BIOMASSA FOGLIARE ED EPIFITA IN UNA PRATERIA DI POSIDONIA OCEANICA (PRELO, MAR LIGURE): POSSIBILITÀ DI DETERMINAZIONE TRAMITE UN METODO INDIRETTO

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1 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 BIOMASSA FOGLIARE ED EPIFITA IN UNA PRATERIA DI POSIDONIA OCEANICA (PRELO, MAR LIGURE): POSSIBILITÀ DI DETERMINAZIONE TRAMITE UN METODO INDIRETTO Elisa GIOVANNETTI, Monica MONTEFALCONE, Carla MORRI, Carlo Nike BIANCHI, Giancarlo ALBERTELLI Dipartimento per lo studio del Territorio e delle sue Risorse Università degli studi di Genova, Corso Europa, Genova ABSTRACT Leaf and epiphyte biomass in a Posidonia oceanica meadow (Prelo, Ligurian Sea): an indirect method for their estimation The temporal and bathymetric variability of leaf surface, epiphyte cover, leaf and epiphyte biomass in the Posidonia oceanica (L.) Delile meadow of Prelo Cove (Ligurian Sea) was analysed. This study showed significant correlation between leaf biomass and surface and between epiphyte biomass and cover. These correlations allowed to estimate indirectly both the leaf and the epiphyte biomasses starting from the leaf surface and the epiphyte cover respectively. Further analyses are required in order to assess the suitability of this method for different meadows or other geographical and environmental situations. RIASSUNTO Nella prateria di Posidonia oceanica (L.) Delile del seno di Prelo (Mar Ligure) è stata studiata la variabilità temporale e batimetrica di superficie fogliare, ricoprimento epifita, biomassa fogliare e biomassa epifita delle foglie. È stata trovata una correlazione significativa tra superficie fogliare e biomassa delle foglie e tra ricoprimento epifita delle foglie e biomassa degli epifiti. Questo risultato permette quindi di determinare indirettamente la biomassa fogliare ed epifita a partire, rispettivamente, dalla superficie fogliare e dal ricoprimento epifita. Ulteriori analisi sono necessarie per verificare l adattabilità del metodo ad altre praterie ed in altre situazioni geografiche ed ambientali. 1. INTRODUZIONE Le praterie di Posidonia oceanica rappresentano uno degli ecosistemi più produttivi del Mediterraneo (Boudouresque et al., 2006). Gli elevati valori di biomassa 229

2 registrati nelle praterie di P. oceanica non sono dovuti solo alla pianta ma anche alla comunità epifita che si sviluppa su di essa (Mazzella et al., 1992). Lo scopo di questo lavoro è analizzare la variabilità temporale di biomassa fogliare e di biomassa epifita delle foglie ed individuare una correlazione sia con la superficie fogliare sia con il ricoprimento epifita. 2. MATERIALI E METODI Lo studio è stato condotto nella prateria di Posidonia oceanica del seno di Prelo (Genova, Mar Ligure), situata in prossimità dell Area Marina Protetta di Portofino (Fig. 1). La prateria presenta nel complesso un discreto stato di salute (Peirano et al., 2005) nonostante pregressi fenomeni regressivi e la persistenza di impatti antropici legati soprattutto agli ancoraggi (Montefalcone et al., 2006a). Da settembre 2002 ad agosto 2004, sono stati campionati mensilmente 10 fasci fogliari in tre stazioni situate a diverse profondità (4 m, 9 m, 14 m). Per ogni fascio è stata calcolata la superficie fogliare ed è stato determinato il ricoprimento epifita vegetale ed animale su entrambe le lamine fogliari. Per quanto riguarda le specie erette è stata valutata l area corrispondente alla loro proiezione sul piano fogliare (Montefalcone et al., 2006b). In seguito gli epifiti sono stati separati tramite grattaggio dalla lamina fogliare e sia le foglie sia gli epifiti sono stati essiccati separatamente in stufa ad una temperatura di 80 C per 48 ore. I dati di ricoprimento e biomassa degli epifiti sono stati elaborati considerando il valore medio delle due lamine fogliari. Fig. 1 - Area di studio. 3. RISULTATI E DISCUSSIONE Tutti i parametri considerati (superficie fogliare, ricoprimento epifita, biomassa fogliare, biomassa epifita) presentano una variabilità stagionale, con valori massimi in primavera-estate e minimi in autunno-inverno (Fig. 2). In tutte e tre le stazioni, nei due anni di campionamento, i valori massimi sono stati registrati in mesi differenti. 230

