Fattori inerenti allo sviluppo delle fioriture di cianobatteri tossici con particolare riferimento all'eutrofizzazione e ai cambiamenti climatici

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1 Convegno: Presentazione delle nuove Linee Guida per la Gestione delle Fioriture di Cianobatteri nelle Acque di Balneazione - Istituto Superiore di Sanità, Roma, 21 aprile 2015 Fattori inerenti allo sviluppo delle fioriture di cianobatteri tossici con particolare riferimento all'eutrofizzazione e ai cambiamenti climatici Nico Salmaso Istituto Agrario di S. Michele all'adige (TN) - Fondazione E. Mach (Italy) nico.salmaso@fmach.it Fioritura di Dolichospermum lemmermannii nel Lago Garda, 7 Ottobre

2 A) Localizzazione delle popolazioni cianobatteriche, e tipologie di fioriture in relazione alle diverse strategie ecologiche B) Fattori che favoriscono lo sviluppo dei cianobatteri: eutrofizzazione e cambiamenti climatici C) Sviluppo di ceppi tossici: stato dell'arte e necessità di un approccio standardizzato per l'identificazione dei cianobatteri produttori di cianotossine 2

3 A) Fioriture cianobatteriche Relativamente poche specie di cianobatteri hanno la capacità di formare fioriture: 1) Generi con aerotopi, in strutture coloniali (Microcystis, Woronichinia, Gloeotrichia) 2) Generi filamentosi con aerotopi che si aggregano in gruppi di filamenti (Dolychospermum, Anabaenopsis, Aphanizomenon) 3) Altri generi gas-vacuolati, ma con filamenti solitari (Planktothrix, Limnothrix, alcuni Dolychospermum e Cylindrospermopsis) 3

4 A) Fioriture cianobatteriche Il termine "fioriture" è utilizzato in un'accezione molto ampia, includendo: la formazione di schiume superficiali (1, 2, 7) lo sviluppo di elevate concentrazioni di cianobatteri nell'intera colonna d'acqua (3, 5, 6) lo sviluppo di elevate concentrazioni di cianobatteri a profondità discrete (4) \ Dolichospermum lemmermannii (estate) 4 Dolichospermum lemmermannii (estate) 26 September 2011 Planktothrix rubescens Planktothrix rubescens Planktothrix rubescens (estate, transetto sull'asse del lago) (autunno) (autunno) 4

5 A) Fioriture cianobatteriche Fattori ambientali che favoriscono lo sviluppo stagionale di due specie caratterizzate da differenti strategie adattative 1) Dolichospermum lemmermannii H A V PCA Axis 2 Ciclo stagionale di D. lemmermannii 5 mm3/m3 D. Lemmermannii biovolume Fattori di innesco delle fioriture di D. lemmermannii 1. Presenza di una popolazione preesistente nella colonna d acqua, e formazione di vacuoli gassosi nelle cellule vegetative 2. Diminuzione della turbolenza e aumento della stabilità dello strato superficiale (primi 2-3 m della colonna d acqua, con formazione di un metalimnio superficiale) 3. Condizioni meteorologiche favorevoli, e velocità di vento < 2-3 m s -1 PCA Axis 1 Tolleranza verso: Basse [ nutrienti ] Basse [ CO2 ] Favorita da: Alte temperature Stabilità termica 5

6 A) Fioriture cianobatteriche Fattori ambientali che favoriscono lo sviluppo stagionale di due specie cianobatteriche caratterizzate da differenti strategie adattative 2) Planktothrix rubescens Profondità strato mescolato Profondità zona eufotica Lago di Ledro Boscaini et al., 2013 Biovolume (clorofilla P. rubescens) Fattori favorevoli allo sviluppo di Planktothrix rubescens 1. Presenza di un metalimnio debolmente illuminato. La fotosintesi netta è possibile con valori di intensità luminosa fino a 3-4 µmol m 2 s Nel metalimnio, Planktothrix può sfruttare le maggiori concentrazioni di nutrienti disponibili rispetto agli strati superficiali. 3. Lo sviluppo è possibile solo in ambienti caratterizzati da livelli di eutrofizzazione medio-bassi o moderati, in grado di garantire una sufficiente illuminazione degli strati profondi 6

