long-spined sea urchins

Dutch below

Long-spined sea urchins (Diadema antillarum) help maintain healthy coral reefs by grazing on algae. In 2022, there was a die-off of long-spined sea urchins in the Caribbean. A team of researchers has recently uncovered that a ciliary animal- a microscopic single-celled organism- was causing this die off. This is an important first step towards predicting and possibly preventing these types of disease outbreaks in the future.  

Diadema antillarum. Photo credit: Alwin Hylkema

Diadema sea urchins play a critical role in maintaining healthy coral reefs. Diadema sea urchins help sustain the delicate balance within the coral reef by grazing on algae, which are the main competitors of corals for space and light. In the mid-1980s, a disease swept through the Caribbean, wiping out nearly the entire sea urchin population.  

A new mass die off was first observed in January 2022 in the US Virgin Islands. Over the next four months, these mass die offs were observed throughout the Caribbean, spanning more than 1,300 km from north to south and 2,500 km from east to west. These disease symptoms observed in the 2022 mass die-off were very similar to those observed during the die-off in the 1980s. Infected sea urchins quickly became ill and up to 99% of a population died within a few weeks.  

Unraveling the Mystery

An international team of scientists, including researchers from Van Hall Larenstein University of Applied Sciences and Wageningen University, have now established that a ciliate (a single-celled organism characterized by the presence of hair-like structures) was responsible for the mass mortality. This was found by comparing the genetic material of healthy and sick sea urchins with all kinds of potential pathogens. A ciliary animal (Philaster sp.) was present in all diseased sea urchins and absent in healthy sea urchins from other sites.  

The pathogen was then isolated in Florida and healthy sea urchins exposed to it in the lab soon showed the same disease symptoms. Subsequently, the cilia were found in the diseased sea urchins, providing clear evidence that these cilia were the primary pathogen causing the mass death.  

Sick sea urchin. Photo credit: Alwin Hylkema

Next Steps 

This discovery has now been published and represents an important first step towards predicting and possibly preventing these types of disease outbreaks in the future. This is essential, as the grazing activities of the Diadema sea urchins are crucial for the conservation of the Caribbean coral reefs. 

Restoration 

Fortunately, some Diadema populations have survived. In the RAAK Pro Diadema project Van Hall Larenstein University works closely together with other research institutes and local partners to restore long spined sea urchin populations on the coral reefs around Saba and St. Eustatius. This project is showing promising results in supporting regional efforts for restoring degraded coral reefs in the Caribbean. 

DCNA  

The Dutch Caribbean Nature Alliance (DCNA) supports science communication and outreach in the Dutch Caribbean region by making nature related scientific information more widely available through amongst others the Dutch Caribbean Biodiversity Database, DCNA’s news platform BioNews and the press. This article contains the results from several scientific studies but the studies themselves are not DCNA studies. No rights can be derived from the content. DCNA is not liable for the content and the in(direct) impacts resulting from publishing this article.  

For more information:

tom.wijers@hvhl.nl

alwin.hylkema@hvhl.nl

Hylkema, A., Kitson-Walters, K., Kramer, P. R., Patterson, J. T., Roth, L., Sevier, M. L., … & Lang, J. C. (2023). The 2022 Diadema antillarum die-off event: Comparisons with the 1983-1984 mass mortality. Frontiers in Marine Science, 9, 2654.

Or check out the Special Edition BioNews covering last year’s Diadema die offs https://dcnanature.org/special-edition-diadema

Diadema zee-egels (Diadema antillarum) helpen gezonde koraalriffen te behouden door op algen te grazen. In 2022 was er een uitsterving van Diadema zee-egels in het Caribisch gebied. Een team van onderzoekers heeft onlangs ontdekt dat een ciliaat, een microscopisch klein eencellig organisme, deze uitsterving veroorzaakte. Dit is een belangrijke eerste stap om dit soort ziekte-uitbraken in de toekomst te voorspellen en mogelijk te voorkomen.

Diadema antillarum. Foto: Alwin Hylkema

Diadema zee-egels spelen een cruciale rol bij het behoud van gezonde koraalriffen. Diadema zee-egels helpen het delicate evenwicht binnen het koraalrif te behouden door te grazen op algen, de belangrijkste concurrenten van koralen voor ruimte en licht. Halverwege de jaren tachtig raasde een ziekte door het Caribisch gebied en roeide bijna de hele zee-egel populatie uit.

Een nieuwe massale uitsterving werd voor het eerst waargenomen in januari 2022 op de Amerikaanse Maagdeneilanden. Gedurende de volgende vier maanden werden deze massale uitstervingen waargenomen in het hele Caribisch gebied, verspreid over meer dan 1.300 km van noord naar zuid en 2.500 km van oost naar west. Deze ziektesymptomen die werden waargenomen tijdens de massale afsterving in 2022 leken sterk op de symptomen die werden waargenomen tijdens de afsterving in de jaren tachtig. Geïnfecteerde zee-egels werden snel ziek en tot 99% van de zee-egel populatie stierf binnen enkele weken.