3 Nonostante questo, i valori massimi non presentano differenze significative tra i due anni di campionamento per nessuno dei parametri considerati. Fig. 2 - Superficie fogliare (cm 2 fascio -1 ) (a), ricoprimento epifita (cm 2 fascio -1 ) (b), biomassa fogliare (g PS fascio -1 ) (c) e biomassa epifita (g PS fascio -1 ) (d) nelle tre stazioni (4 m, 9 m, 14 m) durante i due anni di campionamento (Settembre Agosto 2004; Luglio 2003 e Dicembre 2003: dati mancanti). 231

4 Tutti i parametri presentano uno sfasamento temporale tra le stazioni con un ritardo nel raggiungimento dei valori massimi nella stazione profonda. La comunità epifita risulta essere costituita principalmente dalle alghe calcaree Hydrolithon- Pneophyllum spp e dal briozoo Electra posidoniae. È emersa una correlazione lineare significativa sia tra la superficie fogliare (SF) e la biomassa fogliare (BF) (1), sia tra il ricoprimento epifita (RE) e la biomassa epifita (BE) (2). BF (g PS fascio -1 ) = 0,0040 SF (cm 2 fascio -1 ) (1) r=0,9264 p<0,005 BE (g PS fascio -1 ) = 0,0010 RE (cm 2 fascio -1 ) (2) r=0,8557 p<0, CONCLUSIONI I parametri analizzati presentano un andamento stagionale concorde con la letteratura (Mazzella & Ott, 1984). Tutti i parametri mostrano, nei due anni di campionamento, un andamento analogo anche se i valori massimi sono registrati in mesi differenti a causa delle diverse condizioni climatiche annuali. La biomassa fogliare presenta un andamento simile alla superficie fogliare: ciò ha permesso di individuare una relazione tra i due parametri che risulta simile a quella individuata da Panayotidis e Simboura (1989). Anche la biomassa ed il ricoprimento degli epifiti presentano un andamento simile nei due anni di campionamento. Questo legame viene confermato dall elevata correlazione tra le variabili. L elevata significatività delle correlazioni permette quindi di utilizzare le equazioni delle due rette di regressione per calcolare indirettamente la biomassa fogliare ed epifita a partire dai dati di superficie fogliare e di ricoprimento epifita, riducendo le analisi di laboratorio necessarie e raggiungendo un buon equilibrio tra errore e tempo guadagnato. Ciò è particolarmente utile nei casi di monitoraggio a lungo termine. Inoltre la buona concordanza con i risultati ottenuti da Panayotidis e Simboura (1989) in Mar Egeo per quanto riguarda la relazione tra superficie e biomassa fogliare suggerisce che tale relazione possa avere valore generale. La relazione tra biomassa e ricoprimento degli epifiti, esplorata per la prima volta in questo studio, richiede invece ulteriori analisi per verificare l adattabilità ad altre praterie e ad altre situazioni geografiche ed ambientali. Prado et al. (2007), infatti, hanno evidenziato che la composizione quali-quantitativa della comunità epifita è fortemente influenzata da cambiamenti ambientali, anche nel breve termine. 232

5 BIBLIOGRAFIA Boudouresque C.F., Bernard G., Bonhomme P., Charbonnel E., Diviacco G., Meinesz A., Pergent G., Pergent-Martini C., Ruitton S. & Tunesi L Préservation et conservation des herbiers à Posidonia oceanica. RaMoGe: 202 pp. Mazzella L. & Ott J.A Seasonal changes in some features of Posidonia oceanica (L.) Delile leaves and epiphytes at different depths. In: Boudouresque C.F., Jeudy de Grissac A. & Olivier J. (Eds), International Workshop on Posidonia oceanica beds, GIS Posidonie, 1: Mazzella L., Buia M.C., Gambi M.C., Lorenti M., Russo G.F., Scipione M.B. & Zupo V Plant-animal trophic relationships in the Posidonia oceanica ecosystem of the Mediterranean Sea: a review. In: John D.M., Hawskins S.J. & Price J.H. (Eds), Plant-animal interactions in the marine benthos. 46: Montefalcone M., Giovannetti E., Bianchi C.N., Morri C. & Albertelli G. 2006b. Variazione temporale del ricoprimento epifita sulle due facce delle lamine fogliari di Posidonia oceanica. Biol. Mar. Medit., 13(1): Montefalcone M., Lasagna R., Bianchi C.N., Morri C. & Albertelli G. 2006a. Anchoring damage on Posidonia oceanica meadow cover: a case study in Prelo cove (Ligurian Sea, NW Mediterranean). Chem. Ecol., 22 (Suppl. 1): Panayotidis P. & Simboura N Distribution and phenology of Posidonia oceanica in Saronikos Gulf (Aegean Sea, Greece). In: Boudouresque C.F., Meinesz A. & Fresi E. (Eds), International Workshop on Posidonia oceanica beds, GIS Posidonie, 2: Peirano A., Damasso V., Montefalcone M., Morri C. & Bianchi C.N Effects of climate, invasive species and anthropogenic impacts on the growth of the seagrass Posidonia oceanica (L.) Delile in Liguria (NW Mediterranean Sea). Mar. Pollut. Bull., 50: Prado P., Alcoverro T., Martínez-Crego B., Vergés A., Pérez M. & Romero J Macrograzers strongly influence patterns of epiphytic assemblages in seagrass meadows. J. Exp. Mar. Biol. Ecol., 350: Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

