19,1 - 2008

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19,1 - 2008

ATTI
DELLA
ASSOCIAZIONE ITALIANA DI
OCEANOLOGIA E LIMNOLOGIA
Proceedings of the Italian Association of
Oceanology and Limnology
Volume 19
Pallanza 2008
Responsabile della Pubblicazione / Editor in Chief
Giuseppe MORABITO
Istituto per lo Studio degli Ecosistemi, CNR, Verbania Pallanza
Vice-Responsabile della Pubblicazione / Associate Editor
Carlo Nike BIANCHI
Dipartimento per lo Studio del Territorio e delle sue Risorse, Università di Genova
Giancarlo ALBERTELLI
Riccardo DE BERNARDI
Roberto FRACHE
Vincenzo SAGGIOMO
Giancarlo SPEZIE
Dipartimento per lo Studio del Territorio e delle sue Risorse, Università di Genova
Istituto per lo Studio degli Ecosistemi, CNR, Verbania Pallanza
Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale, Università di Genova
Stazione Zoologia “A. Dohrn”, Napoli
Istituto di Meteorologia e Oceanografia, Università di Napoli Parthenope
Comitato di Redazione / Editorial Board
Consulenti Editoriali / Editorial Assistants
Antonio ARTEGIANI, Ancona
Roberto BERTONI, Pallanza
Giorgio BUDILLON, Napoli
Cristiana CALLIERI, Pallanza
Jordi CATALAN, Barcelona
Riccardo CATTANEO-VIETTI, Genova
Paul R. DANDO, Bangor
Roberto DANOVARO, Ancona
Manos DASSENAKIS, Athens
Marco FIRPO, Genova
Joern GEISTER, Bern
Josep-Maria GILI, Barcelona
Karl-J. HESSE, Kiel
Lucien LAUBIER, Marseille
Cristophe LEBOULANGER, Thonon les Bains
Fiorenza MARGARITORA, Roma
Mauro PICCAZZO, Genova
Carla MORRI, Genova
Jean-François PAVILLON, Paris
Joandomènec ROS, Barcelona
Alan J. SOUTHWARD, Plimouth
Sergio TUCCI, Genova
Leonardo TUNESI, Roma
Adolf WEBER, Hamburg
Karl WITTMAN, Wien
Adriana ZINGONE, Napoli
L’Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia (AIOL) è un’associazione scientifica indipendente formata da
ricercatori interessati allo studio di tutti gli ambienti acquatici, sia marini sia continentali, ed ha lo scopo di facilitare lo
scambio culturale sia tra i membri sia nei confronti del resto della comunità scientifica. Gli Atti dell’Associazione
Italiana di Oceanologia e Limnologia pubblicano contributi originali in tutti campi di ricerca pertinenti lo studio degli
ambienti acquatici (biologia, chimica, fisica, geologia); i risultati di studi interdisciplinari sono particolarmente
apprezzati. La pubblicazione è aperta sia ai membri sia ai non-membri dell’AIOL. I contributi possono o no essere stati
presentati ad un Congresso AIOL o ad un altro convegno scientifico, ma non devono essere stati pubblicati, né
presentati per la pubblicazione, altrove. I manoscritti inviati saranno rivisti da almeno due lettori indipendenti; la
decisione finale in merito alla pubblicazione spetta al Responsabile della Pubblicazione.
The Italian Association for Oceanology and Limnology (AIOL) is an independent association made of scientists
involved in the study of all aquatic environments, both marine and continental, and is aimed at facilitating cultural
exchange both among members and towards the rest of the scientific community. The Proceedings of the Italian
Association for Oceanology and Limnology publish original contributions in all the research fields related to the study
of aquatic environments (biology, chemistry, geology, physics); results of interdisciplinary studies are particularly
welcome. Publication is open to both members and non-members of AIOL. Papers may or may not have previously
been communicated at an AIOL or other scientific meeting, but should not have been published nor submitted for
publication elsewhere. Submitted manuscripts are reviewed by at least two independent peer referees; the final decision
about acceptation will be taken by the Editor in Chief.
INDICE
REYNOLDS C.S. - Selection and dynamics of phytoplankton in lakes
and seas: the fundamental relevance of morphological and
physiological traits
Pag.
1
AIELLO G., MARSELLA E., D’ISANTO C. - Sistemi deposizionali
di ambiente marino profondo ed instabilità gravitative sottomarine:
esempi di studio sulla scarpata continentale della Campania in base
all’interpretazione integrata di dati di geofisica marina
Pag.
9
ANZALONE E. - I travertini come indicatori paleoclimatici. Il caso di
Faiano (Salerno)
Pag.
21
AZZARO F., GANGEMI E., MARINI A., RAFFA F. - Monitoraggio idrobiologico in un’area marina protetta: “Isole Ciclopidi” (Sicilia
Orientale)
Pag.
31
AZZARO M., LA FERLA R., MAIMONE G., LAVEZZA R.,
RIBERA D’ALCALÀ M. - Tassi di consumo di O2 nell’epi-, meso- e
batipelago del Mar Tirreno
Pag.
43
BARTHOLINI G., SPAGNOLI F., DINELLI E. - Geochemistry
and grain size of surface sediments of the Gulf of Manfredonia
(Southern Adriatic Sea)
Pag.
49
BASTIANINI M., DE LAZZARI A., BOLDRIN A., BRUNO S.,
CASSIN D. - Flussi verticali di materiale particellato e cisti di
dinoflagellate in Adriatico Settentrionale
Pag.
55
BATTOCCHI C., PENNA A. - Tecniche molecolari di PCR applicate
all’identificazione di fitoplancton potenzialmente tossico in aree
costiere dell’Adriatico Settentrionale
Pag.
61
BAZZONI A.M., BERNARDI AUBRY F., COPPOLA J.,
PUGNETTI A. - Relazione fra il tasso di fissazione fotosintetica del
carbonio e il tasso di crescita della biomassa fitoplanctonica in
Adriatico Settentrionale (Golfo di Venezia)
Pag.
67
BELL E., APITZ S.E., BREUER E., DAMGAARD L., GILBERT
F., GLUD R., HALL P., JAMIESON A., KERSHAW P.,
LANSARD B., NICKELL L., PARKER R., RABOUILLE C.,
SHIMMIELD G., SOLAN M., SOLTWEDEL T., SPAGNOLI F.,
STÅHL H., TENGBERG A., WALPERSDORF E., WITTE U. -
I
Integrating new technologies for the study of benthic ecosystems
response to human activity: Towards a Coastal Ocean Benthic
Observatory (COBO)
Pag.
73
BELTRAMI M.E., CIUTTI F., PENNELLI B., PIERDOMINICI
E., D’ANGELO A.M., MANCINI L. - Macroinvertebrates and
diatoms in the water framework Directive 2000/60/CE: comparing
biological elements for an integrated water quality assessment
Pag.
79
BERNARDI AUBRY F., CELUSSI M., DEL NEGRO P., PAOLI
A., PUGNETTI A. - Osservazioni sulla produzione fitoplanctonica e
batterica dell’Adriatico Nord Occidentale
Pag.
85
BONACCI S., CORSI I., FOCARDI S. - Moderate sensitivity to
neurotoxic contaminants of muscle cholinesterases of the Antarctic
emerald rockcod Trematomus bernacchii
Pag.
91
BRUGNANO C., SIDOTI O., ZAGAMI G., PANTÒ E.,
GRANATA A. - Copepod diversity and abundance distribution in the
Egadi Archipelago (Sicily Channel; Central Mediterranean Sea) in
October 2004
Pag.
95
BUONGIORNO NARDELLI B., CAVALIERI O., SANTOLERI
R., RIO M.H. - Statistical analysis and dynamical interpretation: from
in situ measurements to remote sensing
Pag.
105
BUZZI F., AGOSTINELLI C., CARENA E., FORMENTI R.,
MAIERNA M., NASTASI F., RICCI D., VILLA E. - Popolamenti
fitoplanctonici e zooplanctonici in relazione al gradiente trofico
spaziale e temporale nel Lago di Como
Pag.
109
CAPPELLETTI C., CIUTTI F., BELTRAMI M.E., CORRADINI
F., BOSCAINI A., TOLOTTI M. - Epilithic and epiphythic diatoms
of two shallow subalpine lakes (Trentino, Italy)
Pag.
123
CASSIN D., DE LAZZARI A., BERTO D., BOLDRIN A., GIANI
M., VENERI D., SAVELLI F. - Carbonio organico disciolto e
particellato nel Nord Adriatico in relazione alla formazione di
aggregati mucillaginosi
Pag.
131
CIANELLI D., SCOTTI T., ZAMBIANCHI E., MANFRA L.,
CICERO A.M. - Dispersione di acque di produzione nel Mare
Adriatico
Pag.
137
II
COPPOLA J., ACRI F., BAZZONI A.M., BASTIANINI M.,
BERNARDI AUBRY, F. - Distribuzione spazio-temporale delle
componenti pico-, nano- e microfitoplanctoniche nell’Adriatico NordOccidentale (Golfo di Venezia)
Pag.
143
CORNO G., BERTONI R. - Predation and productivity impact on the
taxonomic composition of freshwater bacterial communities
Pag.
149
COTRONEO Y., FUSCO G., BUDILLON G., SPEZIE G. - Analisi
di correlazione tra indici climatici e parametri atmosferici
nell’emisfero meridionale
Pag.
161
COVAZZI HARRIAGUE A., PANCIROLI H., DRAGO N.,
MORI M., G. ALBERTELLI - Crustacean assemblages of the South
Tyrrhenian Archipelagos and Ustica Island (Italy, NW Mediterranean)
Pag.
167
DE LUCA PICIONE F., MANZO S. - Effetti tossici di miscele di
agenti antivegetativi su Artemia salina
Pag.
177
DI DONATO R., Di STEFANO F., RUSSO G.F. – Cartografia dei
popolamenti bentonici: esperienze in Campania
Pag.
183
ESPOSITO S., BOTTE V., IUDICONE D., BRUNET C.,
LACORATA G., RIBERA D’ALCALÀ M. – Risposte fotofisiologiche del fitoplancton nello strato rimescolato oceanico
Pag.
197
FACCHINI M.C. - Atmospheric aerosol- cloud interaction: implications for issues related to climatic changes
Pag.
205
FRANZÈ G., SANTARPIA I., MODIGH M. - Impatto del microzooplancton sulla composizione del fitoplancton nel Golfo di Napoli
Pag.
211
GIANI M., BERTO D., SAVELLI F., RAMPAZZO F., SPANO L.
- Chemical characterization of dissolved and particulate organic matter
in the waters of the Venice Lagoon
Pag.
215
GIORDANO L., MARSELLA E., VICINANZA D. - An indicator
based methodology for sand mining and beach nourishment
Pag.
219
GIOVANNETTI E., MONTEFALCONE M., MORRI C.,
BIANCHI C.N., ALBERTELLI G. - Biomassa fogliare ed epifita in
una prateria di Posidonia oceanica (Prelo, Mar Ligure): possibilità di
determinazione tramite un metodo indiretto
Pag.
229
III
GIUSTI M., CANESE S., SALVATI E., CARDINALI A., GRECO
S. - Caratteristiche oceanografiche dell’area di alimentazione invernale
della balenottera comune (Balaenoptera physalus) nel Canale di Sicilia
Pag.
235
GIUSTI M., FORTUNA C., CANESE S., SALVATI E.,
CARDINALI A., GRECO S. - GIS e analisi GLM per lo studio
preliminare dell’habitat delle balenottere comuni nella zona di
alimentazione invernale di Lampedusa
Pag.
243
LASAGNA R., MONTEFALCONE M., MORRI C., BIANCHI
C.N., ALBERTELLI G. - Aree marine protette e praterie di
Posidonia oceanica: è stata efficace la tutela fino ad oggi? Il caso
dell’AMP di Portofino (Mar Ligure)
Pag.
251
LIRER F., SPROVIERI M., PELOSI N., FERRARO L. - Clues of
solar forcing from a ~2000 years long sedimentary record from the
eastern Tyrrhenian margin
Pag.
257
LO GIUDICE A., BRUNI V., CARUSO C., MANGANO S.,
MAIMONE G., DE DOMENICO M., MICHAUD L. –
Caratterizzazione della comunità microbica coltivabile presente lungo
la colonna d’acqua a Baia Terra Nova (Mare di Ross, Antartide)
Pag.
273
MAGAGNINI M., DELL’ANNO A., CORINALDESI C., LUNA
G.M., DANOVARO R. - Virus-prokaryote interactions in deep
sediments: a pan-european scale study
Pag.
285
MAIMONE G., LA FERLA R., RAFFA F., AZZARO M.,
AZZARO F., LEONARDI M. – Findings of phototrophic picoplankton in the meso- and bathy-pelagic zone of the Ionian Sea
(Mediterranean)
Pag.
291
MANZO S., BUONO S., CREMISINI C. - Effetti tossici previsti ed
osservati di miscele di agenti antivegetativi per l’echinoide
Paracentrotus lividus
Pag.
297
MARCHETTO A., PADEDDA B.M., MARIANI A.M., BUZZI F.,
LUGLIÈ A., BUSCARINU P., SECHI N., DALMIGLIO A. Confronto tra indici di qualità basati sul fitoplancton per
l’implementazione della “WFD” DIRETTIVA 2000/60/CE ai laghi
italiani
Pag.
309
MASSOLO S., RIVARO P., FRACHE R., SPEZIE G. - Deep ice
shelf water formation in the Ross Sea evidenced by chlorofluorocarbon
inventories
Pag.
315
IV
MATTIA G., PIERINI S. – Studi modellistici di circolazione marina
nel Golfo di Pozzuoli
Pag.
327
MENNA M., BUONOCORE B., ZAMBIANCHI E. - Misure radar
di correnti superficiali nel Golfo di Napoli
Pag.
333
MICHAUD L., BRUNI V., CARUSO C., VELLA G., DI MARCO
G., DE DOMENICO M., LO GIUDICE A. - Batteri marini Antartici
degradanti i policlorobifenili (PCB): caratterizzazione e potenziale
biodegradativo
Pag.
339
MONTICELLI L.S., CARUSO G., DE DOMENICO E., AZZARO
F., AZZARO M., LA FERLA R., LEONARDI M., MAIMONE G.,
DECEMBRINI F. - Attività e biomasse microbiche nelle acque
superficiali del Mar Ionio
Pag.
349
PANE L., GIACCO E., MARIOTTINI G.L., PRUZZO C. Mesozooplancton e batteri (liberi ed adesi) del Golfo del Tigullio (Mar
Ligure)
Pag.
361
PELUSO T., BUDILLON G., BUSDRAGHI F., IUDICONE D. Uno studio del mixed layer nel settore nel settore Atlantico
dell’Oceano Meridionale
Pag.
375
PENNA N., RICCI F., CAPELLACCI S., GIORGI M., INGARAO
C. – Determinazioni chimiche sulla sostanza organica contenuta in
campioni di mucillagine prelevati nell’Adriatico Settentrionale.
Puntualizzazione sul metodo analitico (Pakulski-Benner) per la
determinazione dei carboidrati totali
Pag.
381
PENNESI C., BEOLCHINI F., ROMAGNOLI T., CENTOFANTI
M., MOSCA L., TOTTI C. - Bioadsorbimento di metalli pesanti da
parte di Cymodocea nodosa
Pag.
391
PISCIA R., BOZELLI L.R., DE BERNARDI R., GUILIZZONI P.,
MANCA M. - Daphnia in Lake Maggiore: new strategies for the future
Pag.
397
RAFFA F., DECEMBRINI F., HOPKINS T.S. - Hydrophysical
mesoscale factors affecting phytoplankton distribution in a southern
Adriatic Sea coastal area (Gulf of Manfredonia)
Pag.
405
RANDISI A. - Variazioni relative del livello marino e dinamica
recente della piana di Sibari (Italia meridionale)
Pag.
411
V
SAMMARTINO S., SPROVIERI M., MARSELLA E. - Heavy
metals in top core sediments from the Southern Campania shelf (Italy):
kriging of spatial components to explore geochemical backgrounds
Pag.
421
SANTARPIA I., SAGGIOMO V. - Variabilità temporale dell’ultrafitoplancton del Golfo di Napoli e fotofisiologia della componente
eucariotica
Pag.
435
SATTA C., DE FALCO G., LUGLIÉ A., PADEDDA B.A.,
PASCUCCI V., SECHI V. – Cisti di dinoflagellati in sedimenti a
diversa granulometria nel Golfo di Olbia
Pag.
441
SBRESCIA L., RUSSO M., DI STEFANO F., RUSSO G.F. Analisi delle popolazioni di gorgonie nell’AMP di Punta Campanella
dopo eventi di moria di massa
Pag.
449
SCHRÖDER K., BACCIOLA D., BORGHINI M., CERRATI G.,
DIFESCA V., DELFANTI R., GASPARINI G.P., SANTINELLI C.
- Acque profonde di neoformazione nel Mar Mediterraneo Occidentale
Pag.
459
SIGNA G., LEONARDI M., D’AGATA A., BERGAMASCO A. –
Relazioni tra contenuto di materia organica, carbonio organico e
granulometria nei sedimenti di aree di transizione
Pag.
465
SMEDILE F., DE DOMENICO E., DE DOMENICO M.,
GUADAGNO D., SCARFÌ S. - Studio di batteri idrocarburoclastici
provenienti da due siti ubicati nel versante Atlantico ed in quello
Mediterraneo dello Stretto di Gibilterra
Pag.
477
SPAGNOLI F., MARCACCIO M., FRASCARI F. – Early
diagenesis processes and benthic fluxes in different depositional
environments of the North and Central Adriatic Sea
Pag.
483
TUNESI L., AGNESI S., DI NORA T., MOLINARI A., MO G. Marine protected species and habitats of conservation interest in the
Gallinaria Island (Ligurian Sea): a study for the establishment of the
marine protected area
Pag.
489
VIAGGIU E., RUSSO T., BIANCO I., CORTESE M., ZAOTTINI
E., ALBERTANO P. - Seasonal fluctuation of the toxic
cyanobacterium Planktothrix rubescens and relationship with physicalchemical and biological descriptors in the shallow Lake San Puoto
(Central Italy)
Pag.
499
VI
VISCONTI A., MARCHITELLI A., DE BERNARDI R., MANCA
M. - 2003, the warmest year of the last hundred years: implications for
Lake Maggiore’s zooplanktonic cladoceran community
Pag.
505
ZAGAMI G., BRUGNANO C., GRANATA A., GUGLIELMO L. Hyperbenthic calanoid copepods seasonal cycle in the Lake Faro:
relation with planktonic copepods
Pag.
517
ZIGNIN A., BOSCAINI A., TOLOTTI M., CORRADINI F. –
Influenza del regime idrologico, determinato dall’uso idroelettrico,
sulle caratteristiche limnologiche di un lago modificato di fondovalle
Pag.
523
VII
Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp. 1-7, luglio 2008
SELECTION AND DYNAMICS OF PHYTOPLANKTON IN LAKES AND
SEAS: THE FUNDAMENTAL RELEVANCE OF MORPHOLOGICAL AND
PHYSIOLOGICAL TRAITS
Colin S. REYNOLDS
(formerly of the Centre for Ecology and Hydrology and Freshwater Biological
Association; present address, Applerigg, GB-LA9 6EA KENDAL, Cumbria, UK)
EXTENDED ABSTRACT
Beyond the shared characteristics of being typically photoautotrophic and of
microscopic size, the planktic primary producers of the pelagic (open water) of lakes
and seas are extremely diverse, in phylogenetic representation, in cell organisation and
morphology, pigmentation and physiological properties. This variety, which is reviewed
extensively in Reynolds (2006), has long been known to underpin the striking
variability in the ecologies of phytoplankton, although the explanative mechanisms for
what lives where and when have remained generally obscure. General understanding
has for long recognised the importance of temperature, the underwater light climate and
species- specific nutrient requirements in distinguishing among the ecological traits of
some common species; in recent years, more attention has been paid also to the life
histories of species (with special reference to perennation and “seed banks”) and to the
dynamic susceptibilities of natural populations. Observations and experiments on
natural phytoplankton in relatively small freshwater lakes, where the advantages of
frequent sampling of fast-responding populations have been crucially exploited,
together with some rigorous hypothesis testing in the laboratory, have been used to
assemble plausible ecological explanations for the spatio-temporal distributions and
patterns of behaviour that have been observed. These deductions are not always widely
accepted, yet it is my firm belief that they do constitute a valid framework for
interpreting and, at a functional if not a species-specific level, predicting the varying
structure and abundance of phytoplankton assemblages in lakes and reservoirs, rivers
and ponds, and crucially, in the oceans and seas.
At the base of this extravagant claim is substantial knowledge of the dynamic
performances of common freshwater species in the laboratory. If single-species clones
are raised under ideal (but standardised) laboratory conditions (of continuous exposure
to saturating light, growth-saturating supplies of all known nutrients, including carbon
dioxide, and at constant temperature), their rates of biomass increase conform to a firstorder function of the ratio of unit surface area to unit volume (s v-1) of the intact
organism. Biomass doubling times at 20 oC vary from < 10 h in unicellular nanoplanktic
algae (2 – 20 µm) to ~ 3 days in microplanktic dinoflagellates and colonial species.
Moreover, the sensitivity of growth rates to variable temperature is such that those of
1
the larger microplankters, having lower surface-to-volume shapes, describe rather
steeper slopes than do those of small algae. It is not at all difficult to see a functional
explanation for the sequence of species recruitment of phytoplankton in the Ria de
Vigo, memorably reported by Margalef (1958, a.o.) and now burned on the consciences
of all students of the plankton: the progression is understood to run from the early
stages, dominated by slender diatoms (e.g., Skeletonema costatum, Leptocylindrus
danicus, Chaetoceros socialis) and small flagellates (Eutreptia, Platymonas,
Rhodomonas), all having high s v-1 ( 1µm-1) and fast intrinsic growth rates (r’), to later
stages dominated by large-celled, slow-growing species of the diatom Rhizosolenia and
the dinoflagellate genera, such as Ceratium, Peridinium and Prorocentrum, having low
s/v ( 0.3 µm-1).
Margalef recognised that this differentiation in potential recruitment rates is very
far from being the whole story. Phytoplankton dynamics are influenced by the falling
rates of recruitment that are attendant upon the steady depletion of critical resources but
they are equally subject to losses of assembled biomass, through settlement and through
removal as food by grazing zooplankton. The rates of passive settlement of non-motile
species are also strongly size-dependent, so the tendency for heavier species to be
disentrained from weaker turbulence (and for a dependence upon the deeper penetration
of entraining eddies) is also material to dynamic performance. Similarly, motility,
conferred by the possession of flagella or of other means to regulate organismic
buoyancy, is a valuable attribute to short-term survival but, in order to generate the
migratory velocities necessary to counter or recover position after turbulent
displacement, or alternatively, to locate and remain at subsurface depths offering lessdepleted nutrient reserves, large unit size offers clear advantages in terms of attainable
velocity. Coupled to the fact that larger units are available to a rather smaller range of
size-selective zooplanktic feeders, there are actually beneficial trade-offs accruing to
larger phytoplankters. Again, this fact was well appreciated by Margalef (1978): his
model of the “seasonal succession” of phytoplankton life forms analogised the sequence
as moving from species whose primary adaptation is to assimilate available resources
and convert them into biomass as quickly as possible (they are selected by virtue of r’)
to those that are able to seek out, retain and defend scarce resources as efficiently as
possible (i.e., they are K selected). Put at its simplest, the most exploitative r-selected
species are first into the fray but, as mixing weakens and the near-surface availability of
critical resources decreases, the more sophisticated adaptations for resource gathering
and conservation of K-selected species favour their ascendancy over and depleting
stocks of unfulfilled pioneers (Fig. 1).
Though not intentionally designed to test this observational hypothesis, the
experiments that I and my colleagues conducted in the large limnetic enclosures in
Blelham Tarn, UK, led me to a slightly different deduction (Lund & Reynolds, 1982;
Reynolds et al., 1983; Reynolds, 1987). In essence, it was that the exploitation of
resources in the surface layer would take place in stratified water columns, quite
independently of the intensity of mixing, save that deep-mixing events were effective in
homogenising the nutrient resource base.
2
Fig. 1 - Stylised summary of seasonal periodicity in marine phytoplankton
(Reynolds, 2006).
Fig. 2 - Reynolds’ scheme of autogenic succession and allogenic drivers
(Reynolds, 2006).
Mixing would obviate the tenability of nutrient-rich refuges and, depending upon
the ratio of the depths of the mixed and the photic layers, might often compromise the
ability of phytoplankters to harvest sufficient carbon to meet the requirement to sustain
the potential of their growth rates. Going further, we proposed (Reynolds et al., 1983)
3
that the natural, organismically forced (autogenic) succession should be represented
vertically (as in Fig. 2) and that hydraulic displacements owing to wind-driven mixing
represented a different (allogenic) set of physical drivers, evoking a different set of
dynamic responses and, perhaps, favouring species preferentially adapted to maximise
light interception; these we originally described as being “w-selected” (“w” for winter
conditions).
Not long after this idea was published, I pressed the analogy (Reynolds, 1988) of
this representation to Grime’s (1979) ordination of the linkages among the primary
strategies and morphological adaptations of higher plants. Indeed, planktic algae show
particularly well the coherence among morphology, physiology and ecology of
individual species, and, for the many intermediates, the extent of the intermediacy of
their behaviours. Grime’s primary strategies (labelled C, S, R) were respectively
applicable, with little conceptual modification, to the r-, K- and w-selective tendencies.
Their morphological and physiological properties and ecological features are noted in
table 1.
Examples of identified natural assemblages of freshwater phytoplankton fitting
into a template of habitats, plotted in a framework of gradients of resource accessibility
and an integral of harvestable light (essentially incident intensity × photoperiod), have
been given in several recent publications (Reynolds, 1987, 2006; Reynolds et al., 2002).
Besides the selective outcomes in stable physico-chemical environments, the structural
responses to environmental variability are well predicted, at least to strategic level. In
short, we are able to recognise significant progress towards understanding, explaining
and even managing the composition of multi-species assemblages of phytoplankton, at
least in lakes and reservoirs.
The challenge that has been issued by members of AIOL is to demonstrate the
validity of this approach to phytoplankton in the sea, and especially of the continental
shelf waters. I have to say that I see few reasons why this should not work well. Indeed,
it would be more surprising if it did not do so. However, there are two bars to ready
verification that need first to be overcome.
One is the old difficulty, first highlighted (I think) by Smayda (1980), of
distinguishing among observable variations in community composition those that may
be attributable to autogenic succession or may be the responses to allogenically forced
environmental variation within a single, discrete mass of water from those sequential
compositional changes at a given point of observation that owe to the bulk displacement
of one water mass by another. The second difficulty is practical: that I have been unable
to locate the appropriate model-driving quantitative data on the morphology and
dynamics of representative species of the marine phytoplankton. It remains an open
counterchallenge to any interested marine planktologist to assist me to populate an
adequate database with which to test the hypothesis. Yet, even a casual approximation
of the shapes and sizes of some ecologically distinct oceanic forms is suggests the
promise of a positive outcome (Fig. 3).
There is little difficulty either in constructing a habitat template for the sea that
not only dsitinguishes the major pelagic subdivisions but seems also to be able to
accommodate the distributions of variously trait-separated groups of phytoplankton.
That designed by Smayda and Reynolds (2001, shown in Fig. 4) has been used to tease
4
apart the differential life-history strategies evident among the morphologically diverse
marine species of dinoflagellate. Our (so far) unpublished investigations make
analogous distinctions among the planktic marine diatoms and we suspect that similar
deductions apply to the coccolithophorids. In this way, I can be optimistic that the
progress in understanding claimed on behalf of the ecology of freshwater phytoplankton
may well apply soon to the ecology of marine phytoplankton.
Tab. 1 – Summary of evolutionary strategic adaptations of phytoplankton.
C strategists
S strategists
R strategists
CS, CR, SR,
CSR strategists
Invasive opportunist, quick-growing species, highly dispersable,
generally unicellular algae of small unit size (101 – 103 µm3), high msv-1
(6 – 30) with rapid growth rates (r’20 > 0.9 d-1) and low rates of sinking
and swimming.
Species that contend with diminishing resources by exploiting remote
reserves or invoking flexible physiological mechanisms for sourcing
them; of relatively large unit size (104 – 107 µm3), low sv-1 but high msv-1
(6 – 30) dependent on large size; generally motile, self-regulating, with
slow rates of growth (r’20 > 0.9 d-1 ). Species that live in continuously
resource-deficient environments habitually supporting low biomass show
alternative adaptations: picoplanktic size (<100 µm3; typical msv-1 6 – 8);
Reynolds (2006) separated these as SS strategists (= super S).
Attuning or acclimating species, variable in size, motility and growth rate
but always of high msv-1 (15 - 1000) and capable of maintaining efficient
light harvesting.
Species variously falling intermediately between C, S or R apices,
characterised by intermediate ecologies.
Note: m is the maximum linear unit dimension of the unit (including mucilage if present); msv-1 is the
product with the surface-to-volume ratio of the same unit; r’20 is the light-saturated growth rate at 20 oC.
5
Plankter morphology
small unicells
Gy
o
mn
d
Ce
sh
ad
e
Tr
r
a
a ti
fi la m
e
at
s di
n to u
om s
Eth
ms
fo r
Fig. 3 - Provisional representation of the morphology of marine phytoplankton and basis for strategic
ascriptions (Eth = Ethmodiscus; Gymnod = gymnodinioids; Tr = Trichodesmium). Original.
Fig. 4 - Representation (Habitat template) of various provinces of the sea, separated according to the
availability of nutrient resources and of harvestable light energy (I*) and its dilution through the mixed
depth (hm), and to which distinct floristic assemblages can be fitted (from Reynolds, 2006).
6
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3-7 luglio 2006
7
SISTEMI DEPOSIZIONALI DI AMBIENTE MARINO PROFONDO ED
INSTABILITÀ GRAVITATIVE SOTTOMARINE: ESEMPI DI STUDIO SULLA
SCARPATA CONTINENTALE DELLA CAMPANIA IN BASE
ALL’INTERPRETAZIONE INTEGRATA DI DATI DI GEOFISICA MARINA
Gemma AIELLO, Ennio MARSELLA, Claudio D’ISANTO
Istituto per l’Ambiente Marino Costiero (IAMC), Consiglio Nazionale delle
Ricerche (CNR), Calata Porta di Massa, Porto di Napoli - 80133 Napoli
ABSTRACT
Deep-sea depositional systems and submarine gravity instabilities: case histories on
the continental slope offshore Campania (Southern Italy) based on integrated marine
geophysical data interpretation
The continental slope offshore Campania represents an interesting natural
laboratory in order to carry out the study of geological events and processes related to
submarine gravity instabilities in deep waters, as a base to evaluate geological and
environmental hazards triggered by earthquakes, volcanic eruptions and tectonic activity
in correspondence to regional faults. One aim of this paper is to analyse some case
histories of gravity submarine instabilities occurring along the continental slopes
offshore Campania, located both in volcanic areas (Dohrn and Magnaghi canyons) and
in sedimentary areas (southern slope of the Sorrento Peninsula and Salerno Valley). The
morphological variability of the slope offshore of Campania is a direct consequence of
the interactions between control factors as the Late Quaternary volcanism affecting the
region, the tectonic phases lasting up to recent times and the deep sea sedimentary
processes related to sediment transport along canyons and tributary channels. These
processes control the occurrence of several morphologies genetically related to
submarine instability (submarine slides, active and fossil submarine canyons, sea
bottoms involved by active erosion in correspondence to tributary channels, channellevee complexes, slumpings, creepings, submarine rock falls at the toe of coastal cliffs.
The use of up-to-date marine geophysical techniques allows for detailed geological
interpretation of marine geophysical data and correlation between geological structures
cropping out at the sea bottom and in the subsurface.
RIASSUNTO
La scarpata continentale della Campania rappresenta un laboratorio naturale di
interesse estremo per lo studio degli eventi e dei processi geologici sottomarini di
instabilità gravitativa in fondali intermedi e profondi, quale naturale presupposto per
una corretta valutazione del rischio geologico ed ambientale associato a terremoti,
9
eruzioni vulcaniche ed attività tettonica in corrispondenza di faglie significative. Lo
scopo del presente lavoro è quello di fornire una chiave di lettura dei processi di
instabilità gravitativa presenti a scala regionale lungo le scarpate della Campania,
focalizzando l’attenzione su esempi di studio ubicati sia in aree vulcaniche (canyons
Dohrn e Magnaghi nel Golfo di Napoli) che in aree sedimentarie (scarpata meridionale
della Penisola Sorrentina e Valle di Salerno). La variabilità morfologica della scarpata
della Campania, quale diretta espressione dell’interazione tra fattori di controllo quali il
vulcanismo, la tettonica ed i processi sedimentari, si riflette nella coesistenza di vari
processi e forme di instabilità gravitativa (frane sottomarine, canyons attivi e fossili,
aree di fondale caratterizzate da erosione attiva in corrispondenza di canali tributari,
complessi di argine-canale, scivolamenti gravitativi tipo slump o creep, crolli
sottomarini al piede di falesia) presenti in corrispondenza di scarpate ad alta pendenza
in sedimento e/o in roccia. L’uso di tecniche di rilevamento geofisico di ultima
generazione consente un’interpretazione geologica di dettaglio dei dati geofisici e la
correlazione tra strutture geologiche presenti in affioramento al fondo mare e
nell’immediato sottofondo.
1. INTRODUZIONE
L’Istituto di Ricerca “Geomare Sud”, oggi IAMC sede di Napoli, ha acquisito
notevoli datasets di geofisica marina (sismica a riflessione multicanale e monocanale di
media ed alta risoluzione, profili Subbottom Chirp e Sidescan Sonar, magnetometria,
batimetria single-beam e Multibeam) nel corso di numerose crociere oceanografiche
effettuate nel Tirreno meridionale a partire dal 1992. I dati geofisici in oggetto, insieme
alle competenze ed al know-how tecnologico presenti all’interno dell’Istituto
rappresentano un contributo alla conoscenza morfologica e stratigrafica delle scarpate
sottomarine circostanti la Campania.
Lo studio delle instabilità gravitative sottomarine rappresenta una linea di ricerca
di crescente attualità, soprattutto per le sue implicazioni nel monitoraggio dell’ambiente
marino costiero e profondo in termini di definizione del rischio geologico ed
ambientale. La recente realizzazione di rilievi batimetrici Multibeam nel Mar Tirreno
(Marani & Gamberi, 2004) ha fornito importanti dati geologici sia nelle aree circostanti
gli edifici vulcanici emersi (Isole Eolie, Ischia, Ustica) che sommersi (vulcani Vavilov,
Marsili, Palinuro e vulcani sommersi dell’arco eolico), raccogliendo nuove evidenze
morfo-batimetriche su processi vulcanici, tettonici e gravitativi a varia scala.
I collassi gravitativi dei fianchi degli edifici vulcanici portano alla formazione di
valanghe di detrito, flussi di detrito e correnti di torbida. Morfologie riconducibili ad
instabilità gravitative sono state recentemente riconosciute nel Tirreno meridionale
(Marani & Gamberi, 2004), oltre che sui fianchi dell’Isola di Stromboli e dell’isola di
Ischia. Lo studio dei processi di instabilità è di rilevanza primaria anche in relazione alla
possibilità di generazione di tsunami associati allo sviluppo di frane sottomarine (Tinti
et al., 2004).
Un settore di notevole interesse per l’analisi delle instabilità gravitative è
rappresentato dallo studio dei canyons sottomarini. La morfologia e l’evoluzione dei
10
canyons sottomarini sono frequentemente controllati dai processi vulcano-tettonici,
specialmente in margini continentali geologicamente attivi.
Il riconoscimento dei lineamenti morfo-deposizionali in ambiente marino
profondo (Galloway, 1998) rappresenta la chiave di lettura per l’interpretazione
geologica della batimetria Multibeam. La correlazione dei lineamenti morfologici
identificati sulla batimetria Multibeam con i profili sismici a riflessione ha permesso di
collegare l’interpretazione morfo-batimetrica con i dati sismo-stratigrafici e
geomorfologici, che si evincono dall’interpretazione delle sezioni sismiche. Le forme ed
i lineamenti riconosciuti, sia erosivi che deposizionali, comprendono frane sottomarine
(nicchie di distacco e cumuli di frana), canyons sottomarini attivi e fossili, canali
tributari delimitati da argini, gullies, conoidi torbiditiche, complessi di argine-canale,
superfici di evacuazione in aree di mass-wasting della scarpata, depositi caotici da
slumping e slittamenti superficiali del fondale di tipo creeping in successioni di
prodelta. Sono frequentemente presenti testate in arretramento, associate a sistemi di
canyons, talora coincidenti con il ciglio della piattaforma continentale.
2. INQUADRAMENTO GEOLOGICO
Il Tirreno rappresenta un bacino estensionale di retroarco, associato alla
subduzione di litosfera della Placca Africana sotto la Placca Europea durante il
Neogene-Quaternario (Wezel et al., 1981; Malinverno & Ryan, 1986). La formazione
del Tirreno é iniziata nel Tortoniano superiore in seguito all'
assottigliamento del blocco
crostale che comprendeva la Corsica, la Sardegna e la Calabria. Il rifting del Bacino
Tirrenico prosegue almeno fino al Pliocene superiore nella parte occidentale, fino a
portare alla formazione di piccoli centri di oceanizzazione nella piana batiale tirrenica
(Bacini Marsili e Vavilov). La fase successiva é quella di post-rift, caratterizzata dalla
subsidenza termica della crosta assottigliata e dalla messa in posto di crosta oceanica
nella piana batiale.
Il margine tirrenico campano-laziale è caratterizzato dalla presenza di aree
marine fortemente subsidenti durante il Plio-Quaternario, sede di spessi accumuli
sedimentari (“bacini peri-tirrenici” Auct.). Numerosi sono stati i contributi di carattere
stratigrafico e strutturale, che hanno fornito un quadro interpretativo delle unità sismostratigrafiche all’interno di tali bacini in base a dati di sismica monocanale e
multicanale (Aiello et al., 1997a; 1997b; 2001; 2004; 2005; Secomandi et al., 2003).
Al di sotto della copertura sedimentaria plio-quaternaria l'
intero margine campanolaziale é caratterizzato dalla presenza delle unità tettoniche interne della catena
appenninica, risultanti dal prolungamento in mare delle corrispondenti unità affioranti
nei settori costieri dell'
Appennino centro-meridionale (D'
Argenio et al., 1973). I
principali allineamenti strutturali sul margine presentano un andamento NNW-SSE
(D’Argenio et al., 1973; Ortolani & Torre, 1981) e corrispondono, in aree di scarpata e
piana batiale, a bacini intra-scarpata ed alti strutturali, che mostrano evidenze di
un’intensa tettonica sinsedimentaria. Il Golfo di Napoli é caratterizzato da due
allineamenti anti-appenninici principali, cioè la faglia Campi Flegrei-Ischia e la faglia
Capri-Penisola Sorrentina, che delimita a sud l’alto strutturale della Penisola
11
Sorrentina. Tali allineamenti hanno controllato l’individuazione delle morfo-strutture
in aree di margine continentale e di scarpata. Nei Golfi di Napoli e Salerno il controllo
esercitato dalla tettonica sinsedimentaria sull’innesco dei fenomeni di instabilità
gravitativa in ambiente marino profondo ha giocato un ruolo fondamentale a partire dal
Pleistocene medio-superiore e fino a tempi recenti.
3. ANALISI DEI DATI MORFO-BATIMETRICI E SISMO-STRATIGRAFICI
3.1. I canyons Dohrn e Magnaghi (Golfo di Napoli)
I canyons Dohrn e Magnaghi rappresentano un sistema di drenaggio di estensione
chilometrica, che incide la piattaforma esterna e la scarpata del Golfo di Napoli, la cui
attività è strettamente collegata agli intensi apporti innescati dai complessi vulcanici dei
Campi Flegrei e delle isole di Ischia e Procida durante il Quaternario superiore. Rilievi
batimetrici Multibeam acquisiti nel Golfo di Napoli nel quadro di programmi di
cartografia geologica regionale (Fig. 1) hanno evidenziato un assetto morfologico
complesso, caratterizzato da una fitta rete di canali tributari, precedentemente non noti
ed una varietà di ambienti deposizionali e di processi morfologici, controllati dalle
interazioni tra processi vulcanici, tettonici e sedimentari (Aiello et al., 2001; 2004;
2005; Secomandi et al., 2003; D’Argenio et al., 2004).
Fig. 1 - Mappa shaded-relief della batimetria Multibeam (ELAC BottomChart MK2) acquisita nel Golfo
di Napoli. AC: Canale dell’Amontatura. NB: Banco di Nisida. MB. Banco Miseno. PPB. Banco di
Pentapalummo. MDB: Monte Dolce. GB. Banco Gaia. IB. Banco d’Ischia.
Il rilievo Multibeam dei canyons del Golfo di Napoli è stato acquisito utilizzando
un Multibeam ELAC BottomChart MK2, in un range batimetrico compreso tra 50 e
3000 m. La correlazione con i principali lineamenti morfologici è stata effettuata
12
utilizzando una fitta maglia di profili sismoacustici di altissima risoluzione Subbottom
Chirp (Fig. 2).
Fig. 2 - Principali facies acustiche riconosciute sui profili Subbottom Chirp nel Golfo di Napoli.
13
Il canyon Dohrn, che si imposta lungo un allineamento strutturale NE-SW ubicato
nel Golfo di Napoli fino al Banco di Fuori (Fig. 1), è caratterizzato da un braccio
orientale e da uno occidentale, che si dipartono a partire dal ciglio della piattaforma
continentale, posto sull’isobata dei –140 m di profondità. Il braccio occidentale del
Dohrn rappresenta la prosecuzione dell’Ammontatura, un ampio canale con argini
asimmetrici e fondo piatto, posto tra i 100 ed i 140 m di profondità, attualmente
caratterizzato da un bacino di intra-slope. Il braccio orientale si diparte invece dal ciglio
della piattaforma posto al largo della Penisola Sorrentina, sui –140 m di profondità.
L’andamento del braccio occidentale, soprattutto nel settore iniziale, risulta
mendriforme e delimitato da una doppia testata in arretramento, che sottende un’estesa
area ad instabilità gravitativa. Numerose nicchie di distacco sono state identificate alla
base del braccio occidentale nel settore ovest, sulla scarpata del Banco di Fuori. Varie
altre nicchie di distacco sono state identificate in corrispondenza del thalweg, a sud di
quattro canali tributari che incidono la scarpata ad ovest dell’Isola di Capri ed a nord di
un’estesa area di alto strutturale, che delimita il thalweg del canyon all’altezza dell’isola
di Capri.
In figura 2 sono rappresentate le principali facies acustiche riconosciute in base ai
profili Subbottom Chirp. Tra queste, alcune facies sono indicative di processi di
instabilità gravitativa nel Golfo di Napoli (si veda la Fig. 2 per ulteriori dettagli).
Morfologie significative corrispondenti a processi di instabilità gravitativa sono
state identificate in corrispondenza del Banco di Ischia. Tali lineamenti (mass wasting
lungo superfici di evacuazione) sono evidenziati dal profilo Chirp SP13, che attraversa
la scarpata, caratterizzata da una copertura sedimentaria sottile su un basamento
acustico vulcanico (Fig. 3). Un ampio canale tributario, che alimenta il canyon
Magnaghi è stato identificato al piede della scarpata; esso delimita lateralmente un’unità
caotica che corrisponde a depositi da slump.
3.2. La scarpata meridionale della Penisola Sorrentina e la Valle di Salerno
La Valle di Salerno, che borda il settore meridionale della Penisola Sorrentina,
rappresenta una zona di interesse per lo studio delle instabilità sottomarine associate a
scarpate tettonicamente controllate. L’individuazione della valle e l’attività lungo la
scarpata rocciosa che la delimita sono associate alla faglia regionale diretta e/o
trascorrente (“faglia Capri-Penisola Sorrentina”) che borda verso sud l’alto strutturale
meso-cenozoico Capri-Penisola Sorrentina. La Valle di Salerno è una profonda
depressione allungata, ad andamento WSW-ENE, delimitata a nord dalle faglie dirette
che ribassano i carbonati mesozoici della Penisola Sorrentina e riempita da una spessa
successione sedimentaria di età plio-quaternaria.
Rilievi batimetrici Multibeam (crociera SISTER2) hanno evidenziato l’estrema
acclività della scarpata e l’esistenza di intensi processi erosivi, in parte ancora attivi,
soprattutto al piede di scarpata, dove si rinviene una fitta rete di morfologie canalizzate.
L’analisi di profili sismici a riflessione ha evidenziato l’attività tettonica della scarpata
di faglia come causa di innesco per instabilità gravitative attive durante il Pleistocene
superiore-Olocene; ciò è evidenziato anche da depositi da slumping, caratterizzati da
facies sismica caotica, intercalati a varie altezze stratigrafiche all’interno del
14
riempimento del bacino. Al contrario delle zone distali della Valle, dove prevale la
deposizione, il settore meno profondo appare in regime di intensa erosione (canyon di
Salerno) e presenta deformazioni tettoniche recenti, come antiformi e faglie dirette ad
alto angolo, interpretabili nel quadro regionale come indizi di un’intensa tettonica
distensiva, durata fino a tempi recenti (Aiello et al., 1997a; 1997b).
Fig. 3 - Profilo sismico Subbottom Chirp SP13, che attraversa la scarpata a sud del Banco di Ischia,
caratterizzata da varie superfici di evacuazione sul basamento acustico di natura vulcanica che costituisce
il banco. Al piede della scarpata è presente un’unità caotica costituita da depositi da slump.
I dati morfo-batimetrici sono stati acquisiti durante la crociera oceanografica
SISTER2 a bordo della N/O Urania dall'
Istituto per l'
Ambiente Marino Costiero con il
Multibeam Reson 8160, uno strumento a bassa frequenza particolarmente adatto per
fondali profondi. E’ stata prodotta una restituzione tridimensionale DTM (Digital
Terrain Model), di passo 20 m, che copre un’area di circa 1600 chilometri quadrati,
compresa tra la costa meridionale di Capri a nord-ovest e la foce del Sele a sud-est (Fig.
4).
La piattaforma del Golfo di Salerno presenta una marcata asimmetria procedendo
da nord verso sud, che riflette i diversi domini strutturali di questo segmento del
margine appenninico. La variabilità d’estensione, della profondità del ciglio e delle
pendenze medie, sono infatti controllate dall’assetto strutturale e geologico delle aree di
margine (Bartole et al., 1984) oltre che delle variazioni glacio-eustatiche durante il
Pleistocene. La scarpata continentale antistante il Golfo di Salerno è caratterizzata da
depocentri strutturali ad andamento appenninico, originati dalle fasi estensionali relative
al Bacino Tirrenico, alternati ad alti morfo-strutturali, adiacenti a bacini di intra-slope,
dove le instabilità gravitative sono frequenti e controllate tettonicamente. In particolare,
15
l’interpretazione geologica del DTM relativo alla scarpata (fig. 4) evidenzia la presenza
di due alti morfo-strutturali di natura complessa, con allineamento NE-SW. Sul fianco
occidentale gli alti sono delimitati da un ampio bacino di intra-slope, posto sui – 700 m
di profondità, ad andamento NE-SW (Fig. 4).
Fig. 4 - Mappa shaded relief della batimetria Multibeam tra la scarpata meridionale che delimita l’alto
strutturale isola di Capri Penisola Sorrentina ed il settore settentrionale del Golfo di Salerno.
L’interesse del DTM presentato è notevole per lo studio della scarpata, orientata
in direzione NE-SW; la scarpata parte ad ovest del bordo del canyon Dohrn, costeggia
l’isola di Capri con direzione E-W e si orienta infine parallelamente alla Penisola
Sorrentina, per una lunghezza complessiva di circa 60 km (Fig. 5).
Fig. 5 - Mappa contour della batimetria Multibeam sulla scarpata ad alta pendenza, tettonicamente
controllata, tra l’isola di Capri e la Penisola Sorrentina. L’andamento della scarpata si presenta
irregolarmente articolato da un punto di vista morfologico ed è caratterizzato da promontori e da
rientranze, che rispecchiano i principali allineamenti strutturali presenti a terra nell’isola di Capri.
16
L’interpretazione del DTM ha evidenziato che la scarpata a sud della Penisola
Sorrentina è dissecata da numerosi canali di tipo gullies (almeno un centinaio), alternati
ad alti morfo-strutturali, che li delimitano (Fig. 5). I gullies costituiscono la
prosecuzione verso mare della rete di impluvi presente a terra nel settore emerso,
corrispondente della Penisola Sorrentina. Le alte pendenze ed il controllo tettonico sulla
fisiografia della scarpata stessa, evidente anche dal brusco ciglio di carattere strutturale,
suggeriscono una scarpata carbonatica, originata dalla prosecuzione verso mare dei
depositi meso-cenozoici estesamente affioranti a terra tra Capri e la Penisola Sorrentina.
4. CONCLUSIONI
Le instabilità gravitative sottomarine dei canyons Dohrn e Magnaghi risultano
dalle interazioni dell’attività vulcanica nei distretti dei Campi Flegrei e delle isole di
Ischia e Procida con i processi sedimentari alla foce del fiume Sarno-Sebeto. Il sistema
dei canyons è attualmente inattivo, come evidenziato dalla presenza al fondo mare del
drappeggio olocenico relativo all’ultimo episodio di stazionamento alto del livello
marino. Processi di erosione regressiva polifasica sono stati osservati in corrispondenza
della doppia testata in arretramento del canyon Dohrn e della testata trilobata del canyon
Magnaghi. Numerose nicchie di distacco sono osservabili lungo la scarpata ad ovest del
braccio occidentale (Fig. 1); a tali nicchie non corrispondono, nella zona a valle posta
nel thalweg principale, cumuli di frana significativi in affioramento al fondo mare.
Evidenze di paleo-cumuli di frana sono comunque presenti nel sottofondo, come
evidenziato dall’interpretazione dei profili Subbottom Chirp (Fig. 2). Il bacino di intraslope ubicato tra i due canyons è caratterizzato da complessi di argine-canale, che
costituiscono unità sismiche di dimensione chilometrica, in sub-affioramento al fondo
mare. I processi di instabilità gravitativa sulle scarpate del canyon Magnaghi e del
Banco di Ischia si esplicano invece attraverso fenomeni di mass-wasting su scarpate
vulcaniche, che producono superfici di evacuazione di varie dimensioni a profondità
d’acqua variabili (Fig. 3).
La scarpata meridionale della Penisola Sorrentina e dell’Isola di Capri rappresenta
una scarpata ad alta pendenza, tettonicamente controllata da parte della faglia maestra
che borda verso sud l’alto strutturale Isola di Capri-Penisola Sorrentina. Tale faglia
presenta un rigetto verticale notevole, nell’ordine del migliaio di metri e ribassa i
carbonati meso-cenozoici affioranti lungo l’alto strutturale della Penisola Sorrentina al
di sotto del bacino sedimentario pleistocenico della Valle di Salerno, che presenta
depocentri con spessori dell’ordine del migliaio di metri. Le pendenze, la fisiografia ed i
principali lineamenti da instabilità gravitativa sulla scarpata meridionale tra Capri e la
Penisola Sorrentina ed attraverso l’alto strutturale di Bocca Piccola sono state desunte
dall’interpretazione geologica della batimetria Multibeam.
Fra Capo Conca ed Amalfi la scarpata comincia ad allontanarsi dalla costa;
l’ampiezza della piattaforma aumenta notevolmente fino ad arrivare a 16 chilometri
nella rada di Salerno. L’andamento della scarpata ruota in direzione NW-SE e procede
per oltre 8 chilometri; le sue pendenze si presentano elevate, fino a 40° nella parte
iniziale meno profonda (compresa tra -100 m e -120 m) e con pendenze di 10°-15° gradi
17
sui -650 metri di fondale. La struttura della scarpata continua ad essere molto articolata,
caratterizzata da gullies separati da alti strutturali, come riscontrato per il settore a sud
della Penisola Sorrentina (Fig. 5). Tre importanti frane sottomarine, precedentemente
non segnalate, sono state identificate nell’area in studio (Fig. 6).
Fig. 6 - Mappa DTM di dettaglio di tre importanti frane sottomarine, identificate nel settore settentrionale
del Golfo di Salerno e corrispondente interpretazione geologica.
La frana posta più a nord si sviluppa da una profondità di -180m a -560 m e ha
una larghezza in testa di 500m e in valle di 1100m per una lunghezza complessiva di
oltre 3 chilometri. La seconda nicchia di distacco, sita più a sud, ha una lunghezza di
oltre 3500 metri e interessa una fascia posta fra i -200 e -440 m di profondità. La terza
frana ha una nicchia di distacco di circa 1 chilometro, posta ad una profondità di -430m.
A tale nicchia corrisponde un cumulo di frana alto quasi 30m, sito sui -700m di
profondità.