Het mysterie ontrafelen

Een internationaal team van wetenschappers, waaronder onderzoekers van Hogeschool Van Hall Larenstein en Wageningen Universiteit, heeft nu vastgesteld dat een ciliaat (een eencellig organisme gekenmerkt door de aanwezigheid van haarachtige structuren) verantwoordelijk was voor de massale sterfte. Dat bleek door het erfelijk materiaal van gezonde en zieke zee-egels te vergelijken met allerlei potentiële ziekteverwekkers. Een ciliaat (Philaster sp.) was aanwezig in alle zieke zee-egels en afwezig in gezonde zee-egels van andere vindplaatsen.

De ziekteverwekker werd vervolgens geïsoleerd in Florida en gezonde zee-egels die eraan werden blootgesteld in het laboratorium vertoonden al snel dezelfde ziektesymptomen. Vervolgens werden de ciliaten gevonden in de zieke zee-egels, wat een duidelijk bewijs was dat deze ciliaten de primaire ziekteverwekkers waren die de massale sterfte veroorzaakte.

Diadema antillarum. Foto: Alwin Hylkema

Volgende stappen

Deze ontdekking is nu gepubliceerd en vormt een belangrijke eerste stap in de richting van het voorspellen en mogelijk voorkomen van dit soort ziekte-uitbraken in de toekomst. Dit is essentieel, aangezien het grazen van de Diadema zee-egels cruciaal is voor het behoud van de Caribische koraalriffen.

Restauratie

Gelukkig hebben sommige Diadema populaties het overleefd. In het RAAK Pro Diadema-project werkt Hogeschool Van Hall Larenstein nauw samen met andere onderzoeksinstituten en lokale partners om populaties Diadema zee-egels op de koraalriffen rond Saba en Sint Eustatius te herstellen. Dit project laat veelbelovende resultaten zien bij het ondersteunen van regionale inspanningen voor het herstel van aangetaste koraalriffen in het Caribisch gebied.

DCNA

De Dutch Caribbean Nature Alliance (DCNA) ondersteunt wetenschapscommunicatie en outreach in de Nederlandse Caribische regio door natuurgerelateerde wetenschappelijke informatie breder beschikbaar te maken via onder andere de Dutch Caribbean Biodiversity Database, DCNA’s nieuwsplatform BioNews en de pers. Dit artikel bevat de resultaten van verschillende wetenschappelijke onderzoeken, maar de onderzoeken zelf zijn geen DCNA-onderzoeken. Aan de inhoud kunnen geen rechten worden ontleend. DCNA is niet aansprakelijk voor de inhoud en de indirecte gevolgen die voortvloeien uit het publiceren van dit artikel.

Voor meer informatie:

Alwin.hylkema@wur.nl

Tom.wijers@wur.nl

Of bekijk de Special Edition BioNews over de Diadema die-offs.

Published in BioNews 64

Nederlands below.

Researchers from Van Hall Larenstein, Wageningen University and Wageningen Marine Research have developed a new approach to assist Diadema sea urchins’ natural recovery.  In collaboration with the Saba Conservation Foundation, researchers provided additional substrate for settlement on the reef, increasing sea urchin recruitment and thereby demonstrating the importance of suitable settlement substrate for recovery processes.

Diadema antillarum
Photo credit: Alwin Hylkema

Deterioration of Caribbean coral reefs begun in the 1970s when diseases devastated the most important reef building corals in the region.  These issues were then accelerated, when the most abundant herbivore, the long-spined sea urchins (Diadema antillarum), suffered massive die offs in the 1980s. Within days after the Diadema die-off, macroalgae started to dominate Caribbean coral reefs.  This shift from coral dominated to macroalgae dominated reefs have had devastating effects on the biodiversity and overall reef health.

Assisted Natural Recovery

Natural recovery of the long-spined sea urchin has been slow.  A new method for sea urchin restoration, coined Assisted Natural Recovery (ANR), employs similar techniques as those used in terrestrial reforestation. The concept is centered around the idea that by removing barriers to natural recovery, succession can be accelerated. Earlier studies suggested that recovery of Diadema sea urchins might be limited by a lack of suitable settlement substrate for their larvae. With the reefs overgrown with algae, clean substrate with a fresh biofilm, which is thought to be the main cue for settlement, is lacking.