6 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 CARATTERSITICHE OCEANOGRAFICHE DELL AREA DI ALIMENTAZIONE INVERNALE DELLA BALENOTTERA COMUNE (BALAENOPTERA PHYSALUS) NEL CANALE DI SICILIA Michela GIUSTI, Simone CANESE, Eva SALVATI, Andrea CARDINALI, Silvestro GRECO Istituto Centrale per la Ricerca scientifica e tecnologica Applicata al Mare (ICRAM), Via di Casalotti Roma ABSTRACT Oceanographic features of the fin whale (Balaenoptera physalus) winter feeding ground in the Sicily Channel Fin whale (Balaenoptera physalus) is the only misticete regularly presents in the Mediterranean Sea, with an estimated population of 3500 individuals, genetically isolated from those of the Atlantic Ocean. During the oceanographic survey, carried out between 16 th and 29 th February 2004, 17 CTD (Conductivity, Temperature, Depth recorder- SEA-BIRD ELECTRONICS) stations were sampled. In 8 of these stations water samples for nutrients analysis were also collected. The network of hydrological stations around Lampedusa Island covered an area of 1800 km².the Temperature- Salinity (T-S) diagrams and CTD (Conductivity, Temperature, Depth recorder- SEA- BIRD ELECTRONICS) profiles analysis in the deeper stations (about 250 m), revealed that in the study area, at the end of February, there were two different bodies of water with an intermediate layer characterized by a sudden increase of salinity towards the bottom. The spatial distribution analysis of fin whales and the analysis of the water column physical characteristics in the study area, also pointed out the presence, in this period, of an upwelling zone South of Lampedusa Island. The upwelling could be able to sustain the presence of an high abundance of the little Euphausiid Nyctiphanes couchi, the principal prey of fin whales in this area during this period (Canese et al., 2005). In relation to the recently confirmed presence of a winter feeding ground for this species in the waters surrounding Lampedusa Island (Canese et al., 2006), in this paper we define the oceanographic features of the area considering the period of the year in which fin whales are near the Island. RIASSUNTO La balenottera comune (Balaenoptera physalus) è l unico misticete regolarmente presente in Mar Mediterraneo, con una popolazione stimata di circa 3500 esemplari, geneticamente isolati da quelli dell Oceano Atlantico. Durante la campagna oceanografica svolta nel periodo febbraio 2004, sono state effettuare 17 stazioni 235

7 con una sonda multiparametrica (CTD- Conductivity, Temperature, Depth recorder- SEA-BIRD ELECTRONICS). In 8 di queste stazioni, sono stati raccolti anche dei campioni per l analisi dei nutrienti. La rete di stazioni idrologiche intorno all Isola di Lampedusa ha coperto un area di circa 1800 km². L analisi dei grafici Temperatura- Salinità (T-S) e dei profili del CTD nelle stazioni più profonde effettuate (circa 250 metri di profondità ciascuna), ha confermato che nell area di studio, alla fine di febbraio, erano presenti due diverse masse d acqua con uno strato intermedio dove si riscontrava un repentino aumento della salinità andando verso il fondo. L analisi della distribuzione spaziale delle balenottere e della variazione delle proprietà fisiche della colonna d acqua nell area di studio ha inoltre evidenziato la presenza, in quel periodo, di una zona di risalita di acque profonde ricche di nutrienti (upwelling) a sud dell Isola di Lampedusa in grado di sostenere la presenza di una grande densità del piccolo eufausiaceo Nyctiphanes couchi, preda principale delle balenottere in quest area in questo periodo (Canese et al., 2005). In relazione alla recente conferma dell esistenza di una zona di alimentazione invernale per questa specie nelle acque intorno all Isola di Lampedusa (Canese et al., 2006), in questo lavoro se ne definiscono le condizioni oceanografiche prendendo in considerazione il periodo dell anno in cui le balenottere si avvicinano all isola. 1. INTRODUZIONE Il canale di Sicilia costituisce l unica connessione tra il bacino orientale e quello occidentale del Mar Mediterraneo. Le sue acque sono costituite principalmente da due masse che hanno origine, direzione e caratteristiche diverse: l acqua atlantica modificata (MAW), che si muove in direzione est nello strato superiore e l acqua levantina intermedia (LIW) che si muove verso ovest ed esce dal bacino a circa metri di profondità (Lermusiaux et al., 2001). La dinamica che controlla i trasporti nel canale è molto complessa a causa della particolare topografia del fondo. Il canale di Sicilia ha, infatti, una forma trapezoidale. Il lato ovest (largo 150 km) ha una profondità media di circa 200 metri. Qui, solamente due strette piattaforme sottomarine raggiungono la profondità di 430 m e 365 m. Il lato est è più largo e si estende per più di 500 km con una profondità media di 200 m. Uniche eccezioni, una piattaforma sottomarina tra il banco di Medina e l isola di Malta (piattaforma est, 560 m) e il largo passaggio tra il banco di Medina e la piattaforma continentale tunisina (passaggio sud, m). La parte interna del canale è caratterizzata dalla presenza di due profonde fosse, una a nord-ovest di Malta (più di 1700 metri di profondità) e l altra a est dell Isola di Linosa (più di 1500 metri di profondità; Lermusiaux et al., 2001). Nel febbraio del 2004 è stata organizzata dall ICRAM una campagna di ricerca nelle acque intorno a Lampedusa (Fig. 1) per verifica e documentare la presenza delle balenottere comuni (Balaenoptera physalus) nell area (Canese et al., 2006). Nel corso di questa campagna è stata, inoltre, messa in evidenza la presenza, in quel periodo, di una zona di risalita di acque profonde ricche di nutrienti (upwelling) a sud dell Isola di Lampedusa in grado di sostenere la presenza di grandi densità di Nyctiphanes couchi, preda principale delle balenottere comuni in questa zona, in questo 236

