M.,  1989.  Analysis  of  Otolith  Microstructure  to  Determine  Growth Histories in Larval Cohorts of a Tropical Herring (Herklotsichthys castelanaui). Canadian Journal Fisheries Aquatic Sciences 46, 1615—1624. 

    Tyrrell, T., 1999. The relative influences of nitrogen and phosphorus on oceanic primary production. Nature 400, 525‐531. 

    Verity, P.G., Yoder, J.A., Bishop, S.S., Nelson, J.R., Craven, D.B., Blanton, J.O., Robertson, C.Y., Tronzo, C.R.,  1993.  Composition,  productivity  and  nutrient  chemistry  of  a  coastal  ocean  planktonic food web. Continental Shelf Research 13, 741‐776. 

    Voss,  R.,  Schmidt,  J.O.,  Schnack,  D.,  2007.  Vertical  distribution  of  Baltic  sprat  larvae:  changes  in patterns of diel migration?. ICES Journal Marine Science, 64. 

    Vrede,K., Vrede, T.,  Isaksson, A., Karlsson, A., 1999. Effects of nutrients  (phosphorus, nitrogen, and carbon)  and  zooplankton  on  bacterioplankton  and  phytoplankton  –  a  seasonal  study. Limnology Oceanography 44, 1616‐1624. 

    Walther,  G.‐R.,  Post,  E.,  Convey,  P.,  Menzel,  A.,  Parmesan,  C.,  Beebee,  T.J.C.,  Fromentin,  J.‐M., Hoegh.Guldberg, O., Bairlein, F., 2002. Ecological responses to recent climate change. Nature 416, 389‐395. 

    Wassmann,  P.,  Olli,  K.,  2005.  Drainage  basin  nutrient  inputs  and  eutrophication:  an  integrated approach. University of Tromsø, Norway, 325 pp. 

    Wawrik, B., Paul, J.H., Bronk, D.A., John, D., Gray, M., 2004. High rates of ammonium recycling drive phytoplankton productivity in the offshore Mississippi River plume. Aquatic Microbial Ecology 35, 175‐184. 

    Zaret,  T.M.,  Suffern,  J.S.,  1976.  Vertical  migration  in  zooplankton  as  a  predator  avoidance mechanism. Limnology Oceanography 21, 804‐813. 

     

     

  •  

     

     

     

     

     

     

    Chapter 2 

     

  • Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

     

     

    13 

    Distribution and  vertical  dynamics of  planktonic  communities  at 

    Sofala Bank, Mozambique 

    M. C. Leal1, C. Sá2, S. Nordez3, V. Brotas2, J. Paula1 

    1 Centro de Oceanografia, Laboratório Marítimo da Guia, Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, Av. Nª Senhora do Cabo, 939, 2759‐374 Cascais, Portugal 

    2  Centro  de  Oceanografia,  Instituto  de  Oceanografia,  Faculdade  de  Ciências  da  Universidade  de  Lisboa, Campo Grande, 1749‐016 Lisboa, Portugal 

    3  Instituto  de  Investigação  Pesqueira  de  Moçambique,  Av.  Mao  Tse‐Tung  nº  389,  Maputo,  C.  P.  4603 Moçambique 

    Abstract 

    Coastal  ecosystem  processes  are  largely  influenced  by  the  interaction  of  different  factors 

    operating  at  various  temporal  and  spatial  scales,  specifically  those  responsible  for  primary 

    production  patterns  that  modulate  zooplankton  and  subsequent  trophic  levels.  Hydrological 

    processes,  such as  tidal  cycles and coastal  currents, nutrients availability, phytoplankton groups 

    (studied  through  algal  pigment  signatures  analysed  by  HPLC)  and  zooplankton  abundance  and 

    distribution were  investigated at  the Sofala Bank  (Mozambique), with special emphasis on  their 

    horizontal  distribution  and  vertical  dynamics  (48‐hour).  Horizontal  distribution  has  shown 

    onshore‐offshore  gradients  in  all  analysed  parameters,  as  well  as  inshore  waters  intrusion 

    probably  related  to  Zambezi  River  delta  runoff.  Tidal  currents  were  responsible  for  major 

    hydrological  vertical  variations  and  for  horizontal  and  vertical  advection  of  phytoplankton 

    biomass  in  the  surface  and  deepest  layers,  respectively.  Nutrient  concentrations  were  typical 

    from  oligotrophic  regions,  and  nutrient  ratios  were  strongly  influenced  by  depleted  nitrite  + 

    nitrate concentrations, suggesting low estuarine discharges typical from the dry season. The very 

    low  N:P  ratio  obtained,  suggests  strong  nitrogen  limitation  to  phytoplankton  communities, 

    supporting  the  low  phytoplankton  abundance  observed.  Both  phytoplankton  pigments  and 

    zooplankton were  found mainly  near  bottom  (40 m deep),  despite  the  latter  displayed  vertical 

    migrations  triggered  by  light  variations.  Phytoplankton  community  was  dominated  by 

    microflagellates, specifically prymnesiophyceans, and behaved as a whole, except Cyanobacteria 

    that displayed vertical distribution movements different from other phytoplankton groups, being 

    mainly  concentrated  at  mid  water  column  depths  (10  –  20  m).  This  investigation  enhances 

  • Chapter 2 

     14 

    physico‐chemical  phenomena  and  their  importance  determining  the  planktonic  communities 

    vertical dynamics at a tropical coastal ecosystem of the Western Indian Ocean, where planktonic 

    dynamics are still poorly described and understood. 

