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Biodiversità
UNIONE MONDIALE PER LA CONSERVAZIONE DELLA NATURA
Un terzo degli anfibi ed un quinto dei
mammiferi è a rischio estinzione.
Il ritmo di perdita della biodiversità è
100 volte quello della estinzione dovuta
a cause naturali.
Solo metà delle specie attuali sopravvivrà
fino al 2100.
“The amazing biodiversity”
Edward Osborne Wilson (1988 )
It is interesting to contemplate an entangled bank, clothed with many plants of
many kinds, with birds singing on the bushes, with various insects flitting about,
and with worms crawling through the damp earth……
C. Darwin. Origin of species (1859)
Biodiversity is the variety of
life on Earth and the essential
interdependence of all living
things
• Scientists have identified more than 2 million
species. Tens of millions -- remain unknown
•The tremendous variety of life on Earth is made
possible by complex interactions among all living
things.
There are 3 components of
biodiversity
1.
Diversity of genes
Chihuahuas, beagles, and rottweilers are all dogs—but
they're not the same because their genes are different.
Chihuahua
Beagle
Rottweilers
There are 3 components of
biodiversity
Diversity of species
For example, monkeys, dragonflies, and
meadow beauties are all different species.
Saki Monkey
Golden Skimmer
Meadow Beauty
There are 3 components of
biodiversity
Variety of ecosystems
Prairies, Ponds, and tropical rain forests are all
ecosystems. Each one is different, with its own set of
species living in it.
E’ il serbatoio da cui attinge l'evoluzione per attuare tutte le
modificazioni genetiche e morfologiche che originano
nuove specie.
I benefici della biodiversità
Riduzione di circa
1650 tonnellate di CO2
Riduzione dei danni
causati dagli uragani
pari a 23 miliardi $
Fonte: Turner et al., Nature collection, Biodiversity, March 2010
Il mantenimento degli habitat naturali è la soluzione più semplice ed
economica per ridurre i gas serra e decontaminare gli ecosistemi.
Alcanivorax
Pseudomonas
Fusarium oxysporum
Diatomee
What are oil eating bacteria?
Alcanivorax (alcane-degrading), Oleiphilus (oleum-philus),
Thalassolituus, and Oleispira (Antarctic bacterium).
the hydrocarbonoclastic bacteria (hcb) are marine obligate
bacteria,
They are ubiquitous in the ocean, especially in oil polluted
areas
They transform petroleum into CO2, water and e biomass.
The first utilization of hcb
March 24th 1989, Exxon Valdez at
Prince William Sound, Alaska.
The vessel spilled 10.8 million
U.S. gallons (about 40 million liters)
of petroleum into the sea, and the
oil eventually covered 11,000 square
miles (28,000 km2) of ocean.
Phosphorous and nitrogen were
added to increase the efficiency of
the bioremediation
BIOREMEDIATION
Pseudomonas
Strains of Pseudomonas are able to absorb heavy metals.
Others use styrene as a sole source of carbon and energy
Others degrade toluene.
Asbestos eating
fungi
hyphae
Fusarium oxysporum,Mortierella hyalina, Oidiodendron maius
These fungi are iron chelators. Ironless asbestos is less dangerous:
less occurrence of free radical formation and DNA damages.
Limnoria quadripunctata
Possiede enzimi capaci di trasformare il legno in bio-carburante:
Glicosil idrolasi
Cellulasi
Emocianine
King et al., PNAS, 2010
Protezione naturale
Una forza per combattere i cambiamenti climatici
Potenziale biotecnologico
Quiz
Which has more biodiversity?
A
B
Which has more biodiversity?
A
B
Which has more cultural diversity?
A
B
Stima della biodiversità
calcolo dell’indice di Shannon-Weaver:
ni The number of individuals in species i; the abundance of species i.
S The number of species. Also called species
richness.