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3-7 luglio 2006
20
I TRAVERTINI COME INDICATORI PALEOCLIMATICI. IL CASO DI
FAIANO (SALERNO)
Erlisiana ANZALONE
Istituto per l’Ambiente Marino Costiero, IAMC (CNR) - 80100 Napoli
ABSTRACT
Travertines as paleoclimatic proxies. The case of Faiano (Salerno)
Fossil travertine deposits cropping out at Faiano (near Pontecagnano, Salerno) are
analysed and discussed as paleo-climatic proxies. In this non-marine carbonate
depositional system, late Pleistocene in age (about 100-130 kyr), a cyclic organization
of the primary carbonate incrustations and of the oxygen and carbon isotopes has been
determined. This configuration is hierarchical and suggests climatic changes at a scale
from seasonal to 10-102 years. The climatic control is also indicated by the hierarchical
organization of the discontinuity surfaces, that testify systematic interruptions in the
sedimentation due to the paleo-groundwater lowering; the latter is ruled by periods of
decreasing rainfall. In addition, the Faiano fossil system, in its environmental dynamics,
shows many analogies with other ambient temperature and thermal travertines of
central-southern Italy (Filetta, Salerno and Tivoli, Rome) and with the present-day
carbonate incrustations precipitated within artificial channels near the Faiano village. It
is concluded that climatic changes control growth of travertine systems, even if some
local influences cannot be excluded.
RIASSUNTO
I depositi di travertino affioranti nell’area di Faiano (vicino Pontecagnano,
Salerno) vengono analizzati e discussi come indicatori paleoclimatici. Nel sistema
fossile, non più antico del Pleistocene sup. (100-130 ka), è stata individuata una regolare
organizzazione ciclica delle litofacies e delle loro associazioni a cui corrispondono
variazioni dei valori isotopici dell’ ossigeno e del carbonio. I dati ottenuti suggeriscono
una gerarchia di oscillazioni climatiche da stagionali a decadali e secolari. Il controllo
climatico è indicato anche dalla organizzazione gerarchica delle superfici di
discontinuità, le quali testimoniano sistematiche interruzioni nella sedimentazione per
abbassamento del livello di falda, a sua volta controllato da variazioni della piovosità.
Inoltre, la dinamica ambientale del sistema fossile dei travertini di Faiano mostra
numerose analogie sia con quella di altri depositi di travertino, a temperatura ambiente o
termali dell’Italia centro-meridionale (Filetta, Salerno e Tivoli, Roma), che con quella
del sistema di incrostazioni carbonatiche attualmente in formazione, studiato lungo i
canali di irrigazione di Faiano in cui scorrono acque sorgive. Da quanto brevemente
21
presentato in questo lavoro è possibile ipotizzare che il clima rientri tra i principali
fattori che controllano la genesi dei corpi travertinosi quaternari, anche se influenze
locali non possono essere escluse.
1. INTRODUZIONE
Depositi carbonatici non marini si formano in molti ambienti (laghi, fiumi, ecc.)
da acque con diversa temperatura ed idrodinamica. Tra questi, i travertini sono molto
frequenti: la loro genesi è legata alla complessa interazione tra fattori chimici (quantità
di CO2 disciolta, valori di pH della soluzione, cinetica delle reazioni, ecc.), fisici
(temperatura, turbolenza delle acque, morfologia del substrato, ecc.) e biochimici
(fotosintesi, decomposizione della materia organica, ecc.). La maggior parte dei
travertini, i cui volumi non superano quasi mai pochi milioni di metri cubi (e.g.
D’Argenio, 2001), non sono più antichi del Quaternario anche se sono noti rari
affioramenti a partire dal Mesozoico (e.g. Pentecost, 2004). I travertini quaternari si
sono sviluppati prevalentemente durante i periodi interglaciali; in particolare essi
appaiono correlati a intervalli climatici caldo-umidi, mentre gli intervalli caratterizzati
da climi più freddi e/o aridi appaiono privi di questi depositi (e.g. Martin- Algarra et al.,
2003). I travertini fossili di Faiano (Salerno, Campania, Fig. 1), già parzialmente
analizzati con un approccio multidisciplinare (sedimentologia e geochimica isotopica,
e.g. Anzalone, 2005), sono qui discussi in chiave climatica.
Fig. 1 - Travertini di Faiano. 1. Terreni del substrato sedimentario. 2. Travertini di Faiano. 3. Depositi
alluvionali successivi a quelli di travertino. Nel riquadro in basso a sinistra l’area oggetto di questo lavoro
di (Salerno, Italia meridionale).
A tale scopo, è stato anche effettuato un confronto tra questi depositi ed altri
travertini a temperatura ambiente (Filetta) e a bassa termalità (Tivoli), per inquadrarne
le problematiche in un contesto più ampio di quello locale. Un ulteriore elemento di
interesse nello studio di questi sedimenti è rappresentato dalla possibilità di comparare
nella medesima area i depositi fossili con quelli attualmente in formazione lungo alcuni
canali di irrigazione di Faiano. Su queste basi, lo studio dei processi del passato può
essere supportato da quello dei travertini in formazione, consentendo una più attendibile
interpretazione dei fattori di controllo della dinamica ambientale.
22
2. METODOLOGIE ANALITICHE
Seguendo le metodologie classiche del rilevamento ed i criteri sedimentologici
descritti in Ferreri (1985) e D’Argenio e Ferreri (2004), sono state individuate le
principali litofacies (e loro associazioni) misurandone gli spessori e, laddove possibile,
anche le giaciture. In particolare, lungo alcune sezioni analizzate in dettaglio sono stati
raccolti numerosi campioni (con intervalli di campionatura da millimetrici a metrici) per
una migliore caratterizzazione delle incrostazioni primarie, anche attraverso analisi di
laboratorio (sezioni sottili ed osservazioni al SEM). inoltre, sui campioni poco
influenzati dalla diagenesi, sono state condotte analisi degli isotopi stabili (O, C) usando
uno spettrometro di massa ThermoElectron Delta Plus XP in dotazione presso il
Laboratorio di Geochimica Isotopica dell’ IAMC-CNR (Napoli). Deviazioni standard
delle misure isotopiche dell’ossigeno e del carbonio sono state stimate dell’ordine dello
0.1‰ e 0.08‰, rispettivamente. Tutti i dati isotopici sono riportati in per mille (‰)
relative allo standard VPDB.
3. I TRAVERTINI DI FAIANO
I travertini di Faiano, affioranti nel settore meridionale della complessa struttura
geologica dei Monti Picentini (cfr. D’Argenio et al., 1983; Anzalone et al., 2007), sono
spessi circa 90 metri ed immergono generalmente verso sud. Dai rapporti stratigrafici
con i terreni adiacenti e dai primi risultati delle datazioni radiometriche, l’intervallo
temporale stimato per la loro formazione è compreso tra il tardo Pleistocene (circa 100
ka) e i ~55 ka (±10 ka) e ben si inquadra in uno dei periodi di massima diffusione dei
travertini (cfr. Henning et al., 1983). Le analisi sedimentologiche condotte sui depositi
di Faiano hanno permesso l’individuazione di tessiture sia autoctone (litofacies
stromatolitica, microermale e fitoermale) che detritiche (litofacies fitoclastica). In
particolare, la maggiore diffusione areale e verticale è data dai travertini fitoclastici e
microermali, soprattutto nelle parti basali e centrali di questi depositi. I travertini
fitoermali sono presenti in maniera subordinata e lenti di sabbie calcaree affiorano solo
localmente, associate a differenti litofacies, diventando sempre più spesse e diffuse
verso le parti sommitali (Anzalone, 2005). Accanto alla individuazione delle principali
litofacies sono state riconosciute anche strutture e geometrie deposizionali. Tra queste
sono stati individuati intervalli laminati, stratificati e clino-stratificati ed è stato misurato
l’orientamento delle fitostrutture. Gli intervalli laminati sono costituiti da ritmiti
millimetriche (litofacies stromatolitica) mentre la clinostratificazione è senza dubbio la
struttura sedimentaria più diffusa. Litofacies e strutture deposizionali ad esse associate
formano raggruppamenti naturali di litofacies (associazioni di litofacies in Ferreri,
1985) che possono essere interpretati in termini di originari ambienti deposizionali. In
particolare, nella parte inferiori dei depositi, i travertini sono prevalentemente
rappresentati dalla litofacies fitoclastica associata a litofacies autoctone (stromatolitica e
microermale) in strutture a giacitura da inclinata (in genere 20-30 gradi circa) a suborizzontale, immergenti verso sud. Questa associazione di litofacies indica un ambiente
di pendio più o meno acclive. Litofacies a muschi, fitoermale e microermale, che
23
formano drappeggi a giacitura verticale, sono invece diffuse nelle aree marginali dei
travertini di Faiano ed indicano ambienti di rapida/cascata. Infine, nella parte medio-alta
tendono a diffondersi litofacies fitoermali e sabbie fitoclastiche in livelli lentiformi a
giacitura da sub-orizzontale ad orizzontale. Questa associazione indica un ambiente da
lacustre poco profondo a palustre (Anzalone, 2004). Nei depositi di Faiano sono state
individuate anche strutture sedimentarie secondarie (erosive): tra esse sono da ricordare
i canali e le superfici di discontinuità. I canali sono diffusi negli ambienti di pendio
mentre le superfici di discontinuità sono talora rappresentate da superfici arrossate e da
paleosuoli, ma più spesso sono appena delineate (semplici livelli erosivi). Queste ultime
troncano le diverse litofacies a varie altezze stratigrafiche e ad intervalli più o meno
regolari, in media ogni 10 cm. Nei travertini stromatolitici, la frequenza è maggiore ed è
dell’ordine dei 5-6 cm. Viene così evidenziata una regolare organizzazione ritmica delle
litofacies e delle superfici di discontinuità, in coppie e sequenze di coppie. La coppia
rappresenta l’elemento base dei depositi di travertino e normalmente corrisponde ad un
singolo intervallo deposizionale centimetrico (da sub-orizzontale a leggermente
inclinato). Essa è in genere formata da due litofacies (travertino microermale e
stromatolitico o travertino fitoclastico e stromatolitico, questo ultimo caratterizzante
sempre la sua parte sommitale), ma talora, può essere rappresentata anche da una sola
litofacies. Spesso, in intervalli di 1 o più metri, le coppie tendono ad organizzarsi in
sequenze di coppie (Fig. 2A). Per meglio comprendere la tipologia dei processi
coinvolti è stato condotto uno studio di stratigrafia isotopica (O, C) di elevata
risoluzione (scala da millimetrica a metrica) sulle incrostazioni senza apparenti
modificazioni diagenetiche. I dati ottenuti mostrano, nel complesso, una indipendenza
dell’ossigeno e del carbonio dalle singole litofacies (con valori medi compresi tra -5,51
‰ e -3,41 ‰ vs. VPDB per il δ18O e da -1,71 ‰ a +11,78 ‰ vs. VPDB per il δ13C; cfr.
Anzalone, 2004). Inoltre, sia nelle coppie di lamine stromatolitiche (Anzalone et al.,
2007) che nelle coppie di litofacies (scala centimetrica) sono state riconosciute sia una
covarianza tra i valori del δ18O e del δ13C che brevi oscillazioni isotopiche con una
dispersione media dei valori di circa 0,5-0,6 ‰ unità δ. Queste oscillazioni sono
sovrimposte su più lunghi trend (scala metrica delle sequenze di coppie, Fig. 2B).
4. I TRAVERTINI DI FAIANO COME INDICATORI CLIMATICI
Il rilevamento tematico (scala 1:5.000) dei depositi fossili di Faiano ha permesso
di distinguere speditivamente in campagna associazioni naturali di incrostazioni in situ
(travertino stromatolitico, microermale e fitoermale) e detritiche (travertino fitoclastico
e sabbie fitoclastiche) insieme alle relative strutture deposizionali. Poiché le tessiture
sono principalmente determinate da incrostazioni su supporti vegetali ne consegue che
la diversità tessiturale riscontrata in questi depositi è in qualche modo proporzionale alla
originaria biodiversità delle fitostrutture incrostate. Ciò consente di ipotizzare che nel
complesso le condizioni climatiche, nel periodo temporale stimato, dovevano essere
favorevoli (caldo-umido) allo sviluppo della vegetazione originaria alquanto rigogliosa
e ricca di essenze arboree, come testimoniato dai modelli esterni di foglie riferibili a
Tilia sp., Quercus ilex, Salix sp. (D’Argenio et al., 1983). Oltre a considerazioni di
24
carattere generale, lo studio stratigrafico di elevata risoluzione (prevalentemente alla
scala da centimetrica a decametrica) ha offerto l’opportunità di discutere questi depositi
in termini di variazioni di deflusso delle acque, a sua volta controllato oltre che da
fattori locali (morfologia del substrato, ecc.) anche dalle variazioni climatiche. Tutte le
litofacies infatti sono espressione di una differente idrodinamica: i flussi laminari sono
tipici del travertino stromatolitico mentre un crescente regime di turbolenza caratterizza
i depositi da fitoermali, a microermali e a fitoclastici.
Fig. 2 - Galliano (Faiano): (A) Affioramento di travertino microermale e fitoclastico associato a travertino
stromatolitico (ambiente di pendio) e relativa colonna stratigrafica, mostrante la variazione verticale delle
litofacies e del loro spessore (B). Oscillazioni isotopiche (ossigeno e carbonio) a scala centimetrica. Da
Anzalone (2004) modificato.
In questo contesto, il riconoscimento di una regolare organizzazione verticale dei
depositi in ritmi rappresentati da coppie e sequenze di coppie di litofacies troncate da
superfici di discontinuità, consente di individuare, a scala centimetrica e metrica, dei
veri e propri trend idrodinamici. In particolare, ogni coppia presenta normalmente alla
base litofacies fitoclastiche (talora litofacies microermali) che implicano flussi più
elevati rispetto a quelli tipici dei depositi stromatolitici che caratterizzano la parte
sommitale. Allo stesso modo, la maggior parte delle sequenze di coppie di litofacies
presenta una maggiore diffusione di travertino fitoclastico (o microermale) nelle parti
basali, indicando ancora una volta un trend ambientale verso una diminuzione
dell’idrodinamica. In questa ottica, inoltre, sono da inquadrarsi anche le superfici di
discontinuità ricorrenti, con espressioni più o meno marcate, dalla scala centimetrica a
quella metrica e decametrica e che sono interpretate come dovute agli abbassamenti del
livello di falda e conseguente diminuzione di deflusso delle sorgenti (e.g. Anzalone et
25
al., 2007). Tutto ciò suggerisce un’alternanza di periodi di sedimentazione e periodi di
non deposizione ed erosione, questi ultimi di entità proporzionata alle caratteristiche
delle superfici di discontinuità su ricordate. Trend ambientali che indicano una
diminuzione della idrodinamica sono infine registrati anche alla scala dell’intero corpo
di travertino. Si passa infatti da momenti di maggiore deflusso delle acque nelle parti
iniziali (maggiore diffusione di travertino fitoclastico), ad un flusso moderato nelle parti
centrali (maggiore diffusione di travertino microermale) e “laminare” fino quasi a
scomparire, nelle parti sommitali (maggiore diffusione di travertino stromatolitico e
sabbie travertinose). L’intergioco tra idrodinamica ed evoluzione ambientale si traduce
nella formazione di un terrazzo deposizionale di travertino che tende ad accrescersi per
“pulsazioni” più e meno marcate (Anzalone, 2004; Anzalone et al., 2007). Come
passando dalla scala millimetrica a quella metrica e decametrica è stata individuata una
organizzazione gerarchica delle litofacies in coppie e sequenze di coppie, allo stesso
modo anche le variazioni isotopiche risultano gerarchicamente organizzate (Anzalone,
2005). I dati mostrano dei brevi trend isotopici, con valori dell’ossigeno e del carbonio
che, in generale, vanno da meno a più positivi. Poiché l’azione della diagenesi sui
campioni analizzati è da ritenersi ininfluente, anche la gerarchia delle oscillazioni
isotopiche registrate può essere imputata prevalentemente a fattori di controllo esterni al
sistema deposizionale e collegati ad oscillazioni climatiche. In particolare, muovendo
dalla analisi delle lamine stromatolitiche, che vengono interpretate come la risposta a
variazioni stagionali (cfr. Anzalone et al., 2007), si può ipotizzare che l’organizzazione
verticale delle litofacies e degli intervalli di ricorrenza (da centimetrici a decametrici)
delle superfici di discontinuità sia interpretabile in termini di cicli climatici da decadali
a secolari. Ulteriori indagini sono però necessarie per meglio comprendere la natura e
l’entità delle forzanti climatiche registrate nelle sequenze ritmiche.
4.1. I depositi di Faiano vs. altri travertini
Una conferma del controllo climatico sulla formazione dei travertini di Faiano
viene da una valutazione comparativa con altri depositi fossili di travertino, sia a
temperatura ambiente (Filetta, a pochi km di distanza da Faiano) che termali (depositi di
Tivoli1). Da questa analisi si evincono analogie nella organizzazione verticale delle
litofacies e delle loro associazioni. Infatti, anche a Filetta sono stati osservati passaggi
verticali da tessiture fitoclastiche o microermali a tessiture stromatolitiche,
analogamente a quanto si verifica a Faiano per le coppie individuate a scala
centimetrica. Lo stesso può dirsi per le strutture e le geometrie deposizionali. In
particolare, in tutti i depositi analizzati sono state riconosciute superfici di discontinuità
a differente scala (da centimetrica a metrica) che suggeriscono anche in questi depositi
modalità di crescita per pulsazioni (Anzalone, 2005). Per quanto riguarda il confronto
con i depositi da acque termali si sono considerati i travertini di Tivoli, per i quali
1
Lo studio di questi depositi è stato parte di un progetto COFIN 2003-2005 dal titolo: “Vincoli
geochimici, sedimentologici, strutturali ed idrogeologici per lo studio dell’evoluzione tettonica e
paleoclimatica dei travertini dell’area di Tivoli (Roma)” coordinatore nazionale prof. Taddeucci
(Università Roma3) svolto in collaborazione con l’Università Federico II di Napoli, l’Università di
Firenze e l’IAMC (CNR) di Napoli.
26
vengono qui utilizzati i risultati preliminari di uno studio sedimentologico condotto su
fronti di cava e su carote. Il confronto ha ancora una volta evidenziato numerose
analogie. In entrambi i casi sono state riconosciute sia incrostazioni autoctone
(travertino stromatolitico, microermale e fitoermale) che detritiche (travertino
fitoclastico) anche se con una espressione e distribuzione quantitativa diversa nei due
sistemi deposizionali. Anche l’organizzazione verticale delle litofacies risulta
strettamente confrontabile e si manifesta in successioni di coppie di litofacies (Fig. 3).
Nei travertini di Tivoli è stata riscontrata una netta prevalenza di litofacies
corrispondenti al travertino microermale di Faiano e di litofacies laminari, organizzate
in coppie formate da travertino di tipo microermale che evolve verso l’alto a travertino
laminare. Le coppie sono di regola organizzate in sequenze di coppie.
Fig. 3 - Alternanza di travertino microermale e di travertino stromatolitico. (A). Campione a mano dei
travertini Faiano. (B). Dettaglio di un fronte di cava nei travertini di Tivoli.
4.2. Il paleo-pendio e l’ambiente di canale
Sfruttando la coesistenza di un sistema di incrostazione fossile e di uno attivo a
Faiano, è stato infine tentato un confronto tra quanto accaduto nel passato e ciò che oggi
è osservabile, per evidenziarne, analogie e differenze (cfr. Anzalone, 2004; Anzalone et
al., 2007). Anche in questo caso sono stati riconosciuti prevalentemente travertino
microermale (incrostazioni su Vaucheria sp.) a cui si associa travertino stromatolitico e
clastico (prevalentemente incrostazioni su foglie ed in maniera subordinata su piccoli
ciottoli e quanto altro le acque del canale incrostino durante il loro deflusso). Le
incrostazioni travertinose nel canale mostrano analogie con l’associazione di litofacies
che nel sistema fossile viene indicata come facies di pendio. Rispetto a questo ultimo,
esso costituisce un momento dell’intera evoluzione di un corpo di travertino. Il
monitoraggio per oltre un anno del canale ha anche offerto l’opportunità di comprendere
meglio l’evoluzione di queste litofacies. I processi di incrostazione iniziano ai lati del
canale ed in seguito, anche attraverso la formazione di duomi che si giustappongono,
barre ed aree ad esse retrostanti, tendono a procedere lungo l’asse del canale. Come
risultato anche in questo caso (come nel sistema fossile) l’originaria morfologia tende
ad appiattirsi (Fig. 4) occludendo il canale e provocando lo straripamento delle acque,
questo ultimo arrestato dai lavori stagionali di ripulitura. Ciò consente la ripresa dei
processi di formazione delle incrostazioni.
27
Fig. 4 - Canale di irrigazione a Faiano. Le incrostazioni prevalentemente su Vaucheria sp. tendono ad
avanzare (progradazione) sia in senso trasversale (dai lati verso il centro) che longitudinale (A). Allo
stesso modo tendono ad accrescersi verso l’alto, sia fino ad occludere tutti gli spazi disponibili
e livellarsi alla superficie dell’acqua scorrente (B).
Inoltre, come nella litofacies stromatolitica del sistema fossile, anche nel caso del
canale i dati isotopici forniti dalle incrostazioni indicano variazioni stagionali come
suggerito dai valori del 18O che risultano essere strettamente in relazione al periodo di
campionamento. Quelli del 13C (valori medi di +3,0 ‰ circa) invece risentono più
degli effetti locali e del microambiente e suggeriscono una origine della CO2
prevalentemente inorganica (Anzalone, 2004; Anzalone et al., 2007).
5. CONCLUSIONI
Il sistema non marino di Faiano (Pontecagnano, Salerno) già parzialmente
analizzato (D’Argenio et al., 1983; Anzalone, 2004) viene qui riesaminato in chiave
moderna, per interpretare l’ influenza del clima sulle associazioni di litofacies.
L’approccio multidisciplinare (sedimentologico e geochimico isotopico) utilizzato ha
consentito di:
a) studiare questi depositi in termini di sistemi carbonatici continentali complessi dove
è possibile riconoscere differenti ambienti deposizionali (scala metrica e
decametrica), la cui organizzazione interna è fortemente controllata non soltanto da
fattori locali (morfologia, chimismo delle acque, vegetazione igrofila, alghe, ecc.)
ma anche da cicli idrologici, regolati a loro volta dal clima;
b) individuare, anche a scala metrica e centimetrica, una regolare organizzazione
interna delle litofacies che si riflette nella formazione di coppie e sequenze di
coppie, troncate da ricorrenti superfici di discontinuità. Ciò testimonia la natura
“pulsante” (alternanza di periodi di accumulo e non deposizione e/o erosione) della
crescita dei travertini. Questa organizzazione è stata riscontrata sia in altri travertini
a temperatura ambiente (Filetta, Salerno) che in travertini deposti da acque a bassa
termalità (Tivoli, Roma);
c) interpretare la organizzazione verticale delle litofacies (punto b) e la regolare
gerarchia di oscillazioni isotopiche dell’ossigeno e del carbonio in termini climatici,
individuando dei trend regolari che, indipendentemente dalla scala delle strutture (da
28
millimetrica a metrica e decametrica), vanno da intervalli temporali umidi e
caratterizzati da più elevati flussi idrici ad intervalli relativamente più aridi con
flussi più ridotti e con interruzioni più o meno prolungate;
d) comprendere le variazioni climatiche registrate localmente nell’intervallo temporale
analizzato per inquadrarne i risultati ottenuti nelle problematiche di carattere
globale.
RINGRAZIAMENTI
Questo lavoro prende spunto dalle ricerche sui travertini dell’Italia centromeridionale svolte nell’ambito del mio assegno di ricerca presso l’Istituto per
l’Ambiente Marino Costiero, (IAMC), C.N.R. di Napoli. Ringrazio i professori Bruno
D’Argenio e Vittoria Ferreri (Dipartimento di Scienze della Terra, Università Federico
II di Napoli) per essermi stati accanto durante tutto lo svolgimento del lavoro con utili
consigli e discussioni scientifiche, così come il dott. Mario Sprovieri dell’IAMC di
Napoli, per la sua disponibilità nell’ attività di laboratorio e i suggerimenti forniti sulle
problematiche di geochimica isotopica.
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3-7 luglio 2006
30
MONITORAGGIO IDROBIOLOGICO IN UN’AREA MARINA PROTETTA:
“ISOLE CICLOPI” (SICILIA ORIENTALE)
Filippo AZZARO, Ester GANGEMI, Antonella MARINI, Francesco RAFFA
CNR-IAMC Sezione di Messina, Spianata S. Raineri, 86 - 98122 Messina
ABSTRACT
Hydrobiological monitoring in the protected marine area “Isole Ciclopi” (East Sicily)
The Isole Ciclopi Protected Marine Area includes most of the territory of
Acicastello, and is a gem in the heart of the Ionian coastal area of Sicily. The area
covers a surface of 623 hectares, from Punta Aguzza to Capo Molini. In the frame of the
Project Cluster 10 funded by the Italian Ministry of Research a characterization of the
hydrological, chemico-physical and biological features of the Marine Protected Area
“Isole Ciclopi” has been performed during an annual monitoring (March 2003 - March
2004). The trends of the chimico-physical parameters of the water column exhibited a
seasonal cycle with thermo-haline stratification (surface max ~28,7 °C and ~38.9) from
spring to late autumn and homogeneity in winter (temperature ~14.2 °C and salinity
~38.07). The concentration minima of the nutrient of N and P have been in spring (1.36
µM and 0.16 µM, respectively). Higher values are found in the deep layers in winter
(~6.80 µM of nitrogen and ~0.65 µM of orthophosphates). During the seasonal cycle,
average phytoplanktonic biomass showed rather low values (0.20±0.14 µg l-1). Vertical
profiles show a recurrent maximun between 35 and 50 m (Max 0.58 µg l-1 in March
‘03). The average phytoplankton density has been maintained over 150 103 cell l-1.
Spring blooms of diatoms and “other phytoplankton” classes took place in zones A and
C of the Protected Marine Area (max: 2 106 cell·l-1 in zone A; max: 192 103 cell l-1 over
the DCM -10m in zone C). The phytoplankton has been sustained also in the summer
months from the availability of nutrients, being not limited in this season by
thermocline development.
RIASSUNTO
Nella costa orientale della Sicilia nel comune di Acicastello (CT) è situata l’Area
Marina Protetta, denominata "Isole Ciclopi”, delimitata a Nord da Capo Molini e a Sud
da Punta Aguzza (623 ettari). Nell'
ambito dei programmi Cluster 10 e monitoraggio
costiero della Regione Siciliana è stata svolta una caratterizzazione idrologica e
biologica dell’AMP "Isole Ciclopi", da marzo 2003 a marzo 2004.
I risultati del monitoraggio, del transetto costa-largo, mostrano il tipico andamento
della temperatura e della salinità nei cicli stagionali con valori più alti nei mesi estivi
(massimo in superficie di ~28,7 °C e di ~38.9) e valori più bassi nei mesi invernali,
31
rilevando lungo tutta la colonna d’acqua valori di temperatura di ~14.2 °C e salinità di
~38.07. I valori minimi dei nutrienti di N e P sono stati evidenziati nei mesi primaverili
(rispettivamente 1.36 µM e 0.16 µM) con tendenza ad aumentare nei mesi estivi per
raggiungere i valori massimi in inverno di ~6.80 µM di azoto e ~0.65 µM di fosforo
disciolto alla quota più profonda. La biomassa fitoplanctonica ha fatto registrare valori
medi nell’arco dell’anno di 0.20±0.14 µg l-1 evidenziando i valori massimi alle quote tra
35 e 50 metri (Max 0.58 µg l-1 in marzo 03’). Le medie dei valori della densità del
fitoplancton si sono mantenute sopra le 150 103 cell l-1. Blooms primaverili delle classi
delle diatomee e dell’“altro fitoplancton” si sono verificati nelle zone A e C dell’Area
Marina Protetta (max: 2 106 cell·l-1 in zona A; max: 192 103 cell l-1 sopra il DCM in
zona C). Il fitoplancton è stato sostenuto anche nei mesi estivi dall’alta disponibilità di
nutrienti che in questa stagione non sono limitanti a causa dello sviluppo del termoclino.
1. INTRODUZIONE
Le riserve naturali marine «sono costituite da ambienti marini, dati dalle acque,
dai fondali e dai tratti di costa prospicenti che presentano un rilevante interesse per le
caratteristiche naturali, geomorfologiche, fisiche, biochimiche con particolare riguardo
alla flora e alla fauna marine e costiere e per l’importanza scientifica, ecologica,
culturale, educativa ed economica che rivestono» (art. 25, L. 979/82). Infatti, la Riserva
Marina Isole Ciclopi è caratterizzata da formazioni naturali che costituiscono un unicum
biologico, geovulcanologico ed ambientale. Essa include la piattaforma continentale
basaltica che, come è noto, è la zona più ricca dal punto di vista faunistico e flogistico
ma anche la più vulnerabile in relazione alle attività antropiche reali e potenziali. La
morfologia dei fondali e la varietà di ambienti favoriscono la presenza di un elevato
numero di specie animali e vegetali che fanno dell’arcipelago dei Ciclopi uno dei siti a
più alta biodiversità dell'
intero litorale ionico. Inoltre, rappresenta l'
area principale di
contatto tra fauna marina tirrenica e ionica ed un importante sito di ripopolamento
marino. Nonostante l’elevata biodiversità dell’area e quindi il rilevante interesse
scientifico, pochi studi, in ogni settore, sono stati condotti in questo tratto di mare e
quasi tutti concentrati in questi ultimi anni: componenti bentonica (Cantone et al., 2003;
Russo et al., 2004), componente planctonica (Minutoli et al., 2005; Bergamasco et al.,
2005) e qualità ambientale (Sanfilippo et al., 2004). In relazione a questa premessa e per
dare un ulteriore contributo alla conoscenza del sito dal punto di vista idrobiologico è
stata intrapresa nell’AMP “Isole Ciclopi”, nell'
ambito del Programma Cluster 10
finanziato dal MIUR, un’attività di rilevamento che integrava quelle svolte
istituzionalmente dai programmi di monitoraggio nazionali delle acque marino costiere
(ARPA Sicilia).
32
2. MATERIALI E METODI
2.1. Area di studio
Nella costa orientale della Sicilia nel tratto di mare antistante il porticciolo di
Acitrezza (CT) è stata istituita nel 1989 l’Area Marina Protetta (AMP), denominata
“Isole Ciclopi” (Fig. 1). La sua superficie è di 623 ettari, che racchiude il piccolo
arcipelago delle Isole dei Ciclopi ed è delimitata a Nord da Capo Molini e a Sud da
Punta Aguzza e dal tratto di mare compreso fino all’isobata dei 100 metri. La zona A di
riserva integrale è circoscritta tra la batimetria dei 10 ed i 50 metri di profondità
all’interno di una fascia di circa 35 ettari che circondano le isole. La morfologia della
riserva comprende un gruppo di faraglioni (Ciclopi, Lachea, Faraglioni grande e
piccolo) e una costa frastagliata, formatasi dal sollevamento della piattaforma
continentale basaltica e dalle antichissime colate del vulcano Etna.
Fig. 1 – Posizione delle stazioni nell’A.M.P. Isole Ciclopi.
Sotto l’aspetto idrodinamico il tratto costiero della Sicilia Orientale è interessato
dal regime correntometrico parallelo alla costa e con inversione di 180° in relazione alle
maree dello Stretto di Messina. Questo comporta che, il contributo più importante dei
nutrienti dell’intera area è dovuto all’apporto continuo di sostanze nutritive che sono
veicolate dalle correnti generate nello Stretto di Messina. Inoltre, quando avviene la
rottura del termoclino (autunno-inverno), prevale la risalita delle acque ioniche
profonde, evento dovuto ad una piattaforma continentale ristretta, che a partire
dall’isobata dei 100 m giunge oltre i 1000 m di profondità con una repentina pendenza.
Come descritto da Böhm et al. (1987) nell’area costiera della Sicilia Orientale le masse
33
d’acqua presenti nei primi 100 metri sono la Ionian Surface Water nello strato
superficiale (0-30 m), mentre al di sotto di essa vi è la presenza di un’acqua che si
genera a nord in prossimità dello Stretto di Messina ed è la risultante del mescolamento
tra Tyrrhenian Surface Water e la Levantine Intermediate Water, denominata Messina
Mixed Water (MMW) da Raffa e Hopkins (2004).
2.2. Modalità di campionamento ed analisi dei campioni
I rilevamenti sono stati effettuati da marzo 2003 a marzo 2004 con l’ausilio della
MB/R Luigi Sanzo. I parametri sono stati rilevati con cadenza quindicinale in due
stazioni situate in zona A (Fig. 1), rispettivamente sulla batimetrica dei 20 (St. 1) e dei
50m (St. 2) e mensilmente in una stazione esterna situata in zona C (St. 3 batimetrica
dei 100 m). Il campionamento è stato eseguito in superficie, per l’analisi dei sali di
azoto e fosforo e fitoplancton, mentre lungo la colonna d’acqua, i parametri presi in
esame sono stati: temperatura, conducibilità, ossigeno disciolto e fluorescenza. In zona
C sono state campionate in aggiunta tre quote per la distribuzione verticale
fitoplanctonica sopra il DCM (Deep Chlorophyll Maximum), al DCM e sotto lo stesso. I
profili verticali sono stati effettuati utilizzando un CTD (SEA-BIRD 9/11plus) completo
di sensori di temperatura, conducibilità, pressione, SBE 43 per la misura dell'
ossigeno
disciolto e fluorimetro Turner (SCUFA2) per la determinazione della fluorescenza da
clorofilla a. I campioni d’acqua sono stati prefiltrati a bordo su retini di nylon di maglia
200 µm e quindi filtrati su membrane Whatman GF/F per la determinazione di nutrienti
(ammoniaca, nitriti, nitrati, ortofosfati). L’acqua filtrata è stata distribuita in provette in
polipropilene (NH4, NO2, NO3 e PO4) per poi essere congelati a –20 °C fino alle
successive analisi di laboratorio. Le determinazioni degli ortofosfati, nitriti e nitrati sono
state effettuate secondo le metodiche descritte da Strickland e Parsons (1972), mentre
l’ammoniaca è stata analizzata secondo il metodo di Aminot e Chaussepied (1983);
come spettofotometro è stato usato un Cary 50 Varian. I campioni per la determinazione
quali-quantitativa del fitoplancton sono stati raccolti in bottiglie di vetro scuro da 250
ml e fissati in soluzione Lugol (2 ml in 250 ml). La sedimentazione è avvenuta in
cilindri da 100 ml e l’analisi è stata eseguita per campi nel caso dei flagellati, mentre per
gli altri taxa è stata investigata mezza camera o, in caso di abbondanze elevate,
procedendo per campi. Le analisi quali-quantitative sono state effettuate utilizzando un
invertoscopio Zeiss (200X o 400X) e arrivando sempre a livello di genere.
3. RISULTATI E DISCUSSIONE
L’andamento delle isoterme in primavera, nel transetto costa-largo, (Fig. 2) ha
evidenziato temperature sotto costa di poco superiori alle temperature del largo (14.8
°C). Nelle stazioni più esterne, il campo termico ha mostrato acque in profondità più
fredde (14.4 °C) di quelle circostanti, che si spingono verso la superficie. La
stratificazione in estate determina il termoclino alla quota di 10 m (25 °C) nella stazione
sotto costa e alla quota di 25 m (23 °C) nella stazione più profonda.
34
Profondità (m)
1
2
3
1
0
2
3
2,19
-10
-20
-20
-20
-20
-30
-30
-30
-30
-40
-40
-40
-40
-50
-50
-50
-60
-60
-70
-70
-50
-60
P RIMAVERA
-80
-80
-90
-90
-100
0
0.5
1
1
0
0.5
1
1,07
-20
-20
-20
-30
-30
-30
-30
-40
-40
-40
-40
-50
-50
-50
-50
-60
-60
-60
-70
-70
-90
-90
-100
0.5
1
-10
-20
-20
-20
-30
-30
-30
-40
-40
-40
-50
-50
-50
-60
-60
-70
-70
AUTUNNO
-80
-80
-90
-90
-100
-100
0
0.5
1
1
0.5
-40
-50
-50
-50
0.5
Distanza (km)
1
-80
2,33
0,85
0,98
-10
2,48
-20
-30
3,53
-60
-60
-70
-70
Velocità (cm s -1)
0
0.5
Distanza (km)
Salinità
-90
1
-70
0.5
-50
-60
-100
0
-60
-40
-80
Temperatura (°C)
-50
-20
-30
-90
5,57
-40
-10
-40
-80
5,87
-30
0
-30
INVERNO
0,36
-20
1
-40
-70
1,01
-100
0
-30
-60
5,35
-90
-20
-20
-80
-10
0
-10
-10
-100
0.5
0
-10
-70
0,91
-100
0.5
-10
-60
0,29
-90
0
1
0,38
-70
0
-100
0
3,32
-100
0
-20
-80
0,59
-90
-10
-80
1,74
-80
-10
ESTATE
µ M NO3
-70
0.5
-10
-60
1,90
-60
0
-10
-70
Profondità (m)
1
-10
-100
Profondità (m)
3
-10
-70
Profondità (m)
2
-10
-70
1
-80
0
0.5
1
Fluorescenza (µg l -1)
-90
-100
0
0.5
Distanza (km)
Distanza (km)
Fig. 2 – Distribuzione di: Temperatura, Salinità, Velocità e Fluorescenza indotta lungo la colonna d’acqua
e azoto nitrico in superficie (St. 1-2) e alle quote indicate (St. 3).
35
2,52
1
Le isoterme comprese tra 24 e 20 °C risultano inclinate verso il largo, mentre al di sotto
di 25 metri l’andamento risulta più uniforme lungo il transetto come indicato dalle
isoterme da 19 a 15 °C. In autunno l’andamento termico è analogo a quello estivo con
temperature superficiali a costa di 20 °C ed al largo di 22 °C, mentre il termoclino è
visibile principalmente alla stazione esterna ad una profondità intorno a 40m, con
temperature che variano da 21 a 17 °C in pochi metri. La perdita di calore degli strati
superiori in inverno, rende quindi la colonna d’acqua omogenea a 14 °C.
La salinità, in primavera (Fig. 2), è scarsamente stratificata, con valori di 38.1
nella stazione interna e 38.2 nella stazione intermedia; tra questa e la stazione esterna si
osserva un aloclino positivo fra 40 e 60 m con valori fino a 38.5 a 100 m. In estate si
rileva la presenza di un minimo estivo di 38.3 nella stazione costiera, mentre nelle
stazioni più esterne, il valore fra 20 e 70 m è di 38.4. In superficie (0-10 m) sono stati
misurati i valori massimi (38.7) a causa del riscaldamento degli strati superficiali. Nella
stagione tardo-estiva si osserva la risalita delle acque ioniche, sia in prossimità della
costa (38.6), che al largo, dove la salinità in superficie raggiunge 38.8; in inverno
diminuisce in modo omogeneo arrivando a 38.2, con valori lievemente superiori oltre i
60m nella stazione esterna (38.4-38.5).
La distribuzione della velocità della corrente attraverso il transetto (Fig. 2)
presenta in primavera un andamento parallelo alla batimetria costiera. I valori negativi
indicano velocità dirette a sud, e variano da costa verso il largo fra -10 e -70 cm sec-1,
diminuendo con la profondità. Le isolinee in estate, mostrano l’inversione della
direzione prevalente della corrente tra le stazioni esterne al di sotto dei 20 metri, con
valori massimi di corrente diretta a sud di -70 cm sec-1 intorno a 35 m, mentre tra le
stazioni interne ed in superficie la corrente è diretta a nord e supera 70 cm sec-1. In
autunno l’andamento della corrente a costa rimane diretto a nord, al largo la corrente
diretta a sud aumenta in modulo e raggiunge la superficie. In inverno le variazioni di
corrente sono poco apprezzabili.
L’andamento annuale delle variazioni di densità nella stazione più costiera (St. 1)
tra la superficie ed il fondo (Fig. 3), mostra l’omogeneità della colonna d’acqua, con
valori medi di 27.6±1,2σt. I valori di densità in primavera sono ~28.0σt mentre in estate
sono più bassi (~25.0σt), condizionati principalmente dalle temperature superiori a 28
°C. In autunno superano il valore di 28.0 σt raggiungendo 28.7 σt in inverno, valori
influenzati in questo caso dalla presenza di acque con salinità fino a 38.75. Le isopicne
28,0 e 28,5σt sostengono la presenza del DCM primaverile oltre i 10m. Nella stazione
costiera la fluorescenza indotta da clorofilla a (Fig. 3) durante il ciclo annuale ha
presentato valori piuttosto bassi (0.20 µg l-1) con minimo in superficie e nei mesi estivi
(0.05 µg l-1). Alle stazioni più profonde (Fig. 3), nei primi 20 metri per la densità non
sono evidenti significative differenze tra i valori misurati nelle differenti stazioni,
rispecchiando quanto già descritto per la stazione costiera. bassi (0.20 µg l-1) con
minimo in superficie e nei mesi estivi I valori di densità medi riscontrati sono di 27.9
±1,0 σt. La stratificazione si osserva a quote più profonde dalla primavera fino al tardo
autunno, a partire dai 30 m e fino al fondo. Dalla stagione autunnale e proseguendo con
l’inverno la colonna d’acqua risulta essere più omogenea. La distribuzione verticale
della fluorescenza indotta (Fig. 3), alle stazioni più profonde, è caratterizzata da un
36
Profondità (m)
massimo situato a 35 metri nei mesi primaverili e 50 metri nei mesi estivi (0.20±0.14 µg
l-1). Nei mesi primaverili ed estivi sono stati rilevati i valori massimi di fluorescenza,
rispettivamente di 0.58 e 0.50 µg l-1 mentre in autunno-inverno i valori diminuiscono
drasticamente (0.07 µg l-1) per ricominciare il ciclo con un nuovo incremento nel marzo
successivo (0,53 µg l-1). Per quanto riguarda l’azoto ammoniacale rilevato nelle acque
superficiali costiere (St.1-2 in Zona A) sono stati determinati valori bassi, quasi sempre
<0.5 µM (0.36±0.15 µM), tranne in dicembre in cui nella stazione 2 si è misurato il
valore di 1.5 µM. Il composto azoto nitrico presenta nella stagione primaverile (Fig. 2)
valori che oscillano tra 1 e 2 µM (1.05±073 µM), per poi scendere a concentrazioni
generalmente inferiori a 1 µM, tranne nel mese di febbraio, in cui ambedue le stazioni
presentano concentrazioni di ~ 2 µM.
-5
-10
-20
-10
Profondità (m)
St. 1
-15
St.2
-20
-30
-40
-50
-10
St. 3
-20
Profondità (m)
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
-100
Fluorescenza
Densità ------
Fig. 3 – Distribuzione temporale della Fluorescenza indotta e della densità (---).
I valori dell’azoto meno ossidato seguono l’andamento dei nitrati, ma, le
concentrazioni sono spesso inferiori a 0.2 µM (0.1±0.08 µM). Il fosforo solubile (Fig. 4)
è quasi sempre basso (0.15±0.09 µM), con leggeri incrementi in aprile, comuni a
entrambi le stazioni (0.2-0.3 µM). Nella stazione più esterna (St. 3 in Zona C), le
37
concentrazioni dell’azoto ammoniacale, alle quote stabilite, sono state quasi sempre al
disotto dell’unità (0.77±0.72 µM), tranne nei mesi estivi in cui sono stati determinati
valori >2 µM (max 3.35 µM agosto 50m). L’andamento dell’azoto nitrico durante
l’anno (Fig. 2), lungo la colonna d’acqua, (3.19±1.57 µM) ha evidenziato che, alla quota
più profonda, i valori sono quasi sempre maggiori di 3 µM, mentre alle restanti quote si
rilevano concentrazioni massime nei mesi in cui la temperatura dell’acqua è più bassa
(max 6.02 µM novembre 10 m). Come riscontrato nelle acque superficiale delle stazioni
1 e 2, anche nella stazione 3 i valori di azoto nitroso sono quasi sempre inferiori a 0.2
µM, è presenta anche in questo caso lo stesso andamento dell’azoto nitrico. Gli
ortofosfati sono presenti principalmente a 10 metri (0.35±0.26 µM) in cui è stato
determinato il valore massimo di 0.99 µM in agosto (Fig. 4) e novembre (0.69 µM),
invece alle restanti quote i valori sono minori e più omogenei (0.29±0.19 µM), con
incrementi nei mesi invernali (max 0.76 µM 50 m).
Il ciclo annuale della concentrazione di fitoplancton (Fig. 4), nell’area considerata,
mostra un andamento tipico delle acque temperate, ad eccezione degli elevati valori
presenti nei mesi estivi. L’analisi quali-quantitativa del fitoplancton ha evidenziato
nell’intero periodo di campionamento, all’interno delle tre principali classi
(dinoflagellati, diatomee, altro), una dominanza quantitativa della categoria tassonomica
“altro fitoplancton” (Coccolitoforidi, Chlorophyceae indet., Cryptophyceae indet.,
Prasinophyceae indet, Cyanophyceae indet., Euglenophyceae, Silicoflagellati), una subdominanza delle diatomee e una scarsa presenza dei dinoflagellati. Nella classe dei
dinoflagellati è da evidenziare la occasionale presenza di due generi Alexandrium (A. cf.
minutum) e Ostreopsis. Nell’arco dell’intero monitoraggio sono stati segnalati 14 generi
di dinoflagellati e 28 di diatomee.
Le medie dei valori della densità del fitoplancton, sia alla stazione costiera che al
DCM del sito esterno, si sono mantenute sopra le 150 103 cell l-1 con un picco in luglio
della classe delle diatomee al DCM (generi dominanti: Pseudonitzschia e Chaetoceros)
e della classe “altro fitoplancton” nel sito costiero. Anche in primavera le maggiori
densità (max: 2 106cell l-1 in zona A; max:192 103 cell l-1 sopra il DCM (-10 m) in zona
C) sono sempre riferibili al gruppo tassonomico delle diatomee e ai suddetti generi. Nel
sito costiero (St. 1), nei mesi autunnali e invernali, le densità totali non scendono
comunque sotto le 200 103 cell l-1 (media stagionale: 106 cell l-1; mediana: 747 103 cell
l-1). Nella prima quindicina di luglio in corrispondenza di picchi di azoto nitrico si sono
verificati picchi della densità totale del fitoplancton che ha raggiunto valori di 1 e 3 106
cell l-1, attribuibili alla classe “altro fitoplancton”. Nei mesi primaverili le maggiori
densità totali di fitoplancton (2 106 cell l-1) sono invece riferibili al gruppo tassonomico
delle diatomee, prevalentemente dominati dai generi Pseudonitzschia (max: 191 103 cell
l-1) e Chaetoceros (max: 569 103 cell l-1).
38
PO4 µ Μ
cell/l l-1
Cell
2,5E+06
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
St.1 (0m)
2,0E+06
1,5E+06
1,0E+06
5,0E+05
Altro
Diatomee
jan
feb
mar
jul
ago
sep
oct
nov
dic
mar
apr
ma
jun
0,0E+00
Dinoflagellati
P-PO4
PO4 µΜ
-1
Cell l
cell/l
2,5E+05
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
St.3 (-10m)
2,0E+05
1,5E+05
1,0E+05
Altro
Diatomee
Dinoflagellati
feb
PO4
-1
Cell l
cell/l
2,5E+05
mar
dic
jan
oct
nov
sep
jul
mar
may
jun
0,0E+00
ago
5,0E+04
St.3 (DCM)
PO4 µ Μ
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
2,0E+05
1,5E+05
1,0E+05
Altro
Diatomee
Dinoflagellati
feb
mar
dic
jan
nov
oct
sep
ago
jun
may
mar
0,0E+00
jul
5,0E+04
PO4
PO4 µ Μ
-1
Cell
cell/l l
2,5E+05
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
St.3 (sotto DCM)
2,0E+05
1,5E+05
1,0E+05
Altro
Diatomee
Dinoflagellati
feb
mar
jan
dic
nov
oct
sep
ago
jun
mar
may
0,0E+00
jul
5,0E+04
PO4
Fig. 4 - Ciclo annuale del fosforo e delle principali classi di fitoplancton alle stazioni 1-3.
4. CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE
Dai risultati ottenuti è emerso che la stazione più esterna (Zona C) dell’AMP Isole
Ciclopi, risente maggiormente, rispetto alle stazioni in zona A, degli apporti dei
nutrienti veicolati dalle correnti dello Stretto di Messina e dei movimenti verticali delle
masse d’acqua più profonde ricche di nitrati, che risalgono in autunno-inverno. Le
stazioni più costiere sono sottoposte all’influenza del porto di Acitrezza e questo è
evidenziato soprattutto dai parametri biologici. Infatti, la presenza dei generi
appartenenti alla classe dei dinoflagellati come Alexandrium (A. cf. minutum) e
Ostreopsis, sono tipici di zone marine chiuse o semichiuse. Anche a livello batterico,
39
come riportato da altri autori (Sanfilippo et al., 2004), sono state riscontrate l’esistenza
di Coliformi fecali, considerati indici di contaminazione antropica. Quanto detto, però
non ha inficiato il valore dell’indice trofico TRIX che per tutto l’anno in esame per
AMP Isole Ciclopi (Intravaia et al., 2006) è stato “elevato” (2-4), secondo il D. Lgs
152/99. Tutto ciò è sicuramente dovuto all’idrodinamismo dell’area, che riesce ad
annullare l’eventuale intromissioni di sostanze antropiche che potrebbero alterare
l’ecosistema. Anche la stazione posizionata in zona C risente degli effetti della
massiccia presenza di villeggianti, che nei mesi estivi risiedono lungo la costa. Questo è
evidenziato dall’incremento dei parametri chimici, come lo ionio ammonio e gli
ortofosfati che in tale periodo raggiungono i loro valori massimi. Infatti, è noto che le
acque nere degli insediamenti limitrofi si infiltrazione nel sottosuolo basaltico e
defluiscono in mare (Relazione sullo Stato dell’Ambiente in Sicilia, 2002).
L’andamento annuale del fitoplancton è tipico delle zone temperate con picchi autunnali
e primaverili attribuibili alla classe delle diatomee ad eccezione dei mesi estivi quando è
sostenuto dalla disponibilità dei nutrienti, che in questa stagione nello strato superficiale
(0-50) non sono limitanti.
Quest’ultima osservazione conferma ancor di più che l’AMP Isole Ciclopi è un
ambiente da tutelare poiché, quando negli altri ecosistemi marini nei mesi estivi i
nutrienti sono limitanti per l’instaurarsi del termoclino, in quest’area la quantità di azoto
nitrico e fosforo disciolto è sufficiente a mantenere gli anelli trofici superiori.
BIBLIOGRAFIA
Aminot A. & Chaussepied M. 1983. Mannel des analyses chimiques en milieu marin.
Centre National pour l’Exploration des Oceans: 395 pp.
Bohm E., Magazzù G., Wald L. & Zoccolotti M.L. 1987. Coastal currents on the
Sicilian shelf south of Messina. Oceanologica Acta, 10(2): 137-142.
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3-7 luglio 2006
41
TASSI DI CONSUMO DI O2 NELL’EPI-, MESO- E BATIPELAGO
DEL MAR TIRRENO
Maurizio AZZARO1, Rosabruna LA FERLA1, Giovanna MAIMONE1, Rosario
LAVEZZA2, Maurizio RIBERA D’ALCALÀ2
1
2
CNR - Istituto per l’Ambiente Marino Costiero (IAMC), Sezione di Messina
Laboratorio di Oceanografia Biologica, Stazione Zoologica A. Dohrn - 80100 Napoli
ABSTRACT
Oxygen consumption rates in the epi-, meso- and batipelagic zones of the Ionian Sea
The vertical distribution of the respiratory activity of microplankton assessed
through the respiratory activity of the electron transport system (ETS) in particulate
matter was studied in the epi-, meso- and bathypelagic zones of the Tyrrhenian Sea
(Mediterranean Sea). Epipelagic ETS data were compared to the oxygen changes in
samples incubated in dark bottles at in situ temperature from the same seawater
samples. The two measurements were related by the regression OUR ( l O2 h-1 dm-3)
=0.661 x ETS – 0.023. Using this relationship for the epipelagic (0<z 100 m) ETS data
and an empirically determined algorithm for the meso- (100<z 1000 m) and
bathypelagic (1000<z 3000 m) zones we, have calculated an oxygen utilization rate of
7.6, 5.2, and 7.7 ml O2 h-1 m-2 in the three zones studied along the vertical. The same
mesopelagic/bathypelagic ratio (0.7) in this study and in the Ionian Sea are let us
suppose a biogeochemical implication due to the Eastern Mediterranean Transient
(EMT) event.