Photo credit: Alwin Hylkema

Bio Ball Streamers

With ANR the researchers provided new settlement substrate in the form of streamers attached to the reef.  In total, nine streamers, made up of 30 bio ball tied on fishing line, were attached to the reef.  Bio balls are normally used in aquarium filters and have a large surface area. A previous study, conducted in the same project, showed that this material is very effective to monitor sea urchin settlement. These streamers provided areas for sea urchin larvae to settle, protecting them until they grew large enough to migrate to the reef. In April 2021, six patch reefs were selected off the coast of Saba, of which 3 were provided with bio ball streamers and 3 were left untouched and served as control.

At the end of the study, it was demonstrated that reefs with bio ball streamers had significantly higher Diadema urchin recruit densities than those without, highlighting the importance of settlement substrate in natural recovery.  Unfortunately, the improved recruitment rate did not equate to a recovered population.  The recruits rarely grew larger than 20mm, suggesting that predation on recruits is also limiting natural recovery.  Once a recruit becomes larger than 5mm they outgrow the bio ball and need to move to the reef, where they are vulnerable to predation.

Implications

Photo credit: Alwin Hylkema

With the latest news of massive Diadema die offs, park authority managers are desperately looking for ways to protect the future of sea urchin populations in the region.  The new approach of ANR might be one of the ways to assist Diadema sea urchin recovery in the future. Researchers from the RAAK PRO Diadema project are now working on optimization of the method. However, future recovery of this sea urchin species will mostly be dependent on the scale and lethality of a new die-off that is currently happening in the Caribbean. Already accounts of these die-offs have been recorded on Saba, St. Eustatius, St. Maarten and Curacao.  Threatened reefs are struggling to combat the spread of macroalgae, and the continued loss of a herbivores would only exacerbate these issues.

You can help authorities track sea urchin health in the Caribbean by adding your observations of healthy, sick or dead urchins by visiting the AGRRA website (https://www.agrra.org/sea-urchin-die-off/).  To read more about the latest in sea urchin recovery methods, you can find the full article on the DCBD using the link below or follow along with the RAAK PRO Diadema project online.

Figure 2: (A) Patch reef (no. 4) with streamers on which the transect tape is removed after monitoring. (B) Streamer with buoy and (c) close-up of the bio balls

More info in the Dutch Caribbean Biodiversity Database

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Nederlands

Innovatieve Technieken kunnen de sleutel zijn voor het herstel van de Diadema zee-egels

Onderzoekers van de Van Hall Larenstein Hoge School, Universiteit van Wageningen en het Wageningen Marien Onderzoek hebben een nieuwe ingang ontwikkeld tot de hulpverlening naar het natuurlijk herstel van de Diadema zee-egels. In samenwerking met de Saba Conservation Foundation, hebben de onderzoekers een nieuw aanvullend substraat gevonden voor vestiging op het koraal, waarbij de rekrutering van zee-egels toegenomen is en daarmee het belang van geschikt vestigingsondergrond voor de herstelprocessen hebben aangetoond.

De verslechtering van de Caribische koraalriffen begon in de jaren zeventig toen ziektes de belangrijkste rif opbouwende koralen in de regio hebben verwoest. Deze problemen werden vervolgens versneld, toen de meest voorkomende herbivoor, de Diadema zee-egels, in de jaren tachtig massaal begon af te sterven. Binnen enkele dagen na het afsterven van de Diadema, begonnen macroalgen te domineren op de Caribische substraatkoraalriffen. Deze verschuiving van door koraal gedomineerde naar door macroalgen gedomineerde riffen heeft verwoestende gevolgen gehad voor de biodiversiteit en de algehele gezondheid van het rif.

Assisted Natural Recovery

Het natuurlijke herstel van de Diadema zee-egel is traag verlopen. Een nieuwe methode voor hulpverlenend herstel van de zee-egels, genaamd Assisted Natural Recovery (ANR), gebruikt vergelijkbare technieken als bij herbebossing op het land. Het concept is gecentreerd rond het idee dat door het wegnemen van barrières voor natuurlijk herstel, de opvolging kan worden versneld. Eerdere studies suggereerden dat het herstel van Diadema-zee-egels mogelijk wordt beperkt door een gebrek aan geschikt vestigingsondergrond voor hun larven. Doordat de riffen begroeid met algen is, ontbreekt er een schoon ondergrond met verse biofilm, waarvan wordt aangenomen dat dit de sleutel is voor nieuwe vestiging.