N The total number of all individuals
pi The relative abundance of each species,
calculated as the proportion of individuals of a
given species to the total number of individuals in
the community:
ni
N
the index ranges from 1.5 (low species richness and evenness) to 3.5 (high
species evenness and richness)
Supponiamo di analizzare un quadrante di 100 m2 in
una foresta e contiamo 6 querce, 3 pini, 1 acero, 8
faggi. Calcoliamo quindi l’indice Hi per questo
quadrante:
i
1
2
3
4
SUM
Ni
6
3
1
8
18
pi
0.333
0.167
0.056
0.444
1.000
ln(pi)
-1.100
-1.790
-2.882
-0.812
pi*ln(pi)
-0.366
-0.298
-0.161
-0.361
-1.186
Ci sono 4 specie quindi la ricchezza di specie è = 4.
Ci sono 18 individui quindi H' = -SUM{ pi*ln(pi)} = -(-1.186) =
1.186
calcolo dell’indice di Shannon-Weaver:
0,77
1,6
Biodiversità e biomonitoraggio
Es: Ulva rigida is a nitrophilic
alga indicator of eutrophization
L’Indice Biotico Esteso
(IBE o EBI: Extended Biotic Index)
Basato sulle caratteristiche della comunità dei
macroinvertebrati bentonici,
Tengono in considerazione sia del numero di unità
sistematiche (raggruppamenti sistematici quasi sempre
superiori alla specie=biodiversità), sia delle loro proprietà
indicatrici (sensibilità).
sono stati proposti indicatori biologici che presentano poche
difficoltà tassonomiche, così da poter essere impiegati su
vasta scala da personale tecnico qualificato, riconoscibili non
solo da tassonomi specialisti.
permette di formulare diagnosi sulla qualità di ambienti di acque
correnti basandosi sulla diversa sensibilità agli inquinanti e sulla
diversità biologica presente nella comunità;
assegnano all’ambiente in questione un punteggio di qualità
che consente a chiunque una chiara e semplice
interpretazione.
i punteggi degli indici sono raggruppati in classi di qualità,
definite da intervalli di valori dell’indice, che rendono ancora
più semplice l’interpretazione.
sistemi di valutazione sintetici della qualità ambientale
non consente di quantificare e risalire ai vari fattori che hanno
indotto le modificazioni delle comunità.
i macro invertebrati bentonici sono gli organismi più adatti a rilevare la qualità di un corso
d’acqua:
numerose specie sono sensibili all’inquinamento e reagiscono prontamente;
esiste una conoscenza approfondita dell’autoecologia di numerose specie;
questi organismi vivono sul fondo dei corsi d’acqua senza grandi migrazioni,
per cui rispondono bene alle variazioni della qualità dell’acqua del luogo in
cui vivono;
hanno cicli di vita raramente inferiori ad un anno, per cui sono presenti
stabilmente nel corso d’acqua;
sono facilmente campionabili e il loro riconoscimento e classificazione
risultano più semplici rispetto a quello di altri gruppi faunistici;
gli indici basati sui macro invertebrati hanno avuto una più ampia diffusione
rispetto ad altri indici;
L’Indice Biotico Esteso
(gli organismi considerati)
Anellidi
 Oligocheti
 Irudinei
sono frequenti in acque inquinate.
Nematodi
Platelminti
• Turbellari
 Tricladi
PLATELMINTI: le Planarie sono indicatori di acque
molto pulite poiché popolano corsi d’acque limpide e
ricche d’ossigeno.
adattano a vivere in qualsiasi condizione
Molluschi siambientale,
anche la più sfavorevole .
 Bivalvi
 Gasteropodi
Gli organismi
considerati
Artropodi

Insetti
•
•
•
•
•
•
•

Plecotteri
Tricotteri
Efemerotteri
Coleotteri
Odonati
Ditteri
Eterotteri
Crostacei
• Asellidi
• Gammaridi
La presenza di Gammaridi indica una leggera contaminazione del
corso d’acqua. Gli Asellidi , invece , sono rinvenibili in acque molto
inquinate.
INSETTI acquatici: vengono presi in esame soprattutto gli stati di larva e di
crisalide che vivono nel corso idrico, vicino alle pietre, nascosti nella fanghiglia o
mescolati tra la vegetazione sommersa. Invece i Coleotteri passano tutta la loro
vita (anche lo stadio adulto) nell’ acqua.