RIASSUNTO
La distribuzione verticale della respirazione del microplancton, determinata
quantificando l’attività del sistema di trasporto degli elettroni (ETS), è stata studiata
nell’epi-, meso- e batipelago del Mar Tirreno (Mar Mediterraneo). I dati ETS
determinati nell’epipelago sono stati calibrati con delle misure al buio di utilizzazione
comunitaria dell’ossigeno in vitro [OUR ( l O2 h-1 dm-3)=0,661 x ETS – 0,023] ottenute
dai medesimi campioni d’acqua. Usando questa relazione per i dati ETS registrati
nell’epipelago (0<z 100 m) e un algoritmo determinato empiricamente per il meso(100<z 1000 m) e batipelago (1000<z 3000 m), abbiamo calcolato un tasso di
utilizzazione di O2 di 7,6 ml O2 h-1 m-2, 5.2 ml O2 h-1 m-2, and 7.7 ml O2 h-1 m-2 nelle tre
zone studiate lungo la verticale. Il medesimo rapporto meso/batipelago (0,7),
determinato nel Mar Ionio ed in questo studio, indica che l’acclamata propagazione
dell’EMT (Eastern Mediterranean Transient) dal Mar Ionio al Mar Tirreno, ha già
43
causato in quest’ultimo delle implicazioni biogeochimiche a carico del biota marino
profondo.
1. INTRODUZIONE
La respirazione microbica nell’ambiente marino riflette il costo metabolico per la
sopravvivenza di questi organismi e, nella zona fotica, riguarda anche gli organismi
autotrofi che producono i substrati su cui essa si basa. Produrre stime quantitative di
respirazione è un passaggio essenziale per dedurre il fabbisogno organico lungo la
colonna d’acqua e quindi stimare i flussi di energia attraverso la rete trofica (del Giorgio
& Williams, 2005).
Nell’ambiente epipelagico la respirazione è generalmente bassa e quindi difficile
da misurare con metodiche dirette (Robinson & Williams, 2005). Nel mesopelago ed
ancor più nel batipelago queste difficoltà si accentuano perché il metabolismo
ossidativo viene limitato dalla minore disponibilità di “carburante organico” per lo più
refrattario e dalle basse temperature che rallentano i tassi metabolici (Arístegui et al.,
2003).
Al fine di superare le difficoltà metodologiche nella stima della respirazione
microbica in tali ambienti che limitano l’informazione necessaria per studi su larga scala
spaziale, durante una recente campagna oceanografica in un ambiente pelagico
mediterraneo, abbiamo accoppiato due differenti tecniche. La prima si basa sullo studio
del potenziale respiratorio determinato quantificando l’attività del sistema di trasporto
degli elettroni (ETS), mentre la seconda sulla determinazione del consumo di ossigeno
di un campione in vitro (OUR).
In questo studio viene presentata la distribuzione verticale dei tassi respiratori del
microplancton nel Mar Tirreno e quantificato, per la prima volta in questo ambiente, il
tasso di utilizzazione di O2 (OUR) del comparto microbico nell’epi-, meso- e
batipelago.
Nel contesto della campagna oceanografica CIESM-SUB2 (dicembre 2005)
svoltasi a bordo della N/O Urania nel Mar Tirreno, campioni d’acqua sono stati raccolti
in diverse stazioni dalla superficie al fondo, per la determinazione dei tassi di
utilizzazione di O2 da parte degli organismi microplanctonici. I campioni d’acqua sono
stati preventivamente prefiltrati su un retino con una maglia di 200 m, per rimuovere gli
organismi più grandi, e concentrati su filtri di fibra di vetro GF/F Whatmann.
Nella zona eufotica, i tassi respiratori sono stati determinati con due metodi:
saggiando l’attività del Sistema di Trasporto degli Elettroni (ETS) e misurando il
consumo comunitario di ossigeno al buio (Packard & Williams, 1981). La relativa
sensibilità e velocità del saggio ETS permette di collezionare molti campioni
oceanografici, ma fornisce tassi potenziali (Vmax) che necessitano l’utilizzo di fattori di
conversione per trasformarli nei reali tassi fisiologici di consumo di O2. A tal proposito
44
abbiamo calibrato i dati ETS raccolti nella zona eufotica con delle misure al buio di
utilizzazione comunitaria dell’ossigeno in vitro (OUR). Quest’ultimo metodo fornisce
una delle più semplici stime della respirazione della comunità che può essere
direttamente relazionata all’ossidazione della materia organica, anche se ha bisogno di
tempi di incubazione lunghi ed non è facilmente praticabile se si vogliono collezionare
un gran numero di campioni.
Nella zona afotica i tassi respiratori sono stati determinati utilizzando il saggio
ETS e il fattore di conversione OUR/ETS descritto da Packard et al. (1988).
In figura 1a è rappresentato l’andamento medio dell’attività ETS con le relative
deviazioni standard lungo la colonna d’acqua. In generale i tassi più alti di attività sono
stati registrati nell’epipelago (0<z 100 m; fig 1a, zoom in basso a destra), con un valore
medio massimo a 20 metri di profondità (0,18 ± 0,10 l O2 h-1 dm-3) ed un minimo a 65
metri (0,08 ± 0,03 l O2 h-1 dm-3).
b)
a)
-1
-3
l O2 d-1 dm-3
l O2 h dm
Fig. 1: a) distribuzione dell’andamento medio dell’attività ETS e delle relative deviazioni standard;
b) distribuzione dei tassi di utilizzazione di O2 nell’epi-, meso- e batipelago.
Nel meso- (100<z 1000 m) e batipelago (1000<z 3000 m) l’attività decresceva
con la profondità, fino ad un minimo di 0,04 l O2 h-1 dm-3 determinato a 2500 metri.
45
Due picchi di attività sono stati determinati nel mesopelago a 500 metri (0,09±0,03 l
O2 h-1 dm-3) e nel batipelago a 3000 metri (0,06±0,03 l O2 h-1 dm-3) in corrispondenza
rispettivamente, delle acque levantine e dello strato più profondo a contatto con il
sedimento. Al fine di determinare il tasso fisiologico respiratorio nei tre strati (OUR;
Fig. 1b), abbiamo calibrato il dataset di ETS determinato nell’epipelago con il rapporto
OUR/ETS determinato in questo studio (Fig. 2) e nel meso- e batipelago con il rapporto
(OUR/ETS = 0,086) adottato da Packard et al. (1988) per le acque profonde.
Dall’integrazione con il metodo trapezoidale dei dati di OUR nei tre strati
principali esaminati, è emerso un consumo orario per metro quadro di 7,6 ml O2, 5,2 ml
O2 e 7,7 ml O2, rispettivamente nell’epi-, meso e batipelago. Complessivamente quindi
è risultato che nel periodo di studio solo il 37 % della respirazione avveniva nello stato
epipelagico, mentre la restante parte avveniva nella zona afotica (62 %), ed in
particolare nel batipelago (38 %).
-3
-1 -1
OUR
(µl(µl
O2Oh2-1hdm
OUR
l ))
0,2
OUR = 0.661 x ETS - 0.023
R2 = 0.79
0,1
0
0
0,1
0,2
0,3
-3
ETS
(µl(µl
O2Oh2-1h-1
dm
ETS
l-1))
Fig. 2 – Rapporto OUT/ETS nell’epipelago.
Tali risultati confermano le ultime tesi su un contributo importante lungo la
colonna d’acqua dell’attività biologica profonda nel Mediterraneo rispetto agli oceani
(Christensen et al., 1989) ed in particolare nel Mar Ionio a causa dell’evoluzione
dell’EMT (La Ferla et al., 2003).
I valori di OUR nel meso- e batipelago determinati in questo studio erano simili a
quelli determinati nei medesimi intervalli di profondità (mesopelago: 100<z 1000 m;
batipelago: 1000<z 3000 m), nel Mar Ionio da La Ferla e Azzaro (2001) (5,0 ml O2 h-1
m-2 nel mesopelago; 7,1 ml O2 h-1 m-2 nel batipelago), ma più alti di quelli determinati
nel Mediterraneo Occidentale da Christensen et al. (1989) (2,9 ml O2 h-1 m-2 nel
mesopelago; 2,4 ml O2 h-1 m-2 nel batipelago). Il medesimo rapporto meso/batipelago
(0,7), determinato nel Mar Ionio ed in questo studio, indica che l’acclamata
propagazione dell’EMT dal Mar Ionio al Mar Tirreno (Gasparini et al., 2005), ha già
causato in quest’ultimo delle implicazioni biogeochimiche a carico del biota marino
profondo.
46
RINGRAZIAMENTI
Si ringrazia il Sig. F. Soraci (IAMC-CNR sez. di Messina) per l’assistenza tecnica
in campo ed in laboratorio e i tecnici F. Genovese e M Furnari per l’assistenza nella
logistica della campagna. La presente ricerca è stata condotta grazie ai finanziamenti
della CIESM e del Progetto VECTOR.
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3-7 luglio 2006
47
GEOCHEMISTRY AND GRAIN SIZE OF SURFACE SEDIMENTS OF THE
GULF OF MANFREDONIA (SOUTHERN ADRIATIC SEA)
Gabriella BARTHOLINI1, Federico SPAGNOLI1, Enrico DINELLI2
1
2
ISMAR-CNR Sezione di Ancona, Largo Fiera della Pesca, 2 – 60100 Ancona
Università degli Studi di Bologna, Centro di Ricerca per le Scienze Ambientali, Via
Sant’Alberto, 163 – 48100 Ravenna
RIASSUNTO
Composizione biogeochimica e granulometrica dei sedimenti superficiali del Golfo di
Manfredonia (Adriatico Meridionale)
Granulometria e composizione biogeochimica dei sedimenti superficiali del Golfo
di Manfredonia (Adriatico Meridionale) sono state analizzate per definire la
provenienza e i processi di trasporto e deposizione attivi nel golfo. Il golfo è
caratterizzato da basse profondità e scarso idrodinamismo ed è considerato un’area
complessa dove la pressione antropogenica gioca un ruolo importante per fenomeni di
inquinamento e alterazione dell’ecosistema marino. Variazioni nella composizione
biogeochimica e granulometrica sono legate a differenti tipi di sedimento che riflettono
le condizioni idrodinamiche caratterizzanti il golfo e il mescolamento tra sedimenti
provenienti dal fiume Ofanto con quelli trasportati dalla corrente Nord adriatica.
ABSTRACT
Grain size and biogeochemistry of surface sediments of the Gulf of Manfredonia
(Southern Adriatic Sea) were analyzed to define sources and transport and depositional
processes active in the gulf. This gulf is characterized by shallow depths and limited
circulation and is considered a complex area, where anthropogenic pressure plays an
important role for pollution and alteration of the marine ecosystem. Variations in
element concentrations and grain size composition appears related to different sediment
types reflecting the hydrodynamic of the gulf and the mixing between sediments
supplied by Ofanto River and the North Western Adriatic current inputs.
1. INTRODUCTION
The present work provides results of biogeochemical and sedimentological
investigations carried out in the Gulf of Manfredonia (South-Western Adriatic Sea).
Geochemical parameters (major and trace elements), grain size (sand, silt and clay),
organic carbon and total nitrogen were determined in surface sediments. The aims were
49
to define sediment sources and transport and depositional processes active in the Gulf of
Manfredonia. Samples from the main drainage system (Ofanto River) in the area were
also collected and analyzed to better constrain the provenance of sediments.
The Gulf of Manfredonia is a shallow gulf (< 30 m) located on the South-East of
the Gargano promontory (Fig. 1), it is characterized by limited circulation and high
productivity (Damiani et al., 1988; Cattaneo et al., 2003). Within the gulf a clockwise
gyre is often observed induced by dominant winds blowing from N-NE-NW. The
offshore area (> 50 m of depth) is affected by a coastal southward current which flows
along the whole western Adriatic coast and intercepts sediment plumes of Po River an
Apenninic rivers (Pigorini, 1968; Curzi & Tomadin, 1987; Artegiani et al., 1997).
Continental inputs in the gulf are mainly represented by the Ofanto River, other streams
display limited contribution to the sediment supply.
2. MATERIAL AND METHODS
Surface (0-1 cm) sediment samples in 73 station were collected by a box corer
during an extensive biogeochemical survey in the Gulf of Manfredonia (September
2002-March 2003; Fig. 1). In each sample major and trace element analyses were
carried out by X-ray fluorescence spectrometry (Philips PW 1480), Loss on Ignition
(LOI) was evaluated after overnight heating at 950 °C, grain-size was determined by a
laser grain size meter (Malvern Mastersizer 2000s) following the classification of
Shepard (1954), total and organic carbon and total nitrogen content were determined by
a CHN elemental analyzer (for organic carbon carbonates were removed by vapor phase
acidification with concentrated HCl). 6 samples of bottom sediments (< 180 µm
fraction) of the Ofanto River were also collected and analysed by XRF.
Statistical analyses (R-mode, Q-mode cluster analysis and PCA) were applied on
the whole data sets in order to identify relations between variables and samples
(Bartholini et al., accepted for publication).
Contour lines in areal distribution parameter drawings were obtained by “kriging”
linear interpolation without anisotropy (Surfer 6.01 by Golden Software).
3. RESULTS AND DISCUSSION
Surface sediments in the Gulf of Manfredonia are mainly silts (Bartholini et al.,
accepted for publication). The silt fractions prevail in the central and in the outer areas;
coarse sediments are restricted to two coastal zones where bioclastic fragments are also
abundant; clay fractions are higher in the offshore area in deeper settings; sandy-silty
sediments occur on the South-East of the Gargano Promontory. By the statistical
analysis (Bartholini et al., accepted for publication) it results that silicon and calcium
distributions are related to the coarser fraction (Fig. 1a, c) but their distributions are
differentiated within the gulf. Silica shows higher concentration to the South-East of the
Gargano Promontory, reflecting the abundance of silicate minerals and of sandy
sediments dominated by quartz. Also other elements, such as Zr and Ba, display similar
50
spatial distribution, related, in this case, to the occurrence of heavy minerals. On the
other hand calcium, controlled by the abundance of carbonate minerals, as shown also
by the association with other elements with high affinity with carbonate such as Mg, Sr
and with LOI, shows maxima in two coastal areas (Fig. 1c) where bioclastic concretions
are found. Aluminum is concentrated in the center and in the outer area of the gulf (Fig.
1b) where fine grain sizes dominate. Iron, potassium, most of trace elements, Corg and
Ntot are positively correlated to aluminum and have similar distribution.
Fig. 1 – Map of the Gulf of Manfredonia showing sampling stations (black dots), element (a: SiO2, b:
Al2O3, c: CaO) distribution and provenance index (d: Ce/Ni). In the “d” diagram are indicated the major
features controlling sediment dispersal: a: North Adriatic Current; b: coastal drift from central Adriatic;
longshore drift transporting Ofanto sediment; d: anticyclonic gyre introducing fine-grained sediment of
north and central Adriatic provenance into the gulf.
51
Statistical analysis identified also a particular link between La, Ce, Fe2O3, V, Co,
Ga, Y, Nb (Spagnoli et al., 2005, Bartholini et al., accepted for publication) which
reflects alkaline basic volcanic rocks such as those of the Mt. Vulture volcanic complex
(Beccaluva et al., 2002) transported by the Ofanto River and testified by maxima in Ce
and La close to the Ofanto River mouth.
Based on the elaboration of data collected in the present study and literature it is
possible to suggest a geochemical index (Ce/Ni) useful to discriminate sediment sources
Ce is concentrated in the sediments of the Ofanto River (Bartholini et al., accepted for
publication) being particularly enriched in the alkaline volcanic rocks of the Mt.
Vulture, whereas Ni characterizes the fine-grained sediments of the central Adriatic Sea
(Lucchini et al., 2003) and could be a tracer of the inputs from the areas north of the
Gargano promontory. Thus high Ce/Ni (Fig. 1d) indicate inputs from the Ofanto River
and trace their dispersion along the coastal southern area, while low Ce/Ni are typical of
sediments from Northern and Central Adriatic Sea and are higher in the outer part of the
Gulf and trace the current pattern within the gulf. Intermediate values are recorded in
the center of the gulf suggesting a mixed provenance of sediments, due to clockwise
circulations cells present in the gulf.
4. CONCLUSIONS
Based on our results three distinct sedimentary regions, each with specific
physical and geochemical properties, can be identified within the Gulf of Manfredonia:
a Northwestern coastal area, with relatively coarse-grained sediments, deriving from the
mixing between northern rivers and sediments carried by the N-Adriatic current,
resulting from sorting bottom currents; a central and offshore area, dominated by
deposition of fine sediments with composition similar to North and Central Adriatic Sea
sediments; a Southern and coastal area, characterized by Ofanto River inputs and
occurrence of carbonate rich sediments.
These findings provide useful information on the hydrodynamic circulation in the
gulf: the N-Adriatic Current represents the main source of fine-grained sediments within
the gulf: it flows southward on the offshore of the Gargano Promontory and generate
anticyclonic cells into the central area of the gulf. In the southern area, where the main
supplier is the Ofanto River, the fluvial sediments are transported and redistributed to
N-NW by the anticyclonic current system. Biogenic concretions variably altered by
transport erosion and/or diagenesis give further complexity to the area.
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3-7 luglio 2006
53
FLUSSI VERTICALI DI MATERIALE PARTICELLATO E CISTI DI
DINOFLAGELLATE IN ADRIATICO SETTENTRIONALE
Mauro BASTIANINI, Amelia DE LAZZARI, Alfredo BOLDRIN,
Sebastiano BRUNO, Daniele CASSIN
C.N.R. Istituto di Scienze Marine di Venezia, Castello 1364/A - 30122 Venezia
ABSTRACT
Vertical fluxes of suspended matter and dinoflagellate cysts in the Northern Adriatic
Sea
Sedimentation processes have been studied by considering their seasonal
variations in relationship with main hydrological parameters in a station of the Gulf of
Venice (Northern Adriatic Sea).
Dinoflagellate cysts have also been identified and quantified, providing the first
account of their relative contribution to vertical matter fluxes in the Adriatic sea. Total
mass fluxes are higher during adverse weather conditions inducing sediments
resuspension, while dinoflagellate cysts flux seems to be unaffected by resuspension
phenomena. On the other side a clear seasonal pattern in cysts production is present in
the area.
RIASSUNTO
In questo studio sono state indagate le variazioni temporali dei flussi verticali di
particellato in una stazione localizzata nel Golfo di Venezia (Adriatico Settentrionale).
Per la prima volta in Adriatico questa indagine è stata integrata da uno studio qualiquantitativo delle cisti di dinoflagellate presenti negli stessi campioni, al fine di valutare
il contributo di queste forme ai flussi verticali ed evidenziarne il ciclo stagionale. I flussi
di massa più elevati sono da attribuire a fenomeni di risospensione dovuti
principalmente a fenomeni meteorologici, mentre il flusso delle cisti di dinoflagellate
presenta un andamento stagionale apparentemente non correlato con i fenomeni
risospensivi.
1. INTRODUZIONE
Lo studio dei cicli vitali delle specie planctoniche è essenziale per la
comprensione dello sviluppo e della fenologia di questi organismi nell’ambiente
marino. Uno dei primi passi in questa direzione è lo studio della produzione in situ delle
forme di resistenza, che può essere misurata tramite l’utilizzo di trappole per sedimenti.
55
Questo tipo di indagine è stata effettuata nel Mediterraneo in un numero di casi molto
limitato (Montresor et al., 1998), mentre nel mare Adriatico non sono stati pubblicati
studi specificamente focalizzati sulle forme di resistenza delle dinoflagellate presenti
nel materiale sedimentato. Lo studio è stato integrato con misure idrologiche effettuate
sulla stessa stazione con frequenza mensile e con misure dei parametri meteorologici,
rilevati presso la piattaforma oceanografica “Acqua Alta” del CNR, localizzata a 8 Nm
dalla costa.
In una stazione in Adriatico Settentrionale, posta a 20 Nm ad est di Chioggia
(Venezia), sono stati analizzati i flussi verticali di particellato e della loro frazione
organica, attraverso l’utilizzo di una trappola di sedimentazione automatica Technicap
mod. 4/3 (superficie di raccolta di 0.05 m2) posta a 24 m di profondità (fondo 30 m). Il
periodo di campionamento è stato di 236 giorni, dal 29 aprile al 25 dicembre 2005, con
una frequenza di 10 giorni. Nei campioni da trappola, trattati secondo i metodi descritti
da Heussner et al. (1990), sono stati determinati il flusso di massa totale, il carbonio
organico (Hedges & Stern, 1984) e le cisti di dinoflagellate. Le cisti sono state separate
da subcampioni da trappola mediante setacciatura a 100 e 10 µm. Le osservazioni ed i
conteggi sono stati effettuati tramite microscopio invertito a 200 e 400 ingrandimenti
(Matsuoka & Fukuyo, 2000).
3. RISULTATI
I flussi verticali di particellato misurati rientrano nel range di valori riportato per
l’Adriatico Settentrionale (Giani et al., 2001), con massimi nel periodo autunnale, in
corrispondenza di un’elevata dinamica delle masse d’acqua ed in relazione alla presenza
di venti di forte intensità. I valori di flusso minimi si osservano nel periodo estivo,
durante il quale si è registrato il valore massimo della concentrazione percentuale di
carbonio organico (fino al 10.8 %), e in relazione con i massimi di abbondanza
fitoplanctonica rilevati nella colonna d’acqua. Nel periodo autunnale, in corrispondenza
con i massimi di flusso totale, la concentrazione percentuale di carbonio organico
assume i valori minimi, indicando la presenza di probabili processi di risospensione dei
sedimenti di fondo.
Il valore medio del flusso verticale delle cisti di dinoflagellate è circa 15.000 cisti
m-2 giorno, con picchi relativi in primavera ed in estate e valori massimi a metà di
agosto (fino a 120.000 cisti m-2 giorno). Il rinvenimento di cisti vuote è stato
trascurabile. La forma preponderante osservata nei campioni è stata quella di
Scrippsiella spp.; tale forma è responsabile del massimo osservato ad agosto, quando
rappresentava più del 90 % del totale. Cisti con caratteristiche confrontabili a quelle di
Wolozynskia halophila, come descritta da Kremp et al. (2005), hanno raggiunto
abbondanze notevoli nel periodo 20 maggio – 29 luglio, arrivando a contribuire anche
per oltre il 70 % alla composizione del campione.
56
a)
b)
c)
Fig. 1 - Velocità e direzione del vento (a); confronto tra flusso di particellato totale (TMF) e carbonio
organico in percentuale relativa (b); flusso di cisti di dinoflagellate (c).
57
Altre forme sono state rinvenute nel periodo autunnale con abbondanze rilevanti.
Lingulodinium polyedrum è comparsa nel mese di settembre, arrivando a rappresentare
circa il 90 % del popolamento nel periodo 26 settembre – 6 ottobre. Forme attribuibili a
Alexandrium minutum - tamutum group sono presenti con flussi significativi nel periodo
ottobre – dicembre, raggiungendo l’80 % dei campioni di cisti. Si è inoltre osservata la
presenza sporadica di cisti del gruppo Spiniferites, di Protoceratium reticulatum e della
forma Bicarinellum tricarinelloides.
4. CONCLUSIONI
I massimi di flusso totale sono in rapporto ai fenomeni advettivi che avvengono
prevalentemente nei mesi autunnali e sono legati alle condizioni meteorologiche e
idrodinamiche presenti nel bacino. Nel periodo tardo primaverile-estivo prevalgono gli
apporti verticali dalla colonna d’acqua, come evidenziato dalla presenza di una maggior
componente organica nel particellato sedimentabile. L’entità del flusso verticale di cisti
risulta maggiormente correlata alla componente organica e meno dipendente dai
processi di risospensione del sedimento di fondo, come confermato dalla esiguità del
numero di cisti vuote rilevata nei campioni da trappola.
L’analisi delle cisti di dinoflagellate rinvenute nel materiale sedimentabile ha
mostrato una periodicità nella comparsa delle diverse forme, da correlare a fattori
ambientali e/o trofici ancora non ben definiti. La corrispondenza tra forma vegetativa
nella colonna d’acqua e relativa forma di resistenza nel campione da trappola
concomitante è piuttosto chiara per alcune specie (P. reticulatum, L. polyedrum e A.
minutum) Per altre, tra cui Scrippsiella spp. vengono rilevate abbondanze piuttosto
costanti in colonna d’acqua e picchi molto pronunciati nei campioni da trappola,
indicando una stagionalità del processo di incistamento.
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3-7 luglio 2006
59
TECNICHE MOLECOLARI DI PCR APPLICATE ALL’IDENTIFICAZIONE
DI FITOPLANCTON POTENZIALMENTE TOSSICO IN AREE COSTIERE
DELL’ADRIATICO SETTENTRIONALE
Cecilia BATTOCCHI, Antonella PENNA
Centro Biologia Ambientale, Università degli Studi di Urbino - 61100 Pesaro
ABSTRACT
Identification of potentially toxic phytoplankton in Northern Adriatic costal areas
through molecular methods
Harmful phytoplankton outbreaks in coastal areas are a serious concern for
economic activities, for human health and contribute to the disruption of marine
ecosystems. A reliable and rapid detection of HAB species is an important task of any
monitoring program. In this study, we developed a filtration system for collecting
phytoplankton coupled a PCR based assay using the ITS-5.8S ribosomal regions as
molecular target for the detection of potentially HAB taxa occurring in the NW Adriatic
Sea. This method is proved to be specific and sensitive for qualitative detection of the
target HAB taxa in field samples.
RIASSUNTO
Le fioriture di specie fitoplanctoniche tossiche rappresentano un serio problema
per le attività economiche, per la salute umana e contemporaneamente possono arrecare
danni all’ecosistema marino. La possibilità di una rapida individuazione delle specie
HAB è un importante aspetto di ogni programma di monitoraggio. In questo studio
abbiamo sviluppato un sistema per concentrare le cellule fitoplanctoniche accoppiato a
tecniche di PCR, basate sulla regione ITS-5.8S dell’rDNA, per rilevare la presenza di
specie potenzialmente HAB in campioni ambientali provenienti da aree costiere del Mar
Adriatico Nord-occidentale. Questo metodo si è rivelato essere altamente specifico e
sensibile per l’analisi qualitativa dei taxa algali HAB in campioni di acqua di mare
1. INTRODUZIONE
Negli ultimi decenni la frequenza e l’intensità dei fenomeni di fioriture di
fitoplancton potenzialmente tossico hanno subito un forte incremento sia su scala
mondiale che nel bacino del Mediterraneo. L’attuale sfruttamento delle zone costiere
per scopi economici quali pesca e acquacoltura, e per il turismo può esacerbare
l’impatto di tali fenomeni; inoltre, l’aumento dei trasporti commerciali via mare può
61
agevolare la diffusione di dinoflagellati tossici permettendo l’insediamento di specie
alloctone attraverso lo sversamento delle acque di zavorra. È necessario pertanto
studiare adeguate strategie di controllo che consentano di ottenere una migliore
conoscenza del problema al fine di fornire nuovi strumenti di monitoraggio e gestione
delle zone costiere. Tali attività di monitoraggio si basano in primo luogo sull’
identificazione morfologica e successivamente sulla quantificazione delle specie
fitoplanctoniche presenti.
Tuttavia ciò può risultare laborioso a causa del gran numero di campioni da
analizzare periodicamente; ed inoltre può essere difficile discriminare con certezza tra le
varie specie all’interno di uno stesso genere.
Al contrario le tecniche molecolari applicate a DNA misto di popolazioni
fitoplanctoniche risultano essere metodi rapidi e al contempo altamente specifici e
sensibili. E’ stata infatti riconosciuta l’importanza di tali tecnologie nel rilevamento e
nell’identificazione delle specie fitoplanctoniche tossiche in campioni ambientali.
Queste possono essere le tecniche di amplificazione come la PCR classica o la real-time
PCR, oppure le tecniche di ibridizzazione come la FISH o la Sandwich Hybridization.
(Penna et al., 2000; Litaker and Tester, 2002; Galluzzi et al., 2004; Sako et al., 2004;
Scholin et al., 2006).
Lo scopo di questo lavoro è stato pertanto quello di applicare la tecnica di PCR
per l’identificazione di alcune specie fitoplanctoniche potenzialmente tossiche durante
un’attività di monitoraggio costiero nel bacino Nord-Ovest del Mare Adriatico condotta
nel corso dell’anno 2005.
In questo studio sono stati considerati i seguenti gruppi algali: Alexandrium spp.,
A. minutum, Dinophysis spp., Pseudo-nitzschia spp., Protoceratium reticulatum e
Lingulodinium polyedrum. I siti di campionamento sono localizzati sulle direttrici delle
foci dei fiumi Foglia e Metauro (Pesaro) rispettivamente a 500 e 3000 metri dalla costa.
Il campionamento è stato effettuato mensilmente da gennaio a dicembre 2005,
prelevando ogni mese due campioni per ciascun sito considerato, per un totale di 96
campioni. Il prelievo è stato fatto utilizzando un retino con maglie da 10 µm, sia in
superficie che lungo la colonna d’acqua (da 0 a 12 metri di profondità). L’intero volume
(100 ml) di ogni campione raccolto è stato fissato con Lugol e conservato a +4 °C o a
temperatura ambiente per le successive analisi. Le cellule delle specie HAB target sono
state identificate e contate su aliquote di 2 ml per ciascun campione. L’intera camera di
conta è stata considerata per il conteggio delle specie HAB utilizzando gli ingrandimenti
20x e 40x di un microscopio Zeiss Axiovert 40CFL invertito. Il volume dei campioni di
retinata utilizzato per le analisi molecolari era di 50 ml. Questi sono stati filtrati
utilizzando membrane Isopore con pori di 3 µm (Millipore, USA), ed i filtri sono stati
conservati in etanolo al 95 % a + 4 °C. Per le successive estrazioni di DNA genomico i
filtri sono stati fatti asciugare sotto cappa a flusso orizzontale per eliminare l’etanolo e
posti in eppendorf con soluzione di lisi del Dynabeads DNA Direct Kit (Dynal, A.S.,
Oslo, Norway) o del DNeasy Plant Kit (Qiagen); le procedure di estrazione del DNA
62
genomico sono state eseguite seguendo i protocolli indicati dai kit. Il DNA genomico
estratto è stato quantificato su gel di agarosio utilizzando un gel-doc (Bio-Rad,
Hercules, CA, USA) e diluizioni del marker L100 (MBI Fermentas, Germany) come
riferimento. I primers genere e specie specifici sono stati disegnati sulla regione ITS5.8S del DNA ribosomiale usando il software Oligo 6.65 (Penna et al., 2007), la
specificità di ciascuno di essi è stata testata inizialmente in Blast 2.2 (Basic Local
Alignment Search Tool), e successivamente amplificando i DNA delle specie
microalgali target estratti da culture monoclonali. Ogni miscela di reazione di PCR (25
uL totali) conteneva: 200 µM di ciascun dNTP; 2 pmol di ciascun primer; 4 mM MgCl2;
1X Reaction Buffer (Diatheva; Fano [PU], Italy); 0.4 U di Taq Polymerase (Diatheva;
Fano [PU], Italy) e da 1.0-5.0 ng di DNA target. Le condizioni di PCR utilizzate sono:
denaturazione per 10 minuti a 95 °C, successivamente 35 cicli costituiti da: 30 secondi a
95 °C, 30 secondi 58 °C e 30 secondi a 72 °C, con uno step finale di estensione di 7
minuti a 72 °C. Applied Biosystems DNA Thermo Cycler 2400 (Foster City CA, USA).
I prodotti di PCR sono stati caricati su gel d’agarosio all’1.8 % (w/v) e visualizzati con
gel-doc (Bio-Rad, Hercules, CA, USA).
3. RISULTATI
I campioni di retinate analizzati in questo studio presentavano valori di cellule
HAB target variabili da 5 a 12500 per volume totale di campione processato; in alcuni
casi la concentrazione di tali cellule era al di sotto del limite di rilevabilità del
microscopio ottico, come stabilito in Penna et al. (2007). Il DNA genomico estratto da
tutti i campioni è risultato amplificabile con ciascun primer genere e specie specifico
utilizzato, fornendo solo prodotti di PCR dell’ampiezza attesa e indicando quindi sia la
specificità dei primers stessi sia la validità del metodo di PCR utilizzato. I dati ottenuti
da tale screening genetico sono stati confrontati con quelli ricavati dall’identificazione
cellulare al microscopio ottico.
L’analisi di PCR ha fornito risultati positivi anche nei casi in cui la
concentrazione di cellule target risultava essere inferiore alla soglia di rilevabilità per il
metodo microscopico. Per ciascun genere e specie considerati è stata calcolata la
percentuale di positività (presenza della specie target) ottenuta rispetto al totale dei
campioni processati, sia con il metodo molecolare che con quello di microscopia.
Quindi dalle differenze dei valori calcolate per le due tecniche è risultato che la tecnica
molecolare fornisce sempre un incremento di positività rispetto al metodo di
microscopia. (Fig. 1).
4. CONCLUSIONI
Dal confronto delle percentuali ottenute con i due diversi metodi è emerso che il
metodo molecolare ha fornito in media circa il 40 % di positività in più rispetto alla
microscopia per l’identificazione di ogni genere e specie preso in considerazione.
63
La tecnica di PCR ha inoltre consentito una identificazione certa dei generi e delle
specie di appartenenza delle cellule fitoplanctoniche presenti nei casi in cui era difficile
il riconoscimento morfologico. È stato verificato che tale metodo consente una
maggiore precisione rispetto alla tecnica di microscopia essendo in grado di determinare
la presenza delle specie target anche a concentrazioni al limite della sensibilità per il
metodo ottico.
Pertanto da questo studio emerge come la tecnica di PCR possa essere utilizzata in
campagne di monitoraggio parallelamente alle tecniche di microscopia, aumentando le
capacità di screening delle comunità fitoplanctoniche negli ecosistemi marini costieri.
Percentuale di
positività
100%
75%
50%
+57%
+18%
+25%
+45%
+25%
+36%
Analisi di Microscopia
Analisi di PCR
25%
0%
.
.
.
spp nutum is spp a spp latum edrum
m
i
i
s
u
cu ly
h
dri A.m ophy itzsc .reti L.po
n
a
P
x
Din udo-n
Ale
e
s
P
Fig. 1 - Confronto delle percentuali di positività (presenza delle specie target) ottenute, rispetto al totale
dei campioni processati, con le due tecniche. Per ciascun taxa algale viene indicato l’incremento di
positività del metodo molecolare rispetto al metodo di microscopia.
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65
RELAZIONE FRA IL TASSO DI FISSAZIONE FOTOSINTETICA DEL
CARBONIO E IL TASSO DI CRESCITA DELLA BIOMASSA
FITOPLANCTONICA IN ADRIATICO SETTENTRIONALE
(GOLFO DI VENEZIA)
Anna Maria BAZZONI, Fabrizio BERNARDI AUBRY, Joan COPPOLA,
Alessandra PUGNETTI
C.N.R. Istituto di Scienze Marine (ISMAR), Sezione di Venezia,
Castello 1364/A - 30122 Venezia
ABSTRACT
Relationship between phytoplankton production and growth rate in the Northern
Adriatic Sea (Gulf of Venice)
A comparison between the daily rates of photosynthetic carbon fixation and
phytoplankton growth was carried out seasonally in the North-Western Adriatic Sea
(Gulf of Venice) during 2004 and 2005.
These observations point out and confirm the elevated variability of the
relationships between algal photosynthesis and growth: therefore, great caution should
be used in the analysis and interpretation of primary production data in this ecosystem.
RIASSUNTO
Nel corso del 2004 e del 2005 è stato condotto uno studio (campionamenti
stagionali nello strato superficiale) per confrontare il tasso di fissazione fotosintetica del
carbonio con il tasso di crescita del fitoplancton nell’Adriatico Nord-Occidentale (Golfo
di Venezia), su base giornaliera. Queste osservazioni evidenziano e confermano
l’elevata variabilità delle relazioni fra fotosintesi e crescita algale e forniscono una forte
indicazione di cautela nell’interpretazione dei dati di produzione fotosintetica di
carbonio in questo ambiente.
1. INTRODUZIONE
La quantità di carbonio che entra in un ecosistema acquatico per via fotosintetica
rappresenta il punto di partenza per effettuare qualunque bilancio di massa (Cebriàn,
2002; Marra, 2003). Una valutazione e un’interpretazione corrette del significato delle
misure di organicazione del carbonio da parte del fitoplancton richiedono un
approfondimento dello studio delle relazioni fra fotosintesi e crescita della biomassa
algale. Dalla letteratura emergono indicazioni contrastanti a questo riguardo: il
67
confronto fra le stime di produzione primaria e la variazione reale della biomassa in situ
indicano infatti che, generalmente, soltanto una frazione piccola del carbonio
inizialmente fotosintetizzato si trasforma in nuova biomassa e può quindi essere
trasferito lungo la catena trofica (Berman-Frank & Dubinsky, 1999; Banse, 2002). Al
contrario, esperimenti condotti in laboratorio in condizioni controllate forniscono
risultati opposti, portando ad affermare che la produzione primaria sottostimi la crescita
reale della comunità fitoplanctonica (Moigis, 1999). In Adriatico Nord-Occidentale
alcuni confronti fra i tassi di crescita reale e potenziale, effettuati in passato (Pugnetti et
al., 2004), hanno indicato che soltanto una frazione molto piccola del carbonio
fotosintetizzato sembra trasformarsi in nuova biomassa. In questo lavoro ci si è posti
l’obiettivo principale di verificare questi aspetti nel Golfo di Venezia, cercando di
valutare che tipo di relazione ci possa essere fra i tassi giornalieri di fissazione
fotosintetica del carbonio e quelli di crescita della biomassa fitoplanctonica. La misura e
l’analisi dei processi che possono determinare le variazioni della biomassa algale primo fra tutti il grazing - rispetto alle potenzialità, determinate dalla organicazione del
carbonio, esula dai nostri scopi, che si propongono soltanto di fornire indicazioni
complessive, utili per l’interpretazione delle misure di produzione primaria.
Nell’ambito dell’iniziativa INTERREG III Italia-Slovenia (OBAS) sono stati
effettuati alcuni esperimenti, su scala stagionale, da marzo 2004 a novembre 2005, in
due stazioni (C ed E; Pugnetti et al., 2006) nel Golfo di Venezia (Adriatico NordOccidentale) rappresentative della variabilità idrologica di quest’area. Su campioni
superficiali, incubati simultaneamente on deck in condizioni di luce naturale e alla
temperatura del situ, sono stati misurati la produzione primaria e i tassi di escrezione del
carbonio (metodo del 14C; Pugnetti et al., 2005), la respirazione (variazioni
dell’ossigeno in incubazioni di 24 ore al buio, titolazioni potenziometriche) e la
variazione giornaliera reale della biomassa fitoplanctonica (dai dati di abbondanza,
Utermöhl, 1958, e dalle stime di biovolume e biomassa delle singole specie, Smetacek,
1975; Eddler, 1979). La produzione primaria giornaliera è stata calcolata come
suggerito da Platt (1971), tenendo in considerazione la durata dell’incubazione e del dì.
I tassi di crescita giornalieri reali della biomassa algale (k) sono stati messi in
relazione con il rapporto fra Respirazione e Produzione giornaliera (R/PP),
individuando quattro possibili situazioni (Fig. 1):
A) La produzione è maggiore della respirazione [R/PP<1] e la biomassa cresce [k>0].
Soltanto in luglio 2004 (St. C) e 2005 (St. E), a una condizione di autotrofia netta
prevalente corrisponde anche la crescita della biomassa algale. In particolare, nel luglio
2005 nella st. E (Fig. 2a), quasi tutta la produzione sembra trasformarsi in biomassa, le
68
perdite sono estremamente ridotte, la produzione disciolta (EOC) è molto scarsa e il
consumo potenziale giornaliero di nutrienti (calcolato dalla PP e dal Rapporto di
Redfield) è molto elevato: la comunità fitoplanctonica appare attivamente in crescita e
mostra un buon accoppiamento fra fotosintesi e crescita.
1
2.5
K (d-1)
2
1.5
1
0.5
4
1
R/PP (mg C m-3 d-1)
nov04
0
0
-0.5
-1
-1.5
-2
mag04
6
mag04
feb04
mar05
E
mag05
R/PP (mg C m-3 d-1)
lug04
mar05
-2
R/PP<1 R/PP>1
k<0
k<0
R/PP<1
k<0
-3
nov05
-2.5
6
nov05
-1
nov04
1
R/PP<1 R/PP>1
k>0
k>0
2
lug05
lug04
lug05
C
R/PP<1 R/PP>1
k>0
k>0
3
feb04
R/PP>1
k<0
-4
Fig. 1 - Relazione tra tasso di crescita della biomassa algale (k=(lnBt2-lnBt1)/(∆t), dove B=biomassa
fitoplanctonica) e rapporto Respirazione/Produzione Primaria nelle stazioni C ed E.
B) La produzione è maggiore della respirazione [R/PP<1], ma la biomassa non cresce
[k<0]. Benché i processi di produzione superino quelli di respirazione, la biomassa
algale non aumenta. Particolarmente significativa è la st. C a marzo 2005 (Fig. 2b).
L’elevatissima percentuale di carbonio che viene essudato suggerisce due possibili
ipotesi: un forte disaccoppiamento fra fotosintesi e crescita, dovuto a carenza di
nutrienti - presenti, infatti, in concentrazioni insufficienti per sostenere le necessità
potenziali - oppure a una forte attività di grazing da parte del microzooplancton, con
produzione di essudati sulla breve scala temporale.
mg C m3 d-1
a)
E_lug05
2500
80
2000
60
C_mar05
d)
C_lug05
40
1500
20
1000
0
500
-20
0
-40
c)
C_nov05
70
20
mg C m3 d-1
b)
60
10
50
0
40
-10
30
-20
20
10
-30
0
-40
PP
∆bio
EOC
R
Fig. 2 – Produzione Primaria, variazione giornaliera della biomassa (∆bio), escrezione del carbonio
(EOC) e Respirazione (R) nelle stazioni C ed E
C) La produzione è minore della respirazione [R/PP>1] e la biomassa non cresce
[k<0]. Questa situazione si osserva principalmente nel tardo autunno e in inverno (Fig.
69
2c), quando è prevalente la limitazione da parte di fattori fisici (luce e temperatura):
benché la disponibilità dei nutrienti sia ampiamente sufficiente a soddisfare le richieste
potenziali della comunità fitoplanctonica, la produzione e la biomassa sono basse, la
respirazione è simile alla produzione e la biomassa algale è in calo.
D) La produzione è minore della respirazione [R/PP >1], ma la biomassa cresce
[k>0]. Questa situazione è particolarmente evidente solo nella st. C a luglio 2005 (Fig.
2d): nonostante il sistema appaia prevalentemente eterotrofo (PP<R), la biomassa algale
aumenta. La crescita algale appare, cioè, disaccoppiata dalla assimilazione fotosintetica
del carbonio ed è probabilmente più strettamente legata ai processi di biosintesi del
carbonio già assimilato e, quindi, a quelli di respirazione.
4. CONCLUSIONI
Le nostre osservazioni confermano, innanzitutto, quanto possano essere variabili,
in Adriatico Settentrionale, le relazioni fra fotosintesi e crescita algale e, quindi,
evidenziano come la stima dei tassi fotosintetici sia poco efficace per valutare i tassi di
crescita reale della comunità (e viceversa): tassi di produzione primaria elevati possono,
infatti, essere associati a tassi di crescita nulli o negativi. I tassi di crescita sono, nella
maggior parte dei casi, prossimi o inferiori allo zero, e i tassi di respirazione appaiono
spesso superiori a quelli di produzione. Inoltre, anche quando il sistema appare
nettamente spostato verso l’autotrofia (PP>R) non necessariamente si osserva anche un
aumento della biomassa algale. La valutazione dell’importanza dei processi di perdita
del carbonio organicato (e.g. essudazione, respirazione e lisi) e di consumo della
biomassa (e.g. grazing) appare, pertanto, di fondamentale importanza per qualunque
valutazione relativa ai bilanci del carbonio in questo ambiente.
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Pugnetti A., Armeni M., Camatti E., Crevatin E., Dell’Anno A., Del Negro P., Milandri
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Utermöhl H. 1958. Zur Vervollkommnung der quantitativen Phytoplankton-Methodik.
Mitteilungen. Verhandlungen der Internationalen Vereinigung für Theoretische
und Angewandte Limnologie, 9: 1-38.
3-7 luglio 2006
71
INTEGRATING NEW TECHNOLOGIES FOR THE STUDY OF BENTHIC
ECOSYSTEMS RESPONSE TO HUMAN ACTIVITY: TOWARDS A COASTAL
OCEAN BENTHIC OBSERVATORY (COBO)
Elanor BELL1,2, Sabine E. APITZ3, Eric BREUER1, Lars DAMGAARD4, Franck
GILBERT5, Ronni GLUD6, Per HALL7, Alan JAMIESON8, Peter KERSHAW9, Bruno
LANSARD10, Lois NICKELL1, Ruth PARKER9, Christophe RABOUILLE10, Graham
SHIMMIELD1, Martin SOLAN8, Thomas SOLTWEDEL11, Federico SPAGNOLI12,
Henrik STÅHL1,6, Anders TENGBERG7, Eva WALPERSDORF8, Ursula WITTE8
1
Scottish Association for Marine Science - Oban, UK
2
University of Potsdam - Potsdam, Germany
3
SEA Environmental Decisions, Ltd. - Little Hadham, UK
4
Unisense A/S, Aarhus, Denmark Centre
5
Centre National de la Recherche Scientifique - Marseille, France
6
University of Copenhagen - Helsingør, Denmark
7
University of Göteborg - Göteborg, Sweden
8
Oceanlab, University of Aberdeen - Aberdeen, Scotland
9
Centre for Environment, Fisheries & Aquaculture Science - Lowestoft, UK
10
Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement - Gif sur Yvette, France
11
Alfred-Wegener Institute für Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven, Germany
12
Consiglio Nazionale delle Ricerche, Istituto di Scienze Marine - 60100 Ancona
RIASSUNTO
Nuove tecnologie integrate per lo studio degli effetti dell’attività umana sugli
ecosistemi bentici: Sviluppo di un osservatorio bentico costiero
Gli ecosistemi marino-costieri sono tra i più produttivi e ricchi di specie della
Terra e svolgono un importante ruolo nel clima globale, nel ciclo dei nutrienti e nella
produzione primaria. I sedimenti marini di piattaforma e gli organismi associati sono
una riserva di biodiversità comprendendo sia comunità bentoniche che organismi
planctonici. Questi ecosistemi, in particolare le comunità bentoniche invertebrate
sedentarie alla loro base, sono compromessi da stress antropici come sforzi di pesca
eccessivi, distruzione di habitat ed inquinamento. Ciò incide sulla biodiversità, la
stabilità degli ecosistemi ed i processi biogeochimici. Malgrado ciò le relazioni tra i
processi biologici e geochimici negli ambienti bentonici sono poco conosciuti sia per la
loro variabilità spazio-temporale sia per le difficoltà tecniche delle indagini.
L’obiettivo del progetto COBO è quello di integrare tecnologie innovative di
diverse discipline (fisica, chimica, biologia, tecniche video) per realizzare monitoraggi
in situ degli habitat sedimentari, per comprendere le complesse interazioni tra gli
organismi (funzioni e diversità) e l’ambiente chimico circostante. Le attuali tecnologie
73
di campionamento dei fondali hanno limitate risoluzioni spaziali e temporali ed il loro
progresso migliora l’individuazione di parametri chiave la conoscenza di processi e
distribuzioni biogeochimiche e la modellizzazione delle dinamiche degli ecosistemi.
Inoltre, l’utilizzo di migliori tecnologie in situ sono necessarie per fornire rigorose
informazioni scientifiche riguardo ai processi che regolano questo fragile ed unico
habitat e per valutare, controllare e minimizzare l’impatto umano sulle acque costiere
europee. I ricercatori del progetto COBO hanno sviluppato potenti strumenti per
migliorare significativamente la comprensione delle interazioni tra organismi e
sedimento in condizioni costiere dinamiche; accrescendo la capacità di previsione e di
contribuire alla gestione degli ecosistemi ed allo sviluppo di politiche opportune.
ABSTRACT
Marine coastal ecosystems are among the most productive and diverse
communities on Earth and are of importance to global climate, nutrient budgets, and
primary productivity. Shelf sea sediments and their associated biota represent a
reservoir for biodiversity, hosting benthic communities as well as resting and
reproductive stages of planktonic organisms. Yet, these ecosystems, and in particular
sedentary benthic (bottom-living) invertebrate communities at their base, are
compromised by human-induced stresses, such as over-fishing, habitat destruction and
pollution. This in turn compromises biodiversity, ecosystem stability and
biogeochemical processes. However, due to the remoteness and spatio-temporal
variability of the benthic environment, the relationships between tightly coupled
biological and geochemical processes are poorly understood.
The overall objective of COBO was to integrate emerging and innovative
technologies from different disciplines (physics, chemistry, biology, imagery) to
provide in situ monitoring of sediment habitats, in order to understand complex
interactions between the biota (function and diversity) and their chemical environment.
Existing standard technologies have limited spatial and temporal sampling resolutions
and as such hamper progress in determining key parameters, explaining biogeochemical
patterns/processes and in modelling ecosystem dynamics. Improved in situ technologies
were required to provide rigorous scientific information on processes regulating this
unique and fragile habitat and for assessing, controlling and minimising human impact
on European coastal waters. COBO scientists have developed powerful tools to
significantly advance our understanding of organism-sediment interactions under
dynamic coastal conditions; enhancing predictive capability and contributing to
ecosystem management and policy development.
1. INTRODUCTION
Marine ecosystems are among the most productive and diverse communities on
Earth and are of significant importance to the regulation of climate, nutrient budgets,
primary productivity and the food chain. However these ecosystems, and the
contributions that they make to ecological processes, are compromised by
74
anthropogenic activities such as over-fishing, trawling, habitat destruction, climate
change and pollution. Bottom dwelling (benthic) marine organisms are particularly
vulnerable to such activities because they are often sedentary and therefore unable to
avoid disturbance. Many benthic organisms are important because their activities mix
and aerate sediments. Such mixing, termed bioturbation, alters their local chemical
environment and has wider implications for both benthic and pelagic geochemical
fluxes. Thus, benthic organisms play a critical role in regulating geochemical cycles and
subsequently the health of the ecosystem.
If anthropogenic activities/pressures can or do result in perturbations that
appreciably degrade the health or threaten the sustainable human use of an ecosystem, it
is necessary to respond by preventing or mitigating that disturbance via management
strategies and policy development. Emerging European Community legislation
mandates an ecosystem approach to environmental management, from land to the sea.
European estuaries and coastal areas are regions of overlap for ecosystem-based policy
and are therefore the focus of extensive ecosystem-based management and, ideally,
carefully integrated management and policy. However, management of, and policy
development for coastal benthic ecosystems are currently hampered by two main issues:
• The complexity, remoteness and spatio-temporal variability of the benthic
environment mean that the relationships between tightly coupled biological,
physical and geochemical processes, and how they are affected by anthropogenic
activities, are poorly understood.
• Ecosystem health is a multi-faceted concept, comprising structure (the composition
and abundance of organisms in the sediments); function (e.g. nutrient cycling,
bioturbation); vigour (including organic production); resistance (to disturbance); and
resilience (in recovery). However, the indictors of benthic ecosystem health
currently being used in Europe are based almost entirely on community structure. In
coastal benthic systems, community structure is highly dynamic and sensitive to a
variety of natural and anthropogenic factors. Thus, evaluating ecosystem health
based upon structural changes provides little insight into causality, making it
difficult to design mitigation or establish an improvement. Consequently, even if
extensive programs are carried out to remediate an ecosystem and restore
community structure, the ecosystem may never return to its “original” state.
A more meaningful measure of benthic community health is the evaluation of
ecosystem and community function. Benthic ecosystem functions carried out by the
benthic community include but are not limited to: nutrient regeneration, bioturbation,
oxygen uptake and contaminant uptake capacity. Integrating these functions with more
traditional measures of biological, chemical and physical parameters, the Coastal Ocean
Benthic Observatory (COBO) project aimed to more accurately assess and define
benthic ecosystem health through the development, integration and facilitation of
emerging and innovative technologies from several disciplines (physics, chemistry,
biology, imagery, electronics, and communication technology) to study both ecosystem
structure and function simultaneously (Fig. 1).
75
Fig. 1 - Functions of the benthic community and various perturbations/pressures that can affect them.
Note that there are both natural and man-made sources of these pressures.
2. MATERIALS AND METHODS
•
•
•
The main COBO tools and technologies were:
The integration of sediment profile imagery (SPI) and planar optodes for the
simultaneous measurement of 2-D fields of oxygen and images of macrofaunal
movement. SPI allowed the real time, in situ observation of benthic biodiversity
(species, size, abundance) and behaviour (e.g. locomotion, feeding activities,
burrowing). Coupling a planar optode on the same lander platform allowed us to
simultaneously examine how the presence and behaviour benthic organisms affect
their chemical environment, e.g. oxygen concentrations and pH, and hence the
biogeochemical function of the sediment.