    Keywords:  Phytoplankton;  Pigments;  Zooplankton;  Vertical  dynamics;  Nutrient  deficiency; 

    Mozambique 

     

    Introduction 

    Coastal  shelf waters  are  ecosystems  of  great  human  and  ecological  interest where  complex 

    processes  occur.  The  interaction  of  physical  (e.g.  coastal  currents,  upwelling,  tides,  advection), 

    chemical  (variable  chemical  properties  including  nutrient  inputs)  and  ecological  (e.g.  biological 

    production and its dynamics, prey/predator interactions) processes induce high spatial variability 

    on  the  water  column  over  different  time  scales  (Brunet  and  Lizon,  2003;  Lutjeharms,  2006; 

    Queiroga  et  al.,  2007).  This  variability  determines  the  abundance  and  structure  of  different 

    biological communities present  in coastal waters, specifically phyto‐ and zooplankton as oceanic 

    food  chain  lower  levels.  Zooplankton  abundance  and  distribution  is  often  related  to 

    predator/prey  interactions,  as  a prey  for  both planktivorous  fishes  and  some planktonic  larvae, 

    and  as  consumers  of  phytoplankton  organisms  (e.g.  González‐Gordillo  and  Rodríguez,  2003; 

    Santos et al., 2006). Phytoplankton is therefore regulated by zooplankton and fish herbivory, but 

    also  by  nutrients  availability, mainly  nitrogen,  phosphate  and  silica  (Vanni,  1987;  Svensson  and 

    Stenson, 1991; Garnier and Cugier, 2004). The relation between the different nutrient ratios and 

    phytoplankton in coastal systems has been widely studied, and nitrogen generally plays a key role 

    limiting  phytoplankton  growth  thus  strongly  determining  its  community  structure  and 

    chemotaxonomic pigment composition (Hecky and Kilham, 1988; Tyrrell, 1999). 

    The  present  study  took  place  at  the  Sofala  Bank  (Mozambique),  a  wide  shallow  shelf 

    influenced by the Zambezi River delta and other estuaries, and where important fisheries occur. 

    Besides  important  river  runoff  discharges,  strong  tidal  currents  and  currents  from  the 

    Mozambique  Channel  have  major  effects  on  hydrological  and  occurring  ecological  processes 

    (Ridderinkhof  et  al.,  2001;  Lutjeharms,  2006).  Even  though  the  high  importance  of  this  coastal 

    ecosystem for Mozambican fisheries and economy, studies from Sofala Bank are very scarce and 

    only cruise and fisheries reports can be found (Bandeira et al., 2002, and references therein). This 

    neritic region has high phytoplankton biomass comparing to the greater part of the Mozambican 

    oligotrophic waters, mainly because of the nutrient input from the Zambezi river runoff, which is 

  • Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

     

     

    15 

    closely  related  to  rainfall  events  (Lutjeharms,  2006).  Hence,  despite  that  hydrological  and 

    planktonic dynamics of several  temperate coastal ecosystems are already studied (e.g. Verity et 

    al.,  1993;  Balkis,  2003;  Sabetta  et  al.,  2008;  Silva  et  al.,  2008),  Sofala  Bank  is  an  excellent  case 

    study  to  understand  the  nutrients,  phytoplankton  and  zooplankton  dynamics  in  relation  to  the 

    physico‐chemical  environmental  variability  of  a  tropical  coastal  ecosystem  from  the  Western 

    Indian Ocean, where scientific knowledge is very scarce. 

    Several studies identified tidal energy,  light and diel variations as key factors changing neritic 

    planktonic  vertical  distribution  (Hill,  1991; Queiroga  et  al.,  2007;  Brunet  et  al.,  2008).  At  Sofala 

    Bank,  the  strong  tidal  currents  and  estuarine  discharges  may  strongly  determine  nutrients 

    availability  and  water  column  light  penetration  due  to  increased  turbidity,  thus  affecting  base 

    processes  that modulate  planktonic  communities  dynamics.  Stratification  of  the water  column, 

    specifically  the  pycnocline  depth  and  its  strength,  condition  the  effectiveness  of  primary 

    production magnitude  at  the  surface  layer  and may  act  as  a  barrier  to  vertical  movements  of 

    zooplankton (Criales‐Hernández et al., 2008). However, due to the strong local tidal currents it is 

    probable  that  vertical  mixing  locally  induces  homogenization  of  the  water  column.  The 

    investigation  of  tidal  and  diel  variations  and  other  regulating  factors  is  therefore  important  to 

    understand fundamental ecological processes that act in generating high primary productivity and 

    modulate resources supporting intense local fisheries activity. 