Gli insetti acquatici più tipici appartengono ai seguenti ordini:
• COLEOTTERI: si trovano solo in acque limpide e molto ossigenate. Quelli più
diffusi sono gli Elmidi, che si nutrono principalmente di alghe.
• DITTERI: il gruppo è rappresentato soprattutto dai Chironomidi. La loro
presenza in un corso d’acqua rivela grave inquinamento.
• EFEMEROTTERI: si nutrono soprattutto di alghe microscopiche che tappezzano
le pietre, e di detriti organici che ricoprono il fondo del corso d’acqua.
• PLECOTTERI: le loro larve vivono in acque correnti fredde e ben ossigenate; di
conseguenza sono presenti in acque non inquinate.
TRICOTTERI: si rinvengono solo in acque pulite o leggermente inquinate.
L’Indice Biotico Esteso
Questi organismi vengono ritenuti più adatti per indicare le
alterazioni indotte dall'inquinamento in un corso d'acqua in
quanto bentonici, e quindi generalmente stabili sul fondo, e
con un ciclo vitale piuttosto lungo
Inoltre sono più facilmente campionabili (le dimensioni sono
generalmente superiori a 1 mm) e classificabili (in quanto il
metodo richiede una determinazione sistematica superiore al
livello di specie -di solito genere o famiglia-)
Infine presentano un ampio spettro di specie con diverse
sensibilità agli agenti inquinanti e più in generale alle
alterazioni dell’ecosistema
singola
gasteropodi
a due valve
bivalvi
con conchiglia
M
A
C
R
O
I
N
V
E
R
T
E
B
R
A
T
I
corpo non
segmentato
senza zampe
senza
conchiglia
piatto
tricladi
cilindrico
nematodi
senza
ventose
oligocheti
con ventose
irudinei
senza
appendici
corpo segmentato
con appendici
insetti:
ditteri
6
insetti
più di 6
crostacei
zampe
articolate
L’Indice Biotico Esteso
Dopo l’identificazione sistematica
definitiva, si passa al calcolo dell‘ EBI
utilizzando una tabella a due entrate
Dall‘ intersezione delle due entrate si
individua il valore numerico dell‘ EBI
e quindi il giudizio di qualità.
Tabella per calcolare il valore di
I.B.E.
sono riportati alcuni
gruppi di
macroinvertebrati in
ordine di sensibilità
crescente dal basso verso
l'alto agli inquinanti
L’Indice Biotico Esteso
I valori di EBI, per convenzione internazionale, sono stati
raggruppati in 5 classi di qualità
Ciascuna classe è rappresentabile con un diverso colore
che viene utilizzato nella realizzazione di carte di qualità
del reticolo idrografico di un determinato territorio
Questa mappatura è particolarmente utile per descrivere
le condizioni del corso d’acqua, per la progettazione di
eventuali soluzioni di risanamento e per un successivo
giudizio sulla loro efficacia.
L’Indice Biotico Esteso
Tabella riassuntiva per la valutazione finale
Classe di qualità
classi di qualità
valore
IBE
giudizio di qualità
Classe I
10,11,12, …
Classe II
8,9
Ambiente con moderati
sintomi di inquinamento o di
alterazione
Classe III
6,7
Ambiente inquinato o
comunque alterato
Classe IV
4,5
Ambiente molto inquinato o
comunque molto alterato
Classe V
1,2,3
Ambiente eccezionalmente
inquinato o alterato
Ambiente non inquinato o
comunque non alterato in
modo sensibile
colore di
riferimento
Metodo di campionamento




Il campionamento dei macroinvertebrati si effettua:
lungo un transetto fluviale ( da una sponda all’altra)
esplorando i diversi microambienti presenti (massi,
ciottoli, sabbia, vegetazione acquatica, ecc.)