The development of an integrated sediment disturber (ISD) combined with digital
cameras, oxygen micro-profilers, a smart data logger and traditional sediment
corers. The ISD uses an innovative system of fork-like disturber units to rework the
upper sediment layers, simulating physical disturbances, combined with a novel rautonomous positioning drive to allow the controlled positioning of microelectrodes. When integrated with microelectrodes or other COBO technologies, the
ISD allows us to study changes in geochemical parameters and the disturbance
effects on benthic community and function in situ during short- to medium-term
(days to months) field deployment.
Natural and anthropogenic perturbations alter the sediment structure and thus the
fluid and chemical fluxes. Specially developed, in situ micro-electrodes and optodes
were also employed to map small-scale chemical gradients, elucidating these
processes. When combined with in situ imaging, we were able to directly link
ecosystem response to biogeochemical processes.
76
•
•
•
•
The development of a series of benthic chambers capable of regulating oxygen
(oxystat), combined with tools that allowed for particle and liquid addition,
sediment resuspension and/or nitrate measurements. Gentle resuspension in a
benthic chamber, simulating, for example, either natural storm events or
anthropogenic disturbances, was used to examine the influence of particle
resuspension on nutrient and oxygen fluxes. Benthic chambers with integrated
particle injectors, oxygen and nitrate sensors were employed to measure benthic
response to and recovery from natural or anthropogenic perturbations under
controlled oxygen conditions. Such technology has the potential to be used in
remediation of perturbations such as algal blooms, oil spills or other pollutants,
The development of “smart” and adaptable systems integrating control electronics
capable of reaction to external events.
2D data requires novel, innovative 2D numerical models to aid analysis and
interpretation. COBO scientists have therefore developed numerical tools to utilise
the data collected by the COBO technologies, for instance, 2D models of early
diagenesis and sediment-organism relationships.
To help define the links between COBO science and environmental policy and
management, COBO scientists have also developed conceptual models that link
those processes that are measurable with COBO technologies; the anthropogenic
disturbances and ecosystem functions they seek to understand; and the coastal
management and policy decisions such studies will ultimately inform.
3. DISCUSSION
The Coastal Ocean Benthic Observatory (COBO) project has successfully
developed and deployed emerging and innovative technologies from several disciplines
(physics, chemistry, biology, imagery, electronics, and communication technology) to
study, in situ, the effects of natural and anthropogenic pressures on coastal benthic
communities. The COBO technologies produced are all capable of short- to mediumterm deployment (hours to months) under water and on the sediment surface at selected
study sites. They provide powerful experimental tools and rigorous scientific data to
significantly advance our present understanding of complex physical and
biogeochemical interactions between benthic organisms (their structure, function and
diversity) and the sedimentary environment. Moreover, COBO has provided valuable
methods for assessing, controlling and managing European coastal environments by
enhancing our ability to predict coastal ecosystem response to, and recovery following,
both natural and anthropogenic perturbations, and represents a major step towards the
development of permanently operating benthic observatories for coastal management.
COBO is a scientific program, but is also firmly committed to communicating the
links between science, technology, environmental management and policy. The
integrated in situ studies and measurements performed have the potential to inform risk
assessments and help us to predict and manage future threats to ecosystem health. Our
work can also help establish indicators of undesirable impact, baselines and measures of
recovery for benthic ecosystems. A clear communication approach is needed to inform
77
complex decisions, thus, COBO also endeavours to “translate” science into the language
of “users”. To achieve this COBO scientists have modified existing frameworks, e.g. the
European Environment Agency causal framework (DPSIR), to describe the interactions
between society and the environment, and to link science to applications and policy.
In conjunction with these scientific, technological and ecosystem management
objectives, the Small to Medium-sized Enterprises (SMEs) within the COBO
consortium have ensured international recognition and competitiveness by enabling
technological transfer of developed products and applications in the field of marine
environmental monitoring and research. Through promotion of the links between
applied research and policy, COBO technologies and studies are playing an important
role in defining how impacts of coastal developments and activities should be assessed
and licensed, and how the status and quality of coastal benthic communities should be
evaluated and regulated.
ACKNOWLEDGEMENTS
COBO partners gratefully acknowledge the financial support of a European Union
Specific Targeted Research Project (STReP) grant (contract number 505564). Further
information relating to the COBO consortium and project can be found at
www.cobo.org.uk
3-7 luglio 2006
78
MACROINVERTEBRATES AND DIATOMS IN THE WATER FRAMEWORK
DIRECTIVE 2000/60/CE: COMPARING BIOLOGICAL ELEMENTS FOR AN
INTEGRATED WATER QUALITY ASSESSMENT
Maria Elena BELTRAMI1, Francesca CIUTTI1, Bruno PENNELLI2, Elio
PIERDOMINICI2, Anna Maria D’ANGELO2, Laura MANCINI2
1
IASMA Research Center - Natural Resources Department - Via E. Mach, 1 - 38010
San Michele all’Adige (TN)
2
National Health Institute - 00100 Roma
RIASSUNTO
Macroinvertebrati e diatomee nella Direttiva Europea 2000/60/CE: elementi biologici
a confronto per un approccio integrato
La Direttiva 2000/60/EC istituisce un quadro per l’azione comunitaria in materia
di acque e sottolinea l’importanza dell’analisi di tutti i livelli trofici dell’ecosistema per
determinarne l’alterazione. In Italia la precedente normativa prevedeva, per la
valutazione della qualità degli ecosistemi fluviali, l’analisi dei soli macroinvertebrati.
In questo lavoro macroinvertebrati e diatomee sono stati analizzati come
indicatori di qualità delle acque valutando la diversa risposta delle due comunità
all’impatto antropico. Sono stati analizzati anche parametri fisico-chimici e
microbiologici.
Lo studio è stato condotto tra il 2003 e il 2004 lungo i fiumi Farfa e Treja (Lazio,
Italia), con campagne di campionamento stagionali.
ABSTRACT
The Directive 2000/60/EC establishes a framework for Community action in the
field of water policy and stresses the importance of evaluating the alteration of aquatic
ecosystems through the analysis of all trophic levels. In Italy the legislation in force
before the Directive, required the analysis of macroinvertebrates only for the assessment
of river quality.
In this work macroinvertebrates and diatoms were used as indicators of water
quality, to compare their responses to anthropogenic impact. Physical-chemical and
microbiological parameters were analysed too.
The study was conducted in 2003-2004; seasonal surveys were carried out along
the streams Farfa and Treja (Lazio, Italy).
79
1. INTRODUCTION
The Directive 2000/60/EC (WFD, European Parliament & The Council of the
European Union, 2000) establishes a framework for Community action in the field of
water policy and introduces a holistic vision of aquatic ecosystems, considering both
biotic and abiotic elements that are involved in the definition of the quality of the
ecosystem. Regarding biological elements WFD stresses the importance of analysing all
the trophic levels of the ecosystem (phytobenthos, macrophtytes, macroinvertebrates,
fishes) to evaluate the alteration of communities, comparing them to those expected in
unpolluted water bodies (reference conditions). In Italy the law concerning water policy
(Law 152/99) required, for the assessment of river quality, the analysis only of
macroinvertebrates assemblages, together with physico-chemical and microbiological
(E. coli) parameters (Italia, 1999). The WFD gave new input to the study of diatoms as
biological indicators (Whitton et al., 1991; Whitton & Rott, 1996; Prygiel et al., 1999).
The aim of this work is to study macroinvertebrates and diatoms, as indicators of
water quality, to evaluate if the two communities show different answers to
anthropogenic impact.
2. STUDY AREA
The streams Farfa and Treja are two tributaries of Tiber river, flowing in Lazio
region. According to WFD they are classified as belonging to the ecoregion “Italy,
Corsica and Malta”, lowland, medium, calcareous stream the former, siliceous the latter.
Macroinvertebrates and diatoms have been sampled on five and four sites along
the stream Farfa (F1-F5) and Treja (T1-T4).
Fig. 1 - Location of study area and sample sites.
80
Surveys were carried out seasonally, from May 2003 to February 2004. For each
site samples of water for chemical and microbiological analysis were collected; pH,
conductivity, temperature and dissolved oxygen were measured using WTW field
probes. Macroinvertebrates and diatoms sampling and analyses followed standard
methods (EN 27828, 1996; CEN EN 13946, 2002).
Water quality was evaluated by applying the Extended Biotic Index (IBE; Ghetti,
1997) to macroinvertebrates, and the Eutrophication and Pollution Index (EPI-D;
Dell’Uomo, 2004) to diatoms.
Microbiological analysis followed standard methods (APHA, 1998); chemical
parameters were measured with a spectrophotometer (Aquamate ThermoSpectronic).
4. RESULTS AND DISCUSSION
Both EPI-D and IBE revealed different quality status for the two streams: Farfa is
characterized by good-very good waters (I-II class), while Treja is affected by higher
pollution grade, reaching sometimes the IV quality class (Tab.1 and 2).
Tab. 1 - Biological quality of Farfa stream.
spring
summer
autumn
winter
Tab. 2 - Biological quality of Treja stream (*: missing data).
spring
summer
autumn
winter
*
*
*
*
*
*
*
*
Tables 1 and 2 in addition, roughly indicate a tendency of EPI-D to overestimate
the IBE results for high quality waters (Farfa stream) and to underestimate the results
for low quality waters (Treja stream).
In this respect, Pearson’s correlation (Tab. 3) shows that IBE and EPI-D are
highly correlated (r: 0.745; p<0.01), but diatoms response to nutrients concentration is
more evident than for macroinvertebrates.
Overall, both indices give a similar picture of the quality status although are likely
to account for different source of impact: diatoms more affected by eutrophication,
while macroinvertebrates reflect physical alteration of stream environment.
81
As an example, the degradation of site F5 (the most impacted along Farfa course)
which is mainly due to turbidity, is better revealed by the alteration of
macroinvertebrates assemblages (IBE class II/III, EPI-D class I/II).
This work stresses the importance of analysing different trophic levels of aquatic
ecosystem to attain a more exhaustive picture of its status.
Tab. 3 - Pearson’s correlation (Bold values: p< 0.01).
T
1,000
-0,260
0,130
0,204
-0,439
0,384
-0,394
-0,283
O2
conductivity
Ph
PO 4
T
O2
conductivity
Ph
PO4
hardness
total N
NO3
hardness N_tot
NO 3
1,000
-0,081
0,419
0,098
-0,136
0,153
0,077
1,000
-0,365
-0,196
0,023
-0,201
-0,141
1,000
-0,022
0,122
0,339
-0,106
1,000
-0,611
0,377
0,895
1,000
-0,428
-0,553
1,000
0,085 1,000
NH4
EPI-D
IBE
E.coli
-0,083
0,293
0,211
-0,022
-0,032
-0,067
-0,049
0,014
0,048
-0,029
-0,133
0,039
-0,013
0,002
0,130
-0,140
0,470
-0,763
-0,530
0,453
-0,524
0,732
0,437
-0,463
0,223
-0,490
-0,213
-0,017
0,514
-0,751
-0,635
0,566
NH 4
EPI-D
IBE
E.coli
1,000
-0,616 1,000
-0,373 0,745 1,000
0,817 -0,527 -0,415 1,000
REFERENCES
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acque dall’inquinamento e recepimento della direttiva 91/271/CEE concernente il
trattamento delle acque reflue urbane e della direttiva 91/676/CEE relativa alla
protezione delle acque dall’inquinamento provocato fai nitrati provenienti da fonti
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Prygiel J., Whitton B.A. & Bukowska J. (Eds). 1999. Proceedings of International
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82
Whitton B.A., Rott E. & Friedrich G. (Eds). 1991. Proceedings of International
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May 1991, E. Rott, Institut für Botanik, Univ Innsbruck.
Whitton B.A. & Rott E. (Eds). 1996. Proceedings of International Symposium. Use of
algae for monitoring rivers II. Innsbruck, Austria 17-19 September 1995, E. Rott,
Institut für Botanik, Univ Innsbruck.
3-7 luglio 2006
83
OSSERVAZIONI SULLA PRODUZIONE FITOPLANCTONICA E
BATTERICA DELL’ADRIATICO NORD OCCIDENTALE
Fabrizio BERNARDI AUBRY1, Mauro CELUSSI2, Paola DEL NEGRO2,
Alessandro PAOLI2, Alessandra PUGNETTI1
1
2
C.N.R. Istituto di Scienze Marine - 30100 Venezia
Istituto Nazionale di Oceanografia e Geofisica Sperimentale - 34100 Trieste
ABSTRACT
Bacterial and Phytoplankton production in the North-Western Adriatic Sea
Some aspects of the relationships between phytoplankton and bacteria
communities have been analyzed seasonally at two stations in the NW Adriatic Sea.
Primary production is always higher than bacterial production. Dissolved primary
production potentially satisfies bacterial carbon demand only at the offshore station.
During mucilage (May-July 2004) enzymatic activities suggest the occurrence of
phosphorus limitation.
RIASSUNTO
Vengono analizzati alcuni aspetti relativi alle relazioni fra comunità
fitoplanctonica e batterica, in due stazioni nell’Adriatico Settentrionale, su base
stagionale. La produzione fitoplanctonica risulta sempre superiore alla produzione
batterica. La produzione di essudati è consistente nella stazione più al largo dove,
potenzialmente, soddisfa sempre la richiesta batterica di carbonio. Nel periodo di
comparsa delle mucillagini (maggio–luglio 2004) le attività enzimatiche indicano una
probabile limitazione da fosforo per entrambe le comunità.
1. INTRODUZIONE
Con questo lavoro ci si propone di approfondire alcuni aspetti relativi alle
relazioni tra la comunità fitoplanctonica e quella batterica in un’area nord occidentale
dell’Adriatico (Golfo di Venezia), caratterizzata da apporti fluviali particolarmente
consistenti, seppur notevolmente variabili nello spazio e nel tempo, che supportano
condizioni di meso-eutrofia. Precedenti ricerche (Pugnetti et al., 2005), svolte in aree
oligo-mesotrofiche dell’Adriatico Settentrionale, hanno indicato l’esistenza di relazioni
molto strette fra le due comunità e hanno evidenziato anche un netto spostamento del
sistema verso l’eterotrofia in certi periodi. Nel presente lavoro ci si è posti le seguenti
domande: 1) la base della catena trofica è sempre autotrofa? (cioè: la produzione
fitoplanctonica è sempre maggiore di quella batterica?) 2) quanto è stretto
85
l’accoppiamento fra comunità fitoplanctonica e comunità batterica? (cioè: la produzione
fitoplanctonica disciolta soddisfa la richiesta di carbonio da parte della comunità
batterica? 3) Le relazioni fra le due comunità e le loro attività cambiano nei periodi in
cui compaiono le mucillagini?
Il presente studio è stato condotto nell’ambito dell’iniziativa INTERREG III
Italia–Slovenia, Progetto OBAS (Oceanografia Biologica dell’Alto Adriatico).
Nel periodo compreso tra marzo 2004 e novembre 2005 sono state effettuate 8
campagne oceanografiche stagionali. In 2 stazioni (C10 ed E06), scelte in quanto
rappresentative della variabilità idrologica e di stato trofico tipica dell’area (Bernardi
Aubry et al., 2006) sono stati prelevati campioni d’acqua superficiali utilizzando una
bottiglia Niskin da 5 litri. Sono state analizzate la produzione primaria sia particellata
sia disciolta (metodo 14C; Pugnetti et al., 2005), la produzione batterica (Smith & Azam,
1992), l’attività esoenzimatica (Hoppe, 1993) ed è stata calcolata la richiesta batterica di
carbonio (Ducklow et al., 2000). Il calcolo della produzione primaria giornaliera è stato
effettuato come suggerito da Platt (1971) e tenendo in considerazione la durata
dell’incubazione rispetto a quella del dì. Le attività batteriche giornaliere sono state
stimate considerando l’intera durata del giorno.
3. RISULTATI
3.1. La base della catena trofica è sempre autotrofa?
La produzione primaria, calcolata sia su base oraria che giornaliera, è apparsa
sempre superiore alla produzione batterica (Fig. 1). Pertanto, in entrambe le stazioni, la
sostanza organica prodotta per via fotosintetica risulta la fonte principale di energia per i
consumatori confermando come la base della catena alimentare sia prevalentemente
autotrofa.
400
2193
mg C m-3 d-1
E06
C10
300
200
100
0
FEB
MAG
LUG
NOV
MAR
MAG
LUG
NOV
FEB
MAG
LUG
NOV
MAR
MAG
LUG
NOV
2004
2004
2004
2004
2005
2005
2005
2005
2004
2004
2004
2004
2005
2005
2005
2005
PP
PB
Fig. 1 - Andamento dei valori giornalieri di produzione primaria e di produzione batterica nelle due
stazioni.
86
3.2. Quanto è stretto l’accoppiamento fra comunità fitoplanctonica e comunità
batterica?
La produzione di essudati (DPP) rappresenta una quota consistente (in media 23
%) della produzione primaria totale (TPP) nella stazione di mare aperto (C10) mentre
nella stazione costiera (E06) la DPP rappresenta mediamente soltanto il 5 % della TPP.
Un potenziale disaccoppiamento fra attività fotosintetica e incremento della biomassa
algale appare quindi più marcato nella stazione più al largo, caratterizzata da irregolari
apporti di nutrienti. La richiesta batterica di carbonio (BCD, Fig. 2) viene pressoché
sempre soddisfatta dalla DPP nella stazione di mare aperto (C10) evidenziando uno
stretto accoppiamento tra fitoplancton e batteri. Nella stazione E06, invece, la BCD
risulta più elevata della DPP specialmente in primavera ed in estate. La comunità
batterica deve pertanto rivolgersi ad un’altra fonte di carbonio organico più abbondante
ma probabilmente meno labile. Gli essudati algali, infatti, rappresentano una delle
frazioni più labili della sostanza organica disciolta (Aluwihare & Repeta, 1999). La
degradazione di una matrice meno labile comporta uno sforzo metabolico più elevato
che, associato ad una biomassa più consistente, determina tassi di respirazione (valori
medi di 290 mg O2 m-3d-1) superiori di un ordine di grandezza rispetto a quelli della
stazione C10 (56 mg O2 m-3d-1).
400
mg C m-3 d-1
300
C10
E06
200
100
0
FEB
MAG
LUG
NOV
MAR
MAG
LUG
NOV
FEB
MAG
LUG
NOV
MAR
MAG
LUG
NOV
2004
2004
2004
2004
2005
2005
2005
2005
2004
2004
2004
2004
2005
2005
2005
2005
DPP
BCD
Fig. 2 - Andamento dei valori giornalieri di carbonio essudato dal fitoplancton (DPP) e richiesta batterica
di carbonio (BCD) nelle due stazioni.
3.3. Le relazioni fra le due comunità cambiano nei periodi in cui compaiono le
mucillagini?
Tra maggio e luglio 2004 l’Adriatico settentrionale ed il Golfo di Venezia sono
stati interessati dal fenomeno delle mucillagini. Confrontando i risultati delle analisi
condotte in maggio 2004, quando non era ancora evidente la presenza di macroaggregati
ed in luglio 2004, quando il fenomeno si era concluso, con quelli relativi ai medesimi
periodi del 2005 si evidenzia come la biomassa e la produzione delle due comunità
siano nettamente superiori quando ci sono le mucillagini. Nel 2004 l’attività fosfatasica
(APA) appare molto più intensa rispetto al 2005 (valori medi pari a 1157 nMh-1 e 286
nMh-1 rispettivamente) suggerendo una carenza di fosforo. Anche il rapporto tra APA e
87
glucosidasi (GLU) risulta molto più elevato nel 2004, soprattutto prima della comparsa
delle mucillagini (Fig. 3).
120
APA/GLU
100
80
60
40
20
0
MAGGIO 2004
LUGLIO 2004
MAGGIO 2005
LUGLIO 2005
Fig. 3 - Rapporto tra attività fosfatasica (APA) e glucosidasica (GLU) nella stazione C10.
4. CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE
La produzione fitoplanctonica è risultata sempre superiore alla produzione
batterica confermando come nel bacino Adriatico settentrionale la base della catena
alimentare sia prevalentemente autotrofa.
Nella stazione al largo una quota consistente della produzione primaria viene
essudata evidenziando un possibile disaccoppiamento fra attività fotosintetica e crescita
della biomassa algale. Solo in questa stazione gli essudati algali soddisfano le richieste
batteriche di carbonio indicando uno stretto accoppiamento tra fitoplancton e
batterioplancton. Nella stazione costiera i batteri devono ricorrere ad una fonte
energetica ulteriore con un maggiore impegno metabolico che richiede un più elevato
consumo di ossigeno.
Nel periodo di sviluppo delle mucillagini risulta particolarmente attivo l’enzima
deputato al recupero del fosforo dalla matrice organica, indicando una condizione di
fosforo limitazione che conferma il ruolo di questo elemento nelle dinamiche di
formazione della mucillagine (Danovaro et al., 2005).
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3-7 luglio 2006
89
MODERATE SENSITIVITY TO NEUROTOXIC CONTAMINANTS OF
MUSCLE CHOLINESTERASES OF THE ANTARCTIC EMERALD
ROCKCOD TREMATOMUS BERNACCHII
Stefano BONACCI, Ilaria CORSI, Silvano FOCARDI
Department of Environmental Sciences “G. Sarfatti”, University of Siena
Via P.A. Mattioli, 4 -53100 Siena
RIASSUNTO
Sensibilità moderata delle colinesterasi del muscolo del nototenioide Antartico
Trematomus bernacchii ad esposizione a contaminanti neurotossici
Lo scopo del presente studio é di caratterizzare le colinesterasi muscolari del
nototenoide antartico Trematomus bernacchii e valutare la loro sensibilità in vitro ad
insetticidi organofosforici (OP) Inibizioni dose-dipendente sono osservate nei confronti
di azamethiphos e DFP (IC50=1,27 x 10-7 and 4,73 x 10-5M, rispettivamente). I risultati
ottenuti suggeriscono inoltre la presenza di vere acetilcolinesterasi in questa specie.
ABSTRACT
The aim of the present study was to characterize cholinesterases in muscle of the
emerald rockcod Trematomus bernacchii using different substrates and specific
inhibitors and to investigate their in vitro sensitivity to exposure to organophosphate
insecticides. Dose-dependent inhibition was observed in response to azamethiphos and
DFP (IC50=1.27 x 10-7 and 4.73 x 10-5M, respectively). The results also suggest the
presence of a true acetylcholinesterase enzyme in this species.
1. INTRODUCTION
Although the Antarctic environment is still considered one of the most pristine in
the world, several studies have clearly shown that even this remote area is increasingly
affected by anthropogenic pollution (Corsolini et al., 2006). Validation of
ecotoxicological tools to assess occurrence and effects of toxic contaminants in this
ecosystem is therefore a priority task.Cholinesterases (ChEs) are a class of serine
hydrolases mainly involved in nerve impulse transmission. They are selectively
inhibited by neurotoxic pollutants such as organophosphate insecticides (OPs) and are
considered sensitive biological markers (biomarkers) of exposure and effects in fish
species (Corsi et al., 2005; Quintaneiro et al., 2006). To the best of our knowledge, no
data is currently available on ChEs and their in vitro sensitivity to neurotoxic
contaminants in Antarctic fish species. Trematomus bernacchii is an Antarctic
91
notothenoid, considered a bioindicator of coastal environments due to its sedentary
benthic lifestyle, slow growth and long life span (Vacchi et al., 1994).The aim of the
present study was to characterize ChEs in muscle of T. bernacchii using different
substrates and specific inhibitors and to investigate its sensitivity to exposure to OPs in
vitro.
2. MATERIALS & METHODS
Fish were caught in November 2001 in coastal water near the Italian scientific
base “Mario Zucchelli” (Terra Nova Bay, Ross Sea, Antarctica) and portions of dorsal
muscle tissue were stored at -80 °C until analysis. Crude homogenates were used for
biochemical assays following the methods of Ellman et al. (1961) and Bradford (1976)
for ChE activities and quantification of total proteins, respectively. In vitro exposure
was carried out by 15 min incubation of crude muscle homogenate with three OP
insecticides: azamethiphos, fenitrothion, and DFP in the range 10-3-10-9M.
3. RESULTS
The highest ChE activity was measured using acetylthiocholine iodide (ASCh),
the specific enzyme substrate of acetylcholinesterase (AChE) (Fig. 1). Total inhibition
-3
was observed following in vitro exposure to 10 M BW248c51, a selective AChE
inhibitor, and low inhibition (36 %) was observed towards Iso-OMPA, the selective
inhibitor of butyrylcholinesterase (BChE) (Fig. 2).
120
12
% of C h E activity respect to con trol carrier
ChEactivity
activity(nmol
(nmolmin-1
min-1 mg
mg prot-1)
prot-1)
ChE
14
10
8
6
4
2
ASCh
100
BSCh
80
PrSCh
60
40
20
0
0
ASCh
BSCh
substrate
Control carrier
PrSCh
Iso-OM PA
BW284c51
Inhibitor
Fig. 2 - In vitro sensitivity to 10-3M of BW284c51
and of Iso-OMPA of ChE activities in muscle of
T. bernacchii. Data are presented as mean ±
standard deviation of six samples. All
determinations were performed at least in
quadruplicate.
Fig. 1 - Substrate specificity of ChE activities in
muscle of T. bernacchii. Data are presented as
mean ± standard deviation of six samples. All
determinations were performed at least in
quadruplicate.
Concentration-dependent inhibition was observed following in vitro exposure to
-7
-5
two OPs, azamethiphos and DFP (IC50=1.27 x 10 and 4.73 x 10 M, respectively). Low
92
sensitivity was observed towards fenitrothion with a plateau of 38% inhibition of ChE
activity at the highest doses (Fig. 3).
DFP
Az amethiphos
110
Fenitrothion
Residual % ChE versus ASCh activity
respect to control carrier
100
90
80
*
70
*
60
*
50
40
30
20
10
0
C ontrol
carrier
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
Pesticide concentration (M)
-3
-9
Fig. 3 – In vitro exposure of muscle of T. bernacchii to 10 -10 M OPs (DFP, azamethiphos and
fenitrothion): effect on ChE activities. Data are presented as mean ± standard deviation of six samples.
All determinations were performed at least in quadruplicate. * = exposure dose at which inhibition of
activity starts to be significant with respect to controls.
4. CONCLUSIONS
Results using specific inhibitors suggest that two or more ChEs may occur in fish
muscle, one of which is an AChE with typical properties. Dose-dependent inhibition of
ChE versus ASCh activity was observed following exposure to two out of three OPs.
Tolerance to OPs was also observed, suggesting that ChEs of the emerald rockcod have
adapted to neurotoxic compounds. This may be related to chronic exposure to naturally
occurring anti-ChE compounds such as specific algal toxins in the Antarctic marine
environment (Hayde & Carmichael, 1991; Jungblut et al., 2005).In conclusion, this
preliminary study suggests that ChEs in muscle of T. bernacchii may have potential as
biomarkers for monitoring environmental quality in the Antarctic marine ecosystem,
laying the foundations for future research.
93
ACKNOWLEDGEMENTS
The present study was performed in the framework of the Italian National
Programme for Antarctic Research (PNRA) and is part of Stefano Bonacci’s Ph.D
work. We thank Helen Ampt for revising the English.
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3-7 luglio 2006
94
COPEPOD DIVERSITY AND ABUNDANCE DISTRIBUTION IN THE EGADI
ARCHIPELAGO (SICILY CHANNEL; CENTRAL MEDITERRANEAN SEA)
IN OCTOBER 2004
Cinzia BRUGNANO, Ornella SIDOTI, Giacomo ZAGAMI,
Elena PANTÒ, Antonia GRANATA
Dipartimento di Biologia Animale ed Ecologia Marina, Università di Messina,
Salita Sperone 31 - 98166 S. Agata, Messina
RIASSUNTO
Distribuzione di biodiversità e abbondanza delle specie dei copepodi nell'Arcipelago
delle Isole Egadi (Canale di Sicilia; Mediterraneo Centrale) in Ottobre 2004
Nell’ambito del Progetto FIRB, ad ottobre 2004 è stata eseguita una campagna
oceanografica nell’area marina protetta delle Isole Egadi. Complessivamente, sono stati
raccolti 87 campioni in 12 stazioni utilizzando la multirete elettronica BIONESS, dotata
di sonda multiparametrica per il rilevamento dei parametri fisico-chimici e biologici
(temperatura, salinità, ossigeno disciolto e fluorescenza). La distribuzione verticale dei
valori di temperatura e salinità ha evidenziato la presenza di un marcato picnoclino
nello strato compreso tra 20 e 60 m. I Copepodi hanno rappresentato il 75.40 % dello
zooplancton totale, seguiti da Cladoceri (8.36 %) e Ostracodi (5.18 %). Il popolamento
a copepodi, di cui sono state identificate 110 specie, è risultato costituito principalmente
(76.73 %) da forme giovanili dei generi Temora, Oithona, Clausocalanus, Calanus,
Pleuromamma, Centropages, Acartia, Corycaeus, e Ctenocalanus e dagli adulti di
Clausocalanus furcatus, Oithona atlantica, Temora stylifera e Acartia negligens.
L’andamento dei valori di abbondanza e di diversità del popolamento a copepodi ha
mostrato una netta differenziazione spaziale in relazione alla profondità e alle
caratteristiche pelagiche o costiere di ciascuna stazione.
ABSTRACT
Within the framework of FIRB-BIODIVERSITY Project, “Characterization of
pelagic environment of hydrographical area of Egadi Islands”, an oceanographic cruise
was carried out in October 2004. Zooplankton samples were collected at 12 stations,
located along three inshore-offshore transects in the Egadi Archipelago. Samples were
taken using electronic multinet BIONESS, equipped with a multi-parameter probe
system in order to measure physico-chemical and biological factors (temperature,
salinity, dissolved oxygen and fluorescence). Copepods were the most abundant
component (75.40 %) of zooplankton community, followed by cladocerans (8.36 %)
95
and ostracods (5.18 %). Copepod assemblage was represented by 110 specie, but it was
mainly constituted (76.73 %) by juveniles, belonging to the genera Temora, Oithona,
Clausocalanus, Calanus, Pleuromamma, Centropages, Acartia, Corycaeus, and
Ctenocalanus, and adult of the species Clausocalanus furcatus, Oithona atlantica,
Temora stylifera e Acartia negligens. Abundance patterns and species composition were
mainly affected by depth and offshore or inshore position of each station.
1. INTRODUCTION
The Mediterranean Sea is a marginal basin formed by two principal sub-basins
(the Western and the Eastern Mediterranean) that are connected by Sicily Channel. The
Egadi Archipelago which is constituted by the islands of Favignana, Levanzo and
Marettimo, is located offshore the westernmost Sicily coast in the southern part of
Tyrrhenian Sea, at the entrance of Sicily Channel. This area plays an important role in
hydrodynamic and biological exchanges between Western and Eastern Mediterranean
basins. The peculiar morphological, hydrological and hydrodynamic features of Sicily
Channel significantly influence distribution and composition of plankton and, in
particular, copepod communities. In the last decade, studies carried out in the Eastern
Mediterranean (Siokou-Frangou et al., 1997) compared meso-zooplankton (Mazzocchi
et al., 1997) and copepod community structures in the offshore waters of Sicily
Channel, to ones in the Ionian Sea, Cretan Passage, Rhode area and Levantine Sea.
Meso-zooplankton and copepod assemblages from the Egadi Islands are very poorly
known. A study was carried out in the area to identify a nursery area for the species
Thunnus thynnus in Egadi Island Archipelago (Carli et al., 1973). The surface
zooplankton was investigated in that survey by using a net with a 500 µm mesh size
which caused the lost of the smallest organisms.
The present study provides more detailed information about spatial distribution of
copepod species, their abundance and distribution in relation to physical chemical and
biological parameter in the hydrographical area of Egadi Islands, using, for the first time
in this area, electronic multiple net BIONESS which allows to simultaneously recording
abiotic and biotic parameters while zooplankton samples are being collected.
2. STUDY AREA
The Egadi Archipelago is constituted by Marettimo, Levanzo and Favignana
Islands. This area represents the shallowest part of a wide submarine canyon by which
Sicilian continental shelf is connected to the Tyrrhenian Sea abyssal plane (Colantoni et
al., 1993). The Sicilian continental shelf is very broad in front of Trapani coastlines and
is narrower between Levanzo and Marettimo. In the northern part of this sector,
continental slope abruptly reaches and exceeds 1000 m depth. In this area, surface
circulation is mainly characterized by the flow of Atlantic water from the Sardinia
Channel into the Tyrrhenian Sea (Astraldi et al., 1996) and the Levantine Intermediate
water, produced in the Eastern Mediterranean Sea and settled at a depth of 100-200 m,
96
spreading out towards the west, after crossing the Sicily Channel. The topographic
constrains lead LIW flow to turn eastwards and enter the Tyrrhenian Sea across a
section offshore the Egadi Islands. Here, the eastern outflow is composed by a unique
vein constituted by an upper part, between 300 and 650 m depth, and a lower part down
to 1100m depth flowing very close to Sicily slope (Sparnocchia et al., 1999).
Within the framework of FIRB-BIODIVERSITY Project, “Characterization of
pelagic environment of hydrographical area of Egadi Islands”, an oceanographic cruise
was carried out in October 2004. 87 samples were collected at 12 stations, located along
inshore-offshore transects parallel to Sicily coastline between Marettimo, Favignana and
Levanzo Islands (Fig. 1). Zooplankton samplings were carried out using the electronic
multiple net BIONESS. The BIONESS (0.25 m2 mouth area and max. 10 nets of 200
µm mesh size) was towed obliquely at a speed of 1-1.5 m s-1. Depending on the bottom
depth, samples were collected every 5-10 m intervals of the water column in the
shallower levels and every 50-100 m in the deeper ones. Sampling was performed in
daylight hours. BIONESS was equipped with a multi-parameter probe system in order
to measure physico-chemical and biological parameters (temperature, salinity, dissolved
oxygen and fluorescence).
Fig. 1 - Study area in the Egadi Islands Archipelago and locations of 12 stations.
On board, the samples were fixed and preserved in a 4% buffered formaldehyde
sea water solution. In laboratory, a qualitative-quantitative analysis of meso-
97
zooplankton was performed in aliquots ranging from 1/10 to 1/25 of the original
sample, depending on the sample richness, while the whole samples were observed for
the identification of rare species. Adult copepods were counted and identified at species
level, while copepodids were identify at genus level. Other groups were classified at
higher taxonomic levels. Abundance was expressed as individuals per cubic metre (ind
) (Shannon Weaver,
m-3). Biodiversity were evaluated by using Shannon index (H'
1963), taking in account only the adult copepods.
4. RESULTS
4.1. Environmental parameters
Vertical distribution of temperature, salinity, dissolved oxygen and fluorescence
showed similar patterns in many of the stations with 80m depth. A clear halocline was,
generally, localized at the 40-80 m layer. Chlorophyll maximum (mean value 0.61±0.30
µg l-1) was observed between 60 and 80 m depths. On average, vertical distribution
patterns of temperature showed higher values (21.07±2.48 °C) on surface (0-40 m
layer). Termocline was found from 40 to 80 m depth. Salinity vertical distribution
showed increasing values from surface (on average, 37.74±0.13 psu at 0-40 m) to
deeper layers (on average, 38.38±0.19 psu at 80-200 m and 38.71±0.05 psu at 200-300
m) reaching the highest value (S>38.70 psu) at 200-300 m, in the stations 10, 11 and 12.
In figure 2, vertical profiles of physical and chemical parameters of one station on each
transect are reported.
4.2. Horizontal distribution
Copepods were the dominant group ranging from 295,14 to 22,09 ind m-3 and
represented on average 75 % of all zooplankton. A total of 110 species were identified
in the investigated area. The highest number of species (72) was found at st. 7. The
stations between the islands of Marettimo, Levanzo and Favignana showed higher
diversity levels (H anging from 2.79 to 3.18) and lower abundances than typical
coastal stations (2 and 3) (H’= 2.30, 2.57; 295.14; 244.88 ind m-3) (Fig. 3).
Clausocalanus furcatus, Oithona atlantica, Temora stylifera, Centropages typicus and
Acartia negligens were the most representative species at coastal station accounted for
68.75 % of total copepod community. Acartia adriatica occurred with slightly lower
abundances than Acartia clausi. Occurrence of Acartia danae was observed at st. 4, 5,
6, 7, 8 and 9 stations and in most of them substituted the congener species A. clausi.
Nannocalanus minor (7.57%), Clausocalanus arcuicornis (4.72 %) Clausocalanus jobei
(4.00 %) and Ctenocalanus vanus (3.77 %) contributed more in the area between the
islands together with typical neritic species. In the pelagic area, Corycaeus furcifer,
Lucicutia flavicornis, Pleuromamma gracilis and Corycaeus typicus, with the above
species accounted for 69.5 % of copepod population. Shannon index showed the
maximum (3.38) at st. 7. The lowest abundances (22.08 ind m-3) were observed at st.10.
98
Fig. 2 - Vertical patterns of dissolved oxygen, fluorescence, salinity and temperature in some
representative stations.
99
ind.m-3
350
H'(loge)
3.50
300
3.00
250
2.50
200
2.00
150
H'
ind. m-3
4.00
1.50
100
1.00
50
0.50
0
0.00
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Sampling stations
Fig. 3 - Horizontal trends of copepod diversity (H ) and abundances (ind m-3) integrated on
the water column.
4.3. Vertical distribution
Abundances decreased with increasing depth with a maximum in surface layers
(mean abundance 138.57 ind m-3) and a minimum at 200-300 m (mean abundance 9.19
ind m-3; Fig. 4). An abrupt abundance decline from 98.86 to 48.76 ind m-3, occurred
between 80-60 and 100-150 m layers. The vertical pattern of Shannon-Weaver index
showed two peaks: the former (3.19) in the 40-60 m layer and the latter (2.98) at 150200 m depth (Fig. 3). The minimum (2.42) was observed in the 0-20 m layer. It was
possible to distinguish a surface (0-30 m) from a subsurface (30-80 m) assemblage; the
former was characterized by the strong dominance of C. furcatus, O. atlantica, A.
negligens and T. stylifera that accounted on average for more than 57.6 % of copepod
population both in inshore and in offshore stations; in the latter, the contribution of
Ctenocalanus vanus, Centropages typicus, Nannocalanus minor, L. flavicornis, C.
arcuicornis and C. jobei was more important (45.8 %). Corycaeus furcifer, Lucicutia
flavicornis were dominant on the epipelagic copepod assemblage constituting about 30
% of the whole population in the 80-200 m layer. With the previous two species,
Haloptilus longicornis and Pleuromamma abdominalis were the typical assemblage of
mesopelagic depths.
DISCUSSION
The copepod assemblages in the Egadi Islands is high diversified as observed in
adiacent regions such as the Tyrrhenian Sea (Scotto di Carlo et al., 1984) and the Sicily
Channel (Siokou-Frangou et al., 1997). This is probably due to their geographical
position at the entrance of Sicily Channel and the exchanges of water masses between
eastern and western basins. With respect to Sicily Channel, in this area Acartiidae was
100
represented not only by Acartia negligens, A. clausi and A. danae, but also by A.
adriatica.
Fig. 4 - Vertical pattern of copepod diversity (H ) and abundance (ind m-3).
The occurrence of this species, restricted to neritic area near Sicilian shorelines, is
important because this is the first record of A. adriatica in the Tyrrhenian Sea. The
coastal area are characterized by the highest abundances due to the strong dominance of
one or few autumnal coastal species, such as Clausocalanus furcatus and Temora
stylifera (Mazzocchi & Ribera d’Alcalà, 1995). Copepod population densities are lower
and more homogenously distributed in the pelagic area and between the islands. In the
pelagic stations, surface copepod assemblage is not only constituted by typical coastal
species, but also epipelagic species, such as C. vanus, C. jobei and C. arcuicornis. The
gradual change in copepod species composition from inshore to offshore waters was
sustained by Scotto di Carlo et al. (1984). Therefore, an abundance decrease and a
corresponding increase of diversity levels were observed. Vertical abundance and
diversity index patterns of copepod species in the Egadi Islands, are in according to the
most characteristic copepod spatial distribution in the Mediterranean Sea (Scotto di
Carlo et al., 1984) and are primarily affected by the depth. Surface layers present
101
similar copepod species composition in coastal, between the islands and pelagic areas
because the coastal species widespread to offshore environment. The highest diversity
peak is coincident with the chlorophyll maximum (40-80 m depth). Here, the presence
of epipelagic or mesopelagic copepod species could be attributed to great food
availability such to allow them to coexist. The secondary diversity peak at 150-200 m
could be explained by a more equal abundance distribution between species, though
species number and abundances are less greater than upper layers. In the area between
the islands, the presence of mesopelagic species (such as the genera Aetideus,
Heterorhabdus, Haloptilus and Eucalanus) in the sub-surface interval (40-60 m) could
suggest an ingression of pelagic water between these islands. The occurrence of rare
species (Aetideus armatus, Augaptilus longicaudatus, Chiridius poppei, Euchirella
messinensis) in the 200-300 m layers of the most offshore station, could increase
heterogeneity between these layers and could be determined by the LIW influence,
identified by the salinity maximum (S>38.77). On the whole, there are no substantial
differences in species composition and zonation pattern between this area and the other
neighbouring parts of the Mediterranean Sea and there is a clear uniformity of copepod
populations, as confirmed by many authors (Champalbert, 1996; de Puelles et al.,
2003). However, there are evident differences in the relative importance of some species
with boreal or subtropical character. O. atlantica, considered as a boreal species, was
more abundant than O. plumifera in the Egadi Islands Archipelago, and the subtropical
species Farranula rostrata occurred with relative scarce abundances in this area but it is
dominant from Sicily Channel (Siokou-Frangou et al., 1997). This could confirm the
more boreal character of the Egadi Archipelago area.
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3-7 luglio 2006
103
STATISTICAL ANALYSIS AND DYNAMICAL INTERPRETATION:
FROM IN SITU MEASUREMENTS TO REMOTE SENSING
Bruno BUONGIORNO NARDELLI1, Olga CAVALIERI2, Rosalia SANTOLERI1,
Marie-Helene RIO3
1
CNR-ISAC, Via del Fosso del Cavaliere 100 - 00133 Roma
ENEA, Via Anguillarese 301 - 00060 S. Maria di Galeria (Roma)
3
CLS (previously CNR-ISAC), 8-10, rue Hermès - 31520 Ramonville Saint-Agne,
France
2
RIASSUNTO
Analisi Statistica e interpretazione dinamica: dalle misure in situ al dato satellitare
Differenti metodi possono essere utilizzati per ottenere il maggior numero
possibile di informazioni dalle misure di elevazione superficiale fornite dai radar
altimetri, quando accoppiate con altri dati telerilevati e con dataset storici di misure in
situ. In questo lavoro vengono discussi due nuovi metodi statistici (la Coupled Pattern
Reconstruction (CPR) e la multivariate Empirical Orthogonal Function Reconstruction
(mEOF-R)) che permettono, attraverso l’analisi della covarianza osservata nei dati, di
identificare alcune caratteristiche dinamiche dei sistemi e di estrapolare i profili verticali
dalle sole misure satellitari.
ABSTRACT
Different approaches can be followed to extract as much information as possible
from sea surface and vertically integrated measurements. In particular, the direct
analysis of the observations and of their covariances allows to infer vertical profiles
from sea surface level measured by satellite, basing on the statistical properties
estimated from historical in situ datasets and coupling altimeter to other remotely
sensed data. Two recently proposed methods to project surface measurements on the
vertical, i.e. Coupled Pattern Reconstruction (CPR) and multivariate Empirical
Orthogonal Function Reconstruction (mEOF-R) have been applied to different datasets
and are briefly described here.
1. BACKGROUND
The observational methods commonly adopted to project surface measurements
on the whole water column are often quite similar to simple assimilation schemes (such
as optimal interpolation). As a matter of fact, most of these techniques are based on the
95
analysis of the covariance and of the principal modes associated to a set of historical
profiles. In these analyses, the ‘background’ field is thus given by an average of the
observations instead of being estimated with a numerical model, the error is the signal
to be determined and the background error covariance is the observed covariance. It is
not surprising then, that the performance of these methods depends significantly on the
variables included in the state vector and on the degrees of freedom that are absorbed by
each method (e.g. Buongiorno Nardelli & Santoleri, 2005).
Basic techniques correlate sub-surface to surface or integrated values, without
separating the different modes that drive the observed variability (e.g. Guinehut et al.,
2004). At one step further, univariate methods as the single Empirical Orthogonal
Function Reconstruction (sEOF-R) proposed by Carnest et al. (1994) analyze separately
the covariance of each hydrological parameter time series, and hypothesize a nonlinear
relation between the amplitude of EOF modes and a combination of surface parameters.
Recently proposed Coupled Pattern Reconstruction (CPR) and multivariate
Empirical Orthogonal Function Reconstruction (mEOF-R) directly couple steric height,
temperature and/or salinity profiles (Buongiorno Nardelli & Santoleri, 2004; 2005;
Buongiorno Nardelli et al., 2006).
2. METHODS DESCRIPTION
These two new methods are based on the coupled pattern/multivariate EOF
decomposition of the two/three parameters’ vertical profiles present in a learning
dataset, and on the assumption that only few modes are needed to explain most of the
covariance of the fields. The vertical profiles can be extrapolated from any independent
measurement of the surface values solving a simple algebraic linear system.
Anyway, the true novelty of CPR and mEOF-R method is the choice of the state
vector used to estimate the covariance, that includes a proxy of the geopotential
streamfunction at each pressure level (the whole steric height profile). The statistical
analyses performed on these state vectors are more likely to identify a relation between
the variability of the conservative water properties and the dynamics. In this way, while,
it is true that these statistical techniques are not necessarily tied to dynamical processes,
they may demonstrate able in identifying and discriminating physically meaningful
processes (e.g. Buongiorno Nardelli & Santoleri, 2005).
mEOF-R and CPR generally give reliable estimates even when introducing errors
in the surface input and also training the methods from limited datasets (Buongiorno
Nardelli and Santoleri, 2004; 2005; Buongiorno Nardelli et al., 2006). However, CPR is
not adequate if both (uncorrelated) salinity and temperature variations cause significant
steric signals. However, mEOF-R assumes that the sea surface salinity can be used as an
additional input, which limits its applicability on a wide scale, until SSS measurements
become available (for example from SMOS sensor). The two techniques have been first
tested to time series of in situ measurements at fixed locations, and successively applied
to an area of fundamental importance for the Mediterranean sea dynamics as the Sicily
Channel (Buongiorno Nardelli et al., 2006). This last work required the extension of the
methods to a 3D problem. The strategy followed to this aim was quite simple, namely
106
computing the ‘multi’-covariance with respect to a space-time average of all available
profiles, meaning that a single ‘background profile’ (per parameter) and a unique set of
mEOF modes for the whole area have been considered. Hindcast analyses of the CPR
and mEOF-R performances showed that the surface salinity is fundamental to get
reasonable estimates, and consequently only the mEOF-R method was effectively
applied to altimeter data, using MEDATLAS data as training/learning dataset, and
SYMPLEX surveys measurements (that include CTD profiles along a T/P track
simultaneous to the satellite pass) as hydrological surface input and validation profiles.
3. INFORMATION EXTRACTION FROM ALTIMETER DATA
All the techniques proposed are based on an estimate of the steric elevation from
in situ data. This estimate is limited to the baroclinic contributions from the upper
layers, while altimeters measure also the barotropic signals and the residual deep steric
variations. Altimeter sea level variations are associated to the volume (steric) variations,
due to the heat and salt exchanges between the atmosphere and ocean and to the internal
ocean dynamics (baroclinic signals), and by the variation of the total mass (eustatic
change) due to barotropic signals, such as tidal currents, atmospheric pressure load
adjustments, barotropic wave propagation, etc.
Most of the tidal contribution can be filtered from altimeter data with a proper
processing, while an isostatic inverse barometer correction can sort out the response to
atmospheric pressure variations. Consequently, the residual signal is a measure of the
volume occupied by the water column plus a residual barotropic contribution. On the
other hand, altimeter measurements are referred to the reference ellipsoid which does
not coincide with the geopotential surface (geoid). The geoid is generally filtered out
averaging over a sufficiently long time period. However, Sea Level Anomalies (SLA)
neglect both the baroclinic and barotropic mean component of the flow.
This considerations must be taken into account when applying any method to
altimeter data, as, in general, they require an absolute steric level estimate.
Consequently, we evaluated the impact of the adjustment of altimeter data with a
synthetic mean dynamic topography in the extrapolation of the geostrophic velocity
transects along a TP track crossing the Sicily Channel (Rio and Hernandez, 2004). The
area selected to do this tests is the Sicily Channel, that is characterized by an intense
mesoscale activity (relatively to the Mediterranean basin), but also by a strong mean
current system.
4. CONCLUSIONS
The addition of a proxy of the geostrophic streamfunction profile in the state
vector used to describe the covariance of a system improves the performance of
multivariate vertical reconstruction. However, all methods tested have often failed to
give reliable results using only SST and surface steric heights as input, due to salinity
variations not correlated to temperature. Surface salinity thus appears as a crucial
107
parameter, and its extended measurement through Voluntary Observing Ships programs
such as FerryBox, or including conductivity sensors on surface drifters, should be
strongly encouraged and supported, also considering their potential in the
calibration/validation of future satellite missions as SMOS (Soil Moisture and Ocean
Salinity), scheduled for launch by ESA (European Space Agency) in 2007, and
Aquarius/SAC-D, that has been recently approved for launch by NASA (National
Aeronautics and Space Administration).
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3-7 luglio 2006
108
POPOLAMENTI FITOPLANCTONICI E ZOOPLANCTONICI IN
RELAZIONE AL GRADIENTE TROFICO SPAZIALE E TEMPORALE NEL
LAGO DI COMO
Fabio BUZZI, Chiara AGOSTINELLI, Elisa CARENA, Riccardo FORMENTI,
Maurizio MAIERNA, Francesco NASTASI, Diego RICCI, Elisa VILLA
ARPA Lombardia Dipartimento di Lecco
ABSTRACT
Phytoplanktonic and zooplanktonic populations in relation to trophic spatial and
temporal gradient in Como Lake
Lake Como, the deepest Italian lake, is articulated in two arms which are
characterized by different hydrologic and hydrodinamic regimes. This causes different
trophic conditions in the sub-basins in which it is divided and the planktonic
components reflect these differences. In 2004 and 2005, a study of the seasonal
succession of both phytoplankton and zooplankton was carried out and the main
chemical and physical variables were measured. Five stations representative of the three
sub-basins were sampled at monthly intervals. Moreover, the acquisition in continuous
of chemical and physical parameters in the water column allowed the calculation of the
Brunt-Väisälä frequency. The dynamics of plankton populations were described through
the succession patterns of the dominant species. Predation pressure exerted by
herbivorous zooplankton was also estimated by analysing the dynamics of the different
size fractions of the phytoplankton assemblages. Multivariate-analysis, as cluster
analysis, NMDS, PCA and CCA, allowed a comparison between the stations and the
identified seasonal cycles. The results achieved in this study and their comparison with
literature, show up the existence of a narrow spatial gradient among the different subbasins and a wider temporal one. The improvement of Lake Como water quality
conditions in the last two decades was accompanied by a change in some plankton
community characteristics as a decrease of the average annual phytoplankton biovolume
as well as a decrease of filter-feeders cladocerans density. The main differences among
the sub-basins in the years 2004-2005 concerned both algal production and species
composition of plankton communities.
RIASSUNTO
Il Lago di Como è articolato in due rami caratterizzati da differenti proprietà
idrologiche ed idrodinamiche. Questo aspetto ha determinato le diverse condizioni
trofiche dei sottobacini in cui è suddiviso. Anche le componenti biologiche planctoniche
rispecchiano queste differenze. Negli anni 2004 e 2005 è stato condotto uno studio della
109
successione stagionale dei popolamenti fitoplanctonici e zooplanctonici in relazione alle
variabili chimico-fisiche, in cinque stazioni rappresentative dei sottobacini, con
frequenza mensile. L’acquisizione dei parametri chimico-fisici in continuo lungo la
colonna d’acqua ha consentito il calcolo della frequenza di Brunt- Väisälä. La dinamica
dei popolamenti planctonici è stata descritta mediante la successione delle specie
principali. È stata valutata la predazione dello zooplancton erbivoro mediante lo studio
delle dinamiche delle diverse frazioni dimensionali della comunità fitoplanctonica. Le
tecniche di analisi multivariata utilizzate quali la cluster analysis, NMDS, PCA e CCA
hanno consentito un confronto tra le stazioni e ne hanno evidenziato i cicli stagionali. I
risultati di questo studio ed il confronto con quelli pregressi hanno messo in risalto un
gradiente trofico spaziale di piccole dimensioni, tra i diversi sottobacini, ed uno
temporale più ampio. Il miglioramento delle condizioni del Lago di Como avvenuto
negli ultimi due decenni è stato accompagnato da alcuni cambiamenti nelle comunità
planctoniche quali la diminuzione del biovolume fitoplanctonico medio annuo e la
diminuzione della densità dei Cladoceri filtratori. Le differenze emerse tra i sottobacini
nel 2004-2005 hanno riguardato sia la produzione algale che la composizione in specie
delle comunità planctoniche.