7 B) Eutrofizzazione e cambiamenti climatici Effetti dell'eutrofizzazione sullo sviluppo dei cianobatteri 91 laghi della zona temperata 850 laghi europei Chrysophyceae Pennales Watson, S.B. et al. (1997). Limnol. Oceanogr. 42: Deep lakes Shallow lakes 35 laghi della zona temperata e sub-tropicale Cyanobacteria TP summer (µg l -1 ) Jeppesen, E. et al. (2005). Fresh. Biol. 50: Chlorophyll-a (µg l -1 ) Ptacnik, R. et al. (2008). Aquat. Ecol. 42:

8 B) Eutrofizzazione e cambiamenti climatici Effetti dell'eutrofizzazione sullo sviluppo dei cianobatteri Questi valori sono del tutto coerenti con i modelli generali cianobatteri/tp descritti per laghi della zona temperata, che mostrano l'inizio di un deciso aumento del contributo dei cianobatteri con concentrazioni di TP > µg L -1. 8

9 B) Eutrofizzazione e cambiamenti climatici Implicazioni del riscaldamento climatico: effetti della temperatura sui cianobatteri cloroficee cianobatteri Con il riscaldamento climatico, il vantaggio competitivo dei cianobatteri non è dovuto esclusivamente a effetti diretti della temperatura sulle velocità di replicazione. Il vantaggio è soprattutto dovuto a: Aumento della stabilità fisica della colonna d acqua e diminuzione dei moti turbolenti Estensione del periodo di stratificazione termica cloroficee cianobatteri 9

10 B) Eutrofizzazione e cambiamenti climatici Implicazioni del riscaldamento climatico: effetti della temperatura sui cianobatteri Il cambiamento climatico è ritenuto un fattore essenziale nella colonizzazione e invasione delle Nostocales dalle regioni tropicali e sub-tropicali alle regioni temperate Sukenik et al., 2012 In questo constesto, lo sviluppo, dalla fine degli anni 80, di Dolichospermum lemmermannii nei laghi profondi sudalpini è una singolare colonizzazione da nord a sud. In entrambi i casi, le colonizzazioni potrebbero essere indipendenti dallo stato trofico dei laghi: sviluppo di «fioriture oligotrofiche» di D. lemmermannii nei laghi profondi sudalpini 10

11 B) Eutrofizzazione e cambiamenti climatici Effetti dello sviluppo dei cianobatteri sugli ecosistemi acquatici Sukenik, Quesada & Salmaso, 2015 Biodivers Conserv DOI /s

12 C) Ceppi produttori di cianotossine Problematiche legate all identificazione di produttori di cianotossine in campioni ambientali Valori medi estivi Microcistine µg/l Anatossina-a µg/l Garda Iseo Como Lugano Maggiore Cerasino & Salmaso, 2012 Shams et al., 2015 Salmaso et al., 2013,

13 Control (+) Control (-) Istituto Superiore di Sanità 21 aprile 2015 Convegno cianobatteri Le caratteristiche tassonomiche e metabolomiche di Tychonema bourrellyi sono state analizzate con un approccio multidisciplinare e polifasico C) Ceppi produttori di cianotossine Ceppi europei 1-12: ceppi di Tychonema bourrellyi; amplicon: anac Lago di Garda Geni dell anatossina-a (anac e anaf) presenti Geni codificanti MCs mcy assenti 16S rrna In media 0.2 pg ATX-a/cellula 13

14 C) Ceppi produttori di cianotossine I risultati di questo studio e di altri recentemente pubblicati sottolineano che: il numero di produttori di cianotossine è probabilmente molto sottostimato l identificazione dei produttori di cianotossine deve essere basata sull isolamento di ceppi e sulla loro identificazione con un approccio polifasico (tassonomia tradizionale, genetica e analisi filogenetiche) Campionamento Isolamento singoli individui Coltura Caratterizzazione con approcci polifasici e profiling metabolico 14

15 Diverse specie cianobatteriche sono caratterizzate da strategie di sviluppo differenti differenti tipologie di fioriture Lo sviluppo è favorito dall aumento delle concentrazioni di nutrienti Il riscaldamento climatico sembra stia favorendo soprattutto l espansione delle Nostocales Il numero di produttori di cianotossine è probabilmente molto sottostimato Le attribuzioni di «specie tossica» basate sull analisi di campioni ambientali devono essere confermate sulla base di analisi effettuate su ceppi isolati 15