con un retino
il materiale raccolto viene rovesciato in diverse
vaschette
si determinano gli organismi catturati
Condizioni per eseguire i prelievi:
non bisogna eseguire prelievi nel periodo immediatamente successivo ad
un’asciutta o ad una forte piena (vanno rispettati i tempi di completa
ricolonizzazione che variano da stagione a stagione);
non campionare immediatamente a valle di uno scarico o di un affluente
(occorre rispettare una distanza che garantisca il completo rimescolamento
delle acque con quelle del corpo ricevente);
fare particolare attenzione ai fenomeni di drift, per cui talvolta si possono
rinvenire taxa presenti solo occasionalmente in quell’ambiente ma che
provengono da tratti a monte per effetto della corrente, che pertanto non
devono essere considerati, perché non facenti parte della comunità in
esame
The biological water quality of the river:
The EBI (extended biotic index) method
MATERIALS:
-Dichotomous keys;
-Kick net;
-Magnifying glasses;
-A white, wide-bottomed plastic pan;
-Boots;
-Gloves;
-Large transfer pipettes;
-Glass vials/jars for specimens;
-Pincers;
-Buckets;
-Plastic Petri dishes.
The biological water quality of the river:
The EBI (extended biotic index) method
COLLECTING MACROINVERTEBRATES:
1. Find an accessible and safe place to collect the organisms;
2. Place the net so the mouth of the net is facing the flow of the water;
3.
Stir the bottom with hands and feet to disturb
the creatures;
4. Detritus are filtered and collected by the net;
5. Pour the content into the bucket.
Species biodiversity
Diatomes as bioindicators of
eutrophycation of water
• Occur only as single cells or chains of cells
• 285 genera and 10,000-12,000 recognized
species
• Diversity is rivaled among the algae only by
the green algae
• Probably the most numerous of eukaryotic
aquatic organisms
• In terms of primary productivity, the most
important aquatic photosynthesizers
EPI.-D=Eutrophication Pollution Index – Diatom based
Based on the different sensitivity of diatom species to
concentration of nutrients, both organic and minerals,
expecially Cl-.
Bilateral symmetry
diatoms, Pennales
Diatoms must be
identified at the level of
species.
Radiall simmetry
diatoms, Centrales
Diatoms are found almost everywhere, and their taxonomy and ecology is
well documented.
In some waters it is the only feasible biological method (Dell'Uomo 1996).
They react quickly to eutrophication
Diatoms often reflect water quality better than other organisms (Prygiel och
Coste 1996, Hering et al. 2006).
n
N i Gi Ti
DI
i 1
n
N i Gi
i 1
DI = Diatom Index
Ni = Abundance of i Taxon
Gi = Weighting average of i Taxons
Ti = Tolerance groupe
n = total Number of Taxa
EPI.-D=Eutrophication Pollution Index – Diatom based
EPI-D values
Quality
Color
0,0<EPI-D<1,0
excellent
1,0<EPI-D<1,5
good
Blu
1,5<EPI-D<1,8
fairly good
dark green
1,8<EPI-D<2,0
slightly polluted
light green
2,0<EPI-D<2,2
moderately polluted
Yellow
2,2<EPI-D<2,5
polluted
Orange
2,5<EPI-D<3,0
very polluted
Red
3,0<EPI-D<4,0
degraded
Brown
Cyan
Che cosa sono i licheni
?
Simbiosi mutualistica di un FUNGO e un’ ALGA
L’ALGA (fotobionte)
grazie alla CLOROFILLA e alla FOTOSINTESI
produce gli ZUCCHERI fonte di energia per se stessa e
per il fungo
IL FUNGO (micobionte)
PROTEZIONE
fornisce all’alga
ACQUA, SALI MINERALI E
Curiosità:
Il termine lichene deriva dal greco leichén che significa il lambente
Crostosi
Fogliosi
Le principali forme di crescita dei
licheni
Fruticosi
Come è fatto dentro un lichene?