    This  study was  a  special  study  as  part  of  the  2007  campaign  “Strengthening  the  Knowledge 

    Base for and Implementing and Ecosystem Approach to Marine Fisheries in Developing Countries” 

    of  the Nansen EAF Programme, and  its main goal was  to  investigate  the horizontal and vertical 

    oceanographic  and  planktonic  processes  in  the  Sofala  Bank  shelf  waters,  specifically  the 

    horizontal  distribution  and  vertical  temporal  variation  of  (1)  hydrological  processes  and 

    parameters,  (2) nutrients concentration,  (3) phytopigments composition and abundance and  (4) 

    zooplankton abundance along the water column. 

     

     

     

     

  • Chapter 2 

     16 

    Material and Methods 

    Sampling 

    The study area was  located at  the Sofala Bank,  in  front of  the Zambezi  river delta. Sampling 

    took place on board the R/V Dr. Fridtjof Nansen from the 6th to the 8th December 2007, covering 

    in the first 24 hours a total of 11 stations distributed along three transects (Fig. 1), from a bottom 

    depth of 24 to 374 m, and the outermost stations separated by 60 km. Their position was set as to 

    characterize  the shelf  section where  the  fixed station sampling was carried out  in  the  following 

    48‐hour period. The fixed station was positioned over a bottom depth of 50 m and samples were 

    taken every 2 h. 

    Fig.  1.  Radial  and  fixed  stations  location.  Both  radial  ()  and  fixed  stations  ()  are  presented  and  the arrows indicate sampling order. 

    Current  magnitude  and  direction  were  measured  with  a  hull‐mounted  Acoustic  Doppler 

    Current Profiler (ADCP) and transparency (m) using a Sechi Disk. At every radial and fixed station, 

    CTD  profiles  were  conducted  and  temperature,  salinity  and  fluorescence  (used  as  a  proxy  of 

    chlorophyll  a)  data  recorded  at  every  1  m  depth  interval.  Water  samples  were  taken  at  five 

    predetermined  depths  (5,  10,  20,  30  and  40 m),  except  for  shallower  stations,  using  a  rosette 

    equipped  with  Niskin  bottles.  Immediately  after  collection,  two  replicates  of  100  ml  were 

    collected  and  stored  frozen  for  posterior  nutrient  analysis  (nitrate  +  nitrite,  phosphate  and 

    silicate).  For  HPLC  pigment  analysis,  two  litres  of  seawater  were  immediately  filtered  through 

    glass fibre filters (25 mm φ, 0.7 µm pore ‐  Whatman GF/F) and filters were kept frozen in the dark 

    for posterior analysis. 

  • Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

     

     

    17 

    Depth‐stratified  zooplankton  samples  (0‐5,  5‐10,  10‐20,  20‐30  and  30‐40 m)  were  collected 

    with  a multinet  (Midi model,  0.5  x  0.5 m mouth  size,  Hydro‐bios) with  405 µm mesh  size  and 

    towed at ~2 knots for 2 min, sampling on oblique hauls in each stratum. Flow rate was monitored 

    by  a  flowmeter  mounted  in  the  mouth  of  the  aperture,  and  each  sample  represented 

    approximately 40 m3 of water filtered. A neuston net (0.2 x 1.0 m mouth size) with the same mesh 

    size  and a  flowmeter mounted was  towed horizontally  at  similar  speed and  time,  sampling  the 

    upper 20 cm of the water column. All zooplankton samples were preserved in 4% borax‐buffered 

    formaldehyde, prepared using seawater. 

    Laboratory procedures 

    All the laboratory procedures were done at the Oceanography Centre of University of Lisbon, 

    Portugal.  Colorimetric  analyses,  with  a  Tecator  FIAstarTM  5000  Analyser,  were  performed  to 

    determine nutrient concentrations. Nitrite  (NO2‐), nitrate  (NO3

    ‐), phosphates  (PO43‐, hereafter as 

    P)  and  silicates  (Si(OH)4,  hereafter  as  Si)  were  respectively  determined  according  to  Grasshoff 

    (1976),  Bendshneider  and  Robison  (1952),  Murphey  and  Riley  (1962),  and  Faning  and  Pilson 

    (1973). Since water properties from this region are typically oligotrophic (Lutjeharms, 2006), the 

    nitrite and nitrate sum was used (NO2‐ + NO3

    ‐, hereafter as N). 

