Over the last 200 years, about 30% of the anthropogenic CO2 emissions in the atmosphere have been absorbed by the oceans, causing a decrease in the seawater pH of 0.1 unit that is impacting marine ecosystems and their functioning. Current climate predictions suggest that, unless mitigation measures will be pursued, these changes will continue and intensify. Evaluating the response of marine ecosystems to climate change is challenging, since research efforts should not only integrate the effects of global changes with regional disturbances, but also investigate the influence of biotic interactions occurring in multiple species assemblages at the same time. The aim of this PhD thesis is to evaluate the effects of ocean acidification on marine communities in coastal ecosystems, with a special focus on Posidonia oceanica meadows as well as on marine biofilms community. Based on the recent acknowledgement of shallow-water hydrothermal vents as analogues of future acidified oceans, three studies were conducted in the Panarea and Vulcano shallow vent systems (Aoelian Islands, Italy). The first study focused on the effects of long-term acidification on Posidonia oceanica meadows at Panarea vents. The results obtained revealed that P. oceanica meadows were highly sensitive to low pH caused by the vent emissions: at these sites, meadows were less dense and characterized by shorter shoots that experienced faster leaf turnover and less grazing pressure as a consequences of the lower epiphyte biomass on the seagrass leaves. These evidences suggest that the key ecological role played by P. oceanica as foundation species in coastal environments could be compromised in the future acidified oceans. The second study focused on the composition of marine biofilms in the context of ocean acidification. The composition of the biofilm community was investigated across time at different pCO2/pH levels at Vulcano vents. Although the response was taxa-specific, significant shifts in the overall community were observed, with some groups such as Gammaproteobacteria resulting as potential “winners” in the future high-CO2 world. In the third study, a manipulative experiment modifying predatory pressure was conducted along a pCO2/pH gradient at Vulcano vents in order to determine the possible interaction of top-down (predation) and bottom-up (ocean acidification) forces on the biochemical composition of marine biofilms. Although the patterns of different variables were not always clear due to the elevated natural variability detected in the sites, ocean acidification affected the biochemical composition of the biofilms by increasing the abundance of primary producers and enhancing the nutritional quality of the biofilms. Although top-down control was important in regulating the biofilm composition, it failed at buffering the resource effect of elevated CO2 concentrations on primary producers within the biofilms. Taken together, the outcomes of these studies showed that the response of marine communities to ocean acidification is highly variable, depending not only on the environmental conditions but also on the interaction of biotic and abiotic forces.

Nel corso degli ultimi 200 anni, circa il 30% delle emissioni antropogeniche di CO2 nell’atmosfera sono state assorbite dagli oceani, provocando un abbassamento medio dei livelli di pH oceanici pari a circa 0.1 unità. Questo fenomeno, noto come acidificazione degli oceani, sta determinando conseguenze negative sugli ecosistemi marini e sul loro funzionamento. Le attuali proiezioni climatiche suggeriscono che, in futuro, i cambiamenti climatici continueranno e si intensificheranno se non verranno adottate efficaci misure di mitigazione. Riuscire a valutare la risposta degli ecosistemi marini ai cambiamenti climatici costituisce una vera sfida per la ricerca scientifica, non solo per la difficoltà di prevedere gli effetti congiunti di cambiamenti che agiscono simultaneamente su scale differenti (globale e regionale), ma anche per la necessità di indagare gli effetti delle interazioni interspecifiche tra organismi viventi nel contesto delle modificazioni ambientali in corso. Lo scopo di questa tesi è stato quello di valutare gli effetti dell’acidificazione oceanica su comunità marine costiere, con particolare riguardo alle praterie di Posidonia oceanica e alle comunità di biofilms microbici. Considerato il recente riconoscimento dei sistemi idrotermali marini superficiali (CO2 shallow-water vents) quali analoghi di futuri oceani acidificati, sono stati condotti tre studi presso i vents di Panarea e Vulcano (Isole Eolie). Nel primo studio, sono stati indagati gli effetti a lungo termine dell’acidificazione sulle praterie formate dalla fanerogama P. oceanica. I risultati delle ricerche condotte presso l’isola di Panarea, hanno dimostrato che il posidonieto è particolarmente sensibile all’incremento di CO2 e alla riduzione di pH causato dalle emissioni di vents superficiali: le praterie vicino ai vents sono risultate meno dense e caratterizzate da fasci più corti e soggetti ad un turnover fogliare più rapido. E’ stato inoltre osservato che le foglie, generalmente di dimensioni ridotte rispetto a quelle di praterie non esposte alle emissioni idrotermali, avevano un minor numero di apici rotti, presumibilmente a causa dello scarso ricoprimento di epifiti rinvenuto sulle stesse, nei siti acidificati. In futuro, una ridotta canopy e una minore appetibilità di P. oceanica conseguentemente all’acidificazione delle acque, potrebbero determinare una compromissione del ruolo chiave ecologico svolto da questa fanerogama negli ecosistemi costieri del Mar Mediterraneo. Il secondo studio ha analizzato gli effetti dell’acidificazione oceanica su comunità di biofilms microbici marini. La composizione tassonomica della comunità è stata valutata mediante un esperimento di colonizzazione lungo gradiente di pH nella Baia di Levante (Vulcano, Isole Eolie), sito già noto nell’ambito delle ricerche di settore. La composizione della comunità è risultata caratterizzata da abbondanze di taxa batterici diverse tra i siti sperimentali, con alcuni gruppi in grado di trarre vantaggio competitivo in condizioni di basso pH. Tra questi, i Gammaproteobacteria potrebbero qualificarsi come winners nel contesto dei cambiamenti climatici. Nell’ultimo studio, realizzato anch’esso presso la Baia di Levante, è stato condotto un esperimento in cui la pressione predatoria su biofilms veniva manipolata, nel contesto ambientale di acque acidificate. Lo scopo era quello di valutare simultaneamente gli effetti di processi top-down (grazing) e bottom-up (acidificazione) sulla composizione biochimica dei biofilms microbici marini. Sebbene i patterns delle diverse variabili esaminate non siano risultati sempre lineari, a causa di una elevata variabilità naturale tipica degli ecosistemi costieri caratterizzati da vents superficiali, l’acidificazione indotta dalle emissioni ha causato un aumento nelle abbondanze dei produttori primari e/o nei loro tassi di produzione all’interno dei biofilms, ed un incremento nel profilo qualitativo-nutrizionale di questa risorsa trofica. Nonostante il controllo top-down avesse condizionato la composizione biochimica del biofilms, esso non è stato in grado di contenere l’ effetto risorsa delle elevate concentrazioni di CO2 sui produttori primari dei biofilms. Alla luce dei risultati ottenuti dalle tre indagini condotte nell’ambito di questa tesi, appare chiaro che la risposta delle comunità marine all’acidificazione oceanica è altamente variabile, dipendendo non solo dai mutamenti ambientali ma anche dalle interazioni tra fattori biotici e abiotici.