Le ife e le cellule algali sono organizzate in strati e strutture differenziate
(tallo eteromero)
SOREDI
CORTEX superiore
STRATO ALGALE
o gonidiale
MEDULLA
CORTEX
inferiore
RIZINE
Più raramente ife e cellule algali formano un intreccio omogeneo e indifferenziato
(tallo omeomero)
L’abbraccio vitale
IFE FUNGINE CHE AVVOLGONO LE ALGHE
IL FITOBIONTE nei licheni è
costituito da un’Alga verde (85%)
o un’Alga azzurra (10%)
IL MICOBIONTE nei licheni è
costituito prevalentemente da
Ascomiceti
ISIDI e SOREDI
Responsabili della riproduzione vegetativa
Gli Isidi sono formati da alghe e ife
fungine rivestite di cortex. Crescono
alla superficie del lichene e si
distaccano dal tallo per colonizzare
altre zone.
I Soredi sono strutture polverulente che si
trovano usualmente ai margini dei lobi e si
formano all'interno del tallo. Sono costituiti
da poche cellule algali e ife.
RIPRODUZIONE ASESSUATA
CORALLOIDE
ISIDI
PICCOLE ESTROFLESSIONI TALLINE
COSTITUITE DA CORTEX E STRATO
GONIDIALE CON FORME DIVERSE
CILINDRICA
CLAVATA
RIPRODUZIONE ASESSUATA
SOREDI
PICCOLE MASSERELLE DI IFE CONTENENTI
ALGHE DI ASPETTO GRANULOSO O PULVERULENTO
NON RIVESTITE DI CORTEX CHE ESCONO DALLE
LACERAZIONI DEL CORTEX (PSEUDOCIFELLE).
I SOREDI POSSONO CONFLUIRE IN ZONE CIRCOSCRITTE
CHE PRENDONO IL NOME DI SORALI CON FORMA E
DISTRIBUZIONE CARATTERISTICA
SOREDI
LABRIFORMI
CAPITIFORMI
SORALI
A CAPPUCCIO
Solo il fungo si riproduce
RIPRODUZIONE SESSUATA
sessuatamente!!!
CORPI FRUTTIFERI composti dall’IMENIO CHE CONTIENE GLI ASCHI (o ife fertili, perché
contengono le spore) E LE PARAFISI (o ife sterili)
PERITECIO
CORPI FRUTTIFERI A FORMA DI “FIASCO”
PIU’ O MENO AFFONDATI NEL TALLO CHE
SI APRONO IN SUPERFICIE ATTRAVERSO
UNO STRETTO FORO APICALE DETTO
OSTIOLO
APOTECIO
CORPI FRUTTIFERI A FORMA DI SCODELLA O
DISCO CON BORDO PIU’ O MENO RILEVATO
RISPETTO ALLA PARTE CENTRALE FORMATA
DALL’IMENIO
OSTIOLO
IMENIO
CON ASCHI
E PARAFISI
SEZIONE DI UN APOTECIO
PARAFISI
( IFE STERILI )
MARGINE
APOTECI
O
IMENIO
ASCHI
( IFE CON
SPORE )
SPORE
BICELLULARI
POLARDIBLASTICHE
MURALI
PLURICELLULARI
MONOCELLILARI
RIPRODUZIONE
SESSUATA
APOTECIO
LECIDEINO
MARGINE DELL’APOTECIO
CONTENENTE
IFE FUNGINE SENZA CELLULE
ALGALI
LECANORINO
MARGINE DELL’APOTECIO
CONTENENTE
IFE FUNGINE E ALGHE
LIRELLE : FORME PARTICOLARI
DI APOTECI LECIDEINI
I vantaggi della riproduzione sessuata
Mescolanza dei genomi di due individui per produrre una discendenza i
cui componenti differiscono geneticamente tra di loro e dai loro
genitori.
Le cellule specializzate per la fusione sessuale sono aploidi e sono
dette gameti
Coinvolge il processo della meiosi che prevede un processo di
ricombinazione genica.
I licheni sono adatti all’impiego come
bioindicatori per i seguenti motivi:
1.
Ubiquitarietà
I licheni sono diffusi praticamente ovunque in tutti i mesi dell’anno, salvo dove
le condizioni di inquinamento ne impediscono lo sviluppo.
2. Resistenza agli stress ambientali
(es. temperatura, siccità), per cui la loro assenza può essere correlata
all’inquinamento e non ad altri fattori.