    The identification and abundance of phytoplankton functional groups can be achieved by high 

    performance liquid chromatography (HPLC) analytical technique, which is increasingly in use as it 

    is  a  less  time  consuming  method  in  relation  to  microscopy  phytoplankton  identification  and 

    counting.  HPLC  quantifies  chemotaxonomic  pigments  allowing  to  estimate  the  contribution  of 

    phytoplankton  groups  to  chlorophyll  a  (Chl  a)  using  photosynthetic  marker  pigments,  such  as 

    alloxanthin for cryptophytes, 19’‐hexanoyloxyfucoxanthin for prymnesiophyceans, and other less 

    specific biomarkers such as fucoxanthin for diatoms (also present in chrysophytes) and zeaxanthin 

    for  cyanobacteria  (also present  in  green  algae),  among others  (Jeffrey  et  al.,  1997).  In  order  to 

    extract  photosynthetic  pigments,  frozen  filters  were  disrupted with  2 ml  of  95%  cold‐buffered 

    methanol (2% ammonium acetate) for 30 min at ‐20º C in the dark. Samples were sonicated for 1 

    min in the beginning of the extraction period and then centrifuged at 4000 rpm for 15 min, at 4º 

    C. Extracts were filtered (Millipore membrane filters, 0.2 µm) immediately before injection in the 

    HPLC  to  remove  cell  and  filter  debris.  Pigment  extracts  were  analysed  using  a  Shimadzu  HPLC 

    comprised  of  a  solvent  delivery module  (IC‐10ADVP) with  system  controller  (SCL‐10AVP)  and  a 

    photodiode  array  (SPD‐M10ADVP).  The  chromatographic  separation  of  pigments  was  achieved 

  • Chapter 2 

     18 

    using the method described in Zapata et al. (2000), which uses a monomeric OS C8 column and a 

    mobile  phase  constituted  by  two  solutions:  methanol:acetonitrile:aqueous  pyridine  and, 

    acetonitrile:acetone;  a  flow  rate  of  1 mL min‐1  and  a  run    duration  of  40 min.  Pigments  were 

    identified  by  comparison  of  retention  times  and  absorption  spectra  with  pure  crystalline 

    standards. 

    Biovolume,  using  sedimentation  volumes  with  a  conical  jar  and  24  h  settling  time,  was 

    measured to assess zooplankton abundance, estimated through planktonic organisms larger than 

    405  µm.  Large  gelatinous  organisms  (e.g.  jelly  fish)  were  removed  because  their  significant 

    buoyancy makes the method less precise (Postel et al., 2000). 

    Statistical analysis 

    In order to test for cyclic phenomena in the variation of the different parameters and their co‐

    variations,  autocorrelations  and  linear  cross‐correlations  were  performed.  Significant 

    autocorrelations  with  a  2  h  lag  were  analysed  considering  the  2‐hour  sampling  periodicity. 

    Spearman correlation and Student’s t‐test were applied. The study of phytoplankton community 

    was  done  through  the  analysis  of  chemotaxonomic  pigments  and  their  ratios  to  Chl  a. 

    Furthermore, the Fp pigment index (Claustre, 1994) was calculated in order to identify the trophic 

    status of this marine ecosystem. The Fp pigment index is given by: 

    Fp = (Σ fucoxanthin + Σ peridinin) x (Σ fucoxanthin + Σ peridinin + Σ 19’‐hexanoyloxyfucoxanthin 

    + Σ 19’‐butanoyloxyfucoxanthin + Σ zeaxanthin + Σ chlorophyll b + Σ alloxanthin) ‐1 

     All  the statistical analyses were carried out using R  (R Development Core Team, 2008) while 

    maps for display horizontal distributions were processed using Ocean Data View (Schlitzer, 2008). 

     

    Results 

    Horizontal distribution patterns 

    The horizontal variations of hydrological data evidenced  the onshore‐offshore gradients  (Fig. 

    2A  and  B).  Despite  the  complex  pattern  of  temperature  and  salinity  distribution,  the  lowest 

    temperatures  were  found  in  the  most  onshore  stations  and  generally  lower  salinities  were 

    associated  to  warmer  temperatures.  However,  the  more  coastal  water  mass  showed  higher 

    salinity and lower temperature that the central water mass. Examining the vertical sections of the 

  • Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

     

     

    19 

    northern and southern transects (Fig. 3), a central less saline water mass with higher temperature 

    was observed only at the surface  layers, until 20 m deep. Despite the halocline of this structure 

    was noticeable, vertical temperature profile was stratified along the water column. 

     

    Fig. 2. Surface distribution of salinity (A) temperature (B, ºC), phosphates (C, µmol l‐1), silicates (D, µmol l‐1), total chlorophyll a (E, fluorescence data) and zeaxanthin (F, µg l‐1). 

     

  • Chapter 2 

     20 

     

    Fig.  3.  Vertical  cross‐section  of  the  northern  (A)  and  southern  (B)  transect  perpendicular  to  shore,  as regards to salinity (1), temperature (2, ºC) and total chlorophyll a (3, fluorescence data) variation. 