8 periodo dell anno (Canese et al., 2005). Tale campagna ha avuto, quindi, lo scopo di caratterizzare dal punto di vista oceanografico questa area del Canale di Sicilia risultata essere di particolare importanza per l alimentazione delle balenottere comuni nel Mar Mediterraneo... Fig. 1 - Area di studio. 2. MATERIALI E METODI I dati oceanografici sono stati raccolti nel corso della campagna oceanografica ICRAM che si è svolta dal 16 al 29 febbraio 2004, a bordo della nave da ricerca Coopernaut equipaggiata di una rosetta con sonda multiparametrica (CTD - Coductivity, Temperature, Depth recorder della SEA-BIRD ELECTRONICS), SBE 911 plus e bottiglie Niskin per la raccolta di campioni di acqua. Il CTD era inoltre connesso a un PC di bordo ed era configurato per visualizzare i profili delle caratteristiche della colonna d acqua in tempo reale; in questo modo era possibile vedere sullo schermo le caratteristiche della colonna d acqua mentre la struttura era in fase di discesa e decidere dove chiudere le Niskin durante la risalita. In generale, per ogni cast, le bottiglie sono state chiuse a 5 diverse profondità corrispondenti a: massima profondità raggiunta dalla struttura, minimo valore di ossigeno, massimo valore di clorofilla, massimo valore di ossigeno e superficie. Nel corso della campagna sono state campionate 17 stazioni distanziate tra loro 10 miglia nautiche, lungo 15 transetti, per ottenere dati sulla concentrazione di ossigeno, fluorescenza e altre informazioni relative alla colonna d acqua. In 8 di queste stazioni, lungo 6 transetti, sono stati raccolti anche campioni per l analisi dei nutrienti. Per fare questo sono stati prelevati, da ogni Niskin, 500 ml di acqua che venivano filtrati su una membrana di vetro, messi in bottiglie in PE da 250 ml e congelati a -20 C per essere conservati fino al momento dell analisi in laboratorio. 237