3. Lento accrescimento (1-10mm/anno) e grande longevità essi sono in grado
di conservare memoria degli eventi passati nell’ordine di diversi anni. In questo
modo è possibile, raccogliendo i campioni ad intervalli di due/tre anni, costruire
una serie storica di valori di contaminazione da ricadute. Sono “centraline
naturali” in grado di monitorare l’inquinamento atmosferico in continuo e per
lunghi periodi.
4-Sensibilità agli agenti inquinanti assorbono in modo indiscriminato
gas e materiale particolato, comprese le sostanze inquinanti, tra cui
metalli, radionucleotidi, idrocarburi clorurati, floruri, ecc. I licheni sono
sensibili anche all’ozono, anidride solforosa, idrocarburi, piombo, zinco,
cadmio, nitrato di paracetile. Questi ultimi sono difficilmente rilevabili
nell’aria tramite gli strumenti di norma utilizzati nelle analisi chimiche
5-Impossibilità di liberarsi periodicamente delle parti vecchie o
intossicate non si liberano delle sostanze contaminanti accumulate
6-IL METABOLISMO dei LICHENI è strettamente dipendente
dall’ATMOSFERA.
La presenza di sostanze inquinanti provoca sui licheni i seguenti effetti:
Alterazioni fisiologiche:
· riduzione dell’attività fotosintetica dovuta al danneggiamento della
clorofilla (S02);
· riduzione della fertilità (si formano meno organi riproduttivi);
Alterazioni morfologiche:
· alterazione del tallo (forma e colore);
Alterazioni ecologiche:
· riduzione del numero di specie (il numero di specie diminuisce, man
mano che ci si avvicina alla fonte inquinante);
· riduzione del numero di specie nel tempo (il numero di specie
diminuisce nel tempo, dal momento in cui iniziano le immissioni
inquinanti).
L’Index of Atmospheric Purity (l’indice di purezza atmosferica)
De Sloover negli anni ’60: questo indice si basava sul numero di licheni presenti sulle
piante e sulla loro frequenza all’interno dell’area di corteccia presa in esame, nonché
sulla tolleranza delle diverse specie all’inquinamento.
Nel 1987 un’équipe diretta da K. Amman, all’Università di Berna, ha verificato l’efficacia di 20
diverse formule per il calcolo dello IAP, saggiate in base alla loro capacità di prevedere la
concentrazione di 8 inquinanti atmosferici: anidride solforosa, ossidi di azoto, cloro, polveri,
piombo, rame, zinco, cadmio. Il test è stato realizzato con un’analisi statistica (regressione
multipla lineare) che ha messo a confronto il valore assunto dallo IAP con le concentrazioni
degli otto inquinanti rilevati da 13 centraline di monitoraggio.
10 rettangoli di 10 x 15 cm
Attraverso chiavi analitiche
Valutando le seguenti caratteristiche:
Forma
Colore
Strutture della superficie: es. soredi e isidi (responsabili della
riproduzione vegetativa)
Corpi fruttiferi: lirelle, periteci, apoteci.
Test con idrossido di potassio (K) e ipoclorito di sodio (C)
Cambiamento di colore (K+ o K-; C+ o C-) e colore che appare (K+ giall
Analisi dei dati
Valore I.P.A
(tot albero 1+ tot albero 2+ tot albero 3)
________________________
n alberi
In base ai valori assunti dall’Indice di Purezza Atmosferica, è possibile definire
classi di qualità dell’aria e realizzare una cartografia tematica in cui il
territorio studiato viene diviso in aree appartenenti a diverse classi di qualità;
ogni classe di qualità corrisponde ad un colore.
Classi di
qualità
Colore
Giudizio di
qualità
dell'aria
Valori di
I.P.A.
1
Molto
scadente
Rosso
0-5
2
Scadente
Arancione
3
Bassa
Giallo
10 - 15
4
Mediocre
Verde
scuro
15 - 20
5
Media
Verde
chiaro
20 - 25
6
Discreta
Azzurro
25 - 35
7
Buona
Blu
5 - 10
> 35