1. INTRODUZIONE
Il Lago di Como, il più profondo d’Italia con i suoi 425 metri, è suddivisibile in
tre sottobacini aventi differenti caratteristiche batimetriche, idrologiche, ed
idrodinamiche. Queste proprietà associate ai differenti carichi inquinanti insistenti
fanno si che i tre bacini abbiano anche caratteristiche trofiche differenti.
Il Lago di Como era originariamente oligotrofo, così come risulta dagli studi
paleolimnologici effettuati (Marchetto et al., 1995). Le prime informazioni, di tipo
qualitativo, relative ai popolamenti planctonici risalgono agli anni 1924-25 quando, in
condizioni di oligotrofia, sono state segnalate fioriture di Anabaena flos-aquae e
Microcystis aeruginosa la cui estensione ha riguardato tutti i sottobacini (Monti, 1925).
Il processo di eutrofizzazione ha portato ad un incremento delle concentrazioni dei
nutrienti algali a partire dagli anni ‘60 fino al raggiungimento dei valori massimi negli
anni ’80 con 80 µg l-1 di fosforo totale rilevati nella stazione di Como. In questa fase il
popolamento fitoplanctonico ha subito notevole variazioni nella sua composizione
specifica con la graduale crescita di importanza di alcune specie quali Planktothrix
rubescens, Stephanodiscus hantzschii che ha raggiunto valori massimi di biovolume
pari a 2500 mm3 m-3, Fragilaria crotonensis e M. aeruginosa protagonista di una estesa
fioritura nel 1983 a Como con valori di densità superficiali pari a 3 x 106 cell ml-1
(Mosello, 1991). I dati relativi alla comunità zooplanctonica hanno indicato un aumento
di Cladoceri soprattutto Eubosmina coregoni (Parise & Riva, 1981; Negri, 1982).
La riduzione dei carichi di fosforo avvenuta negli anni successivi ha portato ad
una diminuzione dei valori di biovolume algale in corrispondenza ad una minore
disponibilità di nutrienti, 46 µg P l-1 nel bacino ovest e 40 µg P l-1 nell’asse ColicoLecco (Chiaudani & Premazzi, 1993). Anche la comunità zooplanctonica ha fatto
segnare una diminuzione della densità dei Cladoceri (E. coregoni e Daphnia hyalina) ed
110
un aumento di quella dei Diaptomidi (Eudiaptomus padanus) (Chiaudani & Premazzi,
1993).
Nel periodo successivo si segnala una ulteriore diminuzione della concentrazione
di fosforo totale che raggiunge il valore di 35 µg P l-1 nel 1999, ma non sono state
registrate variazioni significative nella composizione specifica delle comunità
fitoplanctoniche (Bettinetti et al., 2000), (Mosello et al., 1999; 2001; Buzzi, 2002). In
questo periodo si è distinta come specie significativa P. rubescens, che ha raggiunto
densità cellulari pari a 50.000 cell ml-1 nelle stazione di Como.
Negli anni 2000 e 2003 si sono verificate due fioriture di M. aeruginosa. Questo
fenomeno ha assunto dimensioni notevoli nel bacino occidentale dove la cianoficea in
questione ha raggiunto concentrazioni elevatissime in superficie dell’ordine di 2 x 106
cell ml-1, con colonie pseudosferiche che hanno raggiunto la dimensione di 1 cm di
diametro. Nel bacino settentrionale le fioriture si sono presentate solo con fenomeni
puntuali in aree circoscritte, mentre nel bacino orientale il fenomeno è risultato quasi
assente con qualche accumulo superficiale dovuto soprattutto all’azione dei venti.
Bacino
settentrionale
Bacino
occidentale
Bacino
orientale
DERVIO
ARGEGNO
ABBADIA
LARIANA
LECCO
COMO
Fig. 1 - Stazioni di monitoraggio.
In questa pubblicazione vengono descritti i risultati di una campagna di indagine
finanziata da un progetto redatto dalla Regione Lombardia per la verifica dello stato di
salute dei laghi lombardi. La campagna è stata realizzata mediante l’effettuazione di
campionamenti mensili in 5 stazioni rappresentative dei 3 sottobacini (vedi Fig. 1).
Alcuni parametri chimico fisici sono stati misurati in continuo lungo la colonna con
sonda multiparametrica con acquisizione in tempo reale. A profondità discrete sono stati
raccolti, dalla superficie fino al fondo, campioni d’acqua nei quali sono stati determinati
i nutrienti, l’alcalinità e, in periodo di piena circolazione, è stato effettuato il bilancio
111
ionico lungo la colonna. In particolare fosforo, azoto ammoniacale, nitroso e totale sono
stati determinati spettrofotometricamente, la restante composizione ionica mediante
cromatografia ionica (anioni) e IPC ottico (cationi). I campioni per lo studio del
fitoplancton e per la determinazione spettrofotometrica della clorofilla a (Lorenzen,
1967), sono stati raccolti nello strato integrato 0-20 metri mentre quelli per lo
zooplancton sono stati raccolti, mediante retino da 80 µm di maglia, nello strato 0-50
metri. I campioni di fitoplancton sono stati analizzati con un microscopio invertito Leica
IMRB, secondo il metodo di Utermöhl (Utermöhl, 1958). Il conteggio di ogni singolo
campione si è interrotto al raggiungimento di 200 individui della specie più numerosa.
Per le specie rare e di grosse dimensioni è stata analizzata mezza camera di
sedimentazione. I biovolumi algali sono stati calcolati utilizzando le formule di Rott
(Rott, 1981). L’identificazione è avvenuta seguendo le collana Süsswasserflora von
Mitteleuropea (curata da A. Pascher) e Das Phytoplankton des Süsswassers (curata da
G. Huber-Pestalozzi).
Per lo zooplancton si è proceduto al conteggio, dopo sedimentazione, di tre
repliche per ogni campione. Per il riconoscimento delle specie sono stati utilizzati per i
Cladoceri ed i Rotiferi (Braioni & Gelmini, 1983; Margaritora, 1983) due testi della
collana CNR per il riconoscimento delle specie animali delle acque interne, mentre per i
Copepodi è stato utilizzato un testo francese (Dussart, 1969).
I sottobacini orientale e settentrionale sono stati campionati ad una massimo di
due settimane di distanza dal sottobacino occidentale. Vengono di seguito illustrati (solo
in parte, per ragioni di spazio) i risultati delle elaborazioni.
La descrizione degli andamenti stagionali dei parametri abiotici e biotici è stata
effettuata con l’utilizzo di alcune tecniche di analisi multivariata quali la PCA, l’NMDS
e la CCA. Per lo studio delle comunità fitoplanctoniche è stato applicato anche
l’approccio di classificazione funzionale messo a punto da Reynolds (Reynolds, 1997).
Quest’ultimo ha suddiviso, sulla base di uno studio precedente (Grime, 1979), le specie
fitoplanctoniche in relazione alle caratteristiche morfo-funzionali, in tre categorie
aventi differenti strategie ecologiche denominate S, C ed R. Le specie a strategia S,
tolleranti ai fattori di stress, definite acquisitive di grosse dimensioni; le specie a
strategia C definite invasive e di piccole dimensioni; le specie R specie ruderali che
tollerano frequenti disturbi dovuti al trasporto turbolento lungo il gradiente luminoso.
3. RISULTATI
3.1. Caratteristiche chimico-fisiche e nutrienti
I profili mensili accolti con la sonda hanno consentito di individuare i periodi di
rimescolamento e stratificazione ed hanno inoltre reso possibile il calcolo della
frequenza di Brunt-Väisälä, parametro utile per la valutazione della stabilità della
colonna d’acqua. Come è possibile vedere dalla figura 2, che descrive l’andamento
mensile della frequenza di Brunt-Väisälä nei primi venti metri di colonna delle cinque
stazioni, la stratificazione dura da aprile a novembre. I valori massimi della frequenza di
Brunt-Väisälä sono stati riscontrati nella stazione di Como nel mese luglio di entrambi
112
0,045
0,040
0,035
0,030
0,025
0,020
0,015
0,010
0,005
0,000
gen-04
feb-04
mar-04
apr-04
mag-04
giu-04
lug-04
ago-04
set-04
ott-04
nov-04
dic-04
gen-05
feb-05
mar-05
apr-05
mag-05
giu-05
lug-05
ago-05
set-05
ott-05
nov-05
dic-05
Hz
gli anni; nella stazione di Lecco, invece, nel 2005 i valori di detto parametro si sono
mantenuti alti anche nel periodo tardo estivo evidenziando il mantenimento di una forte
stratificazione. È bene sottolineare come in entrambi gli anni si sia verificata la piena
circolazione anche nella stazione di massima profondità.
Abbadia
Dervio
Lecco
Argegno
Como
Fig 2 - Frequenze di Brunt-Vaisala anni 2004-2005.
Per la descrizione dell’andamento degli altri parametri chimico- fisici si è scelto,
data l’impossibilità di mostrare nel dettaglio ogni singolo ciclo stagionale, di
sintetizzare le informazioni mediante l’utilizzo di un grafico derivato dalla PCA
effettuata sull’intero set di dati.
Dall’analisi della figura 3 risulta evidente come il primo asse separi i campioni
estivi ed autunnali da quelli primaverili ed invernali. Dalla tabella degli autovalori è
possibile notare come il primo asse sia correlato positivamente con il pH, la
temperatura, la frequenza di Brunt-Väisälä e negativamente con la trasparenza, i silicati
e la concentrazione di fosforo totale. Il secondo asse è correlato positivamente con la
conducibilità il fosforo totale ed il pH. L’andamento stagionale dei fenomeni chimico
fisici che avvengono nel lago è bene illustrato da questo grafico. L’aumento della
temperatura e quindi della frequenza di Brunt-Väisälä e l’aumento della produzione
algale, che determinano un aumento del biovolume ed una diminuzione della
trasparenza, avvengono nei mesi estivi; anche l’aumento di pH e la diminuzione di
conducibilità ed alcalinità sono legate ai processi fotosintetici estivi che provocano la
precipitazione del carbonato di calcio. Nella figura 3 è possibile notare come per i
campioni estivi della stazione di Como vi sia stato un aumento di conducibilità e pH nei
mesi estivi e tardo estivi.
Questa situazione si può spiegare con l’apporto di inquinanti di origine basica dal
bacino che alterano i naturali equilibri dei carbonati. Questa ipotesi è confermata dai
valori di concentrazione di azoto ammoniacale registrati nella stazione di Como che
hanno avuto picchi superiori ai 100 µg l-1.
113
Biplot (assi D1 e D2: 66,58 %)
dopo rotazione Varim ax
3
c5
pH
cond
temp
Nitr
tra
PT
Br.va
biovolume
Si
D2
0,249
0,887
-0,198
0,335
-0,254
0,690
0,081
0,269
0,234
c4
ar4
2
D2 (18,33 %)
D1
0,817
0,150
0,926
-0,475
-0,768
-0,573
0,871
0,328
-0,873
co nd
PT
d4
c3 c1
c2
d3 Nitr
l2 Si
a3
ar3
ar2
1
0
d2 a2
l1a12
d1 tra
ar1
-1
a1
-2
-4
-3
-2
c9
c7
c11 c10 c6 c8
ar5
ar6
bio volume
d6
pH
ar7
B d7
r.va
c1
d1
22
a4
d5
a11 ar11
ar12
d11
d10
a10
-1
0
ar8
a7
a5
a6 temp
d8
a8
ar10ar9d9
a9
1
2
3
4
D1 (48,25 %)
Fig. 3 - Biplot ottenuto dall’applicazione della PCA sull’intero set di dati dei parametri chimico-fisici.
40
35
30
µg l-1
25
20
15
10
5
0
Como
Argegno
Abbadia
Dervio
Lecco
2005
2004
Fig. 4 - PT circolazione primaverile.
Per quanto riguarda le concentrazioni di fosforo totale alla circolazione
primaverile, riportati nella figura 4, risulta evidente come vi sia una differenza tra i
sottobacini. Il bacino occidentale ha fatto registrare valori pari a 30 e 29 µg l-1,
114
rispettivamente nelle stazioni di Argegno e Como, superiori rispetto a quelli degli altri
bacini. La differenza aumenta, fino a 10 µg l-1, se si considerano invece i valori medi
annuali di fosforo totale relativi all’epilimnio, mostrati nella figura 5. Nei laghi profondi
come il Lago di Como, dove la stratificazione termica dura parecchi mesi e la piena
circolazione non si verifica tutti gli anni, la concentrazione media annuale di clorofilla è
strettamente legata alla concentrazione epilimnica di fosforo totale (Salmaso et al.,
2003) quella effettivamente disponibile per lo sviluppo del fitoplancton.
30
25
µg l -1
20
15
10
5
0
Como
Argegno
Abbadia
2004
Dervio
Lecco
2005
Fig. 5 - PT media annua epilimnio.
3.2. Fitoplancton
La descrizione della successione stagionale dei popolamenti fitoplanctonici è stata
effettuata mediante l’utilizzo di due tecniche di analisi multivariata, NMDS e CCA, che
hanno consentito di confrontare i popolamenti delle cinque stazioni e la loro evoluzione
stagionale in relazione ai parametri chimico fisici.
Nella figura 6 sono illustrati i risultati della applicazione del Nonmetric
Multidimensional Scaling ad una matrice di dissimilarità di Bray-Curtis ricavata dai dati
di biovolume algale dell’anno 2005. Anche per l’anno 2004 l’andamento è molto simile
con leggere differenze nei rapporti di dominanza tra le specie principali. Il periodo
invernale è stato caratterizzato da bassi valori di biovolume e dal dominio di alcune
specie come Staurastrum paradoxum, Rhodomonas minuta. Nella figura 8, dove viene
illustrato il biplot ottenuto dall’applicazione della CCA mediante l’utilizzo dei valori
medi dello strato 0-20 metri delle variabili chimico fisiche, queste specie risultano
associate alle caratteristiche tipiche dei mesi invernali quali elevata trasparenza e bassi
valori della frequenza di Brunt-Väisälä. I mesi tardo invernali e primaverili sono
115
caratterizzati dalle fioriture di diatomee di cui alcune a strategia C, come
Stephanodiscus minutulus ed altre a strategia R come Asterionella formosa, F.
crotonensis ed Aulacoseira islandica. In questo periodo si registrano i picchi più elevati
di biovolume annuale.
La diminuzione del fosforo reattivo, della silice e l'
aumento della frequenza di
Brunt-Väisälä con l’inizio della stratificazione caratterizzano questo periodo. L’ulteriore
riscaldamento delle acque e la conseguente stabilizzazione della stratificazione portano
al dominio delle specie a strategie S, dalla tarda primavera fino all’inizio dell’autunno.
Le specie più significative sono dapprima Mougeotia sp. e Schroederia schroeteri, poi
Coelastrum microporum, Cryptomonas erosa, Ceratium hirundinella. Dall’analisi della
figura 7 è evidente come ci sia una marcata separazione del periodo estivo caratterizzato
da elevati valori di frequenza di Brunt-Väisälä e di pH correlati al dominio delle
Chlorococcales ed altre specie S strateghe. M. aeruginosa compare nel grafico solo nel
periodo tardo estivo anche se in effetti negli strati superficiali è stata la specie
dominante per gran parte dell’estate e dell’inizio autunno. La rottura della
stratificazione porta al cambiamento della struttura della comunità fitoplanctonica nel
periodo autunnale con il dominio di specie R strateghe come P. rubescens, che ha
rivestito e riveste un’importanza fondamentale nel Lago di Como.
La successione fitoplanctonica è stata descritta anche in funzione delle
componenti predabili da parte dello zooplancton. Nella figura 8 viene descritto
l’andamento della frazione predabile, composta dalle alghe unicellulari o coloniali le cui
dimensioni sono inferiori ai 40 µm (Lampert & Sommer, 1997). Dal confronto con la
componente zooplanctonica è emerso che l’interazione tra le due comunità è risultata
evidente solo nel periodo primaverile. Dal punto di vista della produzione algale, i
biovolumi medi annuali, riportati nella figura 9, sono tipici di ambienti mesotrofi.
Fig. 6 - Applicazione della tecnica NMDS alla matrice di dissimilarità ricavata dai dati di biovolume
algale (anno 2005).
116
1.0
C rypto m o
P eridini
Z eu
M icrocy s
M a llom o n
C hrom uli
C e ratium
te m p
G y m n od in
Sta urast
P la nktot
R h od om on
RP
Si
N itr
M e losira
C o elastr A p hanizo
P ediastr
Sphae ro cC rypto m o
E u dorina
D in ob ry o
C losteri
alk
G y m nod in
Ste phano
im no thr
c on
C adLrteria
G e m ellic
F ragilar
A ph an ote
r.v aa riu
CBosm
Stau rast
u lac ose
AAulacose
D iato m a
Step hano
-1.0
pH
-1 .0
1 .0
Fig. 7 - Biplot ottenuto dall’applicazione della CCA ai valori medi dei parametri chimico-fisici dello
strato 0-20 metri.
18000
1200
16000
individui m
-3
3
800
biovolume mm m
12000
-3
1000
14000
10000
600
8000
6000
400
4000
200
Cladoceri
Copepodi
predabili
non predabili
14/12/2005
14/11/2005
25/10/2005
05/09/2005
08/08/2005
18/07/2005
22/06/2005
19/05/2005
21/04/2005
21/03/2005
21/02/2005
0
10/01/2005
2000
filamenti
0
colonie
Fig. 8 - Interazioni tra frazioni predabili del fitoplancton e componenti zooplanctoniche.
117
1600
2004
1400
2005
1200
3 -3
mm m
1000
800
600
400
200
0
Como
Argegno
Abbadia
Dervio
Lecco
Fig. 9 - Fitoplancton: Biovolume medio annuale.
È evidente come la produzione del bacino occidentale sia superiore a quella degli
altri sottobacini, soprattutto nell’anno 2005.
3.3. Zooplancton
La descrizione della successione stagionale dei popolamenti zooplanctonici è stata
realizzata mediante l’utilizzo della tecnica di analisi multivariata, NMDS. La
rappresentazione in due dimensioni della matrice di distanze, attraverso l’analisi
NMDS, infatti, permette di scomporre in modo abbastanza evidente i fattori legati alla
separazione dei diversi campioni evidenziando un ordine cronologico tra gli stessi.
Nella figura 10 sono illustrati i risultati della applicazione del Nonmetric
Multidimensional Scaling ad una matrice di dissimilarità di Bray-Curtis ricavata dai dati
di densità zooplanctonica dell’anno 2005. Osservando il grafico, è possibile notare che
lungo il primo asse (dimension 1) la separazione dei campioni estivi da quelli invernali,
mentre sul secondo (dimension 2) la separazione di quelli primaverili rispetto a quelli
autunnali.
La velocità di cambiamento appare più elevata nei periodi di maggiore turbolenza
della colonna d’acqua; al contrario, durante la stratificazione, i gradienti di variazione
sono molto meno pronunciati ed i punti sono più ravvicinati. La progressiva
stabilizzazione della colonna consente, infatti, una maggiore differenziazione delle
diverse nicchie ecologiche e dunque una possibilità minore di cambiamento.
Anche per quanto riguarda la composizione specifica della comunità
zooplanctonica, è possibile notare una marcata stagionalità dei popolamenti che segue il
ciclo temporale evidenziato dall’analisi NMDS.
Analizzando il periodo invernale, caratterizzato nell’anno 2005 da un
rimescolamento completo della colonna d’acqua, si osserva una comunità definita dalla
118
presenza quasi esclusiva di E. padanus, vera specie dominatrice del Lago di Como, e di
pochi altri rotiferi di piccole dimensioni e ciclopoidi.
Il riscaldamento dell’acqua, promosso dall’arrivo della stagione primaverile ed in
seguito di quella estiva e l’innescarsi della stratificazione termica determinano in prima
battuta le condizioni idonee per la comparsa dei cladoceri filtratori quali Daphnia e
Diaphanosoma brachyurum. Successivamente, quando la stabilità della colonna
d’acqua è massima e la linea del termoclinio diviene quasi una barriera fisica che
ostacola gli organismi nella loro discesa verso gli starti profondi (condizioni che nel
Lago di Como si verificano approssimativamente nel periodo da luglio a novembre), si
assiste ad una numerosa comparsa di grossi cladoceri predatori come Leptodora kindtii
e Bytotrephes longimanus. Queste specie infatti, che negli altri periodi dell’anno sono
quasi del tutto assenti, sono favorite nella loro azione di predazione dalla presenza di
pronunciati termoclini.
0, 4
w int er
s prin g
L1 2
0, 3
L 11
D4
L4
A r4
L5 C 4
A r2
0, 2
C2
L 10
A4
A r5
D5
L3
A5
A3
D3
0, 1
C5
D2
- 0, 3
- 0 ,2
Ar 6
D6
A6
A r1 2
L 1 C1
0
C- 06,1
0
0 ,1
A r7
s u m m er
A7
C9
D8
0 ,2
A r 10
D7
C8
C7
A8
A r8
A9
A1
D1
D9
-0, 1
Ar9
A2
L2
L9
L6
L8
A r1
0 ,3
A 12 A r1
DD10
11
C 11
A r 11
C 10
L7
A1 1
C12
-0, 2 A 10
autum n
D1 2
-0, 3
Fig. 10 - Applicazione della tecnica NMDS alla matrice di dissimilarità di Bray-Curtis ricavata dai dati di
densità zooplanctonica dell’anno 2005.
Infine, con il progressivo raffreddamento delle acque e l’esaurirsi della
stratificazione, compare nel periodo tardo autunnale E. coregoni.
Gli andamenti dell’anno 2004 non si discostano molto da quelli dell’anno
successivo, con lievi differenze solo per quanto riguarda l’entità numerica complessiva
dei popolamenti.
Per quanto riguarda la consistenza numerica dei popolamenti zooplanctonici,
osservando il grafico (Fig. 11), è possibile affermare che, seppure con differenze
contenute, il bacino orientale ha fatto registrare un numero più elevato di Calanoidi ed
uno più ridotto di Cladoceri rispetto a quello occidentale.
119
Cladoceri
Densità ind. m-3
10000
Copepodi
8000
6000
4000
2000
Ab
ba
dia
L.
Ab
04
ba
dia
L.
05
D
er
vio
20
Ar
04
ge
gn
o
20
04
De
rv
io
20
Ar
05
ge
gn
o
20
05
Co
m
o
20
04
Le
cc
o2
00
Co
4
mo
20
05
Le
cc
o
20
05
0
Fig. 11 - Raffronto numerico tra popolamenti zooplanctonici del Lago di Como (anni 2004-2005).
4. DISCUSSIONE E CONCLUSIONI
L’analisi dei dati prodotti ha permesso di caratterizzare le condizioni trofiche dei
singoli bacini e le relazioni con i popolamenti planctonici. Dal punto di vista dei
nutrienti è stato riscontrato un gradiente di concentrazione di fosforo totale tra il bacino
occidentale, in condizioni di meso-eutrofia, e gli altri, mesotrofi. La stazione di Como
ha fatto registrare valori medi epilimnici di fosforo totale nettamente più elevati rispetto
alle altre stazioni, anche di Argegno, punto di massima profondità. Ciò porta a due
considerazioni. La prima è che il bacino di Como risente dell’apporto di nutrienti sia dai
corsi d’acqua superficiali che dagli effluenti dei comuni insistenti su tale bacino. La
seconda riguarda il fatto che le riserve di nutrienti presenti negli oltre 400 metri di
colonna di Argegno non siano più così rilevanti ai fini della determinazione della
condizioni trofiche di questa stazione. A conferma di questa ultima analisi vi sono le
concentrazioni ipolimniche di fosforo totale misurate in questi due anni, non riportate in
questo lavoro. Dal punto di vista dell’evoluzione trofica temporale è risultato evidente
come non vi siano stati, per la concentrazione del fosforo totale, miglioramenti
sostanziali nel bacino occidentale rispetto ai dati del triennio 1997-1999 (Mosello et al.,
2001), a differenza del bacino orientale dove i miglioramenti sono risultati più evidenti.
I popolamenti fitoplanctonici delle diverse stazioni hanno risentito della differente
disponibilità di nutrienti soprattutto dal punto di vista quantitativo. Il bacino occidentale
è stato caratterizzato da biovolumi fitoplanctonici medi annuali più elevati. Dal punto di
vista della composizione in specie della comunità algale dello strato integrato, sono
state riscontrate alcune differenze con un maggiore peso delle Chlorococcales e di P.
rubescens nel bacino occidentale, quest’ultima presente soprattutto a Como. Le
differenti condizioni idrodinamiche del bacino occidentale, caratterizzato da una elevata
stabilità della colonna d’acqua soprattutto in prossimità della città di Como, hanno
120
permesso in passato lo sviluppo di notevoli fioriture di M. aeruginosa. Dall’analisi dei
dati degli ultimi 6 anni relativi al fitoplancton si evidenzia come il Lago di Como abbia
subito alcuni cambiamenti quali la diminuzione del biovolume fitoplanctonico medio
annuale, la riduzione della densità di P. rubescens e l’aumento di quella di M.
aeruginosa (Mosello et al., 1999; Bettinetti et al., 2000; Mosello et al., 2001).
Nell’estate 2006 si è verificata inoltre una fioritura di Anabaena lemmermannii
(Rapporto interno ARPA Lombardia Dipartimento di Lecco) che ha interessato i bacini
orientale e settentrionale, mentre quello occidentale ne è stato escluso. I popolamenti
zooplanctonici hanno anche essi rispecchiato il gradiente trofico tra i diversi bacini.
Considerando che un’abbondante presenza di cladoceri filtratori è da ascriversi a
condizioni di elevata trofia, che questa stessa presenza, al contrario, diminuisce in
ambienti oligotrofi (Chiaudani & Premazzi, 1993), e che i copepodi calanoidi (quali
Eudiaptomus padanus) sono molto sensibili alle forme di eutrofizzazione, si ha una
ulteriore conferma dall’analisi delle componenti zooplanctoniche del Lago di Como, nel
biennio 2004 e 2005, che il bacino orientale del Lago di Como si trova in condizioni
trofiche migliori rispetto a quello occidentale. Rispetto agli anni passati (Chiaudani &
Premazzi, 1993) si è avuta una riduzione della densità dei Cladoceri in tutto il lago.
In conclusione ciò che emerge da questo studio è la necessità di una accelerazione
del risanamento del bacino occidentale. È necessario inoltre che si prosegua nella
raccolta delle informazioni biologiche che consentano di verificare l’efficacia della
riduzione dei carichi inquinanti. Un maggiore sforzo dovrà essere dedicato alla
acquisizione dei parametri meteo-climatici che, associati ad un idoneo strumento
modellistica, saranno utili per la comprensione delle dinamiche dei popolamenti
fitoplanctonici e dei fenomeni di fioritura algale di specie potenzialmente tossiche,
come quelle citate in precedenza. La presenza di alcune tossine prodotte dai cianobatteri
pone delle limitazioni per l’utilizzo a scopo ricreativo e/o potabile delle acque del lago.
Sarà fondamentale controllare la concentrazione di queste tossine anche in relazione ai
bassi valori di tossicità cronica attribuiti ad alcune di queste.
BIBLIOGRAFIA
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3-7 luglio 2006
122
EPILITHIC AND EPIPHYTHIC DIATOMS OF TWO SHALLOW SUBALPINE
LAKES (TRENTINO, ITALY)
Cristina CAPPELLETTI, Francesca CIUTTI, Maria Elena BELTRAMI,
Flavio CORRADINI, Adriano BOSCAINI, Monica TOLOTTI
IASMA Research Center - Natural Resources Department - Via E. Mach, 1 - 38010 San
Michele all’Adige (TN)
RIASSUNTO
Diatomee epilitiche e epifitiche di due laghi subalpini poco profondi (Trentino, Italia)
L’analisi dei fattori coinvolti nei processi di alterazione degli ecosistemi lentici
richiede di concentrare l’attenzione verso le sorgenti diffuse e puntiformi di nutrienti,
che possono influenzare pesantemente i fenomeni di eutrofizzazione. In quest’ottica, lo
studio della comunità delle diatomee litorali può rappresentare un utile strumento di
indagine, in grado di evidenziare eventuali aree di degrado lungo la zona di riva.
In questo studio viene presentata una esperienza di applicazione di un Indice
Trofico basato sull’analisi delle diatomee litorali (Trophic Index – Hofmann, 1994;
1999) per la valutazione dello stato trofico di due laghi subalpini poco profondi
(Canzolino e Madrano, Trentino).
ABSTRACT
The analysis of eutrophication of lenthic environments should focus its attention
on diffuse and local nutrient sources, such as urban runoff, animal husbandry wastes
and agricultural fertilizers, which can compromise the lake quality by increasing the
nutrients input. For the investigation of contribution to lake eutrophication of diffuse
nutrient sources, studies on littoral diatom community could represent a tool to describe
local deterioration along the lake shore.
The trophic status of two shallow subalpine lakes (Madrano and Canzolino,
Trentino, Italy) was assessed by means of the application of Trophic Index based on
Diatoms (Hofmann, 1994; 1999).
1. INTRODUCTION
Due to the strong relationship between nutrient enrichment and eutrophication
processes, the study of diffuse nutrient loadings, such as urban runoff, animal husbandry
wastes and agricultural fertilizer use, should deserve particular attention in the
assessment and improvement of lake quality. The investigation of this aspect should be
123
supported also by parameters different from those most commonly used for the
assessment of lake trophic status (i.e. chlorophyll a, Secchi disk transparency, total
phosphorous concentrations), such as littoral epilithic diatoms, which can be useful in
describing possible local deterioration along the lake shore.
In the last few years studies on this biotic component and its relationship with lake
trophic state increased, also according to the indications of the Water Framework
Directive 2000/60/EC (European Parliament & The Council of the European Union,
2000; Seele et al., 2000; Schönfelder et al., 2002; Kitner & Poulí ková, 2003; Blanco et
al., 2004; Poulí ková et al., 2004; Stenger_Kovàcs et al., 2007).
This study is part of a wider research project founded by the Province of Trento
focused on the analysis of the ecological status of Canzolino and Madrano lakes, to
indicate possible strategies for their naturalisation.
This contribution presents results of a littoral diatoms study of in two small
shallow subalpine lakes in Northern Italy.
2. SITE DESCRIPTION
Canzolino (A=0.07 km2; V=0.52x106m3; Zmean=7 m; Zmax=15 m, Fersina Basin)
and Madrano (A=0.01 km2; V=0.03x106m3; Zmean=4 m; Zmax=8 m, Fersina Basin) are
two small lakes located in Trentino Province (Northern Italy). The main inlet of
Canzolino is a channel outflowing from eutrophicated lake Madrano.
Lake Canzolino underwent intense eutrophication during the 1970s because of
raw sewage inputs; after their partial diversion, hypolimnetic aeration and deep water
withdrawal, the lake didn’t show clear improvement in trophic state.
Representative sampling stations were chosen at each lake: Canzolino (LCAN1LCAN5) and Madrano (LMAD1-LMAD3) (Fig. 1).
Fig. 1 - Location of sampling stations in Lake Canzolino and Madrano (in black natural stretches of inlets
and outlet are reported; in black and white the modified inlets).
124
Samplings where carried out in June and November 2005. Diatoms samples were
collected from two different substrates (stones for epilithic diatoms; macrophytes for
epiphytic diatoms), at a minimun water depth of 30 cm. The diatom valves were cleaned
using 30 % hydrogen peroxide, to eliminate organic matter, and hydrochloric acid, to
dissolve calcium carbonate. Clean diatom frustules were mounted in synthetic resin
(Naphrax©) to prepare permanent slides. Up to 500 valves per sample were counted and
identified to species level. Species abundance were used to calculate Trophic Index (TI)
(Hoffman, 1994; 1999), Shannon Index and species richness.
Lakes trophic status was also evaluated according to OECD (1982) collecting
montly water samples from the water column in the deeper point of lakes. The period
March 2005 – December 2005 was considered (Tab. 1).
Physical and chemical analysis on littoral water samples were performed
according to APHA (1998) in the same stations and with the same frequency of diatoms
samples.
Permutation test was performed to test differences between substrates (PAST
Software).
Tab. 1 - Lakes trophic status according to OECD (1982) and Hoffman (1994) ( [P ]λ : annual average of
total phosphorus in the water column; [chl] : annual average of euphotic chlorophyll-a).
Trophic state
[P]λ
[chl ]
Trophic Index (TI)
mg m
4,0
10,0
10 - 35
35 - 100
100
mg m
1,0
2,5
2,5 - 8
8 - 25
25
1,0 - 1,99
2,0 - 2,49
2,5 - 3,49
3,5 - 3,99
4,0 - 5,0
-3
ultraoligotrophic
oligotrophic
oligo-mesotrophic
mesotrophic
meso-eutrophic
eutrophic
-3
4. RESULTS
In total, 116 diatom taxa were found during the investigation (67 in lake
Canzolino and 105 in lake Madrano). Achnanthidium minutissimum (Kützing)
Czarnecki, Amphora pediculus (Kützing) Grunow, Encyonopsis microcephala
(Grunow) Krammer, Nitzschia lacuum Lange-Bertalot, Pseudostaurosira brevistriata
(Grunow) Williams and Round were the most frequent species.
Different sampling stations, periods and substrata showed high variability of TI
values, richness and diversity index (Shannon Index) in both lakes (Tab. 2).
Differences of mean values of TI were observed between sampling periods (Tab.
2). While Canzolino was assessed in both season as eutrophic (TI epilithic) and mesoeutrophic (TI epiphytic) for Madrano can be observed a deterioration from June to
November (TI epilitic: from mesotrophic to meso-eutrophic; TI epiphytic: from oligomesotrophic to meso-eutrophic).
125
Tab. 2 - Trophic Index (TI), species richness and diversity index of all the samples (Canzolino - LCAN1LCAN5 - Madrano - LMAD1-LMAD3).
LCAN 1-5 TI
species richness
Diversity Index
June 05
Nov 05
stone
macrophyte
stone
macrophyte
mean range
mean range
mean range
mean range
4,00 3,38 - 4,84 3,56 3,34 - 3,81 3,96 3,40 - 4,31 3,73 3,32 - 4,05
19
16 -25
25
20 - 31
22
16 - 28
23
19 - 28
1,2 0,78 - 2,08 1,5 0,73 - 2,12 2,1 1,63 - 2,33 1,91 1,71 - 2,13
LMAD 1-3 TI
species richness
Diversity Index
3,35 3,24 - 3,53 2,37 2,12 - 2,78 3,73 3,69 - 3,77 3,66 2,91 - 4,21
39
33 - 43
31
24 - 42
32
27 - 36
42
35 - 46
1,84 1,34 - 2,14 1,7 1,38 - 2,22 3,3 3,08 - 3,50 3,34 2,89 - 3,96
Lake
Substrates did not show a significant effect on species richness (Permutation test:
p: 0,2696) and on diversity index (Permutation test: p: 0,6782), but showed a significant
difference for trophic index (TI) (Permutation test: p: 0,0379). In particular macrophytes
seemed to underestimate the trophic level compared to stones.
Even if TI values were different between substrata the assessment of trophic level
agreed between epilithic and epiphytic samples for Canzolino (TI epilithic 3,98 -mesoeutrophic; TI epiphytic 3,64 -meso-eutrophic) and not for Madrano (TI epilithic 3,54 meso-eutrophic; TI epiphytic 3,02 - mesotrophic).
Similar results of trophic level were reached using the common metrics according
to OECD (1982): Canzolino was classified as eutrophic and mesotrophic considering
annual averages of total phosphorus (45.0 mg m-3) and chlorophyll-a (5.0 mg m-3 in the
euphotic zone), while Madrano as eutrophic (46.0 mg m-3 total phosphorus and 15.8 mg
m-3 chlorophill-a).
Moreover even if the two lakes showed a similar trophic level they differed in
mean values of species richness and diversity index (Shannon Index) (Fig. 2).
Number of species
Diversity index
46
3.6
3.2
40
2.8
34
2.4
2
28
1.6
22
±Std. Dev.
16
±Std. Err.
LCAN
LMAD
1.2
0.8
Mean
±Std. Dev.
±Std. Err.
LCAN
LMAD
Mean
Fig. 2 - Number of identified species and diversity index (Shannon Index) (mean values) of Canzolino
and Madrano.
Chemical parameters of lake shores are shown in table 3. Nutrient concentrations
(expecially TP and TN) were particularly high in all the samples and similar at those
measured in the water column. TP exhibited a wider range among sampling stations
126
expecially in June in Canzolino, while TN exhibited a wider range among sampling
point in the same month in Madrano.
We can suppose that differences in trophic levels observed along the lakes shores
can be considered as a possible effect of nutrient drainage of from agricultural areas
within the lake catchment or local phenomena of organic matter degradation, such as
CPOM (coarse particulate organic matter) originated both from riparian vegetation and
reeds.
Tab. 3 - Hydrochemistry of sampling sites along the lake shores (mean values and range) for Canzolino
and Madrano in the two sampling periods.
sampling
period
LCAN 1-5
June 05 mean
range
Nov 05 mean
range
LMAD 1-5 June 05 mean
range
Nov 05 mean
range
Lake
pH
conductivity
20°C
µS/cm
8,8
224
8,7 - 9
221 - 226
7,6
258
7,6 - 7,6 257 - 259
8,6
239
8,5 - 8,7 238 - 240
7,6
337
7,6 - 7,6 335 - 339
alkalinity
Tot mg/l
81
79 - 82
105
103 - 106
80
79 - 81
149
148 - 150
N-NO3
µg/l
638
589 -671
564
556 - 569
433
414 - 446
848
798 - 876
N-NH3
µg/l
38
28 -50
110
100 - 127
48
30 - 67
409
382 - 430
tot N
µg/l
1176
1112 -1270
1114
1068 - 1156
1061
819 - 1246
1799
1715 - 1857
P-PO4
µg/l
4
3-6
22
21 - 24
5
4-5
7
6-7
tot P
µg/l
44
20 - 127
43
42 - 45
29
23 - 36
57
37 - 90
5. DISCUSSION
This study can be considered one of the first application of a diatom index to
assess the trophic status of lakes in Italy, and results confirmed that littoral diatoms can
give useful information. Moreover when several stations are studied, they can complete
the data obtained according to OECD (1982) and can allow to detect possible
differences along the lake shore.
In this study, in particular, the substrate effect was tested by comparing the series
of data collected on macrophytes and stones, and a significant difference in TI values
was found. Recent studies found that indices calculated from different substrata samples
indicated significantly different trophic status and that epiphyton was the most useful
indicator (Pulikova et al., 2004). On the contrary, Hoffmann (1994), considering a
larger dataset, suggested that any differences in species composition among samples
from different substrata (stone and plants) did not lead to different indications of trophic
status and found a high regression between TI - epilithic and TI - epiphytic (r = 0,93),
while in the present study with a small dataset the regression was not significant (r =
0,54). King et al. (2006) suggested that the degree of influence of substrata would
appear to be greater in water bodies with a lower trophic status (ultra-oligotrophic to
mesotrophic), where the cobbles are the recommended substratum. In more eutrophic
water bodies the likelihood of finding suitable inert substrata decreases and the choice is
generally limited to plant or macroalgal substrata.
Differences between seasons observed in this study suggest that the natural
seasonal and successional dynamics of diatoms community should be studied in more
details, in order to define an indication about the frequency of samplings. WFD states in
fact that: “Monitoring frequencies shall be selected which take account of the variability
in parameters resulting from both natural and anthropogenic conditions. The times at
127
which monitoring is undertaken shall be selected so as to minimize the impact of
seasonal variation on the results, and thus ensure that the results reflect changes in the
water body as a result of changes due to anthropogenic pressure. Additional monitoring
during different seasons of the same year shall be carried out, where necessary, to
achieve this objective.” US EPA suggested for example that several samples collected
over different seasons may be necessary to characterize lake phytobenthos (King et al.,
2006). The Bavarian Water Management Agency (2005) recommends to assess the
littoral diatom community in summer and in autumn.
Littoral diatoms (phytobenthos) are one of the biotic indicator group included in
the WFD to assess the ecological status of lakes. Fundamental step for implementation
is the definition of standard protocols for sampling. This study showed that the choice
of sampling sites and their number are critical from this point of view, because of
sampling sites can show a high intra-lake variability: this effect should be greater in
anthropized lakes than in near natural ones, that in general show high homogeneity
along the shore.
Finally, further investigations on lakes belonging to different trophic state are
needed. Other indices could be applied and specific diatoms trophic values for Italian
lake typologies could be developed, as in other European country has been already done
(Germany, Austria, Hungary).
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3-7 luglio 2006
129
CARBONIO ORGANICO DISCIOLTO E PARTICELLATO NEL NORD
ADRIATICO IN RELAZIONE ALLA FORMAZIONE DI AGGREGATI
MUCILLAGINOSI
Daniele CASSIN1, Amelia DE LAZZARI1, Daniela BERTO2,
Alfredo BOLDRIN1,Michele GIANI2, Daniela VENERI1, Fabio SAVELLI2
1
CNR-ISMAR Istituto Di Scienze Marine - Sezione di Venezia
Castello 1364/A - 30122 Venezia
2
ICRAM - Istituto Centrale Per La Ricerca Scientifica E Tecnologica Applicata Al Mare
Brontolo - 30015 Chioggia
ABSTRACT
Dissolved and particulate organic carbon in the Northern Adriatic Sea in relation to
the mucilage events
Distribution of dissolved (DOC) and particulate organic carbon (POC) and total
particulate nitrogen (TPN) were investigated during the period June 2003–July 2005, in
the Northern Adriatic Sea in relation to the mucilage event.
The climatological forcing, the biological production processes and the
development of gelatinous aggregates determine the concentration and the temporal
variability of dissolved and particulate matter in the basin.
DOC/POC ratio can operate to early warning in the processes that drive to the
mucilage event.
RIASSUNTO
In questo lavoro è stata studiata la distribuzione del carbonio organico disciolto e
particellato e dell’azoto totale particellato in Adriatico settentrionale, nel periodo giugno
2003- luglio 2005, in relazione agli eventi di presenza massiccia di mucillagini.
Le forzanti climatologiche, i processi biologici e lo sviluppo di aggregati
gelatinosi influenzano la distribuzione del materiale disciolto e particellato del bacino.
Il rapporto DOC/POC può fungere da early warning nei processi che portano alla
formazione massiva di aggregati gelatinosi.
1. INTRODUZIONE
La produzione e il trasporto di materiale in un bacino come l’Adriatico
Settentrionale, fortemente influenzato dagli apporti di acque continentali, dipendono
principalmente dalla dinamica idrologica e presentano una notevole variabilità
131
temporale e spaziale in relazione alle forzanti termo-aline ed ai processi biogeochimici
che avvengono nelle diverse masse d’acqua.
Nell’ambito del programma INTERREG III CBC PHARE Italia-Slovenia, linea
progettuale OBAS, riguardante lo studio delle condizioni oceanografiche e dei processi
idrodinamici e biogeochimici dell'
Adriatico Settentrionale, è stata esaminata, dal 2003
al 2005, la distribuzione spazio-temporale del carbonio organico disciolto (DOC), del
carbonio organico particellato (POC), dell’azoto particellato totale (TPN) e della
clorofilla a (CHL a) con particolare riguardo alla presenza di mucillagini nel bacino.
Negli anni studiati, la formazione di aggregati gelatinosi di grande entità ed
estensione si è verificata nel periodo primavera-estate del 2004, mentre negli anni 2003
e 2005 non sono stati osservati fenomeni analoghi.
Per l’analisi di DOC, POC e TPN sono stati raccolti campioni d’acqua a diverse
profondità (superficie, 5 m, 15 m, fondo), su 12 stazioni campionate, con frequenza
stagionale, nell’intervallo temporale giugno 2003-luglio 2005 (Fig. 1). Sulle stesse
stazioni sono state effettuate misure di temperatura, salinità ed ossigeno mediante sonda
multiparametrica Idronaut mod. 316.
La determinazione del DOC è stata effettuata su campioni d’acqua di mare filtrata
su filtri GF/F ed acidificata con HCl 2N fino a pH=2 mediante ossidazione catalitica ad
alta temperatura (Total Organic Carbon Analyzer Shimadzu mod. 5000; Sugimura &
Suzuki, 1988). I campioni per il POC e per il TPN sono stati filtrati su filtri Whatman
GF/F, acidificati mediante HCl per l’eliminazione del C inorganico e successivamente
determinati mediante un analizzatore elementale CHN Perkin-Elmer mod. 2400,
secondo la metodica riportata in Hedges e Stern (1984).
I campioni per la determinazione della clorofilla a sono stati filtrati su filtri
Whatman GF/F e l’analisi è stata effettuata utilizzando un fluorimetro mod. PerkinElmer LS-5B, dopo estrazione dei pigmenti in acetone al 90 %, secondo Holm-Hansen
et al. (1965).
Le concentrazioni del DOC risultano elevate nel periodo primavera-estate del
2005, in superficie e nelle zone costiere. Tali valori risultano più elevati anche rispetto
agli anni precedenti (Giani et al., 2003; Giani et al., 2005), dimostrando una scarsa
relazione di questo parametro con la formazione massiva di aggregati.POC e TPN
presentano un andamento stagionale, con massimi in superficie e nel periodo estivo, in
corrispondenza di bloom fitoplanctonici, e minimi in prossimità del fondo nel periodo
autunnale. La concentrazione media di POC risulta più elevata in superficie e lungo la
costa, sia in maggio-agosto 2004 che in maggio-luglio 2005. Nel maggio 2004, le
concentrazioni medie di POC hanno raggiunto valori da 2 a 4 volte superiori rispetto
allo stesso periodo del 2003 (Fig. 2) e significativamente superiori anche a quelle
132
riscontrate nel 2005. I valori in generale sono più elevati rispetto a quelli osservati
durante l’evento mucillaginoso del 2002 (Giani et al., 2003; Giani et al., 2005).
Fig. 1- Ubicazione delle stazioni di campionamento.
Fig. 2 - Concentrazioni medie di POC nell’area costiera ed al largo.
Il rapporto DOC/POC (Fig. 3), indice di ripartizione della frazione organica tra la
fase disciolta e quella particellata, presenta i valori minimi in maggio ed agosto 2004,
mediamente inferiori anche a osservazioni precedenti (Giani et al., 2005), in seguito
soprattutto ad un aumento di POC. I valori più elevati del rapporto generalmente si
riscontrano nelle acque oligotrofiche al largo. Il rapporto molare POC/TPN mostra una
certa omogeneità sia nella distribuzione verticale sia in quella orizzontale con un valore
medio prossimo a quello tipico per il fitoplancton ed un aumento relativo nel periodo
estivo. I massimi sono presenti nei primi 15 metri di profondità, in particolare al largo e
133
nel periodo di stratificazione della colonna d’acqua primavera-estate, probabilmente per
una maggior degradazione a carico dell’azoto al di sopra del termoclino.Il rapporto
POC/Chla, (Fig. 4) che permette di valutare il contributo della componente autotrofa
alla sostanza organica, presenta rapporti elevati a luglio 2003 e marzo 2004, in
corrispondenza di concentrazioni molto basse di clorofilla a, e ad agosto 2004 per alti
valori di POC, determinati dalla presenza di aggregati mucillaginosi. Valori bassi di
POC/Chla (<200) possono essere correlati a bloom fitoplanctonici, come rilevato
nell’area costiera nel maggio 2004 in corrispondenza di un bloom di diatomea
Ceratulina pelagica.
Fig. 3 - Valori medi del rapporto DOC/POC nell’area costiera ed al largo
Fig. 4 - Valori medi del rapporto POC/chl a.
134
4. CONCLUSIONI
L’accumulo di POC osservato nel 2004, rispetto al 2003 e 2005, può essere stato
favorito sia da un elevato apporto fluviale del Po, che ha contribuito ad aumentare la
fertilizzazione e quindi la produzione primaria, sia da una riduzione dell'
export del
carico organico dal nord Adriatico per un ridotto scambio con il resto del bacino.
In questo contesto la riduzione del rapporto DOC/POC può fornire indicazioni di
un cambiamento della ripartizione del particellato/disciolto prima della comparsa delle
mucillagini, come osservato negli anni 2000-2002. Questo rapporto può fungere da
early warning per i processi che portano alla formazione massiva di aggregati
gelatinosi.
RINGRAZIAMENTI
Questa ricerca è stata finanziata dal Progetto INTERREG III CBC PHARE ItaliaSlovenia, linea progettuale “Oceanografia Biologica dell’Adriatico Settentrionale”,
convenzione ARPAV-ISMAR del 30 maggio 2003.
BIBLIOGRAFIA
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monitoraggio e studio sui processi di formazione delle mucillagini nell’Adriatico
e nel Tirreno (MAT). Rapporto Finale. ICRAM, Vol. III: 79-132.
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determination of non-volatile dissolved organic carbon in seawater by direct
injection of a liquid sample. Mar. Chem., 24: 105-131.
3-7 luglio 2006
135
DISPERSIONE DI ACQUE DI PRODUZIONE NEL MARE ADRIATICO
Daniela CIANELLI1,2, Tommaso SCOTTI1, Enrico ZAMBIANCHI1, Loredana
MANFRA3, Anna Maria CICERO3
1
Dipartimento di Scienze per l’Ambiente, Università “Parthenope” - 80100 Napoli
2
Centro di Competenza - Analisi e Monitoraggio del Rischio Ambientale,
AMRA S.c.a.r.l. - 80100 Napoli
3
ICRAM - Istituto Centrale per la Ricerca scientifica e tecnologica Applicata al Mare 00100 Roma
ABSTRACT
Dispersion of produced waters in the Adriatic Sea
In the North Adriatic Sea offshore gas production platforms are currently active.
Produced formation waters (PFWs), a by-product of gas extraction, are separated on the
platforms and then discharged into the sea, where processes of mixing ambient fluid
into the plume determine the dilution of the PFWs. We reproduce the initial mixing
process in the near field by means of UM3 Model (Three Dimensional Update Merge),
widely applied by the U.S EPA (Environmental Protection Agency). The simulations
are realized in different seasonal conditions of the water column. The results show the
influence of water column stability and ambient currents on PFWs dynamic.
RIASSUNTO
Nel settore nord del Mar Adriatico operano una serie di piattaforme offshore per
l’estrazione di gas. Durante i processi di perforazione, alla risalita di idrocarburi si
accompagna quella delle acque di produzione (PFWs) che, opportunamente pretrattate,
vengono scaricate in mare, dove sono sottoposte a processi di mescolamento e
dispersione. In questo lavoro simuliamo il processo di mescolamento iniziale delle
PFWs utilizzando il modello UM3 (Three Dimensional Update Merge), della U.S. EPA,
in condizioni di stratificazione della colonna d’acqua corrispondenti ai quattro periodi
stagionali. I risultati mostrano una forte dipendenza stagionale nel comportamento delle
PFWs da attribuire alle variazioni di stabilità della colonna d’acqua.
1. INTRODUZIONE
Nel Mare Adriatico sono installate una serie di piattaforme al largo della costa per
sfruttare i giacimenti di idrocarburi presenti nel sottofondo marino. Durante la fase di
produzione insieme agli idrocarburi sono estratte anche delle acque dette di produzione
137
(PFWs - Production Formation Waters) che vengono, in genere, separate dagli
idrocarburi sulle stesse piattaforme e poi scaricate in mare tramite condotti sottomarini.
Queste acque sono costituite da “acque di formazione” naturalmente presenti nella
struttura geologica dalla quale si estraggono gli stessi idrocarburi e “acque di processo”
aggiunte per favorire la pressione nel giacimento e quindi la risalita del gas. Una volta
fuoriuscite dal condotto di scarico sottomarino le acque di produzione sono sottoposte a
processi di mescolamento e dispersione. Nella fase immediatamente successiva
all’immissione in mare il processo dominante è quello di mescolamento iniziale che non
può essere trascurato perché implica una rapida diluizione e quindi una notevole
riduzione della concentrazione. Vengono qui presentati i risultati di uno studio
realizzato nell’ambito di un Accordo Quadro tra l’ICRAM e il Dipartimento di Scienze
per l’Ambiente dell’Università Parthenope su “Modellistica di dispersione delle PFWs”.
In particolare vengono illustrati i risultati del modello UM3 (Three-dimensional Update
Merge) dell’U.S. EPA (U.S. Environmental Protection Agency) che è stato impiegato
per simulare il processo di mescolamento iniziale (near field) a cui sono sottoposte le
acque di produzione sversate da 10 piattaforme operanti in Adriatico.
