The Black Sea is affected by numerous anthropogenic pressures, such as eutrophication and pollution through coastal and river discharges, fisheries overexploitation, species invasions, and the impacts of climate change. Growing concerns regarding the cumulative effects of these pressures have necessitated the need for an ecosystem approach to assessing the state of this basin. In recent years, the European Commission-JRC has developed a scientific and modelling tool, the Blue2 Modelling Framework with the aim of exploring the consequences of EU management and policy options on marine ecosystems. This framework has been designed to provide information on specific ecological indicators set out in EU legislation. Here, we present the Blue2 framework for the Black Sea ecosystem. The model represented the mid-1990s’ conditions in the Black Sea ecosystem including trophic levels from primary producers to marine mammals and sea birds. The model simulations covered a period from 1995–2021. The results showed that gulls & cormorant seabirds, sprat, horse mackerel and mugilidae had structuring role in the food web. Fishing fleets had indirect negative impacts on marine mammals in addition to commercially exploited species. Analysis of the ecosystem indicators confirmed the overall temporal degradation of the Black Sea when comparing results with other Black Sea models, whilst the comparison with the Mediterranean Sea allowed us to identify comparable indicators between similar model structures. The spatial/temporal model successfully simulated the overall ongoing declining dynamics of the Black Sea ecosystem as the biomasses of the majority of the functional groups had significant observed decreasing trends during the simulation period. This model is the first attempt to represent the historical and current state of the Black Sea ecosystem spatially and temporally, serving as a reference baseline for evaluating policy scenarios and assisting policy makers in the evaluation of potential environmental impacts of management options.

Globally, all marine ecosystems are under pressure by anthropogenic stressors. However, semi-enclosed seas are at a greater risk of degradation due to their limited connectivity to open seas. This leads to a greater accumulation of pollutants and abrupt regime shifts triggered by unsustainable exploitation of living resources, as ecosystems exhibit low degrees of redundancy and more frequent large-scale episodic events such as harmful algal blooms. The Sea of Marmara is a semi-enclosed marine region that has been subjected to various anthropogenic stressors since the 1990s. Recently, local and governmental authorities have employed basin-wide ecosystem management plans to control and manage point and nonpoint (diffuse) sources of pollutants. However, the management of fisheries in relation to the dynamics of the Sea of Marmara food web has attracted less attention from policymakers, even though fisheries exploitation is one of the most significant anthropogenic pressures. In this study, we capitalized on a previous static ecosystem model of the Sea of Marmara by revising and extending it to simulate the changes between 1990 and 2020. We delineated the temporal dynamics and regime shifts in the food web in terms of ecosystem structure and function by using ecological indicators and developed quantitative management advice for its fisheries. The results showed that the ecosystem has experienced three regimes since 1990, with regime shifts occurring with the onset of the 2000s and the mid 2010s. The first regime exhibited high diversity and material cycling, the second regime was characterized by low diversity and increased impact of fisheries, and the third regime culminated in a fished-down food web state. The analysis of fishery dynamics showed that the majority of harvested species were overexploited. We suggest that the implementation of quotas for exploited species should be considered an immediate solution to the unsustainable exploitation of fish stocks and can help restore ecosystem conditions.

The demand for marine living resources is increasing at an unprecedented scale because of the need for continuous food provision to the world’s population. The potential of already exploited fish stocks to meet this demand is limited. Therefore, mesopelagic fish have recently become attractive potential targets for fisheries because of their vast conjectured biomass. However, the role of mesopelagic fish in marine ecosystems is poorly understood. Before developing commercial exploitation plans, the relationship between mesopelagic fish and other groups in the marine food web and biogeochemical cycles should be analyzed quantitatively. In this study, we coupled a one-dimensional biogeochemical model (North Atlantic Generic Ecosystem Model) with a higher-trophic-level food web model (Ecopath with Ecosim) for the Sargasso Sea in the North Atlantic to investigate changes in carbon export and trophodynamics under two mesopelagic fish harvesting scenarios. The coupled model represented the marine food web from plankton to fish and mammals, vertical carbon export dynamics, and their interaction with fisheries. The results showed that when mesopelagic fish were not harvested, they contributed approximately 6% of the total carbon export in the surface waters, but up to 40% of the total carbon export below 400 m. Harvesting mesopelagic fish altered the energy transfers within the food web as well as to fisheries. The ecological footprint of fisheries increased significantly. Due to declining competition in the food web, epipelagic fish increased to exert elevated grazing pressure on phytoplankton; hence, phytoplankton-mediated carbon export decreased. The total carbon export decreased by 14% due to the decreases in mesopelagic fish- and phytoplankton-mediated carbon exports. The simulated increase in zooplankton- and non-mesopelagic fish-mediated carbon exports (up to 92% and 96%, respectively) did not compensate for the total decrease in carbon exports under harvesting scenarios. The findings of this study highlighted that mesopelagic fish not only have a direct control on carbon dynamics by their metabolic releases and diel vertical migration, but also strong indirect controls through prey-predator interactions within the food web. Therefore, the implications of harvesting mesopelagic fish should be carefully considered from a holistic perspective.