    Concerning  nutrients  concentration,  P  was  higher  in  the  northern  transect  and  Si 

    concentration was higher near coast (Fig. 2C and D), while N was always under method detection 

    limit (

  • Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

     

     

    21 

     

    Fig. 4. Horizontal distribution of zooplankton water column total abundance. 

     

    Vertical dynamics 

    Current direction and magnitude measurements were very  similar  throughout water column 

    and  results observed were  in accordance with  tidal  variation  (Table 1). Current direction varied 

    mainly between South and West,  respectively during  flooding and ebbing  tides,  and  speed was 

    significantly higher during flood tides  (t value =  ‐ 4.7042, p 

  • Chapter 2 

     22 

     

     

    Table 1. Auto‐ and cross‐correlations of relevant hydrobiological parameters and their significance 

                                         Parameter    Periodicity (h)    Significance    Depth (m)    (Cross ‐ ) correlated with         Temperature    6 (opp.)      Tide variation    20, 30*, 40*    Current direction** (opp. phase; r = 0.681) Salinity      6 (opp.)      Tide variation    20      Current direction** (r = 0.681) Fluoroscence    6 (opp.)      Tide variation    30, 40      ‐ Current magnitude  12      Tidal cycle    0 – 30**     ‐ Current direction   12      Tidal cycle    All depths***    N* (r = 0.363) NO2

    ‐ + NO3‐    6 (opp.)      Tide variation    40      Si*** (r = 0.533) 

    Si(OH)4      6 (opp.)      Tide variation    20*      P* (r = 0.369) diadinoxanthin (30 m: r = 0.289; 40 m: r = 0.213) fucoxanthin (30 m: r = 0.366; 40 m: r = 0.468) 

    Zeaxanthin    4      Water mass    20**      ‐ Zooplankton    12 (opp.)    Diel cycle    All** (except 10/20 m)  ‐             

    * p 

  • Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

     

     

    23 

     

    Fig. 5. Variation of 1‐h average currents direction (a, degrees) and magnitude (b, mm s‐1) at several depths ( ‐ 16 m,  ‐ 25 m,  ‐ 34 m). Upper and downward arrows indicate predicted high and low tides, respectively; shaded rectangles indicate night periods. 

  • Chapter 2 

     24 

    Fig. 6. Temperature (a, ºC) and salinity (b) variation during 48‐hour cycle. Upper and downward arrows 

    indicate predicted high and low tides, respectively; shaded rectangles indicate night periods. 

    The water column was vertically  stratified below the  thermocline during sampling period, as 

    seemed clearly from salinity data (Fig. 6). Thermocline and halocline depths oscillated between 15 

    and 20 m for most of the cycle, and both temperature and salinity followed the same trend with a 

    6‐hour opposed‐phase periodicity (Table 1). During the low tide period it was generally observed 

    less saline waters and warmer temperatures down to greater depths in the water column (Fig. 6). 

    Throughout  the  last  period  of  the  48‐hour  cycle  the  water  column  physical  properties  did  not 

    show  the  same  dynamics,  specifically  in  the  end  of  the  second  day where  an  intrusion  of  less 

    saline waters was observed deeper (around 30 m). 

    Nutrient concentrations ranged from 0 to 2.01 µmol  l‐1  for N, 1.65 to 2.94 µmol  l‐1  for P and 

    4.70 to 15.70 µmol l‐1 for Si (Fig. 7). N concentration was higher near the bottom during low tides, 

    which  is  consistent  with  a  significant  6‐hour  opposed‐phase  periodicity  and  to  the  strong 

    correlation  found  with  current  direction  at  the  40  m  depth  layer  (Table  1).  Despite  Si 

    concentration only showed tidal periodicity at shallower depths, it was positively correlated to N 

    and P at 40 m deep (Table 1). Nutrient ratios N:P and N:Si were calculated and ranged both from 0 

  • Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

     

     

    25 

    to 0.41 and 0.15, respectively. These ratios were strongly determined by N concentration that was 

    generally under the method detection limit. 

    Fig. 7. Nutrient concentrations (µmol l‐1) during the 48‐hour cycle (a ‐ N;b ‐ P;c ‐ Si). Upper and downward arrows indicate predicted high and low tides, respectively; shaded rectangles indicate night periods. 

  • Chapter 2 

     26 

    Fig. 8. Pigment ratios during the 48‐hour cycle (left graphic:  ‐ chlorophyll c3,  ‐ chlorophyll c1+c2,  ‐ zeaxanthin  ‐ pheophorbide a; right graphic:  ‐ 19’‐hexanoyloxyfucoxanthin,  ‐ chlorophyll b,  ‐ 19’‐butanoyloxyfucoxanthin,   ‐  fucoxanthin). Upper and downward arrows  indicate predicted high and  low tides, respectively; shaded rectangles indicate night periods. 