Il processo di mescolamento iniziale in prossimità del diffusore è indotto dai flussi
di buoyancy e di quantità di moto generati dalla fuoriuscita delle PFWs e dalla loro
interazione con il fluido ambientale. Per effetto del mescolamento l’effluente immesso
in mare incorpora fluido ambientale (entrainment) determinando un rapida diluizione
delle PFWs. Il processo di entrainment tende ad equilibrare la differenza di densità tra
il fluido ambientale e l’effluente; la fase di mescolamento iniziale termina quando viene
raggiunta un livello di equilibrio, detto livello di buoyancy neutrale o trap level, in cui
la densità dell’effluente è pari a quella ambientale.
Il modello teorico Lagrangiano UM3 (Baumgartner et al., 1994; Frick et al.,
2002), risolve le equazioni del moto e del trasporto di massa per determinare le
caratteristiche della plume usando uno schema d’integrazione che avanza con
incrementi discreti (di tempo o distanza) lungo la traiettoria della plume. L’UM3
utilizza come dati di ingresso una serie di parametri relativi sia al diffusore che
all’ambiente e fornisce in output alcuni parametri utili ad esaminare la dinamica
dell’effluente durante la fase di mescolamento iniziale. Una stima della diluizione delle
PFWs è data dal fattore di diluizione di massa (Sa), il rapporto tra la concentrazione
media dell’effluente e la concentrazione media della sezione trasversale della plume. Sa
è indipendente dal contributo dato dai singoli inquinanti ed è determinato soltanto dalla
densità della plume.
La maggior parte della diluizione delle PFWs avviene durante l’iniziale
fuoriuscita dell’effluente, grazie all’entrainment del fluido ambientale nella plume. Il
numero densimetrico di Froude (Fr) dell’effluente è una misura dell’effetto relativo del
momento (jet plume) e della buoyancy (buoyant plume) posseduta dalla plume all’uscita
dal diffusore ed è dato da (Roberts & Tian, 2004):
138
U0
Fr =
(1)
ρ − ρe
gD a
ρr
dove D è il diametro della porta del diffusore, a = densità ambientale nel punto di
scarico, e = densità dell’effluente, r = densità di riferimento in genere presa uguale a
e, g è l’accelerazione di gravità ed U0 rappresenta la velocità d’uscita della plume dalla
porta del diffusore.
I parametri del diffusore sono rappresentati da salinità, temperatura e flusso
d’uscita delle PFWs, posizione, profondità e diametro della porta del diffusore. Le
PFWs sono scaricate da un diffusore posto in verticale costituito, in genere, da una sola
porta con un diametro di 5 cm e le profondità di scarico variano nelle diverse
piattaforme da un minimo di 9 m ad un massimo di 19 m (Tab. 1). Per quanto riguarda
le caratteristiche del fluido ambientale, il campo di velocità è ricavato da correnti
superficiali misurate tramite boe lagrangiane (Falco et al., 2000). Le velocità orizzontali
lungo la verticale sono ottenute ipotizzando che le correnti superficiali diminuiscano
linearmente con la profondità fino ad assumere valore nullo al fondo. In prossimità delle
piattaforme analizzate si hanno velocità minime di 3-4 cm s-1 e velocità massime di 1718 cm/s. I dati ambientali relativi alla stratificazione stagionale media in Adriatico
(salinità, temperatura, etc.) sono ricavati dal data base DADB (Dartmouth Adriatic Data
Base).
Tab. 1 - Caratteristiche del diffusore, dell’effluente e del fluido ambientale.
Piattaforme* Long.
EST
Lat.
NORD
Velocità
cm/s
Vx
Vy
Prof.
mare
m
Prof.
Temp.
scarico Effl.
m
°C
Salinità
Volumi PFW
Effl.
g/kg
m3/anno
5857
A
12,663
44,406
2,4
-3,9
31
-13
24,5
38,572
B1
12,511
44,522
3,6
-9,6
25
-12
24,5
20,694
808
B2
12,531
44,486
3,6
-9,6
26
-13
24
46,602
3324
B3
12,515
44,531
3,6
-9,6
25
-9
23
19,814
1440
C
13,001
44,131
11,7
-14,7
42
-19
24,5
32,809
5857
D
13,045
44,116
6,3
-14,4
47
-17
26,5
45,928
795
E
13,25
44,066
11,1
-13,5
56
-11
24
43,316
3399
F
12,721
44,166
1,2
-3,6
24
-9
26
40,667
2049
G
12,639
44,294
2,4
-3,9
17,5
-12
25,5
23,83
2058
H
12,64
44,301
2,4
-3,9
23
-9
19
20,596
908
*
le piattaforme oggetto di questo studio vengono riportate in codice per motivi di privacy
richiesti dalla Società di appartenenza.
3. RISULTATI E CONCLUSIONI
Utilizzando i parametri relativi al diffusore, all’effluente e al fluido ambientale
riportati in tabella 1, sono state realizzate quattro simulazioni per ognuna delle 10
piattaforme al fine di valutare l’influenza della stratificazione stagionale sulla
dispersione e diluizione della plume. In figura 1 sono riportati i risultati più
139
rappresentativi relativi ad una delle 10 piattaforme considerate (F) in differenti
condizioni stagionali (Inverno-Estate). In funzione della distanza dalla porta del
diffusore sono riportate: la diluizione media e quella della centerline, la zona centrale
della plume caratterizzata da minima diluizione, e l’evoluzione della sezione verticale
della plume e dei suoi margini. Nelle condizioni in cui opera la piattaforma F in inverno
la plume, immessa in mare alla profondità di 9 m, tende inizialmente ad affondare per
effetto del momento (Fr>>1 e positivo) e risale, quando prevale la buoyancy,
raggiungendo il trap level a ~9.5 m. In condizioni estive la plume presenta una
buoyancy negativa, l’effetto di entrainment ne riduce la densità e induce il
raggiungimento del trap level a circa 10.2 m. La massima diluizione (Sa = 90) si ha in
inverno ad una distanza orizzontale di ~ 2 m dallo scarico.
I risultati mostrano una forte dipendenza stagionale nel comportamento delle
PFWs da attribuire alle variazioni di stratificazione e di stabilità della colonna d’acqua.
Per tutte le piattaforme si ha una elevata diluizione iniziale delle PFWs durante il
periodo autunnale ed invernale mentre in primavera ed in estate i valori di Sa
decrescono notevolmente.
Fig. 1 - Diluizione media (-) e della centerline (•) in funzione della distanza dalla porta del diffusore
(pannelli in alto). Sezione verticale della plume (-) e dei suoi margini (•) (pannelli in basso).
140
Un altro elemento di variabilità nel fattore di diluizione delle PFWs è
rappresentato dall’intensità delle correnti al momento dello scarico. Le simulazioni
realizzate indicano un aumento della diluizione in presenza di forti correnti ambientali
indipendentemente dalle condizioni di stratificazione. Gli scenari simulati si possono
considerare dei worst cases rappresentativi delle situazioni di massima potenziale
criticità connesse allo scarico in mare delle PFWs. I risultati numerici forniscono
suggerimenti sulla pianificazione delle immissioni di PFWs in mare in modo tale da
mitigarne gli eventuali effetti sull’ambiente marino. In particolare potrebbe essere utile
scaricare maggiori volumi di PFWs in inverno o in generale quando condizioni meteomarine di intenso rimescolamento della colonna d’acqua favoriscono una rapida
diluizione.
BIBLIOGRAFIA
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3-7 luglio 2006
141
DISTRIBUZIONE SPAZIO-TEMPORALE DELLE COMPONENTI PICO-,
NANO- E MICROFITOPLANCTONICHE NELL’ADRIATICO NORDOCCIDENTALE (GOLFO DI VENEZIA)
Joan COPPOLA, Francesco ACRI, Anna Maria BAZZONI, Mauro BASTIANINI,
Fabrizio BERNARDI AUBRY
C.N.R. Istituto di Scienze Marine, Sezione di Venezia, Castello 1364/A 30122 Venezia
ABSTRACT
Spatial and temporal distribution of pico-, nano- and microphytoplankton in the
NW Adriatic Sea (Gulf of Venice)
The seasonal and spatial variations of the phytoplankton size structure (pico-,
nano- and microphytoplankton) have been studied in relations with the main
hydrological and trophic parameters in the Gulf of Venice (Northern Adriatic Sea), at
the basin scale.
Total phytoplankton biomass shows, on the whole, a gradient decreasing from the
coastal waters towards offshore and from the surface to the bottom. However,
picophytoplankton contribution to total phytoplankton biomass increases offshore and
in the near bottom layers, especially during summer.
RIASSUNTO
In questo studio sono state indagate le variazioni spaziali e temporali delle
differenti frazioni dimensionali del fitoplancton nel Golfo di Venezia (Adriatico
Settentrionale) a scala di bacino, al fine di studiare il contributo relativo di ognuna di
esse in termini di biomassa e di abbondanza, in relazione ai principali parametri fisicochimici.
La biomassa fitoplanctonica totale presenta un andamento decrescente costa-largo
e superficie-fondo, ma il contributo della frazione picofitoplanctonica risulta essere
maggiore, sia in termini di biomassa che di abbondanza percentuale, nelle stazioni più al
largo e, soprattutto nel periodo estivo, negli strati più profondi della colonna d’acqua.
1. INTRODUZIONE
La struttura dimensionale della comunità planctonica gioca un ruolo fondamentale
nel determinare le reti trofiche dominanti e quindi il destino del carbonio biogenico
143
negli ecosistemi acquatici (Legendre & Le Févre, 1989; Legendre & Rassoulzadegan,
1996; Bell & Kalff, 2001).
La distribuzione e la variabilità spaziale e temporale delle diverse classi
dimensionali fitoplanctoniche sono in stretta relazione con i più importanti parametri
ambientali, che definiscono la struttura della colonna d’acqua, a sua volta influente sia
sull’apporto di nutrienti, sia sul tempo di residenza degli organismi nella zona fotica
(Margalef, 1978; Malone, 1980; Rodriguez et al., 2001); ma anche i processi di pascolo
da parte dello zooplancton contribuiscono nella partizione delle classi dimensionali
(Banse, 1982).
Molti studi hanno confermato la persistenza spazio-temporale della componente
picoplanctonica, anche se il suo contributo alla comunità fitoplanctonica è
estremamente variabile, in funzione delle principali forzanti ambientali e delle
dinamiche del nano- e del microfitoplancton (Chisholm, 1992).
L’Adriatico Nord-occidentale è caratterizzato da basse profondità e dall’apporto
di numerosi fiumi. Queste caratteristiche morfologiche determinano un gradiente trofico
spaziale (costa-largo) e stagionale favorevole alle variazioni spazio-temporali delle
diverse frazioni dimensionali fitoplanctoniche.
Lo scopo principale di questo studio è quello di integrare le informazioni sulle
differenti frazioni dimensionali del fitoplancton nell’Adriatico Settentrionale, già
ottenute limitatamente a due stazioni (Bernardi Aubry et al., 2006), dando rilievo alla
variabilità spaziale, sia orizzontale sia verticale, a scala di bacino.
In questo studio, svoltosi nel Golfo di Venezia, sono state analizzate le
distribuzioni spazio-temporali delle componenti pico-, nano- e microfitoplanctoniche
(Bernardi Aubry et al., 2006 e citazioni in esso contenute) in relazione ai principali
parametri fisici e chimici (temperatura, salinità, nutrienti, irradianza).
La raccolta dei dati è stata effettuata stagionalmente (marzo, maggio, luglio e
novembre 2005) su un reticolo di 11 stazioni (Fig. 1).
C01 C06
C10
C13
C15
Adige
Po river
E01 E06 E10 E12
2E02 2E04
Fig. 1 - Adriatico Settentrionale; ubicazione
delle stazioni di campionamento.
144
3. RISULTATI
60
50
40
30
20
10
0
120
100
80
60
40
20
0
inverno
primavera
pico
nano
estate
micro
µgC/l totale
µgC/l frazioni
La variazione temporale a scala di bacino della biomassa fitoplanctonica (Fig. 2),
che presenta valori elevati in inverno e massimi in estate, è determinata soprattutto dalle
frazioni nano- e microplanctoniche, caratterizzate rispettivamente da picchi nel periodo
invernale ed estivo.
autunno
tot
Fig. 2 - Andamento stagionale delle biomasse micro-, nano-e picofitoplanctoniche (scala a sinistra) e
della biomassa totale (scala a destra).
La biomassa picoplanctonica presenta i valori più elevati in estate, ma il suo
contributo alla biomassa totale è invece maggiore nel periodo autunnale (14 %).
Dal punto di vista spaziale, la biomassa fitoplanctonica totale presenta,
complessivamente, un andamento decrescente costa-largo (Fig. 3) e risulta correlata
inversamente con la salinità (p< 0,05; N=183). Lungo la colonna le biomasse micro- e
nanoplanctoniche risultano generalmente più elevate negli stati superficiali in tutto il
bacino, evidenziando una correlazione positiva con l’irradianza (p< 0,05; N=87).
Il contributo del picoplancton è maggiore, sia in termini di biomassa che di
abbondanza, nelle stazioni più al largo e, soprattutto nel periodo estivo, negli strati più
profondi della colonna d’acqua, fattore messo in evidenza dalla correlazione inversa con
la PAR (p<0,05; N=66). Complessivamente nella distribuzione spazio-temporale delle
diverse componenti dimensionali del fitoplancton risulta una tendenza alla vicarianza tra
la componente picoplanctonica e quelle nanoplanctonica, probabilmente dovuta sia alla
competizione per i nutrienti (il picoplancton risulta avvantaggiato, per il suo basso
rapporto superficie/volume in condizioni di oligotrofia, Riegman et al., 1993) sia
all’attività di grazing che alcuni organismi eterotrofi e mixotrofi, appartenenti alla
classe dimensionale del nanoplancton, potrebbero esercitare sulla frazione
picoplanctonica.
145
30
25
20
15
10
5
0
100
80
60
40
µgC/l tot
µgC/l frazioni
47
20
0
C01
C06
pico
micro
C10
nano
C13
C15
tot
Fig. 3 – Andamento della biomassa fitoplanctonica (scala a destra) e dei contributi delle diverse
frazioni dimensionali (scala a sinistra) lungo il transetto C (da costa a largo).
4. CONCLUSIONI
Dai dati raccolti in questo studio la frazione picoplanctonica appare una
componente di background del fitoplancton (in media la biomassa è 2,5 g C l-1 e il
contributo 10 %) nel Golfo di Venezia.
L’andamento stagionale della biomassa fitoplanctonica è prevalentemente guidato
dalle frazioni nano- e microplanctoniche, sebbene il contributo delle frazione
picoplanctonica aumenti nelle stagioni estiva ed autunnale.
La distribuzione spaziale è guidata anch’essa principalmente dalle frazioni nano e
microplanctoniche con un andamento decrescente costa-largo. Il contributo della
frazione picoplanctonica mostra una tendenza opposta, benché in particolari condizioni
di basso apporto di nutrienti, come nell’anno preso in considerazione, risulti rilevante
anche nelle stazioni costiere.
La distribuzione verticale della biomassa presenta un gradiente decrescente
superficie-fondo più evidente nel periodo estivo; allo stesso tempo la frazione
picoplanctonica, favorita in condizioni di oligotrofia e di bassa irradianza, presenta
biomasse maggiori al fondo.
BIBLIOGRAFIA
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3-7 luglio 2006
147
PREDATION AND PRODUCTIVITY IMPACT ON THE TAXONOMIC
COMPOSITION OF FRESHWATER BACTERIAL COMMUNITIES
Gianluca CORNO, Roberto BERTONI
C.N.R. Institute of Ecosystem Study, L.go Tonolli 50 - 28922 Verbania-Pallanza
RIASSUNTO
Impatto di predazione e produttività sulla composizione tassonomica delle comunità
batteriche d’acqua dolce
I principali fattori che determinano la composizione e le proprietà di un
popolamento batterico sono la disponibilità di nutrienti ed il grazing. Per valutare
sperimentalmente l'azione reciproca di questi due fattori abbiamo usato dei chemostati a
singolo stadio in cui sono state costituite delle comunità batteriche naturali sia libere da
grazing sia sotto la pressione predatoria operata da comunità semplificate di flagellati
eterotrofi. Il sistema è stato immaginato per costituire un gradiente a sei diverse
concentrazioni di substrato fornito al fine di simulare un trend di produttività. Le
comunità batteriche sono state analizzate in riferimento all’abbondanza ed alla diversità.
Nei chemostati senza predatori l’abbondanza media e la biomassa dei batteri è
aumentata proporzionalmente alla quantità di substrato fornito. In presenza di predatori,
il numero di batteri e la biomassa erano tenuti a livelli bassi e in quanto il substrato
fornito era incanalato nella catena trofica ed andava ad implementare la biomassa dei
popolamenti eterotrofi. La composizione della comunità batterica è analizzata con
tecniche di biologia molecolare (T-RFLP) su frammenti di PCR amplificati dal 16S
rRNA. Senza i predatori, la ricchezza batterica era abbastanza costante, aumentando
soltanto ai più alti livelli di substrato. In contrasto, un rapporto unimodale tra la
concentrazione di substrato e la ricchezza, con i più alti valori alle concentrazioni di
substrato intermedie, era osservato nella curva di substrato per i popolamenti batterici
soggetti a predazione. Conformemente alla teoria ecologica, i nostri risultati dimostrano
che i predatori influenzano tutti i maggiori caratteri di un popolamento batterico ma che
l'importanza di quest'effetto è modulata dalla produttività del sistema.
ABSTRACT
Major factors which determine the composition and properties of bacterial
assemblages are substrate supply and grazing. In order to experimentally investigate the
interplay of these two factors we used one-stage chemostats with natural assemblages of
freshwater bacteria and heterotrophic nanoflagellates, operated at six different organic
substrate concentrations for simulation of a productivity gradient. Bacterial assemblages
were analysed with respect to abundances and compositional properties. In control
149
chemostats without predators mean abundance and biomass of bacteria increased
proportionally with increasing substrate supply. In the presence of protists, bacterial
numbers and biomass were kept at low levels and bacterial production was channelled
to increasing biomass of predators. Bacterial community composition, analysed by
terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) of PCR amplified 16S
rRNA genes, was affected by predation as well. Without predators, bacterial richness
was relatively constant, only increasing at higher substrate levels. In contrast, a
unimodal relationship between substrate concentration and richness, with highest values
at intermediate substrate concentrations, was observed in the gradient with predators. In
accordance with ecological theory, our results demonstrate that predators influence all
major characters of bacterial assemblages but the magnitude of this effect is modulated
by the productivity of the system.
1. INTRODUCTION
Former experiences advise us that the extreme complexity of biological
communities make them very difficult to be observed and studied in all their aspects
without approaching at first fundamental questions on very simplified model
communities. Such “community module” approach has been used primarily by
theoretical ecologists trying to clarify general processes, as well as direct and indirect
relationships between a reduced number of species (usually two). This approach has
been later applied also to complex ecological communities (Abrams, 1993; Holt et al.,
1994; McCann et al., 1998).
In the last ten years, several studies implemented our knowledge in general
ecology through the study of simplified model communities (Nakajima & Kurihara,
1994; Lawler, 1998; Bohannan & Lenski, 1999; Horner-Devine et al., 2003). Many of
those studies dealt with microbial model communities, which in fact are ideal for the
study of ecology and evolution for a number of reasons (Drake et al., 1996): they are in
fact composed by small and typically single-celled organisms commonly grown under
laboratory conditions, having short generation times and easy to be maintained in large
populations. All these characteristics allow to study these communities at the ecological
scale. Moreover, ecological and genetic variables can be easily manipulated in
laboratory model communities and the possibility to store most of them for an indefinite
time in a non-evolving state, makes microbes the best item for such kind of studies.
Bohannan and Lenski (2000) have recently reviewed the direct and indirect
relations between prey and predators in very simple model communities grown in
chemostats and using Escherichia coli as the prey and phages as the predators (e.g.
Bohannan & Lenski, 1999; Bohannan et al., 1999).
Their studies focused on community structures of prey (mainly) and predators, to
the relative fitness of the heterogeneous prey classes and, thus, on the stability of those
populations and, finally, they focussed on the relative importance of predation and
competition for resources in model communities, performing systems allowing two
levels of bacterial productivity. Bohannan and Lenski demonstrated in laboratory
microcosms that increasing bacterial productivity resulted in an increase in the relative
150
importance of competition (bottom-up effects) as opposed to predation as a determinant
of bacterial community composition. A study by Horner-Devine and co-workers (2003)
suggested different responses of bacterial groups to incremental increases in primary
productivity in aquatic mesocosms.
Together with predation, competition is assumed to represent a key factor
controlling the community processes (Brooks & Dodson, 1965; Cody, 1974).
Theoretically, it can be predicted that the productivity of the system might influence the
relative impact of predation vs. competition in determining community patterns
(Leibold, 1996): at low production levels, competition is the main factor influencing
communities’ structure, whereas at high production levels, predation is expected to be
the most important limiting factor. In both cases, the species more able to adapt their
survival strategies to the main controlling factor will become dominant in the
community.
In the present study we report the results of some experiments carried out in
chemostats and aimed at improving the comprehension of the prey-predator
relationship. These experiments, performed on the same approach as the one proposed
by Bohannan and Lenski (2000) were specifically designed in order to take into account
the biological complexity of the model communities and a wider spectrum of nutrient
availability. We rose from the two levels of controlled bacterial production used in
former experiments to six levels of substrate supplied and, thus, to six levels of
productivity of the system. We also used a more complex model microbial community
made of a heterogeneous bacterial community (as the prey) and mixed hetero- and
mixotrophic flagellates (as predators).
The use of complex communities of both prey and predators allowed also
considering the potential effects of competition (e.g. “apparent competition”, sensu
Holt, 1977) for resources between two different functional bacterial groups: i) bacteria
able to build defences against grazing pressure and ii) bacteria unable to preserve
themselves from grazing but, generally, more effective competitors for resources
(Corno, 2006).
Traditional techniques used for the measurement of microbial abundance and
biomass were coupled with molecular techniques for the analysis of richness in
operational taxonomic units (OTUs) in the prey population, as revealed by terminalrestriction fragment length polymorphism (T-RFLP) fingerprints, in a continuous
culture lab system designed to span along a wide gradient of substrate supply and in
presence (+ GRAZ) or in absence (- GRAZ) of predators.
2. METHODS AND DEFINITIONS
2.1. Microbial isolations
Plankton samples were collected in the mesotrophic Lake Shöhsee (North
Germany) in June 2003, filtered through 0.8 µm filters to remove bacterial predators,
and stored in lab at experimental conditions of light and temperature (outlined below).
Suddenly after filtration, samples were enriched with 5 mg l-1 of yeast extract
151
(BactoYE) and eventual eukaryotic cells escaped from filtration killed by a specific
inhibitor (Cycloheximide, 40 mg l-1, 6 h). After 5 and 10 days pre-cultures where
checked by light and epifluorescence microscopy for protistan growth. Predator-free
flasks were pooled and, at day 10, inoculated in continuous systems for the experiments.
During the same period some plankton samples from Lake Shöhsee were filtered on 10
µm to eliminate ciliate and larger organisms, then grew for 15 days at experimental
conditions, and periodically fed with heat-killed bacteria (Pseudomonas putida, strain
MM1). After 15 days flagellate flasks were checked by light and epifluorescence
microscopy and pooled before initiation of the experiments.
2.2. Continuous cultures design
The experiment was performed in one-stage continuous cultures, consisting of
altogether twelve parallel chemostat systems. Basic inorganic growth medium (WC,
Guillard & Lorenzen, 1972) was supplemented with different amounts of Bacto-Yeast
Extract (YE). Chosen YE concentrations were 0.1, 1, 4, 8, 16 and 32 mg YE l-1. For
each substrate concentration two parallel chemostats (series A and B) were run. The 12
cylindrical chemostat reactors were continuously aerated by fine bubbling with sterile
air from the bottom and filled with 550 ml of enriched medium, pumped from a 20 l
reservoir by peristaltic pumps to achieve a dilution rate of D = 1.0 d-1. Chemostats
systems were assembled in a climate chamber (16 ± 1 °C) with a night-day period of 12
h and ran for 35 days.
One ml bacterial suspension from pre-cultures (5.0 x 106 cells ml-1) were
inoculated in every reactor. After 3 days of bacterial growth, 5 ml of the flagellate preculture (3.1 x 105 cells ml-1) was inoculated into one parallel chemostat of each
substrate concentration (series B). Chemostats were sampled daily (2 ml) for
abundances and biovolumes of organisms while collection of biomass for DNA
extraction (200 ml) was performed weekly starting from day 3. In the continuous culture
system the amount of substrate supplied was experimentally determined from the
beginning, allowing the ideal design of a gradient of relative bacterial productivity.
2.3. Bacterial and protists abundances and biovolumes
Bacterial and flagellate cell numbers were determined from formalin (2 % final
concentration) preserved samples stained with 4’,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI,
Porter & Feig, 1980), filtered onto 0.2 µm pore-size polycarbonate filters and counted
by epifluorescence microscopy. At least 400 bacteria and 100 flagellates were counted
per sample. Bacterial and protists cell size measurements were done from DAPI stained
samples to measure biovolumes using an automated image analysis system (SIS GmbH,
Münster, Germany) to measure area and perimeter of 300-500 cells, which were used to
calculate cell dimensions (volume, length, width) according to the algorithms given in
Massana et al. (1997). We used the mean prey-predator ratio to evaluate grazing
pressure. This is basically the chance of a single prey encountering a predator. For this
calculation, we equated prey with bacteria and predators with flagellate number. The
size of prey particles was taken into account for the calculation accordingly with the
152
model proposed by Shimeta and Jumars (1991), without considering the potential
motility of some prey cells (Tab. 1).
Tab. 1 - Impact of competition (BU) and predation (TD) as limiting factor through the vessel series A
(without grazers) and B (with grazers). Values refer to: Amount of provided yeast extracts available per
bacterial unity of biovolume during the period day 6-34 as mean + st. dev, maximum and minimum
values; Abundances (bact ml-1, means + st dev) of edible and inedible cells as described in the methods;
Mean number of HNF per bacterial cell + st dev (with min and max) during period days 6-34.
Treatment
1
2
3
4
5
6
0.04
0.38
1.02
1.12
1.38
2.13
A
0.02
0.20
0.51
0.31
0.37
0.34
SD
(no graz)
0.07
0.71
2.16
1.69
2.12
2.67
max
0.02
0.16
0.41
0.61
0.93
1.42
min
0.31
1.43
5.57
6.39
5.97
7.18
mean 6-34
mean 6-34
-3
BU
TD
Unit
pg YE um
B
0.16
0.71
2.75
3.78
2.17
2.28
SD
(graz)
0.74
3.59
11.45
15.91
9.00
9.68
max
0.12
0.71
2.50
2.70
2.67
3.40
min
0.016
0.013
0.025
0.051
0.048
0.103
mean 6-34
B
HNF
(graz)
bact
-1
0.013
0.006
0.019
0.020
0.028
0.050
SD
0.001
0.003
0.003
0.022
0.019
0.011
max
0.066
0.092
0.124
0.196
0.208
0.400
Min
2.4. Bacterial taxonomy analysis
For DNA extraction 50–80 ml of chemostat samples were filtered on 25-mm
Durapore filters (Millipore) and stored in 1 ml lysis buffer at -20 °C at day 3, 8, 16 and
32. Nucleic acid extraction was performed directly from the filters using the Mobio
Bacterial Soil Kit. DNA integrity was checked by agarose gel electrophoresis, and DNA
yield was quantified by a Hoechst dye fluorescence assay (Paul & Myers, 1982).
Nucleic acid extracts were stored at -80 °C until analysis. The primers used for PCR
were the bacteria-specific primer 27F-FAM (5’-AGA GTT TGA TCC TGG CTC AG3’) and the universal primer 1492R (5’-GGT TAC CTT GTT ACG ACT T-3’) (Lane,
1991; Matz & Jürgens, 2003). 27F-FAM was 5’ end-labelled with phosphoramidite
fluorochrome 5-carboxyfluorescein (5’ 6-FAM) by Eurogentec (Searing, Belgium).
Each 50-µl PCR consisted of 0.3 µM of primers, 1.5 mM MgCl2, 200 µM of each
dNTP, Tris-HCl, KCl and 1.5 U of Taq polymerase. Samples were amplified by use of
an initial denaturation step at 94 °C (3 min), followed by 30 cycles of denaturation at 94
°C (1 min), annealing at 55 °C (1 min), and an extension at 72 °C (1 min). Cycling was
153
completed by a final extension at 72 °C (7 min). The FAM-labelled PCR products were
purified with Qiaquick PCR columns (Qiagen). Purified PCR products were digested by
the restriction enzyme Cfo I at 37 °C for 4 h (for bacterial PCR product) or by the
enzyme Msp I in the same conditions (for eukaryotic PCR products).
For T-RFLP analysis, 2 µl restriction digest was denatured in the presence of 2.5
µl deionised formamide at 90 °C for 2 min. Terminal restriction fragments (T-RFs)
were resolved by electrophoresis at 3000 V for 5.5 h in a denaturating 6 %
polyacrylamide gel with an ABI PRISM 3100 automated sequencer. The sizes of T-RFs
(which represent different operational taxonomic units, OTUs) were determined with
the software GeneScan 3.1 at 1-bp resolution by using the size standard Rox 1000 and
Rox 2000 (Applied Biosystems). The intensity of each T-RF was measured using the
peak area measured by the software and were manually checked to correct size and
shape. The relative frequency of the individual T-RFs among the total bacterial
community was calculated from the relative peak areas using all peaks of >1 % of the
total peak area.
3. RESULTS
3.1. Bacterial and protists abundances and biovolumes
The predator-prey ratio (weighted number of bacterial cells per single
nanoflagellate) was calculated for the B treatments during the period between day 5 and
day 34 obtaining a valid index of the grazing pressure (Tab. 1). The impact of
competition for the substrate in the bacterial cultures should be determined by the
inflowing substrate concentration relative to the realised bacterial biomass. These values
generally increased along the productivity gradient although not very pronounced
between treatments 3 and 5 (Tab. 1). The amount of substrate per bacterial biovolume
was several fold higher in the grazer treatments. Grazing pressure, expressed as number
of predators per bacteria, slightly increased along the productivity gradient in the B
treatments (Tab. 1).
The chemostats were operated in total for 35 days from which we further analyzed
the period between day 5 and 35. The temporal development of the bacterial
communities was characterized by fluctuations in total abundance, both for treatments
with and without predators. Mean values of bacterial and flagellate abundance and
biovolume were calculated for each substrate concentration for the period 5–34 d. In
predator-free bacterial communities these values were significantly (P < 0.001, RM
ANOVA) correlated with the amount of substrate supply (bacterial abundance, R =
0.82, biovolume, R = 0.86). Mean bacterial abundance increased from about 7 x 106
bact ml-1 in treatments 1A and 2A to 22.2 ± 3.8 x 106 bact ml-1 in vessel 6A (Fig. 1). In
the presence of grazers, bacterial abundances and biovolume increased only slightly,
although still significantly (P < 0.001, RM ANOVA) along the substrate gradient. Here,
mean bacterial abundances ranged between 8.8 x 105 bact ml-1 (reactor 1B) and 2.8 ±
0.7 x 106 bact ml-1 in vessel 6B (Fig. 1). Due to the wide range of nutrient availability,
bacterial communities developed with significantly different abundances and
154
25x106
A
100x103
80x103
-1
20x106
Bact (- Graz)
Bact (+ Graz)
Flagellates
15x106
60x103
10x106
40x103
5x106
20x103
0
15x106
0
B
5x106
12x106
4x106
9x106
3x106
3
-1
<---------------- Flag cells ml -----------------> <---------------- Flag µm ml ----------------->
6x106
2x106
3x106
1x106
0
0
0.1
1
-1
3
-1
<---------------- Bact µm ml -----------------> <---------------- Bact cells ml ----------------->
biovolumes: from 3.2 ± 1.5 x 106 µm3 ml-1, mean of the period 5-34 (days) for the
poorest YE reactor, supplied with just 0.10 mg YE L-1, to 13.3 ± 2.3 x 106 m3 ml-1,
mean of the same period for the richest reactor, supplied with 32.00 mg YE L-1 (Fig. 1).
10
-1
Log Substrate supply (mg YE L )
Fig. 1 - Bacteria and flagellate relative abundances and biovolumes. Values are expressed as means of the
whole experimental data (± st. dev.).
In presence of predators, bacterial biovolume during the period 5-34 (days) in the
poorest reactor (0.10 mg YE l-1) was of 0.4 ± 0.2 x 106 µm3 ml-1, in the richest one
(32.00 mg YE l-1) during the same period was of 1.8 ± 0.5 x 106 m3 ml-1 (Fig. 1).
Flagellates had a relevant impact on the bacterial populations. Their abundances
during the period 5-34 days were used as parameter for the calculation of the index of
155
relative grazing pressure (Tab. 1): they resulted comprised between 8.2 ± 7.6 x 103 cells
ml-1 in the poorest vessel and 66.0 ± 45.1 x 103 cells ml-1 in the richest one (Fig. 1).
3.2. Genotypic classification
<------------- OTU Shannon Ind. (H) ------------->
From the first T-RFLP analysis on bacterial diversity at day 3, i.e. before the
beginning of the experimental phase, in all 12 vessels, the richness in OTUs was rather
similar between 7 and 11 OTUs per vessel (Shannon index of diversity comprised
between 1.51 and 2.04, Fig. 2). After 32 days treatments A, without predators, resulted
in a higher selection at lower substrate levels (in the vessel 1A, the poorest, only 3
OTUs survived from the 8 present at day 3, with Shannon index of 0.94), and then
lower up to the richest reactor (6A). Here, after 32 days 13 OTUs were found, from the
10 present at day 3, and a Shannon index of 2.05.
2.2
without grazers
with grazers
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
1
2
3
4
5
6
<-------------------------------- Treatment --------------------------------->
Fig. 2 - Phenotypical diversity of the bacterial communities measured at day 8-16-24-32 on OTUs relative
proportions, and expressed as mean Shannon values (± st. dev.). Relative trends of regression are defined
as quadratic polynomial (y=y0+ax+bx2).
In treatments B predation was provided by the presence of flagellates and its
impact on bacterial communities resulted significantly different from vessels group A.
In lower substrate supplied treatments (1B-4B), resulted in an increase of bacterial
diversity compared to the vessels predators free (1A-4A). In the richest vessels (5B-6B)
156
the presence of predators resulted in a strong reduction of bacterial diversity, where just
4 and 3 OTUs survived from the 9 and 11 present at day 3.
4. DISCUSSION
It has been demonstrated both, theoretically and empirically, that productivity of
the system determine the relative importance of competition and predation in
determining the structure of simplified bacterial communities (Leibold, 1996; Bohannan
& Lenski, 2000). In our experiments a mixed bacterial community in competition for
the same nutrient source was exposed to grazing by a mixed community of predators
(heterotrophic and mixotrophic nanoflagellates). This settling was repeated in
continuous cultures, through a gradient of nutrient availability formed by six levels of
dilution of the substrate: from very rich to starving conditions.
The gradient of substrate supplied resulted in a gradient of productivity, and thus
in an ideal tool for the evaluation of the ecological trade-off resulted by the
contemporaneous effect of two limiting factor (competition and predation) on
dimensions and biodiversity of a complex bacterial community.
Bacterial populations reached a sort of equilibrium after 3-4 days keeping similar
abundances, without big fluctuations, for the whole duration of the experiment. In
presence of predators, a consistent part of bacteria were removed by grazing, and the
dimension of the bacterial populations resulted reduced of one degree of magnitude.
Surprisingly, the presence of predators did not resulted in a clear amplification of
temporary oscillations in bacterial abundances: populations exposed to starvation
generally resulted more subjected to oscillations in number, and for these populations
the presence of predators seemed to buffer the impact of competition slightly reducing
them. The presence of predators produced the opposite effect for more productive
bacterial communities, raising the range of the oscillations. In any case, under grazing
pressure, it was always easily recognizable the temporal correspondence of oscillations
in bacterial abundance and in predators abundance.
For bacterial populations free from predation (-GRAZ) it was possible to find a
positive relation between the amount of substrate available and the size of the
populations: in fact all, substrate supply, substrate available per unity of bacterial
biomass, and size of the bacterial populations raised together. This relation became
much less evident in presence of flagellates (+GRAZ), when the trade-off between
competition and predation mediate the relative impact of both forces, not only
decreasing the total bacterial number in each chemostat vessel but strongly reducing
also the increment of bacterial cells with increasing the amount of substrate supplied.
HNF abundance is positively correlated to substrate supply, determining a strong
reduction of bacterial abundance in presence of predators. Grazing pressure increased
with productivity, not only as total impact on the bacterial community, but also as
“predation risk” for single bacterial cells.
In treatment –GRAZ the bacterial diversity, calculated as Shannon Index (H) on
significant TRFs peaks and defined as OTUs (Operational Taxonomic Units) resulted
positively and linearly correlated with the productivity of the system, and thus raising
157
with the amount of substrate supply. It is reasonable to speculate that in treatments
where the relative competition for the low amount of substrate was higher, the pressure
on less competitive OTUs was stronger, and their exclusion resulted in a reduced
diversity of those communities. A different trend appeared for bacterial communities
exposed to the presence of predators: very rich treatments selected for a few OTUs,
treatments in the low-middle of the gradient were less selective even when compared
with predators-free treatments. This development resulted in a hump-shaped curve,
already well documented in former studies on the relative impact of predation and
competition (e.g. Rosenzweig, 1995). It seems that, when interacting, grazing and
competition are somehow stimulating the biodiversity when their impact is average,
without a clear predominance of starvation or predation. In those extreme situation, it is
possible than only a little number of OTUs, recognizable as very specialized strains, can
outcompete all the others, dominating the community and thus reducing the diversity. In
general, experimental manipulations of productivity through nutrient additions or
manipulations of other limiting factors provide a means to test mechanisms determining
productivity–diversity relationships at different scales (Mittelbach et al., 2001).
The relationship between productivity and diversity is still debated. Several
studies of plants and animals have reported a hump-shaped relationship between
productivity and diversity, where diversity peaks at intermediate productivity (Leibold,
1996; Mittelbach et al., 2001). Other studies have reported a monotonic increase of
diversity with productivity, a decrease, a U-shaped relationship or no discernible pattern
(Abrams, 1993; Mittelbach et al., 2001). In our system OTU diversity, in absence of
predators, was closely related to the productivity. In treatment +GRAZ this relation did
not appeared: OTUs diversity rose only for the first half of the gradient, after that, a
strong reduction in OTUs determined a final hump-shaped curve, with a negative
relation between grazing pressure and bacterial diversity, for highly productive systems.
In the treatments with low substrate supply (1B-4B), and thus in condition for
bacteria close to starvation, with very high competition for the nutrients the presence of
flagellates resulted in a relative increase of bacterial diversity compared to the vessels
predators free (1A-4A). This reduction in the impact of competition may be due by to
grazing effects. The selective predation and the additional source of nutrients due to
grazers excretions mitigated the strong control of competition for resources (Nagata &
Kirchman, 1992).
In the richest vessels (5B-6B) the presence of predators resulted in a strong
reduction of bacterial diversity, where just 4 and 3 OTUs survived from the 9 and 11
present at day 3. In this case the additional source of carbon represented by the
excretion of the grazers was not necessary because the vessels were already supplied
with very high amount of nutrients. In these vessels predation by flagellates was clearly
regulating the composition of the bacterial communities.
With this study on biodiversity in a system where predation and competition
impacts were simultaneously affecting bacterial communities it is possible to clarify a
number of aspects about distribution and richness of the artificial prey communities.
Bacteria (prey) biodiversity is stimulated by the combination of factors controlling the
populations, and is limited when the control by one of this factor become too tense.
158
These results are consistent with the ecological theory predicts that the relative
importance of competition and predation will change with the productivity of the
environment (Leibold, 1989) and also with its experimental proof in a laboratory
systems for bacteria–bacteriophage interactions (Bohannan & Lenski, 2000) and they
would be also consistent with the observations of morphologically resistant bacteria in
more productive aquatic environments.
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3-7 luglio 2006
160
ANALISI DI CORRELAZIONE TRA INDICI CLIMATICI E PARAMETRI
ATMOSFERICI NELL’EMISFERO MERIDIONALE
Yuri COTRONEO, Giannetta FUSCO, Giorgio BUDILLON, Giancarlo SPEZIE
Università degli Studi di Napoli “Parthenope” - 80100 Napoli
ABSTRACT
Correlation analysis between meteorological fields and climate indices over the
Southern Ocean
The objective of this study is to explore the spatial details in the teleconnections
between El Niño Southern Oscillation (ENSO) and Antarctic Oscillation (AO) with the
variability in the Southern Ocean climate. Linear correlation of the Southern Oscillation
Index (SOI) and Antarctic Oscillation Index (AOI) with the meteorological parameters
provided by the NCEP-NCAR is analyzed. Results show that the spatial structures of
the correlation between the meteorological parameters and indices are localized and
well defined.
RIASSUNTO
Questo studio si propone di individuare le aree dell’emisfero meridionale che
risentono maggiormente dei fenomeni El Niño Southern Oscillation (ENSO) e la
Antarctic Oscillation (AO), analizzando la correlazione tra gli indici climatici che
sintetizzano tali fenomeni, rispettivamente il Southern Oscillation Index (SOI) e
l’Antarctic Oscillation Index (AOI), ed i parametri meteorologici NCEP-NCAR. Le
mappe di correlazione, tra gli indici e la distribuzione spaziale dei parametri in esame,
mostrano zone ben definite di correlazione tra i parametri meteorologici e gli indici
atmosferici.
1. INTRODUZIONE
Diversi studi (es. King & Turner, 1997; Gethon et al., 2003) hanno verificato
l’esistenza di relazioni tra il clima della regione Antartica e quello delle basse e medie
latitudini. In particolare lo studio dei fenomeni ENSO e AO, ha significativamente
facilitato l’interpretazione delle variazioni climatiche in diverse regioni (Genthon et al.,
2003). L’ENSO è un’oscillazione di variabilità climatica, risultante dall’interazione tra
oceano e atmosfera nel Pacifico equatoriale. Tale fenomeno si manifesta come una
periodica fluttuazione delle temperature superficiali del mare, accompagnate da
anomalie di precipitazione e di circolazione atmosferica sull’intera regione. L’AO è
161
associato ad un’oscillazione delle masse d’aria dovuta alle differenze di pressione tra le
medie e le alte latitudini. Gli indici atmosferici che sintetizzano il comportamento
dell’ENSO e dell’AO sono rispettivamente il SOI e l’AOI. La serie temporale del SOI
(www.bom.gov.au/climate) è ottenuta calcolando la differenza tra la pressione
atmosferica a Tahiti e Darwin. L’AOI (http://irs.bnu.edu.cn) è calcolato come la
differenza tra le medie zonali della pressione atmosferica a 45°S e quella a 60°S (Gong
& Wang, 1999).
In questo lavoro, sarà illustrata la variabilità spaziale della correlazione tra gli
indici SOI ed AOI ed i seguenti parametri atmosferici: altezza della superficie
equipotenziale 500 hPa (g500), pressione atmosferica al livello del mare (MSLP),
temperatura dell’aria (T) e componenti meridionale (V) e zonale (U) del vento (NCEPNCAR re-analyses). In particolare sono state utilizzate le medie mensili dal 1958 al
2000 distribuite su una griglia di 2.5°X 2.5° tra 0° e 90°S di latitudine. L’utilizzo della
g500 offre la possibilità di sintetizzare la circolazione troposferica della zona antartica e
valutarne la variabilità interannuale evitando eventuali problemi di disomogeneità dei
dati di MSLP dovuti alla presenza dello strato di ghiaccio (Genthon et al., 2003).
2. RISULTATI
Le mappe di correlazione g500-AOI (Fig. 1a) e MSLP-AOI (Fig. 1b) presentano
entrambe una zona di forte anti-correlazione posizionata su tutto il continente antartico,
circondata da una più ampia zona di correlazione positiva che si estende fino
all’equatore e che comprende anche l’area direttamente legata alla definizione
dell’indice. Le mappe T-AOI, U-AOI e V-AOI (Fig. 1c, d, e) mostrano invece la
presenza di più zone caratterizzate da differenti valori di correlazione e l’assenza di
pattern ben definiti riscontrati per gli altri due parametri.
Le g500-SOI (Fig. 2a) e MSLP-SOI (Fig. 2b) mostrano la presenza di zone di
correlazione di segno opposto intorno al continente antartico. In particolare le aree dei
mari di Ross e di Weddell sono caratterizzate da correlazioni di segno rispettivamente
negativo e positivo. Questo diverso comportamento delle due aree è in accordo con
quanto osservato da Kwok e Comiso (2002). Dalle mappe di correlazione T-SOI, U-SOI
e V-SOI (Fig. 2 c, d, e) non si individuano strutture ben definite ma è possibile notare la
presenza di più centri di variabilità caratterizzati da diversi valori di correlazione.
Calcolando una correlazione tra la media zonale di ciascun parametro e gli indici
(Fig. 3) è evidente un comportamento fortemente legato alla fascia di latitudine. In
particolare le correlazioni tra MSLP-AOI (Fig. 3a) e g500-AOI (Fig. 3b) mostrano un
andamento simile con valori elevati soltanto in alcune fasce latitudinali e con un cambio
di segno in corrispondenza dei 50°-55°S. Le correlazioni MSLP-SOI (Fig. 3a) e g500SOI (Fig. 3b) presentano un andamento con valori relativamente più alti alle basse
latitudini, e mancanza di correlazione alle alte latitudini. Le relazione T-AOI (Fig. 3c)
risulta correlata sempre positivamente, tranne che intorno ai 60°S. Un andamento simile
è riscontrato anche nella correlazione T-SOI che si presenta più spostata verso i valori
negativi. Le correlazioni zonali U-AOI (Fig. 3d) e V-AOI (Fig. 3e) sono caratterizzate
dalla presenza di almeno tre fasce altalenanti tra correlazione e anti-correlazione al
162
variare della latitudine e discordanti tra di loro. La correlazione con U-SOI è quasi
sempre negativa, avvicinandosi allo zero solo intorno ai 50° e 70°, mentre l’andamento
V-SOI risulta invece più variabile con diversi massimi e minimi relativi.
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(e
Fig. 1 - Mappe di correlazione g500-AOI (a), MSLP-AOI (b), T-AOI (c), U-AOI (d), V-AOI (e).
163
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0.8
0.6
0.6
oE
oE
60
60 o
W
0.8
60
60 o
W
0o
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0
54oS
12 o
0 E
oW
0
oW
0
18oS
-0.6
-1
180oW
(c
0o
36oS
18oS
-0.8
180oW
-0.2
54oS
-0.4
12
12
36oS
72oS
-0.2
-0.4
12 o
0 E
72oS
-0.6
-0.8
-1
(d
1
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60
60 o
W
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0.4
0.2
0
72oS
-0.2
54oS
18oS
180oW
-0.4
12 o
0 E
oW
0
12
36oS
-0.6
-0.8
-1
(e
Fig. 2 - Mappe di correlazione g500-SOI (a), MSLP-SOI (b), T-SOI (c), U-SOI (d), V-SOI (e).
164
l
a
t
i
t
u
d
i
n
e
l
a
t
i
t
u
d
i
n
e
(a
l
a
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l
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i
t
u
d
i
n
e
(c
(d
l
a
t
i
t
u
d
i
n
e
(e
Fig. 3 - Correlazione media zonale tra g 500 (a), MSLP (b), T(c), U(d), V(e) e indici AOI(
) e SOI (- -).
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3-7 luglio 2006
165
CRUSTACEAN ASSEMBLAGES OF THE SOUTH TYRRHENIAN
ARCHIPELAGOS AND USTICA ISLAND (ITALY, NW MEDITERRANEAN)
Anabella COVAZZI HARRIAGUE, Hervè PANCIROLI, Nicolino DRAGO,
Mario MORI, Giancarlo ALBERTELLI
Dipartimento per lo studio del territorio e delle sue risorse, Università di Genova,
Corso Europa, 26 - 16132 Genova
RIASSUNTO
Popolamenti a crostacei degli arcipelaghi del Sud Tirreno e dell’isola di Ustica
I popolamenti a crostacei di quattro arcipelagi del Tirreno meridionale e dell’isola
di Ustica sono stati analizzati e classificati fino a livello specifico. Il campionamento è
stato eseguito durante due campagne oceanografiche a bordo della nave oceanografica
“Bannock”. La prima campagna si è svolta in luglio-agosto 1983 nell’Isola di Ustica e
gli arcipelaghi delle Egadi e le Eolie, la seconda si è svolta in ottobre 1984 negli
arcipelaghi Partenopeo e delle Pontine. I crostacei sono stati presenti in 171 stazioni di
campionamento tra 22 e 540 m di profondità, distribuite: 29 nelle Egadi, 11 a Ustica, 39
nelle Eolie, 31 nelle Partenopee e 61 nelle Pontine. Complessivamente sono stati
rinvenuti 1001 individui appartenenti a specie. Solamente 6 specie sono comuni a tutti
gli arcipelaghi e l’isola di Ustica, e per una di queste specie, il decapode Monodaeus
guinotae Forest, 1976, esistono poche segnalazioni in Mediterranean. In generale,
Ustica raggiunse i valori più elevati di individui (in media 18.4±5.1), numero di specie
(in media 4.9±1.4) e diversità (in media 1.7±0.5), i più bassi sono stati riscontrati nelle
Eolie (in media 3.3±0.5, 2.2±0.3 and 0.8±0.1 per numero di individui, numero di specie
e diversità rispettivamente). L’analisi multivariata ha evidenziato una bassa similarità
all’interno degli arcipelaghi e un’alta dissimilarità tra di essi (in media 83.1±5.5). Nel
dendrogramma non è stato possibile identificare una zonazione caratteristica per
arcipelago; però quando l’analisi è stata condotta considerando le profondità, le stazioni
sono state divise in due gruppi: uno rappresentato dalle stazioni con profondità minore
di 100 m, caratterizzate da sedimenti detritici, e un secondo gruppo rappresentato dalle
stazioni con profondità al di sotto dei 100 m caratterizzate da sedimenti misti o fango.
Quindi, la profondità e le caratteristiche del sedimento piuttosto che l’ubicazione
geografica sembrano influenzare la zonazione dei popolamenti a crostacei negli
arcipelaghi del Tirreno meridionale e l’isola di Ustica.
ABSTRACT
Crustaceans assemblages from four archipelagos of the South Tyrrhenian Sea and
Ustica Island were analysed and classified until species level. Sampling was performed
167
during two oceanographic cruises aboard of the oceanographic ship “Bannock”. The
first cruise took place on July-August 1983 in the Ustica Island, Egadi and Aeolian
Archipelagos, the second one took place on October 1984 in the Partenopean and
Pontine Archipelagos. On the whole, crustaceans were present in 171 sampling stations
between 22 and 540 m depth, distributed as follow: 29 Egadi Islands, 11 Ustica Island,
39 Aeolian Islands, 31 Partenopean Islands and 61 Pontine Islands. We found 1001
individuals belonging to 184 species. Only 6 species were common to the four
archipelagos and Ustica Island, and for one of them, the decapod Monodaeus guinotae
Forest, 1976, there are few records in Mediterranean; while 71 species (38.6 %)
compared once. On the whole, Ustica Island reached a highest values of number of
individuals (on average 18.4±5.1), number of species (on average 4.9±1.4) and Shannon
diversity (on average 1.7±0.5), the lowest values were observed at the Aeolian
Archipelago (on average 3.3±0.5, 2.2±0.3 and 0.8±0.1 for individuals number, species
number and diversity respectively). The multivariate analysis showed a low similarity
within archipelagos and the high dissimilarity between them (on average 83.1±5.5). In
the cluster plot it was not possible to identify a characteristic zonation for Archipelago;
but when the analysis was performed considering depths, stations were divided into two
groups: one representing the stations with depth above 100 m, characterised by detrital
sediments, and the second representing the stations with depth below 100 m
characterised by mixed or muddy sediments. So, depth and sediment characteristics
rather than geographic location seem to influence the crustacean zonation in the South
Tyrrhenian Archipelagos and Ustica Island.
1. INTRODUCTION
The South part of the Tyrrhenian Sea is characterised by the presence of many
islands and archipelagos. More of them have been proposed as marine protected areas
by means of the law 979/82. Until now, are effectively instituted: the “Natural marine
riserve Ustica Island” (1986), the “Natural marine riserve Egadi Islands” (1989), and the
“National natural riserve Ventotene and Santo Stefano Islands” (Pontine Archipelago,
1999). The other archipelagos will be instituted in the next future.