9 La rete di stazioni idrologiche attorno all Isola di Lampedusa ha permesso di coprire un area di circa 1800 km². Per analizzare i dati raccolti con il CTD abbiamo costruito per ogni singola stazione, utilizzando il software Surfer 8 (Golden Software Inc.), i rispettivi grafici temperatura-salinità (diagrammi T-S) mettendo sull asse delle y la temperatura ( C) e sull asse delle x la salinità (PSU), visualizzando nel grafico le linee con valori di densità uguale (σtheta) (Fig. 2). Tali parametri rappresentano le grandezze che in oceanografia permettono di distinguere tra loro le masse d acqua. Questo tipo di grafico è utile, quindi, per studiare le caratteristiche della colonna d acqua (Mameyev, 1975), permettendo di caratterizzare le diverse masse d acqua presenti. Cambiamenti nella forma della curva possono indicare rimescolamento tra diverse masse d acqua. I profili del CTD effettuati lungo i transetti sono stati visualizzati sempre con il software Surfer 8 permettendoci di studiare le variazioni e le distribuzioni spaziali dei parametri fisici che caratterizzavano la colonna d acqua. I campioni di acqua prelevati dalle Niskin sono stati analizzati in laboratorio per determinare la concentrazione (m l -1 ) di nitrati (NO 3 ), nitriti (NO 2 ), ammoniaca (NH4), silicati (SiO 2 ), fosfati (PO 4 ), azoto totale (Ntot) e fosforo totale (Ptot). I risultati sono stati visualizzati con Surfer 8 per studiarne la variazione e la distribuzione nell area di studio. Fig. 2 - Grafico T-S. 3. RISULTATI E DISCUSSIONE L analisi dei grafici T-S e dei profili del CTD nelle stazioni più profonde effettuate (circa 250 metri), ha confermato che nell area di studio, alla fine di febbraio, erano presenti due diverse masse d acqua con uno strato intermedio dove si riscontrava un repentino aumento della salinità andando verso il fondo. Le masse d acqua sono state caratterizzate in base alla temperatura (T), alla salinità (S) e alla densità (σtheta) (Fig. 2). La prima massa d acqua si trovava ad una profondità compresa tra 0 e 100 metri con T 238

10 = ~ 14.6 C, S = ~36.9 e σtheta = ~27.5; la seconda massa d acqua si trovava sotto la prima, tra 100 e 280 metri di profondità, ed era caratterizzata da T= ~14.2 C, S= ~38.7 and σtheta = ~29. Questi valori definiscono, rispettivamente, l acqua modificata di origine atlantica (MAW- Modified Atlantic Water) e l acqua levantina intermedia (LIW- Levantine Intermediate Water; Buongiorno Nardelli et al., 1999). Le due masse d acqua sono state rilevate in tutte le stazioni profonde citate prima e la MAW è stata trovata nei primi 100 metri di profondità in tutte le stazioni. I profili del CTD e le mappe superficiali (strato 0-10 metri) (Fig. 3 e 4) hanno evidenziato la presenza di una zona di risalita di acque profonde ricche di nutrienti (upwelling) a sud di Lampedusa. Inoltre, i profili dei transetti in cui abbiamo analizzato i nutrienti e dove il fondo si trova ad almeno 200 metri di profondità, evidenziano che la LIW è più ricca di nutrienti rispetto alla MAW. Fatto molto importante questo, in quanto la LIW si muove verso ovest al di sotto della MAW e lascia il bacino orientale ad una profondità di circa metri trasportando elevate quantità di nutrienti, diventando, così, una sorgente importante di questi componenti per il bacino occidentale. 4. CONCLUSIONI L analisi della variazione delle proprietà fisiche della colonna d acqua nell area di studio ha evidenziato una zona di risalita di acque profonde ricche di nutrienti (upwelling) a sud dell Isola di Lampedusa. Questa zona di upwelling è probabilmente da mettere in relazione con la presenza dell eufausiaceo Nyctiphanes couchi che è stato identificato come preda principale delle balenottere in quest area in questo periodo per la prima volta nel Mar Mediterraneo (Canese et al., 2006). Il genere Nyctiphanes è, tuttavia, cosmopolita e costituisce una parte importante nella dieta della Balenottera azzurra (Balaenoptera musculus; Linnaeus, 1758), della Megattera (Megaptera novaeangliae; Borowski, 1781), della Balenottera boreale (Balaenoptera borealis Lesson, 1828) e della Balenottera di Bryde (Balaenoptera edeni, Anderson, 1878) in altre parti del mondo (e.g. Best, 1967; Tershy et al., 1993; Gill, 2002). Si sa poco riguardo la distribuzione delle balenottere comuni al di fuori della parte nord-ovest del bacino mediterraneo e non ci sono informazioni sulle zone di alimentazione in queste aree. L esistenza di una zona di alimentazione invernale per questi animali in una zona di upwelling ricca di nutrienti, basata sulla presenza e sull abbondanza del piccolo eufausiaceo N. couchi, cambia, quindi, radicalmente le ipotesi attuali riguardo l ecologia e la distribuzione di questi grandi mammiferi marini nel Mar Mediterraneo. 239

11 Fig. 3 - Valori superficiali dei parametri fisici della colonna d acqua con la posizione degli avvistamenti di balenottere. Si nota la risalita di acqua profonda a sud dell isola. Fig. 4 - Valori superficiali dei nutrienti con la posizione degli avvistamenti di balenottere. Si nota la risalita di acqua ricca di nutrienti a sud dell isola. 240