Photo credit: Alwin Hylkema

Bio Ball Wimpels

Met ANR methode hebben de onderzoekers een nieuw vestigingsondergrond aangebracht in de vorm van wimpels die aan het rif waren bevestigd. In totaal werden negen wimpels, bestaande uit 30 bioballen vastgebonden aan een vislijn, aan het rif bevestigd. Bioballen worden normaal gesproken gebruikt in aquariumfilters en hebben een groot oppervlak. Een eerdere studie, uitgevoerd in hetzelfde project, toonde aan dat dit materiaal zeer effectief is om de vestiging van zee-egels te volgen. Deze wimpels boden gebieden aan voor de zee-egellarven om zich vast te hechten en beschermden ze totdat ze groot genoeg waren om naar het rif te migreren. In april 2021 zijn voor de kust van Saba zes gebieden met herstelriffen geselecteerd, waarvan er 3 zijn voorzien van bioball wimpels en 3 onaangeroerd zijn gelaten en als controle hebben gediend.

Aan het einde van de studie werd aangetoond dat riffen met bioball wimpels aanzienlijk hogere rekruteringsdichtheden van Diadema-egels hadden dan die zonder, wat het belang van een nederzettingsondergrond voor natuurlijk herstel benadrukte. Helaas kwam de verbeterde rekruteringsgraad niet overeen met een herstelde populatie. De rekruten werden zelden groter dan 20 mm, wat suggereert dat predatie op rekruten ook het natuurlijke herstel beperkt. Zodra een rekruut groter wordt dan 5 mm, ontgroeien ze de biobal en moeten ze naar het rif gaan, waar ze kwetsbaar zijn voor predatie.

Photo credit: Alwin Hylkema

Implicaties

Met het laatste nieuws over massale Diadema-sterfte, zijn beheerders van parkorganisaties wanhopig op zoek naar manieren om de toekomst van zee-egelpopulaties in de regio te beschermen. De nieuwe aanpak van ANR kan in de toekomst een van de manieren zijn om Diadema-zee-egels te helpen herstellen. Onderzoekers van het RAAK PRO Diadema-project werken nu aan een optimalisatie van de methode. Toekomstig herstel van deze zee-egelsoort zal echter grotendeels afhangen van de omvang en het sterftecijfer van de nieuwe sterfgevallen dat momenteel in het Caribisch gebied voorkomen. Op Saba, St. Eustatius, St. Maarten en Curaçao zijn al verslagen van deze sterfgevallen geregistreerd. Bedreigde riffen worstelen om de verspreiding van de macroalgen tegen te gaan, en het aanhoudende verlies van herbivoren zou deze problemen alleen maar verergeren.

U kunt autoriteiten helpen de gezondheid van zee-egels in het Caribisch gebied te volgen door uw observaties van gezonde, zieke of dode zee-egels toe te voegen door de AGRRA-website te bezoeken (https://www.agrra.org/sea-urchin-die-off/). Om meer te lezen over de nieuwste methoden voor het herstel van de Diadema zee-egels, kunt u het volledige artikel over de DCBD vinden via de onderstaande link of het RAAK PRO Diadema-project online volgen.

Figuur 2 (A) Herstel rif (nr. 4) met wimpels waar de transactie tape is verwijderd na het monitoringsproces. (B) wimpel met boei en (C) Close-up van bioballen.

More info in the Dutch Caribbean Biodiversity Database

Published in BioNews 56.

Help Protect Sea urchins

Help us track sea urchin health in the Caribbean by adding your observations of healthy, sick or dead urchins. These reports will allow us to determine the causes and work on restoration approaches. You can report your sightings by visiting the AGRRA website (https://www.agrra.org/sea-urchin-die-off/)

The causative agent of the urchin deaths is not known but may be water-borne and may spread through contact. Pathogens can survive on snorkel/dive gear. To potentially help reduce the spread of pathogens, snorkelers and divers can:

– Have good buoyancy and don’t touch any urchins or other reef life.

– Rent gear locally.

– Decontaminate dive gear after each dive.

– Dive on clean sites before (known) infected sites

All divers should use caution to not further spread this potential disease. Never touch any healthy, sick or dead sea urchins, as you could be spreading the disease. Be mindful and careful about your gear and fins, in order to avoid any touching or stirring up sediment.

Special Diadema BioNews Edition Navigation

• Introduction
• Background and Current State
• Restoration Efforts
• What you can do to help

Long-spined sea urchins (Diadema antillarum) play a critical role in maintaining healthy coral reefs.  By grazing on algae, these sea urchins keep algae growth in check while also providing settlement space for corals. Unfortunately, this species was decimated in the mid-1980s, when a disease spread throughout the Caribbean, nearly wiping out their entire population.  Alarmingly, since February 2022, new reports identify similar extensive die-offs. Scientists and local reef managers are working to identify causes and improve restoration approaches.

In this Special Issue Bionews  you will find information concerning:

• • Background and Current State
  • Restoration Efforts
  • What you can do to help
  • Other related articles (see below)

Dead and dying long-spined sea urchins. Photo credit: Kimani Kitson-Walters