    ! ! !

    !

    ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

    Index

    0

    1

    2

    3

    ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

    Index

    0

    1

    2

    3

    ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

    !

    ! ! ! ! !

    !

    ! !

    Index

    0

    1

    2

    3

    ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

    !

    !

    !

    Index

    0

    1

    2

    3

    !

    !!

    !

    !

    ! ! !!

    !

    !

    !

    !

    !

    !

    !

    !

    ! ! ! !

    !

    !!

    Index

    0

    1

    2

    3

    17 21 1 5 9 13 17 21 1 5 9 13

    Index

    Index

    Index

    Index

    Index

    17 21 1 5 9 13 17 21 1 5 9 13

    Local Hour (GMT + 2)

    Pig

    me

    nt

    rati

    os

    5 m

    10 m

    20 m

    30 m

    40 m

  • Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

     

     

    27 

    Deep  chlorophyll  maximum  (DCM)  was  close  to  the  bottom  (around  40  m  deep)  and 

    fluorescence  data  from  30  and  40  m  presented  a  6‐hour  opposed‐phase  periodicity  variation 

    (Table 1). HPLC analysis revealed a total of 13 pigments, generally presenting low concentrations 

    (Table 2). Chl a concentration was very low throughout the study (between 0.003 and 0.202 µg l‐1) 

    and  the highest  values were normally  found at  40 m deep.  The most  abundant pigments were 

    19’‐hexanoyloxyfucoxanthin, chlorophyll b and pheophorbide a,  located mainly between 20 and 

    40  m  deep.  Other  detected  pigments,  such  as  alloxanthin,  diadinoxanthin,  peridinin  and 

    prasinoxanthin, were  very  scarce,  and  higher  concentrations were  also  observed  at  40 m deep 

    (Table 2). Vertical dynamics of pigment ratios is shown in Fig. 8. The only pigment with a different 

    vertical distribution pattern was zeaxanthin, indicator pigment of cyanobacteria, which presented 

    low  concentrations  at  deeper  strata  (30  and  40 m)  and  higher  at  the  upper  ones  (t  value  =  ‐ 

    5.3773, p 

  • Chapter 2 

     28 

     

     

    Table 2. HPLC pigment mean concentrations (µg l‐1) at 40 m deep and their associated phytoplankton classes (Jeffrey et al. 1997) 

                                       Pigments      Concentration (min ‐ max)  %    Occurrence             Chlorophyll a      0.080 (0.013‐0.189)    41    A proxy of total algae biomass Chlorophyll c1, c2    0.024 (0.000 – 0.071)    12.3    Diatoms, prymnesiophytes, crysophytes, dinoflagellates Chlorophyll c3      0.062 (0.000 – 0.145)    31.8    Crysophytes, prymnesiophytes Chlorophyll b      0.029 (0.000 – 0.079)    14.9    Chlorophytes, euglenophytes, prasinophytes Total chlorophylls    0. 195 (0.013 – 0.484)    100  Fucoxanthin      0.054 (0.000 – 0.210)    27.1    Diatoms, prymnesiophytes, crysophytes Peridinin      0.003 (0.000 – 0.143)    1.5    Dinoflagellates Diadinoxanthin      0.008 (0.000 – 0.021)    4.0    Diatoms, prymensiophytes, crysophytes, dinoflagellates 19’‐hexanoyloxyfucoxanthin  0.086 (0.000 – 0.154)    43.2    Prymnesiophytes Alloxanthin      0.001 (0.000 – 0.002)    0.5    Cryptophytes Prasinoxanthin      0.012 (0.000 – 0.028)    6.0    Prasinophytes Zeaxanthin      0.007 (0.000 – 0.023)    3.5    Cyanobacteria, chlorophytes 19’‐butanoyloxyfucoxanthin  0.028 (0.000 – 0.066)    14.1    Crysophytes, prymnesiophytes Total carotenoids    0.199 (0.000 – 0.647)    100  Pheophorbide a     0.091 (0.000 – 0.197)        Zooplankton grazing           

     

     

  • Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

     

     

    29 

     

    Fig. 9. Zooplankton abundance (ml l‐1) at sampled strata ( ‐ neuston,  ‐ 0/5 m,  ‐ 5/10 m,  ‐ 10/20 m,  ‐ 20/30 m,  ‐ 30/40 m) during the 48‐hour cycle. Upper and downward arrows indicate predicted high and low tides, respectively; shaded rectangles indicate night periods. 