Response of seagrasses and marine biofilms to natural acidification at CO2 vents.

Response of seagrasses and marine biofilms to natural acidification at CO2 vents

Sciutteri, Valentina

Abstract

Over the last 200 years, about 30% of the anthropogenic CO2 emissions in the atmosphere have been absorbed by the oceans, causing a decrease in the seawater pH of 0.1 unit that is impacting marine ecosystems and their functioning. Current climate predictions suggest that, unless mitigation measures will be pursued, these changes will continue and intensify. Evaluating the response of marine ecosystems to climate change is challenging, since research efforts should not only integrate the effects of global changes with regional disturbances, but also investigate the influence of biotic interactions occurring in multiple species assemblages at the same time. The aim of this PhD thesis is to evaluate the effects of ocean acidification on marine communities in coastal ecosystems, with a special focus on Posidonia oceanica meadows as well as on marine biofilms community. Based on the recent acknowledgement of shallow-water hydrothermal vents as analogues of future acidified oceans, three studies were conducted in the Panarea and Vulcano shallow vent systems (Aoelian Islands, Italy). The first study focused on the effects of long-term acidification on Posidonia oceanica meadows at Panarea vents. The results obtained revealed that P. oceanica meadows were highly sensitive to low pH caused by the vent emissions: at these sites, meadows were less dense and characterized by shorter shoots that experienced faster leaf turnover and less grazing pressure as a consequences of the lower epiphyte biomass on the seagrass leaves. These evidences suggest that the key ecological role played by P. oceanica as foundation species in coastal environments could be compromised in the future acidified oceans. The second study focused on the composition of marine biofilms in the context of ocean acidification. The composition of the biofilm community was investigated across time at different pCO2/pH levels at Vulcano vents. Although the response was taxa-specific, significant shifts in the overall community were observed, with some groups such as Gammaproteobacteria resulting as potential “winners” in the future high-CO2 world. In the third study, a manipulative experiment modifying predatory pressure was conducted along a pCO2/pH gradient at Vulcano vents in order to determine the possible interaction of top-down (predation) and bottom-up (ocean acidification) forces on the biochemical composition of marine biofilms. Although the patterns of different variables were not always clear due to the elevated natural variability detected in the sites, ocean acidification affected the biochemical composition of the biofilms by increasing the abundance of primary producers and enhancing the nutritional quality of the biofilms. Although top-down control was important in regulating the biofilm composition, it failed at buffering the resource effect of elevated CO2 concentrations on primary producers within the biofilms. Taken together, the outcomes of these studies showed that the response of marine communities to ocean acidification is highly variable, depending not only on the environmental conditions but also on the interaction of biotic and abiotic forces.
Nel corso degli ultimi 200 anni, circa il 30% delle emissioni antropogeniche di CO2 nell’atmosfera sono state assorbite dagli oceani, provocando un abbassamento medio dei livelli di pH oceanici pari a circa 0.1 unità. Questo fenomeno, noto come acidificazione degli oceani, sta determinando conseguenze negative sugli ecosistemi marini e sul loro funzionamento. Le attuali proiezioni climatiche suggeriscono che, in futuro, i cambiamenti climatici continueranno e si intensificheranno se non verranno adottate efficaci misure di mitigazione. Riuscire a valutare la risposta degli ecosistemi marini ai cambiamenti climatici costituisce una vera sfida per la ricerca scientifica, non solo per la difficoltà di prevedere gli effetti congiunti di