12 BIBLIOGRAFIA Buongiorno Nardelli B., Santoleri R. & Iudicone D Altimetric signal and threedimensional structure of the sea in the Channel of Sicily. Journal of Geophysical Research, 104(9): Best P.B Distribution and feeding habits of baleen of the cape Province. Division of Fisheries, Investigational Report, South Africa, 57: Canese S., Cardinali A., Fortuna C., Giusti M., Lauriano G., Salvati E. & Greco S A new winter feeding ground redesigns the current knowledge for the mediterranean fin whale (Balaenoptera physalus). J. Mar. Biol. Ass. U.K., 86(4): Canese S., Aguzzi L., Cardinali A., Fortuna C.M., Giusti M. & Greco S Nyctiphanes couchi (Bell, 1853) (Crustacea, Euphausiacea) is an important prey for mediterranean fin whales th Annual Conference of the European Research on Cetaceans. La Rochelle, France, 3-7 April Gill P.C A blue whale (Balaenoptera musculus) feeling ground in a southern Australian coastal upwelling zone. Journal of Cetacean Research and Management, 4: Lermusiaux P.F.J. & Robinson A.R Features of dominant mesoscale variability, circulation patterns and dynamics in the Strait of Sicily. Deep-Sea Research I, 48: Mameyev O.I Temperature-salinity analysis of world ocean waters. Elsevier: 374 pp. Tershy B.R., Acevedo G.A., Breese D. & Strong C.S Diet and feeding behaviour of Fin and Bryde s whales in the central Gulf of California, Mexico. Revista de Investigaciòn Cientifíca de la Universidad Autonoma de Baja California Sur. Serie Ciencias delmar, 3: Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

13 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 GIS E ANALISI GLM PER LO STUDIO PRELIMINARE DELL HABITAT DELLE BALENOTTERE COMUNI NELLA ZONA DI ALIMENTAZIONE INVERNALE DI LAMPEDUSA Michela GIUSTI, Caterina FORTUNA, Simone CANESE, Eva SALVATI, Andrea CARDINALI, Silvestro GRECO Istituto Centrale per la Ricerca scientifica e tecnologica Applicata al Mare (ICRAM), Via di Casalotti Roma ABSTRACT GIS and GLM analysis for a preliminary study on fin whales (Balaenoptera physalus) habitat in the feeding ground of Lampedusa Island In the Sicily Channel, around Lampedusa Island, there is a winter feeding ground for fin whales (Balaenoptera physalus), that here feed on the little Euphausiids Nyctiphanes couchi. During an oceanographic campaign carried out between 16 th and 29 th February 2004, 17 stations were sampled with a CTD (Conductivity, Temperature, Depth recorder- SEA-BIRD ELECTRONICS). In 8 of these stations water samples were collected for nutrients analysis and in 11 of them an Hamburg Plankton Net (HPN) mesh size 1 mm (side) was used to collect mesozooplankton samples. In order to obtain a preliminary insight about the habitat characteristics of fin whales, data were insert in a G.I.S. (Geographic Information System) to integrate sighting data with surface water characteristics (chlorophyll, temperature, oxygen, density, salinity and nutrients), depth and Euphausiids abundances. The study area was divided into 104 square cells with an area of 20 Km² each and inside each of them the mean values relative to the variables were calculated. The GLM analysis (Generalised Linear Models) performed with R software allowed us to relate the presence/absence of fin whales with the independent variables that should explain their distribution. Models highlighted a statistically significant relation (p < 0,05) between fin whales presence, nitrates concentration and Euphausiid and gelatinous plankton abundances. According to the results, it was possible to produce probability maps of encounter rate in relation to the habitat characteristics. Fin whales distribution appeared to be not homogeneous with an high probability of sightings South of Lampedusa, where sea depth is between 40 and 70 meters, in relation with an area rich of nutrients. In this zone there were also high Euphausiid abundances. The data collected increase our knowledge on winter habitat use of these large marine mammals, highlighting that the area around Lampedusa Island represents a critical habitat for Mediterranean fin whales that needs more protection. 243