In general, there is little information about benthic assemblages of the Southern
Tyrrhenian (Russo et al., 1983-84; Gravina et al., 1992; Matarrese et al., 1995; 1996;
Terlizzi & Russo, 1995; 1996; Giacobbe et al., 1997; Giacobbe & Spanò, 1998; Milazzo
et al., 2000; 2001; Covazzi Harriague et al., 2002). In particular, paper of crustacean
populations are restricted to assemblages linked to the Posidonia meadows of the Ischia
Island (Mazzella et al., 1989; Lorenti & Scipione, 1990; Gambi et al., 1992; Scipione
1992).
The aim of the study is:
• to characterise the crustacean assemblages of the South Tyrrhenian Archipelagos
(Egadi, Aeolian, Pontine and Partenopean) and Ustica Island before of the
institution of the Marine protected areas,
• to verify the similarity or differences between archipelago populations.
168
Sediment samples were collected by a Van Veen grab (12 l), during two
oceanographic cruises of the research vessel “Bannock”. The first cruise took place
between July and August 1983 along the coasts of Ustica Island, Egadi and Aeolian
Archipelagos. A total of 270 grab samples were collected in 134 stations between 15
and 540 m (station lists and bottom features in Albertelli et al., 1987). The second
cruise took place in October 1984 in the Partenopean and Pontine Archipelagos for a
total of 263 grab samples collected in 123 stations between 22 and 152 m depth (Fig. 1).
On board, sediment samples were sieved throughout a 2 mm mesh net and fixed in
buffered formaldehyde (10 % in seawater). In laboratory, crustaceans were sorted,
identified until species level and preserved in ethanol (75 %).
Cluster and SIMPER analyses (on a matrix of presence/absence transformed data)
and the Shannon diversity (log2) and evenness calculations were performed using the
software PRIMER.
Text abbreviations used in tables and figures are: Egadi Archipelago: MA =
Marettimo, LE = Levanzo, FA = Favignana; Ustica Island = US; Aeolian
Archipelago: FI = Filicudi, SA = Salina, LI = Lipari, ST = Stromboli,VU = Vulcano,
PN = Panarea; Pontine Arcipelago: VE = Ventotene, SS = Santo Stefano, PO = Ponza,
PA = Palmarola, ZA = Zannone; Partenopean Arcipelago: PR = Procida, CA = Capri,
IS = Ischia.
Fig. 1 - Study site.
3.RESULTS AND DISCUSSION
On the whole, we found 1001 specimens belonging to 184 species (Tab. 1 and
complete species list in Tab. 2). The Ustica Island showed the highest number of
individuals (total 246, on average 18.4±5.1), and of species (total 38, on average
169
4.9±1.4) (Fig. 2a and b). On a total of 26 stations investigated, only in 13 were present
crustaceans. The most representative species (71 % of the total) were Socarnes filicornis
(67 specimens), Maera grossimana (45 specimens), Abludomelita gladiosa (24
specimens), Cheirocratus sundevalli (21 specimens) and Maera inequipes (18
specimens). All these species were found in the stations between 50 and 200 m depth,
when sediments were coarse-detritic until 130 m, and muddy mixed below this depth.
In the Partenopean Archipelago were found, on average, 6.5±1.2 (total 200)
specimens and 3.5±0.6 (total 70) species. On a total of 46 stations investigated, in 31 we
found crustaceans. The species more represented were Cirolana neglecta (40
individuals), Cheirocratus sundevalli (22 individuals) and Tuberapseudes echinatus (8
individuals). The most number of them were found below 50 m depth when bottom was
characterised by mixed detritic-muddy sediments. The number of specimens found in
the Egadi islands was, on average, 4.8±0.8 (total 162) and the number of species was,
on average, 3.4±0.6 (total 73). On a total of 42 stations sampled, crustacean were
present in 28.
Tab. 1 - Summarizing data of the crustacean assemblages found in the South Tyrrhenian Archipelagos
and Ustica Island.
AEOLIAN
EGADI
number of stations
number of specimens
number of species
PONTINE
PARTENOPEAN
MA
LE
FA
US
FI
SA
LI
ST
VU
PN
VE
SS
PO
PA ZA PR CA
IS
8
63
21
7
40
28
13
59
41
11
246
38
2
9
6
8
22
16
5
9
7
3
8
5
7
17
12
14
79
28
14
60
40
8
29
16
22
106
52
13
47
28
12
65
36
14
76
37
5
2
4
21
45
5
4
1
1
11
1
4
1
1
1
2
1
3
7
3
3
2
5
1
6
16
1
4
7
7
5
59
12
COMMON SPECIES AT ALL
ARCHIPELAGOS
Cheirocratus sundevalli
Maera grossimana
Monodaeus guinotae
Ebalia tuberosa
Ampelisca seudospinimana
Alpheus dentipes
1
1
1
1
1
2
2
3
1
2
2
1
1
1
3
1
2
1
1
1
Fig. 2 - Average plus standard deviation of the number of individuals (a) and of the number of species (b).
170
Tab. 2 - List of species of crustaceans present in the South Tyrrhenian Archipelagos and Ustica Island.
Abludomelita aculeata
Abludomelita gladiosa
Achelia echinata
Achaeus cranchii
Aegaeon cataphractus
Alpheus dentipes
Alpheus glaber
Alpheus macrocheles
Ampelisca calypsonis
Ampelisca diadema
Ampelisca gibba
Ampelisca ledoyeri
Ampelisca multispinosa
Ampelisca provincialis
Ampelisca
pseudospinimana
Ampelisca spinipes
Ampelisca spooneri
Ampelisca toulemonti
Ampelisca typica
Ampelisca vervecei
Anapagurus breviaculeatus
Anapagurus chiroacanthus
Anapagurus laevis
Anapagurus longispina
Anchialina agilis
Aora spinicornis
Apanthura corsica
Apherusa bispinosa
Apherusa vexatrix
Apseudes acutifrons
Apseudes africanus
Apseudes graciloides
Apseudes grossimanus
Apseudes holthiusi
Apseudes misarai
Apseudes sicilianus
Apseudes spinosus
Apseudes tenuimanus
Athanas amazone
Athanas nitescens
Atylus guttatus
Bathyporeia leucophtalma
Bathyporeia megalops
Byblis guernei
Caprella acantifera
Ceradocus semiserratus
Ceradocus orchestipes
Cestopagurus timidus
Cheirocratus assimilis
Cheirocratus monodondus
Cheirocratus sundevalli
Conilera cilindracea
Corophium runcicorne
Cirolana borealis
Cirolana gallica
Cirolana neglecta
Colomastix pusilla
Cumella limicola
Cumella pigmea
Cymadusa filosa
Cymodoce rubropunctata
Cymodoce tottersalli
Cymodoce tubercolata
Cymonomus granulatus
Cypridina mediterranea
Dexamine spiniventris
Dexamine spinosa
Ebalia deshayesi
Ebalia edwarsii
Ebalia cranchii forma
granulosa
Ebalia tuberosa
Eriopisa elongata
Ethusa mascarone
Eurydice grimaldi
Eurydice truncata
Eurynome aspera
Eurynome spinosa
Eusirus longipes
Galathea strigosa
Gammarella fucicola
Gammaropsis dentata
Gammaropsis
emarginata
Gammaropsis maculata
Gastrosaccus normani
Gastrosaccus sanctus
Geropsys sp.
Gnathia maxilaris
Gnathia sp.
Gnathostenetroides
laodicense
Goneplax rhomboides
Haploops dellavallei
Haploops nirae
Harpinia ala
Harpinia antennaria
Harpinia crenulata
Harpinia dellavallei
Heterocrypta maltzami
Hippomedon massiliensis
Ichnopus spinicornis
Inachus dorsettensis
Inachus parvirostris
Iphimedia gibbula
Iphimedia minuta
Iphinoe serrata
Iphinoe tenella
Lepidepecreum longicornis
Leptocheirus bispinosus
Leptocheirus hirsutimanus
Leptocheirus pectinatus
Leptocheirus pilosus
Leptochelia savignyi
Leucothoe incisa
Leucothoe oboa
Leucothoe richiardii
Leucothoe spinicarpa
Liljeborgia dellavallei
Lissa chiragra
Lophogaster typicus
Lysianassa caesarea
Lysianassa costae
Lysianassa insperata
Lysianassa longicornis
Lysianassa pilicornis
Lysianassa plumosa
Lysianassidae indet.
Makrocylindrus longipes
Macropodia rostrata
Maera grossimana
Maera inequipes
Maera knudseni
Maera schmidtii
Meganphopus brevidactylus
Meganphopus longicornis
Metaphoxus fultoni
Microdeutopus stationis
Microdeutopus versiculatus
Monoculodes acutipes
Monoculodes carinatus
Monoculodes gibbosus
Monodaeus guinotae
Nannosquilloides occultus
Nebalia bipes
Nebalia typhops
Nebalia sp.
Paguristes eremita
Paguristes sp.
Pagurus chevreuxi
Pagurus excavatus
Pagurus prideaux
Pagurus forbesii
Parthenope expansa
Parthenope massena
Perioculodes longimanus
longimanus
Perrierella audoiniana
Philocheras sculptus
Photis longicaudata
Phtysica marina
171
Platisquilla eusebia
Plesionika gigliolii
Polybius arcuatus
Polybius (Necora)
corrugatus
Polybius (Polybius)
depurator
Polybius maculatus
Polybius zariquey
Processa elegantula
Processa nouveli
nouveli
Rissoides pallidus
Rocinella dumerili
Scyllarus arctus
Siphonoecetes
dallavallei
Siriella norvegica
Socarnes filicornis
Thia scutellata
Tmetonix similis
Thoralus cranchii
Tryphosites longipes
Tuberapseudes
echinatus
Unciola crenatipalma
Upogebia tipica
Urothoe elegans
Urothoe grimaldi
Urothoe pulchella
Westwodilla
rectirostris
Xantho pilipes
The most numerous species was Leptocheirus hirsutimanus (26 specimens),
followed by Ampelisca multispinosa (17 specimens) and Cheirocratus sundevalli (9
specimens). These species were quite limited to the 50-100 m depth, there bottom was
composed by detritic sediments. In the Pontine Archipelago the number of individuals
reached, on average 4.1±0.5 (total 249) and were found 3.2±0.4 (total 95) species. On
77 stations investigated, crustaceans were found in 61. The most representative species
were Cheirocratus sundevalli (19 individuals), Ampelisca multispinosa (12 individuals),
Eurydice truncata, Galathea strigosa and Upogebia typica (11 individuals each). The
most part of them were found at 50-100 m depth, where bottom was characterised by
detritical sediments. The Aeolian Archipelago displayed the lowest number of
individuals (total 144, on average 3.3±0.5) and of species (total 58, on average 2.2±0.3).
On a total of 66 stations sampled, only in 40 stations crustaceans were found. The
species most represented were Ampelisca ledoyeri (28 specimens), Cheirocratus
sundevalli (14 specimens) and Photis longicaudata (8 specimens). The highest number
of this species were found at 50-100 m depth where dominated detritic sediments. The
poverty observed in the crustaceans populations of the Aeolian Archipelago was just
observed by meiofauna (Giacobbe et al., 1997) and by mollusc assemblages (Covazzi
Harriague et al., 2002). In this area the water column is characterised by the low
concentrations of the organic material with scarse quality, so could be defined as
oligotrophic system (Povero et al., 1998).
Similarly to number of individuals and of species, diversity showed the highest
average value in the Ustica Island and the lowest in the Aolian Archipelago. While
evenness ranged, on average, between 0.89 (Ustica) and 0.96 (Pontine Archipelago), on
the whole crustacean assemblages seemed to be well structured (Fig. 3).
As we reported by mollusc assemblages (Covazzi Harriague et al., 2002),
crustacean populations have showed differences both intra and inter-archipelago. In
fact, only 6 species were common to all archipelagos and Ustica island (Tab. 1). The
dissimilarity between sites was evident in the MDS plot (Fig. 4).
The average similarity inside archipelagos was very low (16.5 %), while the
dissimilarity between archipelagos was very high and range between 72.8 % (Ustica vs
Egadi) and 90.7 % (Aeolian vs Partenopean; Tab. 3).
Fig. 3 - Average values of Shannon diversity and evenness.
172
Fig. 4 - MDS representing Bray-Curtis similarity between archipelagos.
Tab. 3. Values of dissimilarity between archipelagos.
USTICA
AEOLIAN
PONTINE
PARTENOPEAN
EGADI
USTICA
AEOLIAN
PONTINE
72.8
88.5
83.1
82.9
79.4
80.8
82.6
90.3
90.7
80.0
We must be pointed out the finding of the decapod Monodaeus guinotae (Forest,
1976), in all archipelagos and the island of Ustica (Tab. 1). Until now the presence of
the decapod was reported only for Alboran Sea (García Raso, 1996), Western
Mediterranean (Forest, 1976; García & Gracia, 1996), Ionian Sea (Forest, 1976) and
Egean Sea (Turkay & Koukouras, 1988; Koukouras et al., 1993) areas.
Another three rare species of decapods were found in the study area:
Parthenope expansa (Miers, 1879) was present with 4 specimens, 2 in the island of
Ustica, 1 at Panarea (Aeolian) and 1 at Levanzo (Egadi) between 50-200 m depth at
Ustica and between 50-100 m depth in the other two sites. In Mediterranean was
reported for the Alboran Sea (García Raso, 1996), for the Ionian Sea (Pastore, 1975)
and for Egean Sea (Pastore, 1975; Koukouras et al., 1992).
Heterocrypta maltzami marionis A. Milne-Edwards, 1881 was present with 3
specimens in the Levanzo (Egadi), Panarea (Aeolian) and Capri (Partenopean) at 50100 m depth. In the Mediterranean basin was reported for the Alboran Sea (García
Raso, 1996), Western Mediterranean (García & Gracia, 1996), for the Adriatic Sea
(Stevicic, 1990), for the Ionian Sea (Pastore, 1976) and for Egean Sea (Koukouras et
al., 1992).
Cymonomus granulatus (Norman in W. Thomson, 1873) was present with 1
specimen at Filicudi (Aeolian) at 400-500 m depth. In Mediterranean was reported
for the Alboran Sea (García Raso, 1996), Western Mediterranean (Milne Edwards &
Bouvier, 1900; Lankester, 1903), South Mediterranean (Lankester, 1903) and for
Sardinia Channel (Mura & Cau, 2003).
Crustacean assemblages in the South Tyrrhenian Archipelagos and Ustica Island
seem to be influenced by depth. Notwithstanding the low similarity it was possible to
173
spot, in the cluster analysis, two assemblages (Fig. 5): group A and group B. The first
included, in general, the stations situated between 0 and 100 m depth, these stations are
dominated by detritic bottom. While the other group (B) was constituted by stations
ubicated deeper than 100 m, these stations were characterised by muddy or mixed
bottoms. Similar zonation of the macrobenthic communities was reported for Tuscan
Archipelago (Bianchi et al., 1993a; b).
B
A
Fig. 5 - Cluster analysis representing Bray-Curtis similarity between bathymetric bands.4.
CONCLUSIONS
The present data lead to the collection of an historical data-set of the crustaceans
assemblages of the South-Tyrrenian archipelagos, potentially useful for future
studies concerning the AMPs’ effectiveness in the protection of biodiversity.
The assemblages considered didn’t allow to highlight a common typical insular
fauna.
Only six species of crustaceans were present in all the four archipelagos and the
Ustica Island. Monodaeus guinotae is cited for the first time for the Thyrrenian
waters.
Depth and bottom type may seem to influence the crustacean population structures
rather than the geographic position.
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3-7 luglio 2006
176
EFFETTI TOSSICI DI MISCELE DI AGENTI ANTIVEGETATIVI SU
ARTEMIA SALINA
Fabiano DE LUCA PICIONE, Sonia MANZO
ENEA - Centro Ricerche Portici - 80100 Napoli
ABSTRACT
Antifouling mixture toxicity on Artemia salina
Toxicity of Irgarol and Diuron, new antifouling paints components, and their
mixtures, was evaluated toward larvae of the crustacean Artemia salina with acute tests
(24 h). While Irgarol EC50 was higher than the maximum tested concentration (15.0 mg
l-1), for Diuron it was 14.5 mg l-1. Results observed for single substances were compared
to that obtained with their NOECs, LOECs and EC50s mixtures. All mixtures, and
particularly those containing low levels of biocides, showed effects greater than the
single compounds at the same concentrations, in most cases with a synergistic action.
RIASSUNTO
La tossicità di due agenti antivegetativi, Irgarol e Diuron, e loro miscele, è stata
valutata nei confronti di nauplii del crostaceo Artemia salina mediante test acuti (24 h).
La EC50 per il Diuron è risultata pari a 14.5 mg l-1, mentre per l’Irgarol è maggiore di
15.0 mg l-1. I risultati ottenuti per i singoli composti sono stati confrontati con quelli
relativi a miscele preparate utilizzando le concentrazioni di NOEC, LOEC, EC50. Tutte
le miscele studiate, in particolare quelle preparate con i livelli più bassi di biocidi, hanno
evidenziato quasi sempre effetti sinergici, con risposte maggiori delle singole sostanze
alle stesse concentrazioni.
1. INTRODUZIONE
In seguito al divieto di uso dei composti organostannici (TBT) come principi attivi
delle pitture antivegetative, sono stati introdotti nuovi composti nella formulazione di
vernici di nuova generazione. Tra questi, gli erbicidi Irgarol e Diuron sono tra i più
utilizzati. Il loro livello nelle acque e nei sedimenti marini sta aumentando in modo
apprezzabile, superando talvolta anche abbondantemente il limite di detezione delle
tecniche analitiche impiegate (Konstantinou & Albanis, 2004). Si è manifestato, quindi,
un crescente interesse per gli effetti ecotossici di tali biocidi. In letteratura sono riportati
dati relativi alla loro tossicità nei confronti di vari organismi (Van Wezel & van
Vlaardingen, 2004), molti dei quali appartengono a specie non-target. Tali componenti,
177
inoltre, possono combinarsi in miscele determinando sui sistemi biologici effetti
negativi maggiori di quelli dei singoli componenti (Fernández-Alba et al., 2002).
Risulta, quindi, di un certo interesse valutare gli effetti di loro miscele verso il biota
acquatico.
In questo lavoro si valuta la tossicità acuta di Irgarol e Diuron, singolarmente ed
in miscele di differente complessità, nei confronti del crostaceo marino A. salina. Tale
organismo test è universalmente impiegato in ecotossicologia per la facilità di uso, per
la rapidità con cui permette di ottenere risultati, e perché rappresentativo degli stadi
intermedi di una catena trofica acquatica.
2.1. Sostanze test
L’Irgarol (2-methylthio-4-tert-butylamino-6-cyclopropylamino-s-triazine) e il
Diuron (3-(3,4-dichlorophenyl)-1,1-dimethylurea) al massimo grado di purezza (99 %)
sono stati forniti dalla Riedel-de-Haën (Seelze, Germany). Le soluzioni dei due
composti sono state preparate con acqua di mare naturale filtrata 0.45 µm (FSW). Nelle
miscele, la concentrazione di tossico è stata definita come la somma delle
concentrazioni dei due antivegetativi presenti in soluzione. Per la bassa solubilità in
acqua di Irgarol e Diuron, è stato necessario impiegare un solvente organico (DMSO 97
%, Merck, Germany) la cui massima concentrazione non ha superato lo 0.6 % v/v. Per
ogni test è stato preparato sia un controllo con acqua di diluizione che con DMSO alla
massima concentrazione utilizzata. Tale soluzione non ha comunque mostrato effetti.
2.2. Test di ecotossicità
I test di tossicità con A. salina sono stati condotti in accordo con i ‘Metodi
analitici per le acque’ (APAT, 2003). Larve del crostaceo sono state ottenute mediante
la schiusa di cisti (ECOTOX). Nauplii di stadio II-III sono stati esposti in numero di
trenta a ciascuna concentrazione (di soluzione test) in triplicato, utilizzando piastre
multipozzetto in polistirene. I test sono stati condotti al buio ad una temperatura di 25±1
°C. Dopo 24 ore di incubazione è stata valutata la tossicità acuta rilevando gli effetti
delle soluzioni test sulla motilità di A. salina. Gli organismi sono stati considerati morti
se immobili sul fondo della camera test durante un’osservazione continua di 10 secondi.
Per i singoli biocidi e per la miscela 1:1 l’andamento dei dati sperimentali è stato
descritto mediante l’applicazione di modelli di best fit, ed ottenute le curve doserisposta. Inoltre sono stati determinati i seguenti parametri di tossicità: No Observed
Effect Concentration, Low Observed Effect Concentration (test di Dunnett); Effect
Concentration 50 % (Icp, US EPA, 1993). Tali parametri sono stati successivamente
impiegati per la preparazione di miscele binarie, equitossiche e non equitossiche.
178
I risultati ottenuti per i singoli biocidi mostrano valori di tossicità paragonabili
(Tab. 1). Per l’Irgarol non è stato possibile ottenere una curva dose risposta completa
(Fig. 1A), e quindi determinare con la procedura Icp un valore di EC50. Tuttavia è
possibile osservare nella curva interpolante un valore di EC50 (14.7 mg l-1) vicino alla
massima concentrazione testata (15.0 mg l-1). I dati sperimentali per il Diuron hanno
coperto tutto l’intervallo di effetto, permettendo di ottenere una curva dose risposta
completa, con il tipico andamento sigmoidale (Fig. 1B). Il valore di EC50 calcolato con
la procedura Icp è prossimo a quello del modello (14.6 mg l-1).
Tab. 1 - Tossicità acuta dei singoli biocidi e della miscela 1:1 (mg l-1).
NOEC
7.5
7.5
7.5
Irgarol
Diuron
Miscela 1:1
a
EC50 a
>15.0
14.5 ± 0.7
12.2 ± 1.1
LOEC
15.0
10.0
10.0
EC50 b
14.7
14.6
12.6
valori Icp; b valori ricavati dalle curve interpolanti
100
100
A
80
B
80
% effetto
% effetto
60
40
20
60
40
20
0
0
0
10
20
mg L
30
40
0
-1
10
20
mg L
30
40
-1
Fig. 1 - Curve dose risposta dei biocidi Irgarol (A) e Diuron (B) con larve di A. salina di stadio II-III.
Tab. 2 - Tossicità delle miscele equitossiche e non equitossiche (% effetto).
Miscele equitossiche
Irgarol
Diuron
Miscela
NOEC
LOEC
5.4
4.4
63
54.4
11.3
100
NOEC LOEC
5.4
11.3
73.4
Miscele non equitossiche
NOEC LOEC LOEC EC50
NOEC
EC50
5.4
54.4
54.4
50
4.4
50
100
100
100
I due biocidi in miscela hanno mostrato un comportamento sinergico; infatti, gli
effetti di tutte le miscele sono risultati molto maggiori della somma di quelli osservati
per le singole sostanze (Tab. 2). Questo è particolarmente evidente sia nella miscela di
NOECs che in quella preparata con il NOEC dell’Irgarol ed il LOEC del Diuron, che
provocano, singolarmente, effetti molto bassi. Ciò fa pensare che le basse
179
concentrazioni dei due biocidi siano non solo sufficienti ad esplicare i loro effetti
avversi sulle larve di A. salina, ma anche in grado di potenziarne l’azione, favorendone
la biodisponibilità oppure modificando processi quali l’assorbimento e la distribuzione
(Altenburger et al., 2003).
L’effetto causato dal solo LOEC dell’Irgarol, pari alla sua massima
concentrazione testata, è piuttosto elevato (54 %) e paragonabile ad un valore di EC50;
tutte le miscele preparate a questa dose hanno comunque dato sempre effetti del 100 %.
Anche le miscele preparate considerando le concentrazioni di effetto del 50 % (EC50)
del Diuron hanno sempre provocato effetti massimi. Ciò permette di ipotizzare che i
biocidi in concentrazioni elevate non interferiscono tra loro con fenomeni come la
complessazione, che ridurrebbero la tossicità.
100
100
% effetto
80
80
60
60
40
40
20
20
00
00
55
10
10
15
15
20
20
25
25
30
30
-1
-1
mgLL
mg
Fig. 2 - Curva dose-risposta della miscela 1:1 dei due biocidi.
Tra le miscele non equitossiche, quelle contenenti uguali quantità dei due biocidi
(miscele 1:1) hanno mostrato una tossicità leggermente maggiore di quella relativa ai
singoli composti. In figura 2 è riportata la curva dose risposta corrispondente.
Pur non conoscendo dal punto di vista biochimico il meccanismo di azione dei
due biocidi nei confronti dell’organismo test, dai risultati ottenuti è evidente che la
presenza combinata dei due composti è in grado di potenziarne l’effetto, come è stato
osservato anche per altri organismi (Fernández-Alba et al., 2002).
4. CONCLUSIONI
Per una analisi predittiva del rischio ambientale da agenti antivegetativi verso
organismi non target, quale è A. salina, risulta evidente l’utilità della valutazione del
comportamento di miscele di differente complessità, soprattutto ai livelli definiti di non
effetto. Nonostante le concentrazioni testate risultino più elevate dei livelli ambientali
rilevati, bisogna non trascurare che la loro tossicità in situazioni naturali possa essere
incrementata dalla presenza, nelle stesse aree, di altri contaminanti. È inoltre importante
180
non sottovalutare che esposizioni a bassi livelli, ma prolungate nel tempo (tossicità
cronica), possono provocare seri danni ai sistemi biologici.
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3-7 luglio 2006
181
CARTOGRAFIA DEI POPOLAMENTI BENTONICI:
ESPERIENZE IN CAMPANIA
Rossana Di DONATO, Floriana Di STEFANO, Giovanni Fulvio RUSSO
CoNISMa, ULR Università degli Studi di Napoli Parthenope
Dipartimento di Scienze per l’Ambiente,
Via De Gasperi, 5 - 80133 Napoli
ABSTRACT
Mapping benthic assemblages: experiences from Campania
Benthic cartography provides very needful information for integrated coastal
management. In Italy, marine habitat maps have been drawn for few inshore areas,
mainly using non homogeneous and hardly comparable criteria for detecting and
representing benthic assemblages.
The aim of this study is to make uniform and, hence, directly comparable marine
habitat maps of some coastal areas in Campania, of established or establishing Marine
Protected Areas (MPA).
A procedure using cartography functions of Geographical Information Systems
(GIS) is described, underlining principal issues and suggesting general criteria to map
benthic assemblages.
The maps allowed synoptic comparison among types and distributions of benthic
assemblages in the study areas: the high structural diversity among submarine
landscapes underlines and supports the need of preserving these sites.
RIASSUNTO
La cartografia bionomica fornisce informazioni indispensabili per una gestione
integrata della fascia costiera. In Italia sono state prodotte carte bionomiche solo per
alcuni tratti di costa, adottando, nella maggior parte dei casi, criteri di rilevamento e di
restituzione cartografica disomogenei e difficilmente confrontabili.
La finalità di questo lavoro è stata quella di rendere uniformi e, quindi,
direttamente confrontabili, le carte bionomiche di alcuni tratti costieri della Campania,
rappresentati da Aree Marine Protette (AMP) istituite o di prossima istituzione.
Viene descritta una procedura che utilizza le funzionalità di cartografia numerica
fornite dai Sistemi Informativi Geografici (GIS), evidenziando le principali
problematiche da affrontare e proponendo dei criteri “generali” da seguire per la
realizzazione di carte bionomiche.
Le carte bionomiche così prodotte consentono un confronto sinottico delle
tipologie e della distribuzione dei popolamenti bentonici nelle aree di studio: l’elevata
183
differenza nella struttura del mosaico ambientale riscontrata nelle diverse aree indagate
sottolinea e conferma la necessità di sottoporre tutti questi siti a regime di tutela.
1. INTRODUZIONE
La cartografia bionomica riveste un ruolo importante nella pianificazione e nella
gestione integrata della fascia costiera ed, in particolare, delle Aree Marine Protette
(AMP).
La rappresentazione cartografica delle tipologie e della distribuzione dei
popolamenti bentonici consente di individuare aree che possiedono un notevole valore
naturalistico, economico e/o ricreativo. Ambienti di questo tipo sono ad esempio: le
praterie di posidonia, che offrono habitat e rifugio a numerose specie di pesci ed
invertebrati e che svolgono un ruolo importante nella protezione della costa
dall’erosione; il coralligeno, che rappresenta non solo uno dei popolamenti a più elevata
biodiversità del Mediterraneo, ma anche un’attrattiva per il turismo subacqueo, grazie
alla presenza di organismi dai colori appariscenti e dalle forme bizzarre.
Il confronto diacronico di carte bionomiche di uno stesso sito, inoltre, consente di
rilevare eventuali alterazioni ecosistemiche, sia naturali che antropiche; gli organismi
bentonici, infatti, avendo dei cicli vitali piuttosto lunghi ed essendo dotati di mobilità
limitata, possono essere considerati efficaci indicatori delle condizioni medie
dell’ambiente.
In Italia la cartografia bionomica ha conosciuto finora una diffusione limitata, sia
per motivi operativi, sia per una minor tradizione nel considerare il mare come territorio
(Tunesi et al., 2002). Le carte bionomiche riguardano solo alcuni tratti costieri, per lo
più interessati da AMP, e spesso rappresentano solo determinati aspetti del paesaggio
sottomarino, come le praterie di fanerogame (Bianchi & Peirano, 1995). Alcune carte,
inoltre, non sono mai state pubblicate, in quanto annesse a relazioni tecniche o a
rapporti riservati (Bianchi et al., 2003).
Infine, nella maggior parte dei casi, le carte bionomiche sono state prodotte
adottando diversi criteri e metodologie, e, quindi, differiscono per vari aspetti (ad es.
tipologie cenotiche rappresentate, scala cartografica, sistema di riferimento, simbologia,
ecc.). L’estrema eterogeneità delle carte bionomiche rende difficile non solo
l’individuazione, ma anche il confronto tra le tipologie e la distribuzione dei
popolamenti bentonici nelle aree cartografate.
In Campania sono state prodotte, in tempi e modi differenti, numerose carte
bionomiche che interessano per lo più fondali di elevato valore naturalistico.
Questo lavoro è stato finalizzato ad uniformare e, quindi, a rendere direttamente
confrontabili, le carte bionomiche di alcune AMP della Campania, istituite o di
prossima istituzione, utilizzando le funzionalità di cartografia numerica fornite dai
Sistemi Informativi Geografici (GIS).
184
2. METODOLOGIA
2.1. Aree di studio
Sono state utilizzate le carte bionomiche delle AMP già istituite di Baia, Gaiola e
Punta Campanella e delle AMP di prossima istituzione di Capri, Santa Maria di
Castellabate e Costa Infreschi (Fig. 1). Le carte bionomiche di Punta Campanella, Baia
e Gaiola sono state prodotte nel corso di indagini conoscitive condotte nel 2000 per la
prima AMP (Di Donato & Russo, 2004) e nel 2004 per le ultime due (Di Donato et al.,
2006a; 2006b). Le carte bionomiche di Capri, Santa Maria di Castellabate e Costa
Infreschi sono state prodotte nel corso degli studi di fattibilità realizzati nel 2000 per la
prima AMP istituenda e nel 2001 per le ultime due (Russo & Di Stefano, 2003).
Fig. 1 - Ubicazione delle aree di studio.
2.2. Importazione, proiezione cartografica e correzione topologica delle carte
bionomiche
Le carte bionomiche sono state elaborate utilizzando le funzionalità di cartografia
numerica fornite dagli applicativi GIS ed, in particolare, dalla piattaforma software
ArcGIS 9.1.
185
Le cartografie, disponibili già in formato digitale, sono state importate in un
database geografico (geodatabase) e convertite in un comune sistema di riferimento
cartografico; si è scelto di utilizzare il sistema WGS84-UTM, sia perché largamente
impiegato a livello internazionale per la rappresentazione della fascia costiera, sia
perché consente un utilizzo immediato delle posizioni acquisite con i ricevitori GPS,
evitando complesse procedure di conversione tra datum che richiedono la conoscenza di
parametri geodetici locali. Lo stesso Istituto Geografico Militare (IGM), d’altronde, ha
adottato questo sistema di riferimento nella sua ultima produzione cartografica (Cantile,
2004).
Le carte digitali, inoltre, sono state sottoposte a controllo e correzione topologica,
in quanto sovrapposizioni e vuoti tra poligoni possono comportare errori rilevanti nel
calcolo delle superfici e, comunque, impedire analisi spaziali basate su proprietà
topologiche come l’adiacenza.
2.3. Assegnazione delle tipologie cenotiche
Successivamente, le carte bionomiche sono state riclassificate, dal momento che
l’uso di una denominazione o legenda comune è fondamentale per confrontare
associazioni bentoniche in aree differenti. I popolamenti sono stati rinominati sulla base
del sistema di zonazione bentonica proposto dalla scuola di Endoume (Pérès & Picard,
1964). Ad ogni popolamento è stata assegnata una tipologia di biocenosi, la cui
terminologia deriva, per i fondi duri, dagli organismi dominanti e, per i fondi molli,
dalle caratteristiche granulometriche del substrato. In alcuni casi, a causa della notevole
eterogeneità del mosaico ambientale, è stato necessario introdurre delle tipologie
“miste”. Ad esempio, i popolamenti che ricoprono le strutture archeologiche sommerse
delle AMP di Baia e Gaiola sono stati indicati come “Biocenosi delle Alghe Fotofile
con Coralligeno nelle cavità” (AP-C), in quanto caratterizzati da una forte
interdigitazione tra organismi sciafili, presenti nelle cavità e sulle pareti verticali, e
organismi fotofili, osservabili per lo più sulle pareti orizzontali dei manufatti. Ad ogni
tipologia corrisponde un acronimo, che deriva dalla traduzione della denominazione in
lingua francese (Fig. 2).
2.4. Definizione dei simboli cartografici
Per ciascuna tipologia di biocenosi, infine, è stato definito un simbolo
cartografico. Per la rappresentazione dei popolamenti bentonici non esiste una
simbologia standard ed il principale lavoro di riferimento è quello di Meinesz et al.
(1983). Questo lavoro, tuttavia, è stato realizzato diversi anni fa, quando ancora non
erano disponibili le più moderne e sofisticate funzionalità offerte dalla cartografia
digitale. Pertanto, utilizzando gli strumenti GIS di grafica vettoriale, sono stati definiti
dei simboli evocativi dei colori e delle forme del paesaggio subacqueo. Le biocenosi
sono state rappresentate con campiture di colore uniforme a cui, nel caso dei
popolamenti misti, sono stati sovrapposti dei retini. Le coperture a caulerpe e a
fanerogame sono state rappresentate con dei retini dal fondo trasparente, al fine di
evidenziare il substrato di impianto; diversi autori, difatti, riconoscono nelle coperture
186
vegetali almeno due stratocenosi; una, associata alle fronde, costituita da specie vagili,
caratteristiche esclusive o preferenziali di questi sistemi; l’altra, associata allo strato dei
rizomi, costituita da una miscela di specie sedentarie, tipiche del substrato d’impianto
(Di Donato & Russo, 2004). I colori dei simboli sono stati scelti facendo riferimento
alla Scala Pantone (Fig. 2), ben nota nell’industria grafica; l’aspetto dei colori a
monitor, infatti, è estremamente variabile in quanto dipende in gran parte dall’hardware
e dal software adoperato. L’uso della Scala Pantone è consigliabile soprattutto se le
carte bionomiche sono destinate alla stampa. La dimensione dei simboli è stata stabilita
in rapporto alla scala di rappresentazione cartografica. La simbologia è stata definita
all’interno di uno “stile cartografico” che può essere facilmente riutilizzato per produrre
carte bionomiche in ambiente ArcGIS.
Fig. 2 - Simboli e codici Pantone per le differenti tipologie di popolamento bentonico presenti nelle aree
di studio.
187
Al fine di stimare e confrontare, anche dal punto di vista quantitativo, i paesaggi
sottomarini che caratterizzano le diverse aree di studio, è stata calcolata l’estensione
percentuale dei popolamenti bentonici in ciascuna AMP. Le coperture a caulerpe e a
fanerogame sono state considerate indipendentemente dal substrato d’impianto. Per le
AMP istituite l’estensione percentuale è stata determinata in relazione alla superficie
totale dell’area protetta, mentre per le AMP istituende è stata considerata la superficie di
fondo marino entro la batimetrica dei 50 metri.
3.1. AMP di Baia (Fig. 3)
Il paesaggio bentonico dell’AMP di Baia (168 ettari) è dominato dalla biocenosi
SVMC, che rappresenta ben il 67 % dei fondali (Fig. 9). La vasta estensione di questa
biocenosi, addirittura presente fino ad una profondità di 15 m, è spiegata dalla peculiare
ubicazione geografica dell’AMP: si colloca, infatti, nella baia di Pozzuoli, un’insenatura
particolarmente riparata dal moto ondoso all’interno del più ampio Golfo di Napoli.
Altri popolamenti che dominano il paesaggio sottomarino sono gli estesi prati di
Caulerpa prolifera mista all’alga alloctona invasiva con generica C. racemosa (HCpHCr), i quali ricoprono circa il 25 % dei fondali. Nelle zone in cui l’idrodinamismo è
maggiore si osservano praterie di Cymodocea nodosa (HCn), complessivamente meno
estese dei caulerpeti (1.5 %) e, generalmente, frammentate in chiazze di piccole
dimensioni. Una peculiarità dell’AMP è la biocenosi AP-C (5.8 %): questa associazione
biologica, caratterizzata da una forte interdigitazione tra specie fotofile e sciafile del
precoralligeno, si osserva sulle strutture archeologiche di epoca romana che sono state
sommerse in seguito a fenomeni di bradisismo (Miniero, 2005).
Fig. 3 – Carta bionomica dell’AMP di Baia.
188
3.2. AMP di Gaiola (Fig. 4)
L’AMP di Gaiola (con i suoi 51 ettari, la più piccola AMP italiana), sebbene
situata nelle vicinanze dell’AMP di Baia, presenta un paesaggio sottomarino totalmente
differente e caratterizzato da un’elevata diversità di associazioni biologiche. Il mosaico
ambientale è dominato dalla biocenosi SGCF, che occupa circa il 50% dei fondali (Fig.
9). Rilevante in termini di estensione percentuale (19.6 %) è la presenza di associazioni
miste di fondo duro e molle; questi popolamenti si osservano sui fondi sabbiosi che
sono caratterizzati da massi franati dalle falesie tufacee presenti lungo la costa.
Nell’AMP sono presenti anche popolamenti di elevato valore naturalistico, come la
biocenosi C (13.5 %) che, con la sua facies precoralligena, si osserva nelle zone più
profonde delle secche rocciose e la biocenosi AP-C (2.9 %), che caratterizza, come a
Baia, i manufatti sommersi di epoca romana (Simeone & Russo, 2005).
Fig. 4 – Carta bionomica dell’AMP di Gaiola.
3.3. AMP di Punta Campanella (Fig. 5)
Il paesaggio sottomarino della ben più estesa AMP di Punta Campanella (1549
ettari) è dominato dalle biocenosi DE (41.9 %) e DC (16.4 %) (Fig. 9); quest’ultima si
ritrova quasi esclusivamente nel versante meridionale, dove l’attività biocostruttiva e
biodistruttiva dei coralligeni di falesia e di piattaforma sembra essere particolarmente
intensa. La biocenosi C (9 %) rappresenta, infatti, l’associazione più caratteristica
dell’AMP. Questa biocenosi si ritrova sia in prossimità della costa, sulle falesie calcaree
189
che caratterizzano l’intera fascia costiera, sia al largo, dove appare come grossi
bioconcrezionamenti isolati (coralligeno di piattaforma) circondati da fondo molle. La
notevole pendenza delle falesie e l’estensione limitata dei substrati incoerenti entro la
batimetrica dei 30 m, se da un lato favoriscono la presenza di popolamenti sciafili anche
a bassa profondità, dall’altro limitano fortemente la distribuzione delle coperture a
fanerogame (Russo, 1992; Di Donato & Russo, 2004). Le praterie di Posidonia
oceanica (HP e HHP), che coprono infatti appena il 9 % dei fondali, si osservano
soprattutto lungo il versante settentrionale, in corrispondenza delle principali baie della
costa. Rilevante è anche la presenza di Caulerpa racemosa (HCr), che nel 2000 formava
piccole chiazze esclusivamente lungo il versante meridionale, dove probabilmente si era
insediata in seguito a trasporto e diffusione da ancoraggio. Indagini condotte nel 2004
rilevano che l’alga ha invaso ormai l’intera fascia costiera dell’AMP (Balzano et al.,
2006), invadendo, quindi, anche il versante settentrionale.
Fig. 5 - Carta bionomica dell’AMP di Punta Campanella.
3.4. AMP istituenda di Capri (Fig. 6)
Il paesaggio sottomarino dell’istituenda AMP di Capri (400 ettari) è caratterizzato
da associazioni biologiche molto simili a quelle presenti nella vicina AMP di Punta
Campanella, a cui, d’altra parte, è stata unita fino al tardo Pleistocene (Brancaccio et al.,
1991). Diversamente dall’AMP di Punta Campanella, non vi è una biocenosi
dominante: rilevante è la presenza dalla biocenosi SGCF (13.6 %) (Fig. 9), a
testimonianza delle forti correnti di fondo che interessano la piattaforma continentale.
Le praterie di Posidonia oceanica (HP e HHP) si osservano, con chiazze più o meno
estese, lungo l’intero perimetro costiero e fino a profondità notevoli (~50 m) a causa
dell’elevata trasparenza delle acque. Il limite superiore delle praterie, invece, è limitato
190
alla profondità di circa 10 m a causa della notevole esposizione al moto ondoso delle
coste. Nel 2000 è stato rilevato un unico prato di Caulerpa racemosa (HCr), ma è
probabile che quest’alga si sia diffusa anche in altri tratti costieri, come è accaduto
nell’AMP di Punta Campanella.
Fig. 6 - Carta bionomica dell’AMP istituenda di Capri.
3.5. AMP istituende del Cilento (Fig. 7 e Fig. 8)
L’istituenda AMP di Santa Maria di Castellabate (6325 ettari) lungo la Costa
Cilentana mostra un paesaggio sottomarino completamente differente da quello delle
AMP presenti nel Golfo di Napoli. Non è possibile individuare una biocenosi
dominante, ma rilevante è la presenza della biocenosi SFBC e delle praterie di
Posidonia oceanica (HP) che rappresentano, rispettivamente, il 21.8 % e il 33.1 % dei
fondali (Fig. 9). Caratteristica dell’AMP è la biocenosi C-SGCF (14.4 %), rappresentata
da grossi bioconcrezionamenti di coralligeno di piattaforma circondati da fondo molle
(Russo & Di Stefano, 2005).
Il paesaggio bentonico dell’istituenda AMP di Costa Infreschi presenta dei
popolamenti simili per tipologia a quelli dell’AMP di Santa Maria di Castellabate
sebbene la composizione del mosaico ambientale sia notevolmente differente; le praterie
di Posidonia oceanica, infatti, dominano ben il 75 % dei fondali (Fig. 9) e si presentano
con chiazze estese e dense, dai 6 m fino ai 25 m di profondità.
191
Fig. 7 – Carta bionomica dell’AMP istituenda di Santa Maria di Castellabate.
Fig. 8 – Carta bionomica dell’AMP istituenda di Costa Infreschi.
192
AMP Baia
AMP Gaiola
SFS-AP
AP-SGCF 0.7%
12.8%
C-SGCF
3.6%
HCn-HCp-HCr
3.8%
HCp-HCr
21.3%
HHCn
0.3%
SGCF-AP
2% SGCF-C
0.5%
AP
11.5%
C
13.5%
AP-C
2.9%
HCn
1.2%
AP-C
5.8%
SFS
2.9%
SVMC
67%
SGCF
49.9%
Capri (prof.
AMP Punta Campanella
GI-AP
0.9%
VTC
3.5%
HHP
HP
5.2% 3.8%
HCr
0.2%
AP
1.2% C
9%
GI
8.6%
HHP
14.6%
50 m)
HCr
0.2%
AP
15%
C
8.3%
HP
8.8%
SVMC
0.05%
SGCF
9.3%
DE
41.9%
DE
21.6%
DC
16.4%
Santa Maria di Castellabate (prof.
AP
7.9%
HP
33.1%
C-SGCF
14.4%
GI
9.3%
C
0.1%
DC
6.2%
Costa Infreschi (prof.
50 m)
AP
3.6%
SFBC
21.8%
SVMC
2.6%
SGCF
13.6%
C
1.1%
50 m)
SFBC
4.7%
SGCF
4.1%
VTC
11.6%
SGCF
11.6%
HP
75%
VTC
11.3%
Fig. 9 – Estensione percentuale dei popolamenti bentonici nelle aree oggetto di studio.
193
4. CONCLUSIONI
Le carte bionomiche, realizzate secondo criteri comuni di restituzione
cartografica, consentono una visione sinottica ed un confronto immediato delle tipologie
e della distribuzione dei popolamenti bentonici lungo alcuni tratti costieri della
Campania. Tali tratti, interessati dalla presenza di AMP già istituite o di prossima
istituzione, sono caratterizzati da paesaggi sottomarini completamente differenti per
composizione e configurazione del mosaico ambientale e, quindi, tutti particolarmente
meritevoli di protezione. Infatti, uno dei principi guida nella selezione di aree protette
dovrebbe essere la conservazione di “siti complementari” per tipologie di specie e di
habitat (Stewart et al., 2003).
Lo sforzo di uniformare carte bionomiche, eterogenee per contenuto e area
cartografata, ha messo in luce diverse problematiche legate alla rappresentazione
cartografica dei popolamenti bentonici. In risposta a queste problematiche sono stati
definiti criteri “generali” e metodologie GIS che potrebbero essere di riferimento per
l’elaborazione di carte bionomiche. È da riconoscere, tuttavia, che il sistema di
rappresentazione proposto considera esclusivamente i popolamenti bentonici presenti
nelle aree di studio.
Sulla base di questa esperienza si ritiene auspicabile, se non necessario, uno
sforzo da parte dei bentonologi per standardizzare la cartografia esistente, stabilendo
criteri univoci e metodologie che possano sfruttare appieno le potenzialità offerte dalla
moderna cartografia numerica e dalla tecnologia dei sistemi GIS.
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195
RISPOSTE FOTOFISIOLOGICHE DEL FITOPLANCTON NELLO STRATO
RIMESCOLATO OCEANICO
Serena ESPOSITO1, Vincenzo BOTTE1, Daniele IUDICONE1, Christophe BRUNET1,
Guglielmo LACORATA2, Maurizio RIBERA D’ALCALÀ1
1
Stazione Zoologica “A. Dohrn” - 80100 Napoli
CNR - Istituto di Scienze dell'
Atmosfera e del Clima - Sezione di Lecce
2
ABSTRACT
Phytoplankton photophysiological responses in the ocean mixed layer
The influence of turbulence on phytoplankton is debated since the formulation of
the Margalef'
s Mandala (1978). The Mandala reconducts the succession of Ocean
phytoplankton species to their survival capability in different turbulent and nutrient
conditions. The capability to survive is considered to depend from various factors,
above all the supposed increase in floatability in turbulent environment for certain
species. It is, however, considered also important the influence of turbulent mixing on
the light perceived by the organisms and their ability to adapt. The turbulent mixing,
indeed, directly influences the light history of single cells. The amount of light received
depends on the vertical position of cells and to their vertical displacements. This, in
turn, influences the phytoplankton growth also because phytoplankton respond to
irradiance changes with physiological modifications.
In this study the impact of two photophysiological responses on phytoplankton
growth through a lagrangian numerical approach based on the individuals. The
photophysiological model takes into account photoacclimation of the chlorophyll
content in order to increase photocapture at low light intensity and photoinhibition.
Photoinhibition decreases the carbon fixation because of the reversible damage of
the photosynthetic apparatus due to the solar irradiance. The photophysiological model
has been coupled with an hydrodynamical model with a lagrangian approach.
The Oceanic Mixed Layer has been reproduced through a Large Eddy Simulation
(LES) of an homogeneous water column subjected to a moderate wind. The use of LES
permitted the inclusion of the scale of motion related to the Langmuir circulation which
improved the reconstruction of the displacement of cells and its photophysiological
responses.
Results suggest that photoacclimation produce a positive effect on the carbon
fixation due to the non linear effect caused by irradiance intermittency and the
hysteresis of physiological responses. In addition, the increased mixing favors the repair
of the damage due to irradiance and the subsequent photoinhibition. The two
acclimation responses compensate as mixing increase, producing similar growth rates in
different mixing and light conditions.
197
RIASSUNTO
L'
influenza della turbolenza sugli organismi fitoplanctonici è un argomento
dibattuto da decenni sin dalla formulazione del Mandala di Margalef (1978). Tale
Mandala riconduce la successione delle specie fotoplanctoniche in Oceano alla loro
capacità di adattamento alla maggiore o minore energia turbolenta e disponibilità di
nutrienti. Tale capacità è considerata dipendere da vari fattori, soprattutto la supposta
aumentata galleggiabilità per alcune specie in ambiente turbolento. É tuttora ritenuta
altrettanto importante l'
influenza del mescolamento sulla luce percepita dagli organismi
e la loro capacità di adattarvisi. Infatti, il mescolamento turbolento dello strato
superficiale oceanico influenza direttamente la storia luminosa delle singole cellule, in
quanto la quantità di luce che esse ricevono dipende dalle escursioni verticali cui esso
stesso è sottoposto. Questo, ovviamente, influenza la crescita degli organismi
fotosintetici planctonici. In particolare, è noto che il fitoplancton risponde con delle
modifiche nella sua fisiologia al cambiamento di regime luminoso.
In questo studio é stato studiato l'
impatto di due adattamenti fisiologici sulla
crescita del fitoplancton tramite un approccio numerico lagrangiano basato sulla singola
cellula. Il modello fotofisiologico sviluppato prende in conto la risposta di
fotoacclimatazione di modifica del contenuto in clorofilla al fine di aumentare la
fotocattura alle basse intensità e la fotoinibizione. La fotoinibizione provoca al contrario
la diminuzione della capacità di fissazione del carbonio a causa del danno reversibile
provocato dall'
irradianza solare sull'
apparato fotosintetico. Il modello fotofisiologico é
stato accoppiato in modalità lagrangiana con un modello idrodinamico.
Lo strato Rimescolato Oceanico è stato riprodotto tramite una Large Eddy
Simulation (LES) di una colonna d'
acqua non stratificata sottoposta a un vento
moderato. L'
utilizzo della LES ha permesso l'
inclusione di moti dovuti alla circolazione
di Langmuir che migliorano la ricostruzione dello spostamento delle cellule e le loro
risposte fotofisiologiche.
I risultati suggeriscono che la fotoacclimatzione produce un effetto positivo sulla
fissazione di carbonio dovuto agli affetti non lineari causati dalla intermittenza
dell'
irradianza e da un fenomeno di isteresi della risposta fisiologica. Inoltre, il
mescolamento più intenso dovuto alle celle di Langmuir favorisce il riparo dal danno
provocato dall'
irradianza e la conseguente fotoinibizione.
Le due riposte di acclimatazione si compensano se il mescolamento aumenta,
producendo tassi di fissazione del carbonio comparabili in condizioni di mescolamento
e luce differenti.
1. INTRODUZIONE
Gli organismi fitoplanctonici si adattano nel corso della loro vita ad apporti di
nutrienti e campi luminosi variabili in ampiezza e proprietà spettrali. Il mescolamento
turbolento dello strato superficiale oceanico influenza direttamente la storia luminosa
delle singole cellule, in quanto la quantità di luce che il fitoplancton riceve è
direttamente correlata alla frequenza e alla scala delle escursioni verticali cui esso stesso
198
è sottoposto. Questo, ovviamente, influenza la crescita degli organismi fotosintetici
planctonici. In più, il fitoplancton risponde con delle modifiche nella sua fisiologia al
cambiamento di regime luminoso. Infatti, un eccesso di luce può danneggiare, in
maniera reversibile o no, l’apparato fotosintetico e gli organismi fitoplanctonici sono in
grado di adattarsi ad un aumento della luce al fine di prevenire o minimizzare questo
effetto negativo o, al contrario, di ottimizzare la foto-cattura in caso di diminuzione
della disponibilità di luce. Queste risposte sono ben studiate in transizioni discrete
ricreate in laboratorio e nuovi passi sono in atto nello studio delle risposte fotofisiologiche a regimi luminosi fluttuanti (Ibelings et al., 1994; Anning et al., 2000, fra
gli altri). Alcune di queste risposte sono già inserite in modelli meccanicistici o semiempirici e la famiglia dei modelli IBM (Individual Based Model) consente di studiare le
risposte di vari individui sottoposti a storie luminose diverse. Generalmente, in questi
modelli le escursioni verticali sono riprodotte tramite un moto aleatorio direttamente
dipendente dalla diffusività stimata del fluido (Cianelli et al., 2004). Questo approccio,
alquanto semplificato ha già contribuito ad indagare gli effetti di un mescolamento
realistico sulla fisiologia degli organismi, ma non copre tutte le scale di moto presenti
nello strato rimescolato oceanico come le celle di Langmuir. Al fine di studiare
l’influenza di queste scale sulla risposta foto-fisiologica di un popolamento
fitoplanctonico, un modello di crescita algale e di risposta foto-fisiologica è stato
accoppiato a un LES (Large Eddy Simulation) un modello fluidodinamico in grado di
riprodurre quelle scale di moto precedentemente ignorate (Denaro et al., in press). I
risultati sono stati analizzati studiando sia le proprietà medie del popolamento soggetto
a tipi di mescolamento diverso, sia la distribuzione delle proprietà all’interno del
popolamento stesso.
