Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/8556
Title: Benthic ecosystem functioning in coastal and shallow environments
Authors: Franzo, Annalisa
Keywords: benthic communitiesecosystem functioninganthropogenic impactmussel farm biodepositionCO2 induced pH decreasechemical contamination
Issue Date: 25-Mar-2013
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Molte attività antropiche sono localizzate lungo le coste e poggiano sui molteplici servizi offerti da questi particolari ecosistemi. Con l’aumentare della vulnerabilità e del sempre più accentuato stato di degrado di queste aree, diverse politiche ambientali sono state sviluppate con lo scopo di promuovere una gestione sostenibile delle risorse naturali, tra cui la Direttiva Quadro sulla Strategia per l’Ambiente Marino (2008/56/EC) in Europa. Le realtà economiche e sociali sono strettamente connesse tra loro e con i sistemi ecologici su cui poggiano. Per comprendere come l’uomo interagisce con l’ambiente, il modello concettuale DPSIR viene ampiamente adottato. Inoltre, sul piano strettamente ecologico, una solida conoscenza del funzionamento dell’ecosistema costiero costituisce un prerequisito fondamentale. Questa tematica complessa deriva dall’integrazione di parametri sia strutturali (caratterizzazione chimica e delle comunità biologiche) che funzionali (quali i principali processi di produzione primaria, respirazione e degradazione della sostanza organica), che nell’insieme descrivono come le varie forme di carbonio sono stoccate e come si realizza il fluire di carbonio ed energia attraverso il sistema. Lo studio del funzionamento dell’ecosistema bentonico costituisce uno strumento particolarmente utile nello sviluppare forme sostenibili di gestione ambientale dal momento che il dominio bentonico funge da deposito di ciò che avviene nella colonna d’acqua. I casi di studio presentati descrivono la parte PSI del modello concettuale DPSIR: come le Pressioni inducono cambiamenti nello Stato dell’ecosistema determinando di conseguenza alterazioni ambientali ed eventuali influenze negative sulle attività umane (Impatti). Lo scopo della tesi consiste nel contribuire a promuovere una gestione basata sull’ecosistema e sul suo funzionamento in aree costiere mediante una miglior conoscenza della sua funzionalità in presenza di specifici stress. I casi di studio vengono presentati secondo un ordine dettato dell’aumentare della complessità dell’approccio seguito: dal più semplice, caratterizzato solo da parametri strutturali, al più complesso, in cui sono stati indagati anche diversi parametri funzionali. La risposta della comunità microalgale bentonica (microfitobenthos - MPB) alle biodeposizioni derivanti dalle mitilicolture è stata studiata non solo paragonando una mitilicoltura con un controllo ma anche considerando le caratteristiche della comunità sotto ad un impianto più recente e in un’area dove l’attività è stata rimossa (Capitolo 2). Questo approccio innovativo permette di indagare l’evoluzione temporale dell’impatto e se è possibile un ripristino. Comparando le quattro aree, la comunità è caratterizzata da una maggiore proliferazione dei taxa tolleranti a condizioni di arricchimento organico sotto alle mitilicolture attive rispetto agli altri due siti. L’area dismessa, inoltre, presenta un popolamento microalgale simile a quello del controllo suggerendo la resilienza del sistema e, di conseguenza, una certa sostenibilità dell’attività di mitilicoltura. Tre comunità bentoniche sono state studiate sinotticamente in un’area costiera soggetta a stress multipli, come l’influenza del Po, la presenza di piattaforme per l’estrazione del gas e il prelievo/scarico di sedimenti (Capitolo3). Insieme alla caratterizzazione chimica, lo studio del MPB, della meiofauna e della macrofauna forniscono una descrizione dello stato dell’ecosistema bentonico in un esempio di monitoraggio che costituisce una base di dati a cui fare riferimento prima di qualsiasi intervento nell’area d’interesse. Lo studio di mesocosmo (Capitolo 4) è focalizzato sulla risposta della comunità microbica bentonica ad un abbassamento di pH dovuto alla fuoriuscita di CO2 da un suo sito di stoccaggio CCS (Carbon dioxide Capture and Storage). Costituisce un esempio di esperimento condotto in laboratorio con lo scopo di simulare eventuali scenari futuri derivanti da un intervento antropico in ambiente naturale prima della sua realizzazione. Relativamente a questo focus, sia i parametri strutturali (abbondanze picobentoniche, densità e composizione del MPB) che i funzionali relativi alla comunità microbica bentonica (attività enzimatiche, Produzione Procariotica di C e respirazione) sono stati studiati per la prima volta. I risultati suggeriscono che la comunità microbica è scarsamente sensibile anche ad un considerevole abbassamento di pH, probabilmente a causa di un effetto buffer esercitato dalla matrice sedimentaria. L’azione sinergica di idrocarburi e metalli pesanti sul funzionamento dell’ecosistema bentonico è stata studiata in un sistema fluviale-lagunare severamente contaminato (Capitolo 5). Numerosi parametri sono stati considerati e dalla loro integrazione deriva un’accurata descrizione del fluire di carbonio attraverso il sistema. I risultati relativi ai parametri microbici come le attività degradative, le produzioni primaria e secondaria e l’analisi del MPB, delineano una situazione inaspettata nel sito considerato più impattato. Il sedimento di tale stazione ospita infatti una comunità microbica bentonica estremamente attiva sia in termini di produttori primari che di procarioti volti al recupero della sostanza organica e conseguente conversione in nuova biomassa. Gli studi presentati in questa tesi non hanno la pretesa di costituire una descrizione esaustiva e completa del funzionamento dell’ecosistema bentonico, ma sottolineano l’importanza di questo approccio innovativo nel contribuire a sviluppare forme sostenibili di gestione delle risorse costiere.