14 RIASSUNTO Nel Canale di Sicilia, nelle acque intorno all Isola di Lampedusa, è presente una zona di alimentazione invernale per le Balenottere comuni (Balaenoptera physalus) che qui si cibano del piccolo eufausiaceo Nyctiphanes couchi. Nel corso di una campagna oceanografica, svolta in quest area nel periodo compreso tra il 16 e il 29 febbraio 2004, sono state effettuate 17 stazioni con una sonda multiparametrica (CTD - Conductivity, Temperature, Depth recorder- SEA-BIRD ELECTRONICS). In 8 di queste stazioni sono stati raccolti campioni di acqua per l analisi dei nutrienti e in 11 di esse sono state fatte pescate con una rete per il mesozooplankton. Al fine di ottenere un quadro preliminare delle caratteristiche dell habitat della balenottera, i dati raccolti sono stati inseriti in un sistema GIS (Geographic Information System), che ha permesso di integrare gli avvistamenti delle balenottere, con i dati di profondità, densità (ind m -3 ) di Eufausiacei e di plancton gelatinoso. L area di studio è stata suddivisa in 104 celle quadrate con area di 20 km 2 e all interno di ciascuna di esse sono stati calcolati i valori medi relativi alle variabili. Le analisi GLM (Generalised Linear Models), eseguite con il software statistico R, ci hanno permesso di mettere in relazione la presenza/assenza delle balenottere con le variabili indipendenti che ne dovrebbero spiegare la distribuzione. I modelli hanno evidenziato una relazione statisticamente significativa (p < 0,05) solo tra la presenza delle balenottere, la concentrazione di nitrati e l abbondanza di Eufausiacei e plancton gelatinoso. Sulla base dei risultati ottenuti è stato possibile produrre mappe di probabilità di incontro in relazione all habitat, in tutta la zona considerata. La distribuzione delle balenottere è risultata essere non omogenea; si è infatti rilevata un alta probabilità di avvistare gli animali nella zona a sud di Lampedusa, caratterizzata, nel periodo di studio, da un elevata concentrazione di nutrienti e da profondità comprese tra 40 e 70 metri. In questa zona c era inoltre un elevata abbondanza di Eufausiacei. I risultati ottenuti aumentano le nostre conoscenze sull uso invernale dell habitat da parte di questi grandi mammiferi marini, evidenziando che l area intorno a Lampedusa rappresenta un habitat critico per le balenottere comuni del Mediterraneo che necessita, quindi, di maggiore protezione. 1. INTRODUZIONE Nel febbraio del 2004 è stata organizzata dall ICRAM una campagna di ricerca nelle acque intorno a Lampedusa (Fig. 1) per ottenere un quadro preliminare sulle caratteristiche dell habitat della balenottera comune (Balaenoptera physalus). In quest area, situata nel Canale di Sicilia, è stata documentata la presenza di una zona di alimentazione invernale per questi animali, che qui si nutrono del piccolo eufausiaceo Nyctiphanes couchi (Canese et al., 2006). L analisi della distribuzione 244

15 spaziale delle balenottere e della variazione delle proprietà fisiche della colonna d acqua nell area di studio ha inoltre evidenziato la presenza, in quel periodo, di una zona di risalita di acque profonde ricche di nutrienti (upwelling) a sud dell Isola di Lampedusa in grado di sostenere la presenza di una grande abbondanza di Nyctiphanes couchi (Canese et al., 2005). La relazione tra upwelling, eufausiacei e presenza di balenottere è ampiamente documentata in altri parti del mondo (Simard et al., 1986; Reilly & Thayer, 1990; Sears et al., 1990; Schoenherr, 1991; Croll et al., 1998; 2000; Fiedler et al., 1998). In queste zone, chiamate feeding ground (zone di alimentazione), la distribuzione superficiale degli eufausiacei rispecchia quella delle balenottere (Gill, 2002). Fig. 1 - Area di studio. 2. MATERIALI E METODI La campagna oceanografica si è svolta dal 16 al 29 febbraio 2004 a bordo di una nave da ricerca di 40 metri equipaggiata con sistema rosetta/sonda multiparametrica CTD (Coductivity, Temperature, Depth recorder) SBE 911 plus (SEA-BIRD ELECTRONICS) e bottiglie Niskin per la raccolta di campioni di acqua. In totale, sono state effettuate 17 stazioni. In 8 di queste sono stati raccolti campioni di acqua per l analisi dei nutrienti e in 11 di esse sono state fatte pescate fino alla profondità di 30 metri, con una rete HPN (Hamburg Plankton Net - maglia 1 mm) per la raccolta dei campioni di mesozooplankton. L area di studio è stata suddivisa in 104 celle quadrate aventi ciascuna un area di 20 km 2. I dati di fluorescenza, nitrati, fosfati, ammoniaca (nello strato 0-10 metri), 245