2.1. Modelli fluidodinamica
Le traiettorie degli individui simulati all’interno del modello IBM provengono da
due simulazioni LES: EKMAN e LANGMUIR. Una terza riproduzione delle stesse è
stata effettuata tramite l’approccio del moto aleatorio (random walk RW) applicato a un
profilo di diffusività verticale ricavato dall’analisi lagrangiana della simulazione LES
EKMAN. Le due simulazioni LES, con un dominio fisico di 150×150×120 m,
riproducono la dinamica di una colonna d’acqua omogenea sottoposta ad un evento
atmosferico moderato (u* = 0, 008 ms-1).
La simulazione EKMAN riproduce la generazione di un campo turbolento legato
direttamente all’effetto dello stress del vento sulla superficie marina, che risponde al
modello concettuale della cosiddetta spirale di Ekman (Ekman, 1905). Tale modello
analitico di una corrente che decresce di intensità e ruota verso destra (nell’emisfero
nord) scendendo con la profondità è in realtà complicato da altri fattori che la LES
riproduce (variabilità del coefficiente di viscosità turbolenta e dipendenza della corrente
dalla latitudine e dalla direzione del vento) come recentemente fatto da Zikanov et al.
(2003). Alla riproduzione di un campo turbolento prettamente diffusivo gradualmente
199
decrescente in intensità con la profondità (EKMAN) è stata comparata la riproduzione
di un campo turbolento più caotico ma caratterizzato da strutture coerenti nei primi
metri di profondità (LANGMUIR). Questa seconda simulazione riproduce tramite una
parametrizzazione della corrente derivata dal passaggio delle onde in superficie
(corrente di Stokes) la circolazione di Langmuir (Langmuir, 1938). Tale circolazione è
caratterizzata dalla presenza di due celle contro-rotanti nei primi metri superficiali
caratterizzate da una zona di convergenza del moto dalla superficie verso il fondo e di
due zone esterne di divergenza con una circolazione preferenziale diretta dal fondo
verso la superficie marina. Tali strutture coerenti sono caratterizzate da una velocità
verticale verso il fondo nella zona di convergenza anche cinque volte più intensa della
velocità verticale tipica delle due più ampie zone dominate da un flusso verso l’alto (5
cm s-1 contro 1 cm s-1 circa in LES LANGMUIR). L’analisi lagrangiana delle traiettorie
ha permesso di identificare l’impatto di questi elementi nelle due simulazioni LES,
identiche nei forzanti e nelle condizioni ma diverse per l’aggiunta della
parametrizzazione della corrente di Stokes. É stato inoltre possibile ricavare un profilo
di diffusività verticale da EKMAN da utilizzare per la riproduzione di traiettorie guidata
dall’intensità e dal gradiente della diffusività verticale e da una componente totalmente
casuale (random walk RW). Da un punto di vista puramente fluidodinamico le
accortezze tecniche hanno concesso di riprodurre con RW un mixing comparabile a
quello del LES EKMAN anche se RW sembra comunque leggermente sovrastimare
l’intensità del mescolamento nella zona superficiale.
2.2. IBM di fotofisiologia e crescita fitoplanctonica
L’Individual Based Model associato alle traiettorie lagrangiane ricavate dal
rilascio di puri traccianti passivi nelle simulazioni precedentemente descritte è
governato da equazioni meccanicistiche che riproducono due fenomeni fondamentali fra
quelli che gli organismi fotoplanctonici manifestano di fronte a cambiamenti di
irradianza: la fotoacclimatazione del contenuto in clorofilla e la fotoinibizione ad
elevate irradianze associata alla degradazione e al riparo della proteina D1 situata nel
fotosistema II (PSII) (Geider et al., 1998; Han, 2002). Queste due risposte sono state
accoppiate nel modello foto-fisiologico considerando che la diminuzione del rapporto
clorofilla su carbonio associato ad un aumento di irradianza comporti la diminuzione
della sezione d’urto funzionale del PSII ( PSII). Tale diminuzione rende minore la
probabilità che un fotone danneggi la proteina D1 diminuendo l’incidenza della
fotoinibizione. Al contrario cellule sottomesse ad un’intensità luminosa più bassa
aumentano il rapporto clorofilla carbonio e la foto-cattura ma anche la possibilità di
essere danneggiate se sottoposte ad un improvviso aumento dell’intensità luminosa. Tali
risposte foto-fisiologiche regolano il tasso di crescita in carbonio di ogni singola cellula
rappresentata nell’IBM. Tale tasso di crescita è quindi regolato sia dalla luce incidente
istantanea sulla cellula sia dalla storia luminosa a cui la stessa è stata sottoposta.
200
2.3. Simulazioni effettuate
L’interazione non lineare fra variazioni più o meno rapide dell’irradianza
percepita da una cellula è stata studiata tramite l’implementazione del modello
accoppiato in cui la storia luminosa di ogni singola cellula è data dalla posizione
verticale dell’individuo ricavata da traiettorie selezionate fra quelle rilasciate nelle
simulazioni fluidodinamiche. Tali simulazioni accoppiate sono state condotte partendo
da una concentrazione omogenea di clorofilla nel dominio verticale di 120 metri pari a
0,01 mg Chl m-3 nelle tre condizioni di mixing LANGMUIR, EKMAN e RW. L’output
delle simulazioni è stato analizzato considerando la distribuzione verticale delle
proprietà fisiologiche e le proprietà medie e la distribuzione di probabilità delle stesse
all’interno del popolamento fitoplanctonico immerso nello strato rimescolato
superficiale.
Sin dalla metà degli anni ottanta è stata dimostrata la stretta relazione fra
distribuzione verticale delle caratteristiche foto-biologiche del fitoplancton e le
variazioni di luce dovute al mescolamento turbolento. La distribuzione verticale delle
caratteristiche foto-fisiologiche di un popolamento algale risulta, infatti, legata alla
interazione fra la scala di risposta temporale della foto-fisiologia rispetto alle scale
temporali del mescolamento (Lewis et al., 1984a; Lewis et al., 1984b). I risultati di
questo studio dimostrano come due diverse risposte foto-fisiologiche caratterizzate da
due scale temporali diverse (dell’ordine di meno di due ore per la fotoinibizione e
dell’ordine di qualche giorno per il rapporto C/Chl) interagiscono con tre diversi tipi di
mescolamento turbolento. Infatti, nel caso della risposta fotoinibitiva gli organismi sono
praticamente adattati alla luce incidente istantanea in quanto la memoria della luce
precedente viene persa nel tempo di spostamento in tutte e tre le condizioni di mixing.
Nelle prime decine di metri gli organismi sono fotoinibiti dalle alte intensità luminose
tipiche del mezzogiorno tanto da diminuire il loro tasso di fotosintesi del 40% in tutte e
tre le condizioni di mixing. Al contrario, la distribuzione verticale della risposta legata
alla biochimica della fissazione del carbonio e della sintesi dei pigmenti (rapporto
chl/C) è diversa nelle diverse condizioni di mixing. Il mescolamento dovuto alla
circolazione di Langmuir rende più omogeneo il popolamento: gli organismi posti in
superficie mostrano un rapporto C/chl più simile a quello degli organismi posti al limite
inferiore dello strato rimescolato oceanico (circa 38 mg C mg Chl-1 in superficie e 25
mg C mg Chl-1 a 75 m in LANGMUIR vs circa 42 mg C mg Chl-1 e 25 mg C mg Chl-1
in EKMAN e RW). L’effetto medio dell’interazione fra le due risposte fotofisiologiche
considerate e fra esse e il campo luminoso produce un tasso di crescita giornaliero
medio degli organismi posti in superficie nella simulazione LANGMUIR maggiore
rispetto a quello degli organismi superficiali EKMAN e RW (0,066 h-1 vs 0,06 h-1). Al
contrario, il tasso di crescita medio degli organismi posti alla base dello strato
rimescolato è maggiore nelle simulazioni EKMAN e RW rispetto a LANGMUIR (0,031
h-1 vs 0,022 h-1), ma tale valore è anche influenzato dalla profondità dello strato
201
rimescolato, che risulta più profondo e quindi meno illuminato nella simulazione
LANGMUIR (75 m vs 65 m di EKMAN e RW). Le proprietà medie giornaliere degli
individui immersi nello strato rimescolato oceanico espressi in tabella 1 riassumono
queste caratteristiche. La luce media a cui le cellule immerse nello strato rimescolato
dalla circolazione di Langmuir è minore di quella della simulazione EKMAN dell’11 %.
Il tasso di crescita medio della prima è però inferiore solo del 2,4 %. Le motivazioni di
tale “compensazione” risiedono nel duplice effetto degli aggiustamenti fisiologici
simulati: le cellule rimescolate più intensamente in LANGMUIR risentono in maniera
mediamente minore dell’effetto fotoinibente anche se trasportano più in profondità il
fenomeno, a causa delle elevate velocità verticali dirette verso in basso nelle zone di
convergenza delle celle. In aggiunta le cellule spostate dalla zona più profonda in
supercie, e quindi più ricche in pigmenti fotocatturanti, riescono a approfittare di questo
vantaggio prima di essere danneggiate dalle alte intensità. Questo effetto di doppio
vantaggio in LANGMUIR a discapito del maggior effetto fotoinibente riscontrato in
EKMAN e RW produce la compensazione fisiologica riscontrata: organismi soggetti ad
una irradianza giornaliera media significativamente minore fotosintetizzano e crescono
con tassi comparabili.
Tab. 1 - Proprietà medie giornaliere degli individui immersi nello strato rimescolato superficiale nel corso
delle tre simulazioni.
Proprietà medie giornaliere
LANGMUIR
EKMAN
RW
Irradianza ( moli fotoni m s )
Inibizione (% di centri di reazione inibiti)
C:Chl (mg C mg Chl-1)
Tasso di crescita in carbonio (mg C mg C-1 h-1)
213,140
51
22,73
0,112
238,354
54
23,78
0,114
240,187
55
23,81
0,117
-2 -1
4. CONCLUSIONI
Il modello meccanicistico fotofisiologico sviluppato per questo studio è capace di
simulare due delle principali risposte del fitoplancton alle variazioni luminose. Risposte
quali la fotoprotezione tramite il ciclo delle xantofille non sono esplicitamente inserite
con le loro scale di risposta a breve termine, ma l’effetto globale della diminuzione della
sezione d’urto funzionale alle alte intensità è paragonabile all’azione dei pigmenti
fotoprotettanti anche se su scale temporali più lunghe. Seppur con queste limitazioni il
modello risulta capace di simulare l’interazione fra le due risposte fisiologiche e
l’effetto di compensazione di queste due risposte in un campo luminoso realistico. È
importante notare che nei fenomeni naturali l’aumento del mescolamento è quasi
sempre associato ad una diminuzione della luce media tramite l’approfondimento dello
strato rimescolato, ad eccezione dei fenomeni ristretti a zone costiere in cui il fondo
pone una barriera fisica a tale approfondimento. Quindi l’effetto di compensazione
riscontrato tramite il sollievo dalla fotoinibizione legato al mescolamento e l’aumento
della fotocattura dovuto alla diminuzione dell’irradianza media e ad effetti non lineari
legati ad un fenomeno di isteresi della risposta fisiologica possono considerarsi di
202
fondamentale importanza nella regolazione della crescita fitoplanctonica in oceano
aperto.
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3-7 luglio 2006
203
ATMOSPHERIC AEROSOL- CLOUD INTERACTION: IMPLICATIONS FOR
ISSUES RELATED TO CLIMATIC CHANGES
Maria Cristina FACCHINI
Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima, CNR - 40100 Bologna
RIASSUNTO
Interazioni aerosol atmosferico-nubi: influenza sui cambiamenti climatici
L’aerosol marino contribuisce in modo significativo al bilancio globale delle
particelle presenti in atmosfera e influisce quindi sulle proprietà ottiche del pianeta e sul
clima. Fino ad oggi la maggior parte della ricerca sull’aerosol marino si è focalizzata
sulle particelle di cloruro di sodio prodotte dallo spray marino e su quelle biogeniche di
solfato prodotte dalle emissioni di DMS del plancton. Recentemente è stato scoperto un
nuovo legame fra il ciclo stagionale del plancton marino e l’aerosol atmosferico:
durante la fioritura stagionale di plancton le particelle di aerosol sono costituite
prevalentemente da materiale organico e non da sale marino o solfato, come si riteneva
in precedenza. L’arricchimento della componente organica può derivare da processi di
emissione primaria (particelle organiche iniettate in atmosfera da processi connessi al
modo ondoso degli oceani) o da reazioni chimiche che trasformano i composti organici
gassosi emessi dal fitoplancton in specie non volatili, che vanno ad arricchire le
particelle di aerosol.
Simulazioni modellistiche preliminari hanno mostrato che la variazione stagionale
delle proprietà chimiche e fisiche dell’aerosol marino osservate nel Nord Atlantico
influenza i processi di formazione delle nubi portando ad un aumento dal 15 al 100 %
del numero di goccioline. Questa nuova sorgente, attualmente non presa in
considerazione nei modelli climatici, può quindi avere significativi effetti sul clima del
pianeta.
ABSTRACT
Marine aerosol is a significant fraction of global atmospheric aerosol burden thus
influencing optical properties of the Earth atmosphere and climate. Until recently the
main focus of scientific research on marine aerosol was on sea salt particles produced
by sea spray and sulphate particles, the final oxidation product from biogenic DMS
emission. Recently a new link between the phytoplankton cycle and atmospheric
particles has been discovered: during the period of high biological activity, when the
plankton bloom occurs, the fine aerosol particles are mainly constituted by organic
material, not by a mixture of sea salt and sulphate as it was previously assumed. These
organic aerosol particles are mainly formed by the degradation products of plankton
205
which concentrated at the ocean surface due to its surface-active properties. Through the
formation and bursting of bubbles in oceanic whitecaps, this organic matter is ejected
into the atmosphere in the form of sea-spray aerosol particles. Other chemical processes
(called secondary sources) can accumulate organic material by oxidation of volatile
gases emitted by the marine biota: these oxidation products are less volatiles and thus
can condense on aerosol particles.
Modelling simulations show that the variation of the chemical and physical
aerosol properties observed over North Atlantic during the phytoplankton bloom
changes the cloud properties producing an increase of 15-100 % in the cloud droplet
number. This new organic source from the ocean, not currently included in global
models, can significantly impact on the global aerosol burden and thus on aerosol
effects on climate.
1. INTRODUCTION
Marine particles play a potentially important role in the climate system, directly
by backscattering and absorbing solar radiation and indirectly by acting as cloud
condensation nuclei (CCN), thus influencing cloud droplet size distribution, cloud
albedo and lifetime. Aerosol particle chemical composition as a function of aerosol size
is one of the critical parameters defining aerosol properties relevant to radiative effects.
There has been a general consensus in literature that, under clean marine conditions,
non sea salt sulphate (nssSO42-), formed by gas-to-particle conversion of dimethyl
sulphide (DMS)-derived SO2 (Charlson, et al., 1987), dominates submicron aerosol
composition, while sea salt, produced by the mechanical disruption of the sea surface,
largely controls the chemical composition of the supermicron aerosol fraction
(Blanchard, 1954; Quinn et al., 2000). Direct and indirect evidence (O’Dowd et al.,
1997) shows, however, that the salt mode could well extend into the submicrometer size
range.
It has also long been known that marine aerosols contain organic material (i.e.
Blanchard, 1964). Recent field measurements clearly document the presence of organic
matter in individual particles (Middlebrook et al., 1998), and a significant contribution
of organic species to the fine aerosol mass in the unperturbed marine boundary layer
(MBL) (Putaud et al., 2000). However, the role of organic compounds in the remote
marine aerosol, although recognised as potentially important, remains largely uncertain,
mainly due to the lack of quantitative measurements of their size dependent
composition.
In this paper I present strong evidences suggesting a dominant contribution to the
sub-micron modes from bubble-mediated production processes (primary marine aerosol
production) and I illustrate that the relative contribution of organic matter and sea-salt
possess a seasonal cycle over the North Atlantic with peak organic matter contributions
occurring during the periods of high biological activity and peak sea-salt contributions
occurring during periods of low biological activity (Cavalli et al., 2004; O’Dowd et al.,
2004; Yoon et al., 2006).
206
2. METHODS
The measurements were carried out at Mace Head station period from January
2002 to June 2004.
A Berner low-pressure impactor (flow rate 1.8 m3 h-1), sampling air at ambient
relative humidity (RH) (80 ± 8%), was used to collect aerosol particles in eight size
fractions, between 0.03 and 16.0 m according to the following 50 % equivalent
aerodynamic cut-off diameters: 0.063; 0.125; 0.25; 0.5; 1; 2; 4; 8; 16 m. Tedlar foils
were used as the collection substrate in the impaction stages. The impactor was
mounted at approximately 50 m from the shoreline at a height of approximately 3 m
above ground level. In parallel, aerosol particles smaller than 10 m were collected, at
ambient RH, on quartz fiber filters, using a Sierra-Andersen high-volume cascade
impactor (flow rate 60 m3 h-1), located at ground level 50 m from the shoreline. An
automated sectorized sampling system was used to control the aerosol sampling and
each sample was deployed for a period of 7 days. The system ensured sampling only of
air (1) reaching the site from a controlled oceanic clean sector between 190°-300° and
(2) with a total particle concentration (d50%=14 nm) below 900 cm-3. Previous analysis
has shown that, in general, air masses meeting such criteria can typically be regarded as
clean marine air masses, having passed over thousands of km of open sea, free from the
influence of major anthropogenic sources Submicron aerosol size distributions were
measured over the range of 10 nm to 263 nm using a Scanning Mobility Particle Sizer
(SMPS) located at 8 m height.
3. DISCUSSION
Both the aerosol physical and chemical properties exhibited clear seasonal
patterns following biological activity in the North-Atlantic. Analysis of SeaWifsderived sea-water chlorophyll, an indicator of biological activity, shows high
chlorophyll concentrations from spring through to autumn, corresponding to the NorthAtlantic plankton blooming period, and minimum concentrations occurring in winter.
Following the biological signal over the year, the period of low biological activity
(LBA) can be regarded as winter and the peri4od of high biological activity (HBA) can
be regarded as spring through to autumn.
In figure 1 the aerosol chemical data were split into these two periods for analysis
and a marked contrast between the two periods was found with respect to the relative
concentration of inorganic salts, total organic carbon (TOC), water-soluble organic
carbon (WSOC), and water-insoluble organic carbon (WIOC), particularly for the
Aitken and accumulation size ranges. During the LBA-period, sea-salt aerosol
dominated all size fractions with a 74 % (0.3 µg m-3) contribution to the accumulation
mode mass. The remainder of the mass in this mode comprised 10 % (0.045 µg m-3)
nss-sulphate and 15 % (0.070 µg m-3) TOC. By contrast, in the HBA-period, the TOC
fraction increased dramatically, particularly for the sub-micron sizes, and this fraction
increased with decreasing size. For the HBA-period, TOC in the accumulation mode
contributes 65 % (0.619 µg m-3) of the mass, while sea-salt contributes 10 % (0.097 µg
207
m-3) and nss-sulphate contributes 23% (0.216 µg m-3). The largest percentage
contribution (83 %) of TOC occurred in the fine mode (0.06-0.125 µm). Across the size
range from 0.06-0.5 µm, the average WIOC and WSOC contributions were 45 % and 18
%, respectively.
nss-SO4
NH4
sea-salt
WIOC
WSOC
NO3
9
80
8
70
7
60
6
40
30
5
4
3
2
(a) LBA period
10
1
100
10
90
9
80
8
70
7
60
6
50
5
40
4
30
3
20
2
(b) HBA period
10
0
0.06
mass(µ
µg/m3)
50
mass(µ
µg/m3)
90
20
mass fraction(%)
BC
10
not detectable
mass fraction(%)
100
1
0
0.125
0.25
0.5
1
2
4
8
D(µ
µm)
SUMMER
Fig. 1 - Marine aerosol chemical composition. North-Atlantic marine aerosol average size-segregated
chemical composition and absolute mass concentrations sampled by Impactor, for periods of (a) low
biological activity (LBA) and (b) high biological activity (HBA). The concentrations of WSOC, WIOC
and BC are reported as mass of organic matter.
Nuclear Magnetic Resonance (HNMR) analysis of WSOC aerosol revealed the
presence of partially oxidised species with extended aliphatic moieties, partially
attributable to high-molecular weight species. Large decrease in surface tension were
also observed in aerosol water extracts. Surface-active OM of biogenic origin (such as
lipidic and proteinaceous material and humic substances), enriched in the oceanic
surface-layer and transferred to the atmosphere via bubble-bursting processes, are the
most likely candidates to contribute to the observed organic fraction in marine aerosol.
The observed organic aerosol characteristics are consistent with laboratory studies on
aerosol generated from Atlantic sea-water (Gershey, 1983) demonstrating a peak in
organic aerosol concentration, and a concomitant increase in WIOC and high-molecular
weight surface-active fractions, during periods of blooming phytoplankton.
208
The aerosol size distribution modal diameters show seasonal variations, 0.031 µm
in winter and 0.049 µm in summer for the Aitken mode, and 0.103 µm in winter and
0.177 µm in summer for the accumulation mode. The accumulation mode mass also
showed a seasonal variation – minimum in winter and maximum in summer.
The increase in mean aerosol size is primarily driven by the TOC increase and
could be attributable to either primary or secondary production processes. Moreover the
combined aerosol physico-chemical characteristics point towards a significant primary
aerosol source in which bubble-bursting produces sub-micron particles, enriched in
insoluble and high-molecular weight OM.
Since the clod condensation nuclei (CCN) population is typically dominated by
sub-micron sized-particles, these new finding change the picture of what influences
marine CCN: addition of this organic matter can increase the availability of aerosol
particles and cloud nuclei - thus influencing Earth radiative balance. Modelling
simulations show that the variation of the chemical and physical aerosol properties
observed over North Atlantic during the phytoplankton bloom changes the cloud
properties producing an increase of 15-100 % in the cloud droplet number.
4. FUTURE PERSPECTIVES
This new organic source from the ocean, not currently included in global models,
can significantly impact on the total aerosol burden and thus on aerosol effect on
climate.
In order to quantify the transfer of organic material from the marine surface layer
to the aerosol particles and to obtain a better understanding of this new component of
the aerosol-cloud -climate system, future research will focus in characterizing and
quantifying the biological species found in both atmospheric aerosol particles and
surface layer.
At present this research in on the way in collaboration with the group of Prof.
Roberto Danovaro (University of Ancona) in the framework of the European Project
MAP (Marine Aerosol Production from Natural Sources; http://macehead.nuigalway.ie
/map/). In particular new species or classes of compounds never measured in marine
aerosol like protein, carbohydrates lipids as well as specific genomic sequences from
DNA-PCR analysis will be studied in aerosol and sea water samples collected in the
period of high biological signal during MAP cruise (June-July 2006).
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3-7 luglio 2006
210
IMPATTO DEL MICROZOOPLANCTON SULLA COMPOSIZIONE DEL
FITOPLANCTON NEL GOLFO DI NAPOLI
Gayantonia FRANZÈ’1, Imma SANTARPIA2, Olga MANGONI3, Monica MODIGH1
1
Laboratorio di Oceanografia Biologica, Stazione Zoologica A. Dohrn - 80100 Napoli
2
Area Gestione Ambiente ed Ecologia Costiera, Stazione Zoologica A. Dohrn 80121 Napoli
3
Dipartimento delle Scienze Biologiche, Università Federico II – 80134 Napoli
ABSTRACT
Microzooplankton grazing impact on Gulf of Naples phytoplankton composition
Grazing experiments in a Mediterranean coastal site showed between 55 and 98 %
of primary production to be consumed by the microzooplankton. Selection occurred for
prey size, ultraphytoplankton being preferred to larger prey, while no difference could
be found in grazing pressure as related to algal class.
RIASSUNTO
Esperimenti di grazing effettuati in un sito costiero del Mediterraneo hanno
rivelato che il microzooplancton consuma tra il 55 e il 98 % della produzione primaria.
Il tasso di predazione registrato si è rivelato più elevato sulla frazione
ultrafitoplanctonica che su cellule di maggiori dimensioni. Di contro, non è risultata
alcuna selezione rispetto all’appartenenza tassonomica delle prede algali.
1. INTRODUZIONE
L’importanza della componente microplanctonica nell’ecosistema marino è oggi
universalmente riconosciuta. Il microzooplancton comprende protozoi e piccoli metazoi
tra i 20 e i 200 µm. I protozoi, soprattutto ciliati e dinoflagellati eterotrofi, sono in grado
di esercitare uno stretto controllo top-down sul popolamento fitoplanctonico. Avendo un
tasso di riproduzione simile a quello delle loro prede algali, riescono a seguire il rapido
accrescimento di tale popolamento e la loro predazione influenza sia la struttura
dimensionale che la composizione del comparto fitoplanctonico.
Il microzooplancton consuma gran parte della produzione primaria, fino al 70 %
in ambienti oligotrofici (Pierce & Turner, 1992). L’obiettivo di questo studio è quello di
valutare l’impatto da grazing esercitato dal microzooplancton sul popolamento
fitoplanctonico nel Golfo di Napoli.
211
Gli esperimenti di grazing sono stati effettuati su campioni naturali prelevati su
una stazione fissa, MC, nel Golfo di Napoli studiata dal 1984 per le sue caratteristiche
fiscico-chimiche e biologiche (Ribera d’Alcalà et al., 2004). Sono stati effettuati quattro
esperimenti: a maggio, a giugno e a settembre 2004 e a marzo 2005. Il protocollo
sperimentale utilizzato é stato quello delle diluizioni seriali proposto da Landry &
Hasset (1982). Gli esperimenti sono stati condotti su campioni prelevati a -1 m.
Due serie di sei boccioni da 13 litri sono stati riempiti con campione naturale (100
%) e in misura decrescente, fino a 5 %, diluiti con acqua di mare filtrata su filtro in fibra
di vetro GF/F. I campioni così ottenuti sono stati incubati per 24 ore in condizioni di
luce e temperatura paragonabili a quelle presenti in mare al momento del prelievo del
campione. Per determinare il tasso di crescita istantaneo del popolamento
fitoplanctonico e il tasso di grazing esercitato dal microzooplancton sono state effettuate
le seguenti analisi, all’inizio e alla fine dell’esperimento, su ogni boccione: analisi
spettrofluorimetriche per la determinazione delle concentrazioni di clorofilla <5 µm e
>5 µm; analisi HPLC per lo spettro pigmentario; conteggio al microscopio invertito e
stima della biomassa del popolamento microzooplanctonico su campioni conservati con
una soluzione acida di Lugol al 10 %. Per maggiori dettagli dei metodi utilizzati si
rimanda a Ribera d’Alcalà et al. (2004).
La crescita apparente del popolamento fitoplanctonico (k) e il tasso di grazing del
microzooplancton (g) si calcolano applicando le equazioni proposte da Landry & Hasset
(1982). Nel boccione più diluito, 5 % di campione naturale, si considera l’assenza di
predazione da parte del microzooplancton e dall’aumento di clorofilla registrato si può
calcolare il tasso di crescita del fitoplancton.
3. RISULTATI
Le concentrazioni di clorofilla registrate in situ al momento dei quattro
esperimenti variavano da 0,21 µg Chl a l-1 a 9,39 µg l-1 (Tab. 1). In tre dei quattro
esperimenti si è registrato una crescita del fitoplancton nel boccione 5 %; i risultati, pur
diversi per tassi di crescita e predazione, possono essere esemplificati come riportato in
figura 1. I coefficienti istantanei di crescita del fitoplancton (k) erano di 1,6 d-1, 1,07 d-1
e 0,39 d-1, in maggio e giugno 2004 e in marzo 2005, rispettivamente. Il tasso di
grazing, g, sul popolamento fitoplanctonico risulta molto maggiore a maggio e giugno,
1,34 d-1, 0,99 d-1, rispetto a quello registrato a marzo, 0,21 d-1. Il che equivale a dire che,
nel boccione con il 100 % di campione naturale, il microzooplancton consuma una
percentuale di produzione primaria pari al 96 % a maggio e al 98 % a giugno. A marzo,
invece, le percentuali di produzione predata sono minori (55 %).
L’esperimento condotto a settembre 2004 si discosta da quelli descritti fin ora. La
concentrazione della Chla era molto bassa, 0,21 µg l-1. In tutti i boccioni, tranne al 100
%, la concentrazione di clorofilla diminuisce nelle 24 h di incubazione e non possono,
quindi, essere calcolati né il tasso di crescita istantaneo del popolamento
212
fitoplanctonico, né il tasso di grazing esercitato dal microzooplancton. La componente a
ciliati del comparto microzooplanctonico subisce una drastica riduzione della
abbondanza e della biomassa.
L’analisi dello spettro pigmentario (HPLC) non ha rivelato differenze sostanziali
nella composizione tassonomica prima e dopo l’incubazione. Tuttavia, l’ultrafitoplancton (<5 µm) mostrava i maggiori tassi di crescita nel boccione senza predatori
(5 %) mentre la concentrazione del pigmento diagnostico specifico di questa frazione, la
zeaxantina, rimaneva all’incirca invariata nel campione non diluito (100 %). Ad
esempio, a giugno sulla base dell’aumento della zeaxantina nel boccione più diluito si
sarebbe dovuto registrare una concentrazione di zeaxantina del 0,22 µg l-1 nel campione
non diluito (100 %) mentre è stato riscontrato solo 0,027 µg l-1.
Tab. 1 - Valori di concentrazione di clorofilla, tasso di crescita istantanea fitoplanctonica (k) e tasso di
grazing (g) per ciascuno esperimento.
k
d-1
1,66
1,07
0,39
Chl
µg l-1
1,92
0,78
0,21
9,39
Maggio ‘04
Giugno ‘04
Settembre ‘04
Marzo ‘05
2,0
1,2
misurata
calcolata
1,0
0,6
0,0
0,00
g
d-1
1,34
0,99
0,21
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
0,0
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
Fig. 1 - Esperimento di grazing, giugno 2004. (a) Crescita apparente del popolamento fitoplanctonico. P0
e Pt: concentrazione di clorofilla all’inizio e alla fine dell’esperimento. (b) Concentrazione di clorofilla
misurata e calcolata sulla base incremento registrato in assenza di predatori nel boccione più diluito (5%).
4. DISCUSSIONE
Nei tre esperimenti in cui si è registrato una netta crescita del fitoplancton nel
boccione al 5 %, in assenza di grazing, la percentuale di produzione fitoplanctonica
predata dal microzooplancton, il tasso di crescita del fitoplancton (k) e il coefficiente di
grazing (g) rientravano nel range dei valori riportati in letteratura (Dolan et al., 2000 e
citazioni bibliografiche ivi riportati). I ciliati sono generalmente la componente più
abbondante del microzooplancton e possono catturare tra il 40 e il 60 % della
produzione primaria (Pierce & Turner, 1992). A marzo, il fitoplancton nella stazione
213
MC è dominato in larga parte dalle grandi diatomee coloniali (Ribera d’Alcalà et al.,
2004) non disponibili per i predatori di piccole dimensione del microzooplancton; in
questo caso si registra un modesto tasso di grazing. A maggio e giugno, invece, il
fitoplancton è costituito per la maggior parte da fitoflagellati e da diatomee di piccole
dimensioni che non formano colonie (Ribera d’Alcalà et al., 2004); questi costituiscono
prede adatte al microzooplancton e quindi si registrano tassi di grazing più elevati.
La predazione del microzooplancton non ha determinato un cambiamento
sostanziale nello spettro pigmentario, indicando quindi che vengono predate tutte le
classi algali in rapporto alla loro abbondanza. Una selezione positiva di predazione si
registra invece per l’ultrafitoplancton. Le cellule più predate sono state quelle di
dimensioni inferiori ai 5 µm. Infatti, la predazione del microzooplancton è tale da
mantenere stabile la popolazione dei procarioti (top-down control) malgrado un tempo
di generazione di solo 6 h per la zeaxantina, pigmento diagnostico di cianobatteri e
procloroficee. Di contro, abbiamo potuto a volte costatare un aumento nelle
concentrazioni dei pigmenti generalmente associati alla frazione >5 µm (fucoxantina,
peridinina) nel corso dell’incubazione.
Nell’esperimento di settembre, con concentrazioni iniziali di clorofilla molto
basse, la mancata crescita del fitoplancton nei boccioni diluiti può essere spiegata con la
diminuita o mancata rigenerazione di nutrienti. È noto che in condizioni di oligotrofia il
circuito microbico costituisce la principale via trofica dell’ecosistema pelagico. La
diluizione del campione ha portato il livello di risorsa disponibile per il
microzooplancton al di sotto di una soglia minima e abbiamo registrato, quindi, una
diminuzione sia del comparto microzooplanctonico che di quello fitoplanctonico. Solo
nel contenitore con il 100 % di campione naturale dove la concentrazione di Chl a era
tale da poter sostenere il popolamento si è registrato una, sia pur modesta, crescita del
fito e del microzooplancton.
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3-7 luglio 2006
214
CHEMICAL CHARACTERIZATION OF DISSOLVED AND PARTICULATE
ORGANIC MATTER IN THE WATERS OF THE VENICE LAGOON
Michele GIANI1, Daniela BERTO1, Fabio SAVELLI1, Federico RAMPAZZO2,
Laura SPANO2
1
Istituto Centrale per la Ricerca scientifica e tecnologica Applicata al Mare
Brontolo - 30015 Chioggia
2
Dipartimento di Chimica Fisica, Università di Venezia - 30100 Venezia
RIASSUNTO
Caratterizzazione chimica della sostanza organica disciolta e particellata nelle acque
della laguna di Venezia
Lo studio del contributo della frazione organica disciolta e particellata, la
caratterizzazione delle frazioni umiche disciolte e l’origine della sostanza organica
particellata in differenti periodi stagionali è stato lo scopo della nostra ricerca.
Concentrazioni più elevate di carbonio organico disciolto e particellato si sono
evidenziate nella stazione di San Giuliano, mentre valori più bassi nella stazione alla
bocca lagunare del Lido. La maggior parte del carbonio era presente in forma disciolta
(79±6 %). Sia i rapporti stabili del carbonio nel particellato organico sospeso (δ13C) che
i rapporti spettroscopici delle frazioni umiche disciolte hanno evidenziano un contributo
terrestre più rilevante nelle stazioni di Fusina e Marghera.
ABSTRACT
The study of the contribution of dissolved and particulate organic, the dissolved
humic fractions and the origin of particulate organic matter in different seasonal periods
was our goal. The highest concentrations of dissolved and particulate organic carbon
were found at site influenced by urban wastewaters of Mestre while the lower values
have been observed in the lagoon inlet of Lido. The main part of the organic carbon
present in the lagoon waters is in the dissolved form (79±6 %). δ13C in the suspended
organic matter values showed a higher contribution of terrestrial organic matter at
Fusina and Marghera sites, confirmed by the spectroscopic ratios of dissolved humic
and fulvic acids.
1. INTRODUCTION
The distribution and the contribution of dissolved and particulate organic matter
in the waters of the Venice lagoon play a key role in the processes which regulate the
215
production and consumption of organic carbon in the Venice lagoon. The aim of the
present work was to determine the partitioning between dissolved and particulate
organic carbon, to quantify the dissolved carbohydrates and dissolved humic substances
and to investigate the origin of some organic fractions through the use of stable isotopes
ratios of carbon (δ13C).
The sampling were carried out in six stations, distributed in the northern and
central basins (Fig. 1) during 5 cruises, from October 2004 to October 2005. Dissolved
organic carbon (Sugimura & Suzuki, 1988), particulated organic carbon and nitrogen
(Nieuwenhiuze et al., 1994) and extraction of aquatic humic and fulvic acids (Thurman
& Malcolm, 1981) were analysed. The 13C was analyzed by Isotope Ratio Mass
Spectrometer (Delta Plus, Thermo Finnigan).
Spectrophotometric analyses of humic acids were performed on dual-beam
scanning UV/VIS spectrophotometer ATI Unicam UV2 with quartz cuvettes (1-5 cm)
and scanned from 700 to 200 nm. Absorbance ratios A272/A407 and A465/A665 were used
to differentiate origin (Fooken & Liebezeit, 2000) and the degree of condensation of the
humic substances (Schnitzer, 1971).
3. RESULTS
The highest concentrations of dissolved and particulate organic carbon were found
at the S. Giuliano site, which is influenced by freshwaters and urban wastewaters (DOC:
246±42 µmol l-1, n=5), with intermediate values at Marghera, Fusina, Palude della Rosa
and Fanerogame, whereas the lowest concentrations were found at lagoon inlet of Lido
(DOC: 150±13 µmol l-1; n=5). These concentrations at the Lido inlet are comparable
with those reported for the western Adriatic coastal waters (Pettine et al., 1998; Giani et
al., 2005). DOC concentrations in the Venice lagoon are 1.3 times higher than those
found typically in western Adriatic coastal waters (Pettine et al., 1998; Giani et al.,
2005). DCHO distribution was similar to the DOC concentrations with the highest
concentration in S. Giuliano (39.1±12.9 µmol C l-1, n=4) and the lowest in Lido
(23.4±9.8 µmol C l-1, n=4). Moreover high values of DCHO were found in Palude della
Rosa and Fanerogame sites. DCHO concentration is on average up to 3 times higher
with respect to the concentrations reported by Pettine and coworkers (2001) for the
Northern Adriatic coastal area. Low correlation of DOC and DCHO with salinity and
chlorophyll a have been found. A significant correlation (r2=0.448, p<0.05) between
DOC in seawater and DOC at the interface water and sediment (unpublished data)
suggests that a great amount of DOC could derive from resuspension of sediment. The
highest concentrations of particulate organic carbon were found at the S. Giuliano site,
which is influenced by urban wastewaters (POC: 76±11 µmol l-1, n=5), with
intermediate values at Marghera, Fusina, Palude della Rosa and Fanerogame, whereas
the lowest at lagoon inlet of Lido (POC: 35±15 µmol l-1, n=5; Fig. 1).
216
Fig. 1 – Particulate organic carbon (POC), dissolved organic carbon (DOC), dissolved carbohydrates
contributions to total organic carbon.
The concentrations found at the Lido inlet are typical for the coastal waters. The in
the supended organic matter was less enriched in 13C i.e. 13C more negative in the
Fusina and Marghera sites (-24.3±04 and -24.3±1.2, respectively) than in the other sites
(range of mean values: 22.5-23.4).
The partitioning of dissolved and particulate organic carbon in the lagoon waters
are represented in the figure 1. The concentration of the dissolved humic substances in
lagoon waters are similar and highly variables in the different seasonal periods in the
three sites ranging from 31.5±34.9 to 41.5±16.8 µmol C l-1.
Fulvic acids were found to be more abundant than humic in productive
freshwaters (Yacobi et al., 2003) with respect to the offshore seawaters. The ratio of the
217
optical density at 465 and 665 nm (E4/E6) measured in humic solutions (Schnitzer,
1971) is inversely related to degree of condensation. Theses ratios are distinctly
different for fulvic and humic acids (4.8 ± 2.5 and 3.4 ± 2.7, respectively) and point out
a terrestrial contribution and a high degree of condensation of humic fractions.
4. CONCLUSIONS
These preliminary results present the first estimates of the carbohydrates and
humic acids contribution to the dissolved organic carbon in the Lagoon of Venice. The
higher terrestrial input of organic carbon in Marghera and Fusina sediments probably
derives from the discharge of past industrial wastes. The organic matter in the Lido inlet
presents features more similar to the coastal waters than to the lagoon ones.
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3-7 luglio 2006
218
AN INDICATOR BASED METHODOLOGY FOR SAND MINING
AND BEACH NOURISHMENT
Laura GIORDANO1, Ennio MARSELLA1, Diego VICINANZA2
1
Istituto per l’Ambiente Marino Costiero, IAMC-CNR - 80100 Napoli
2
Seconda Università degli Studi di Napoli, SUN - 80100 Napoli
RIASSUNTO
Una metodologia basata su indicatori per la ricerca di sabbie da destinare al
ripascimento degli arenili
Nel presente lavoro è discussa una metodologia basata sulla definizione di
indicatori di qualità del sedimento da destinare al ripascimento artificiale delle spiagge.
La definizione dei parametri di qualità dei sedimenti non è un concetto legato al design
di un ripascimento artificiale, ma dipende da una complessa combinazione di parametri
sedimentologici, biogeochimici, ed ambientali il cui equilibrio e le cui relazioni sono
spesso difficili da definire sia per la spiaggia da ripascere che per quella in erosione.
L’approccio proposto potrebbe fornire un punto di partenza per la definizione e la
valutazione di una procedura integrata basata sull’individuazione di parametri
qualitativi nel contemporaneo rispetto dei vincoli relativi alla conservazione
dell’ambiente costiero.
ABSTRACT
An indicator based methodology is proposed to face beach nourishment issue
referring to sediment quality parameters definition. Sediment quality is not a strictly
design concept but it'
s also referred to a more complex combination of sedimentologic,
biogeochemical and environmental parameters whose equilibrium is sometimes difficult
to define at the borrow site and at the eroded beach too. This approach could give a
starting point to define and assess an integrated procedure, based on sediment quality
parameters, to design beach nourishments respecting all the constraint related to coastal
environment preservation.
1. INTRODUCTION
In the last decades, '
soft engineering'measures like beach nourishment, become
very popular as their technical advantages as their environmental sustainability. Beach
nourishment could be an important solution to prevent beach erosion and degradation
maintaining the right balance between cost and benefits to social and economic interests
219
(Cendrero et al., 1997). Recently, beach nourishments design by mean sand capture at
borrow marine sites find a great application in eroded areas of great economic value
(Vallerga, 2001).
Beach nourishment behavior can be approached considering the application of
classical shoreline response and profile evolution models (Capobianco et al., 2002).
Moreover, this kind of approach is strictly dedicated to the engineering and not to
design at the same time beach nourishment looking for a positive or negative response
of the environmental components. Recently, some European integrated projects such as
the Beachmed project for the western Mediterranean Sea have proposed a
rationalization of an innovative approach that deals with the structural aspect of coastal
erosion through a set of multidisciplinary activities. The common aim is to develop an
exchange network of the individual experiences connected to the real need to find an
agreement about the definition of common and more advanced methodologies in the
field of assessment of environmental impacts resulting from marine mines exploitation
and beach nourishment, of search of marine ores and of best-suited technologies for
dredging and nourishment (Beachmed, 2005).
For an improved/integrated design need to be considered not only the project
related parameters, but also environmental quality and suitability of resources translated
by mean the definition and evaluation of some quality indicators. This approach could
give the possibility of defining and assessing an integrated procedure, based on
sediment quality indicators, to design beach nourishments respecting all the constraint
related to coastal environment preservation (Roff et al., 2003).
2. AN INTEGRATED METHODOLOGY FOR BEACH NOURISHMENT AND
SAND MINING
A beach nourishment project is strongly related to the quantity and quality of sand
needed to reconstruct the shoreline (Giordano et al., 2006). In this context, the key
aspect is locating a borrow site of high quality material that is compatible with the
project features.
Differently from the classic approach, it'
s necessary to consider some
environmental parameters and economical indicators to evaluate the beach nourishment
response and its relapses on marine environment and littoral (Marotta et al., 2001).
Some negative effects due to incorrect beach nourishment can cause environmental
impacts for the marine environment quality. Negative impacts can change significantly
the environment and a lot of delicate balances between species, for example one of the
most frequent is the generation of strong water column turbidity related to fine sand
(lime) presence or the bottom destruction during the dredging (Giordano et al., 2004).
One of the most important factors is material availability because there are many
parameters which are involved in the assessment of material quality and also some
important aspects related to borrow site location.
The multidisciplinary approach allow us to investigate several kind of borrow site
suitability, which location could be on land or under the sea and obviously the main
220
difference between them is directly related to quality aspects of materials including
economical factors too.
Moreover, if the borrow site (e.g. river bed) it'
s near the nourishment site taking
material from the land could be suitable to reduce expensive transports, but
unfortunately in the most part of cases the coasts subjected to erosive processes have a
reduced sedimentary contribution from the rivers.
In the last years, submarine borrow sites seemed to be the best solution because
it'
s possible to find high quality material and also the adequate volume to reconstruct the
beach profile without changing the sedimentary balance of the littoral (Capobianco et
al., 2002).
Generally, the borrow site is located seaward outside the waves action depth, in
where is possible to find a very high quality material often similar to the beach one.
Using special dredging technologies, the material withdrawal could be done
reducing the impact both on fauna and in-fauna, obtaining an economically profitable
transport.
Using a submarine borrow site means that the most delicate aspect it'
s related to
the sediment searching and selection, high resolution geophysical surveys and
geological analysis are required to correctly locate the sites (Canter, 1996; Marsella et
al., 2001).
In this context, an integrated approach it’s necessary due to the analysis of a large
number of environmental components and parameters, moreover site searching requires
a multi step investigation from the large scale to the smallest of interest.
Firstly, it is necessary to acquire some general information (eg. literature data)
about the potential borrow area, after this a large scale monitoring (eg. regional scale)
can be performed carrying out a selection of the areas that can be considered potentially
a profitable borrow site.
Secondly, in those selected areas a good resolution exploration will give the basis
to perform a selection of the borrow sites where a high resolution explorative phase
could be useful to evaluate the thickness and substrate type to define the sand volume
that can be extracted from that borrow site.
The third step is to explore directly the borrow areas where are one or more sites
by means of high resolution geophysical methods such as:
- bathymetric data acquisition;
- sub-bottom profiler investigation and strata thickness evaluation;
- sidescan sonar data acquisition;
- bottom sampling to analyze chemical, physical, sedimentologic and microbiologic
properties of the sand;
- water column sampling;
- benthos chacterization by ROV or ARA direct observations.
All these data analysis give the possibility of reconstructing a real
multidisciplinary environmental dataset from which one can extract some meaningful
parameters and than the related indicators (Giordano et al., 2006).
221
3. SAND QUALITY PARAMETERS AND INDICATOR BASED METHODOLOGY
An integrated beach nourishment project is conducted by mean a procedure based
on the evaluation of some parameters that represent the state of a resource to construct a
meaningful dataset and consequently a quality threshold definition (Fig. 1). In the case
of sediment quality it’s necessary to consider some chemical, sedimentological and
microbiological parameters that could be used to evaluate the degree of sediment
compatibility (Fig. 1).
After the construction of an environmental dataset dedicated to sediment quality
definition is possible to aggregate parameters to produce one or more quality indicators
for the borrow site and for the eroded beach as follow:
- I1:physical sediment parameters (e.g. components: diameter, color, smell);
- I2:inorganic sediment contaminants (e.g. components: heavy metals);
- I3: organic sediment contaminants (e.g. components: IPA, PCB concentration);
- I4:borrow site characteristics (e.g. components: geologic strata type/thickness,
sequence stratigraphy clues).
Fig. 1 - Indicator based methodology to reach the definition of beach nourishment project features.
The selected parameters or components allow constructing robust indicators, in
fact indicators are measured quantities that show same property of a system, while a
parameter is a property that is measured or observed. An indicator provides a simplified
view of a more complex phenomenon or provides insights about a trend or event that
cannot be directly observed (Pickaver et al., 2004).
222
Generally, environmental indicators are considered tools for translating and
delivering concise, scientifically credible information in a manner that can be readily
understood.
In this specific topic, indicators set is constructed and finalized to perform an
integrated approach to define a low environmental impact beach nourishment project. In
this process, it’s necessary a so called robust indicators set.
A typical robust indicator must be synthetic, generic and normative (Canter, 1996;
Cendrero et al., 1997). Synthetic means that the indicator has to reduce the dimension of
the problem that is the number of variables actually to be dealt with.
The indicator has to be robust enough to be applicable outside its original context
that is to remain meaningful in the future as in the present and it should be applicable in
different areas and in different years that means the indicator is generic (Vandermeulen,
1998). An indicator can be said normative if it can be compared to some reference
values (Meadows, 1998; OECD, 2004). Each indicator has to be tested using a reference
test dataset to define its sensitivity and robustness respect to the single parameter
variability. An indicator is a statistic or a parameter that is over time tracked to provide
information on trends of the conditions of a certain phenomenon.
Mathematically an indicator (I) can be defined as a function of many variables:
I=f(x1,x2,..,xn)
(1)
where x1,x2,…,xn are sediment quality parameters expressed in normalized form to be
comparable.
Each parameter is computed by mean a weight that includes the relative
importance of that quality aspect mainly referred to law prescription, similar parameters
grouping and project features, as follow:
I=f(w1x1,w2x2,..,wnxn)
(2)
where w1,2,...n are the specific weight parameters.
Weight definition is a complex problem because is necessary to collect data about
those parameters that can influence beach nourishment performance significantly from a
technical quality and environmental point of view (Fig. 2).
For example, in the case of Poetto (Sardinia, Italy) beach nourishment (Fig. 3) the
sediment color seemed to be one of the heaviest parameters because of that particular
environmental context.
Consequently, it’s necessary to analyze the whole set of environmental data in
order to define statistically what are the heaviest parameters that allow to define the
indicators of sediment quality (Fig. 4). In this context, the Principal Component
Analysis (PCA) can be used to descript the complex relationships between components
and weights for each indicator to reduce the number of variables involved preserving
the global information.
Commonly, the PCA technique is applied to manage high dimension datasets
(Padmanabha et al., 2003). In this specific case the sediment quality dataset is
composed by a set of parameters developed starting from selecting a large number of
223
variables depending on the site characteristics and at the same time spatially variable.
This kind of technique helps to choose the principal components that allow describing
the dataset without loosing information. The principal component obtained performing
the PCA will be a component for the key indicator chosen to describe the borrow site
quality.
Fig. 2 - Example of weight definition for the physical indicator I1, in this case it is possible to considerate
the relative importance of each parameter.
Fig. 3 - In the case of Poetto beach nourishment (Sardegna-Italy) sediment color seemed to be one of
heaviest parameters.
224
Fig. 4 - A PCA analysis result conducted on a testing example dataset and considering three components
for the indicator I1.
After this step, a compatibility analysis could be performed comparing first the
indicator value to a defined normalized acceptability threshold to accept or reject a
borrow site (Fig. 5). The threshold could be defined for example in reference to law
prescription and/or project features. If indicators values are incomparable it'
s necessary
to normalize them before establishing the threshold value. After this phase, it'
s possible
to choose the borrow sites and compare them to beach parameters expressed obviously
again by mean the same quality indicators.
Fig. 5 - Example of borrow site selection and quality definition comparing indicators of different
categories to an acceptability threshold (At) defined in reference to law prescription.
225
The comparative analysis between sediment quality indicators can be performed
by mean of the evaluation of a correlation degree between the borrow site and the beach
indicators defined before, the classical correlation coefficient is expressed as follows:
R=
C (i, j )
C (i, j ) ⋅ C (i, j )
(3)
where C(i,j) is a generic element of the indicators covariance matrix, built thought the
evaluation of the covariance between each borrow site and beach sediment indicators.
In this way, the correlation coefficient gives the degree of likelihood between
sediment properties expressed synthetically by mean of the quality indicators set (Fig.
6).
This procedure seems to be useful to improve the classical approach especially
when is profitable a standard method to compare multiple borrow sites and beach
sediment parameters to choose the best site not only in term of likeness degree, but also
to improve environmental compatibility project expectations.
Fig. 6 - Example of indicator correlation between beach and borrow site in order to perform the
compatibility analysis.
4. CONCLUDING REMARKS
An indicator based methodology is showed with the aim of proposing a solution
to improve the classical engineering approach to beach nourishment project including
borrow site investigation and sediment quality parameters definition.
This idea represents the starting point of the proposed procedure based on quality
indicators construction and compatibility analysis to evidence the most important
environmental and quality aspects of sand resources. Each beach nourishment project
226
should be considered as a real scale experiment (Capobianco et al., 2002). Quality
indicators definition should be planned in order to support both technicians and decision
makers and to improve projects performance.
It’s necessary to collect a large environmental dataset of beach nourishment
project features and performance to start a real case study analysis that allows us to test
the proposed methodology.
Some fundamental parameters that characterize both the eroded beach and the
borrow site sediments allow us to construct some indicators by mean a theoretical
model of multiple variables. Indicators definition is performed by mean some statistical
analysis (e.g. Principal Component Analysis - PCA) that allow reducing the data
complexity and at the same time extracting the most significant parameters.
The aim of this kind of procedure is to reduce the borrow site sediment quality
parameters selection giving consequently a compact information translated efficiently
by the quality indicators.
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19,1 - 2008

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