cambiamenti che agiscono simultaneamente su scale differenti (globale e regionale), ma anche per la necessità di indagare gli effetti delle interazioni interspecifiche tra organismi viventi nel contesto delle modificazioni ambientali in corso. Lo scopo di questa tesi è stato quello di valutare gli effetti dell’acidificazione oceanica su comunità marine costiere, con particolare riguardo alle praterie di Posidonia oceanica e alle comunità di biofilms microbici. Considerato il recente riconoscimento dei sistemi idrotermali marini superficiali (CO2 shallow-water vents) quali analoghi di futuri oceani acidificati, sono stati condotti tre studi presso i vents di Panarea e Vulcano (Isole Eolie). Nel primo studio, sono stati indagati gli effetti a lungo termine dell’acidificazione sulle praterie formate dalla fanerogama P. oceanica. I risultati delle ricerche condotte presso l’isola di Panarea, hanno dimostrato che il posidonieto è particolarmente sensibile all’incremento di CO2 e alla riduzione di pH causato dalle emissioni di vents superficiali: le praterie vicino ai vents sono risultate meno dense e caratterizzate da fasci più corti e soggetti ad un turnover fogliare più rapido. E’ stato inoltre osservato che le foglie, generalmente di dimensioni ridotte rispetto a quelle di praterie non esposte alle emissioni idrotermali, avevano un minor numero di apici rotti, presumibilmente a causa dello scarso ricoprimento di epifiti rinvenuto sulle stesse, nei siti acidificati. In futuro, una ridotta canopy e una minore appetibilità di P. oceanica conseguentemente all’acidificazione delle acque, potrebbero determinare una compromissione del ruolo chiave ecologico svolto da questa fanerogama negli ecosistemi costieri del Mar Mediterraneo. Il secondo studio ha analizzato gli effetti dell’acidificazione oceanica su comunità di biofilms microbici marini. La composizione tassonomica della comunità è stata valutata mediante un esperimento di colonizzazione lungo gradiente di pH nella Baia di Levante (Vulcano, Isole Eolie), sito già noto nell’ambito delle ricerche di settore. La composizione della comunità è risultata caratterizzata da abbondanze di taxa batterici diverse tra i siti sperimentali, con alcuni gruppi in grado di trarre vantaggio competitivo in condizioni di basso pH. Tra questi, i Gammaproteobacteria potrebbero qualificarsi come winners nel contesto dei cambiamenti climatici. Nell’ultimo studio, realizzato anch’esso presso la Baia di Levante, è stato condotto un esperimento in cui la pressione predatoria su biofilms veniva manipolata, nel contesto ambientale di acque acidificate. Lo scopo era quello di valutare simultaneamente gli effetti di processi top-down (grazing) e bottom-up (acidificazione) sulla composizione biochimica dei biofilms microbici marini. Sebbene i patterns delle diverse variabili esaminate non siano risultati sempre lineari, a causa di una elevata variabilità naturale tipica degli ecosistemi costieri caratterizzati da vents superficiali, l’acidificazione indotta dalle emissioni ha causato un aumento nelle abbondanze dei produttori primari e/o nei loro tassi di produzione all’interno dei biofilms, ed un incremento nel profilo qualitativo-nutrizionale di questa risorsa trofica. Nonostante il controllo top-down avesse condizionato la composizione biochimica del biofilms, esso non è stato in grado di contenere l’ effetto risorsa delle elevate concentrazioni di CO2 sui produttori primari dei biofilms. Alla luce dei risultati ottenuti dalle tre indagini condotte nell’ambito di questa tesi, appare chiaro che la risposta delle comunità marine all’acidificazione oceanica è altamente variabile, dipendendo non solo dai mutamenti ambientali ma anche dalle interazioni tra fattori biotici e abiotici.
ocean acidification, marine biofilms, seagrasses, top-down, bottom-up
Response of seagrasses and marine biofilms to natural acidification at CO2 vents.
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Descrizione: tesi di dottorato
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10447/338693
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