  • Chapter 2 

     30 

    Discussion 

    Hydrology and nutrients 

    The  Sofala  Bank  is  a  Mozambican  wide  shelf  region  with  strong  tidal  currents  and  great 

    hydrological  variability,  which  is  largely  determined  by  the  Zambezi  delta  discharge  and  also 

    mesoscale  oceanographic  features  of  the  Mozambique  Channel  (Ridderinkhof  et  al.,  2001; 

    Lutjeharms, 2006). Surface distribution of hydrological parameters, combined with tidal movements 

    during  the  48‐hour  period,  showed  the  complexity  of  this  shelf  region,  and  the  inshore‐offshore 

    gradient  revealed  this  influence  of  both  the  Zambezi  delta  runoff  and  heterogeneity  of 

    oceanographic  currents  on  the  mid  continental  shelf  waters.  During  the  sampled  period,  the 

    estuarine water intrusion was not significantly affecting this shelf region, since salinity here obtained 

    near  the  coast  was  around  35,  which  is  considerably  higher  than  salinity  values  similar  to  20, 

    described by Lutjeharms (2006)  for the Sofala Bank region during the wet season. The period from 

    January  to March  is when higher  rainfalls are observed and greater effects of estuarine discharges 

    influence this shelf region, thereby increasing nutrients inputs and decreasing light penetration due 

    to dispersal of the turbid estuarine plumes. This study was carried out in December, at the end of dry 

    season  in  the  area,  before  the  beginning  of  the  rainy  season.  Accordingly, minor  estuarine  runoff 

    effects  were  observed,  explaining  the  high  salinities  and  water  transparency  observed.  A  central 

    water mass with different water properties  from the onshore and offshore analysed coastal  region 

    was evidenced by vertical cross‐sections perpendicular to shore (Fig. 3). The existence of this water 

    mass could be a marker of an earlier estuarine discharge event, since the distinct lower salinity and 

    its  only  presence  at  the  surface  (

  • Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

     

     

    31 

    from  river  effluents  (Verity  et  al.,  1993;  Wawrik  et  al.,  2004),  however,  the  N  distribution  here 

    observed  suggests  vertical  resuspension  as  its  source  ascribable  to  tidal  energy,  which  could  also 

    explain the correlation amongst nutrients concentrations at 40 m deep. 

    Nutrient concentrations obtained were typical from oligotrophic waters (Kromkamp et al., 1997; 

    Tyrrell, 1999; Giraud et al., 2008) and the extremely low concentrations of N in relation to P and Si 

    should be carefully discussed. During the 48‐hour cycle P concentration was on average 2.253 µmol l‐

    1, which  are high  concentrations when  compared  to other  coastal  zones  studies  (e.g.  Balkis,  2003; 

    Wawrik et al., 2004; Sabetta et al., 2008) though comparable concentrations to other Western Indian 

    Ocean  studies  (e.g.  Paula  et  al.,  1998;  Lugomela  et  al.,  2001).  Regarding  Si,  average  concentration 

    was  8.857  µmol  l‐1,  considerably  higher  than  P  and  N,  in  accordance  with  other  studies  at  the 

    Western Indian Ocean (Paula et al., 1998; Barlow et al., 2007, 2008). The unusual N:P and N:Si ratios 

    observed were strongly determined by the extremely low N concentrations. Several studies have also 

    found  such  low  ratios. Wawrick  et  al.  (2004)  studied  the nutrient  dynamic  in  the Mississippi  River 

    plume and obtained nutrient ratios of N:P ~ 2 and N:Si ~ 0.2 at non‐plume stations, while Burford et 

    al. (1995) obtained N:P ratios generally less than 4, ranging from 0.1 to 20, in the Gulf of Carpentaria 

    (Australia).  For  the Western  Indian Ocean,  in  particular,  Kitheka  et  al.  (1996),  reporting  results  on 

    nutrient dynamics at the Kenya coast, observed mean N:P ratios  ~1 during the flood tide. Mengesha 

    et al. (1999) also observed very low N concentrations ranging from 

  • Chapter 2 

     32 

    wave  rotation,  therefore  the  estuarine  plume  was  most  likely  moving  southwards  and  major 

    estuarine  effluents were  enhancing  phytoplankton  biomass  at  this  southern  nearer  to  coast  area. 

    This hypothesis is confirmed by vertical cross‐section of the southern transect, where phytoplankton 

    biomass was higher at the surface waters nearer to shore. On the other hand, the vertical profiles of 

    northern  stations  display  higher  phytoplankton  biomass  near  the  bottom,  where  a  discontinuity 

    occurs. This bottom discontinuity probably promotes the resuspension of sediment ascribed to tidal 

    direction  and  magnitude  variation,  supporting  nutrients  availability  that  enhanced  phytoplankton 

    biomass. 