Several human activities are settled along the coasts and rely on the ecosystem services provided by nature. The growing concern about the vulnerability of these areas promotes the development of environmental policies aimed at the sustainable management of the marine resources, such as the Marine Strategy Framework Directive (2008/56/CE) in Europe. Economic, societal and ecological systems are closely interlinked. For understanding how man interacts with the environment, the DPSIR conceptual model is largely adopted. Moreover, a robust knowledge on the coastal ecosystem functioning is needed as a prerequisite. This complex task derives by the integration of both structural (chemical and biological communities) and functional (processes as primary production, respiration and mineralisation) parameters which together describe the forms of carbon storage (organic and inorganic) and the flows of carbon and energy through the system. The study of the benthic ecosystem functioning is a tool particularly useful in developing sustainable management of coastal environments because the benthic domain acts as a repository of what happens in the overlying water. The four case-studies of my thesis focus on the PSI part of the DIPSIR conceptual model, i.e. on how Pressures translate into State changes which may, in turn, negatively affect the environment and the human activities (Impacts). The goal is to contribute in achieving an operational ecosystem-based management of coastal and shallow environments by improving the scientific knowledge on the functioning of shallow benthic ecosystems under specific pressures. The order of the papers is from the simplest to the most complex approach by adding the structural parameters first and then the functional ones. The response of the benthic microalgal community (microphytobenthos - MPB) to the mussel farm biodeposition has been investigated not only comparing the sediment beneath a mussel farm with a control site but also considering a relatively recent mussel farm and a disused one (Chapter 2). This innovative approach in the experimental design allows to study the temporal evolution of the mussel farming impact and the potential recovery of microphytobenthos. The community changes among the four areas with a more pronounced proliferation of those taxa that are tolerant to organic enrichment under the active mussel farms than in the other two sites. The disused farm is characterised by an assemblage similar to that of the control suggesting a resilience of the system and consequently the sustainability of this productive activity. Three benthic communities have been synoptically investigated in a shallow area subjected to multiple-stressor impacts such as the Po River influence, the presence of gas platforms, sediment dumping and sand extraction (Chapter 3). Together with some chemical parameters (Total Organic Carbon, Total Nitrogen, etc.), the synoptic study of different communities (MPB, meiofauna and macrofauna) gives a description of the state of the benthic ecosystem as an example of monitoring survey which represents the reference point for decision-makers prior to any kind of intervention. The mesocosm study (Chapter 4) focuses on the response of shallow benthic microbial communities to a decrease of pH due to the leakage of CO2 from a Carbon dioxide Capture and Storage (CCS) site. This is an example of a laboratory experiment aimed to simulate and predict the possible scenarios derived by an anthropogenic intervention in the natural environment before its actual execution. Benthic microbial structural (prokaryote abundance, MPB densities and composition) and functional parameters (exoenzymatic activities, Prokaryotic C Production and benthic respiration) have been investigated for the first time within this focus. Overall, the findings suggest a microbial community slightly sensitive to consistent pH decrease probably due to a buffer effect exerted by the sedimentary matrix. The synergistic impact of hydrocarbons and heavy metals on the benthic ecosystem functioning has been investigated in a severely contaminated Adriatic lagoon (Chapter 5). Several parameters have been considered in order to describe the overall flow of C through the system. The exoenzymatic activities, the Prokaryotic C Production, MPB composition and the Primary Production suggest an unexpected situation in the site that is considered the most impacted. The sediments at this station are inhabited by a microalgal community that is extremely active in fixing inorganic C through the Primary Production process. In addition, the occurrence of an efficient prokaryotic community in transforming the sedimentary organic C in new biomass, suggests a solid benthic microbial loop. These studies have not the pretence to describe exhaustively the benthic ecosystem functioning. Nevertheless they highlight the importance of this innovative approach in contributing to the development of a sustainable management of coastal resources.
Description: 2011/2012
URI: http://hdl.handle.net/10077/8556
NBN: urn:nbn:it:units-9961
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