    Apart  from  distance  to  shore  and  associated  environmental  gradients,  phytoplankton 

    communities’  structure  and  abundance  are  also  determined  by  hydrological  vertical  variations 

    (Balkis,  2003;  Barlow  et  al.,  2007;  Sabetta  et  al.,  2008).  During  the  48‐hour  cycle  the majority  of 

    phytoplankton biomass was near the bottom, probably because of nutrient availability and high light 

    penetration, as DCM was always below the pycnocline depth. Nutrient availability often determines 

    primary  production  vertical  patterns  and  phytoplankton  communities’  structure  and  abundance 

    (Verity et al., 1993; Bouman et al., 2003). The high planktonic concentrations observed near the 30 

    and  40 m  layers  are  explained  through  the  availability  of  N  near  the  bottom  and  its  role  limiting 

    phytoplankton biomass. As regards to  light penetration, the exposure to high light radiation induce 

    photodamage  and  physiological  stress  in  phytoplankton  cells,  even  though  the  existence  of  some 

    photoprotective  pigments  (Brunet  et  al.,  2008).  Therefore,  phytoplankton  depth  regulation  will 

    depend upon nutrients availability and light penetration,  in order to  lead to a better exploration of 

    the  ecosystem  resources  by  phytoplankton  cells. Moreover,  biological  responses  to  environmental 

    conditions  seem  to  be  simultaneously  depending  on  the  group  and  size  of  phytoplankton  species 

    (Brunet and Lizon, 2003). 

    Microflagellates  phytoplankton  cells  (e.g.  prymnesiophyceans)  were  the  most  abundant  group 

    observed  at  Sofala  Bank,  which  is  in  agreement  with  Claustre  (1994),  Cortés  et  al.  (2001)  and 

    Dandonneau et  al.  (2006),  among others, who pointed out  the preference of prochlorophytes and 

    small  flagellates  to  be  most  adapted  to  survive  in  impoverished  oligotrophic  environments.  The 

    pigment  ratios  >  1  obtained  indicates  pigment  concentrations  higher  than  Chl  a,  which  is  in 

    accordance to other phytoplankton communities from distinct oligotrophic environments (e.g. North 

    Atlantic and Mediterranean Sea) where phytoplanktonic cells contain more accessory pigments that 

    Chl a (Claustre, 1994). The trophic status here identified by nutrients composition is in accordance to 

    the Fp pigment index calculated. The 0.16 mean pigment ratio obtained agrees with results from the 

    North Atlantic  (0.06 ± 0.01) and Mediterranean  (0.18 ± 0.01) oligotrophic  regions  (Claustre, 1994), 

    where picoplankton and nanoplankton are dominant. 

  • Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

     

     

    33 

    The majority of detected pigments displayed similar vertical movements in accordance with tidal 

    variation and higher concentrations near  the bottom. Despite  that  tidal energy was a key  factor  in 

    water mass  physico‐chemical  properties  variation,  the majority  of  phytoplankton  groups  temporal 

    variation  revealed  strong  correlations  to  N,  and  also  diatoms  to  Si.  Low  diatoms  abundance  was 

    probably  related  to  high  temperatures  registered,  which  limits  their  growth  (Verity  et  al.,  1993; 

    Bouman et al., 2003; Barlow et al., 2008), while peridinin containing dinoflagellates were probably 

    limited by these oligotrophic waters. 

    Cyanobacteria  were  the  only  analysed  group  that  seemed  to  have  its maximum  abundance  at 

    surface layers above thermocline depth, where turbulence phenomena are less  intense, which is  in 

    accordance  with  other  studies  describing  shallower  distribution  patterns  of  Cyanobacteria, 

    specifically the ubiquitous Synechococcus sp. throughout world oceans (Glover et al., 1988; Goericke 

    et  al.,  2000;  Brunet  et  al.,  2008).  Cyanobacteria  variation  periodicity  at  20 m  deep  was  probably 

    related to the water mass cyclical movements, as seen by salinity and temperature variations at the 

    same  depth  Zeaxanthin  presence  is  normally  associated  to  Chlorophytes  and  Cyanobacteria, 

    however,  since  in  this  study  there  were  no  correlations  between  zeaxanthin  and  chlorophyll  b 

    (marker pigment of Chlorophytes) and divinyl chlorophyll a was below detection limits, which is also 

    in  accordance  with  Barlow  et  al.  (2008)  for  inshore  stations  at  Delagoa  Bight  (Mozambique), 

    zeaxanthin  here  detected  was  attributed  to  Cyanobacteria,  which  was  also  assumed  in  other 

    Western  Indian  Ocean  studies  (e.g.  Barlow  et  al.,  2007,  2008).  Thereby,  zeaxanthin  horizontal 

    distribution here observed  is  in accordance  to  the preference  for offshore waters also detected  in 

    other Cyanobacteria studies (Hajdu et al, 2007; Barlow et al., 2008). 

    The determination of the vertical distribution and migration patterns of Cyanobacteria and other 

    phytoplankton groups are easily biased by sampling errors because horizontal advection of the water 

    mass,  disruption  of  vertical  structures  by  wind  and  patchiness,  which,  together  with  the 

    accumulation of phytoplankton groups  in relatively thin  layers, makes  it difficult to resolve the real 

    vertica