16 profondità, densità di eufausiacei e plancton gelatinoso sono stati inseriti in un sistema GIS (ESRI-ArcGIS 9.1) e interpolati per creare dei raster (Fig. 2-7). La presenza/ assenza della balenottere è stata pesata prendendo in considerazione lo sforzo di avvistamento. Sono stati, poi, calcolati i valori medi relativi ai parametri di interesse all interno di ciascuna cella. Questi ultimi sono stati esportati e salvati in tabelle Excel per essere analizzati con il software statistico R utilizzando il metodo GLM (General Linear Models). I risultati delle analisi GLM ci hanno permesso di mettere in relazione la presenza/assenza delle balenottere con una serie di variabili indipendenti che ne dovrebbero spiegare la distribuzione. Tali analisi ci hanno, inoltre, consentito di estrapolare i risultati del modello finale a tutta l area di studio, considerando le relazioni in prospettiva di categorie di habitat (tutte le combinazioni esistenti delle variabili scelte) disponibili nella zona evidenziando quelle con la maggior probabilità di incontrare le balenottere. L analisi GLM è stata effettuata usando l AIC (Akaike Information Criterion) per selezionare il modello migliore. 3. RISULTATI E DISCUSSIONE Nel corso della campagna di ricerca è stata coperta un area di 1800 km 2 e sono stati avvistati 20 gruppi di balenottere distribuiti non omogeneamente. I dati del CTD hanno evidenziato la presenza di una zona di risalita di acqua ricca di nutrienti (upwelling) a sud di Lampedusa ad una distanza dalla costa compresa tra 10 e 50 km. In questa zona abbiamo trovato la più elevata densità (ind m -3 ) di eufausiacei, solitamente in relazione con basse concentrazioni di nitrati (Fig. 4 e 6). Tra le variabili indipendenti prese in considerazione, la prima che è stata eliminata nel corso dell elaborazione GLM è stata il plancton gelatinoso, seguita da profondità del fondo e fluorescenza, evidenziando una relazione statisticamente significativa (p < 0.05) solo tra la presenza delle balenottere comuni e le concentrazioni di eufausiacei e nitrati (Tab. 1). In Mar Mediterraneo sono presenti altre aree di alimentazione della balenottera comune come, ad esempio, in Mar Ligure (Notarbartolo di Sciara et al., 2003), lungo la costa nord occidentale di Ischia, nel canyon di Cuma (Mussi & Miragliuolo, 2003) e in Mar Ionio, lungo la costa orientale della Sicilia (Catalano et al., 2001). In questi casi si tratta, però, di aree di alimentazioni estive e in nessuna di esse è stata notata la presenza di Nyctiphanes couchi. Le mappe di uso dell habitat (Fig. 8) e di probabilità di avvistamento (Fig. 9) mostrano una notevole somiglianza con quella della distribuzione effettivamente osservata (Fig. 1). 246

17 W N S E chlorophill-a (microg/l) No Data W N S E phosphates (micromol/l) No Data 0 20 Kilometers 0 20 Kilometers Fig. 2 - Fluorescenza (g l -1 ). Fig. 3 - Fosfati (mol l -1 ). W N S E nitrates (micromol/l) No Data W N S E ammonia (micromol/l) No Data 0 20 Kilometers 0 20 Kilometers Fig. 4 - Nitrati (mol l -1 ). Fig. 5 - Ammoniaca (µmol l -1 ). euphausiids (ind/m3) No Data W N S E gelatinous plankton (ind/m3) No Data 0 20 Kilometers 0 20 Kilometers Fig. 6 - Eufausiacei (ind m -3 ). Fig. 7 - Plancton gelatinoso (ind m -3 ). 247

18 Tab. 1 Risultati dell analisi GLM. Stima p (Intercetta) < 0.05 Nitrati < 0.05 Eufasiacei < 0.05 W N S E habitat use (%) No Data W N S E encounter rate (%) No Data 0 20 Kilometers 0 20 Kilometers Fig. 8 - Uso dell habitat (%). Fig. 9 - Probabilità di avvistamento (%). 4. CONCLUSIONI Dalle analisi risulta evidente che le balenottere non sono distribuite omogeneamente nell area da noi indagata, ma si trovano maggiormente nel tratto di mare a sud di Lampedusa in una zona che le analisi dei dati del CTD hanno indicato essere di upwelling e, quindi, ricca di nutrienti. Dalle analisi risulta anche che la presenza degli animali dipende da quella degli Eufausiacei e non dalle caratteristiche della colonna d acqua. A questo proposito, fanno eccezione i nitrati che, consumati in superficie dai produttori primari, possono essere considerati come un indicazione della presenza di Eufausiacei. Questo fatto, che indica un alta presenza di produttori primari, può essere considerato come indice di acque ad alta produttività. Quest ultima sostiene l alta concentrazione di Eufausiacei nell area e, quindi, la zona di alimentazione delle balenottere. I nitrati, quindi, indirettamente possono essere collegati alla presenza delle balenottere. Sebbene i dati siano pochi e la ricerca si sia svolta in un periodo breve, i risultati ottenuti sono interessanti in quanto aumentano le nostre conoscenze riguardo l uso invernale dell habitat da parte di questi grandi mammiferi marini ed evidenziano che zone con particolari caratteristiche della colonna d acqua come quella di Lampedusa, 248

19 fungono da concentratori di prede per questi animali che qui si radunano per mangiare. Il tratto di mare che circonda Lampedusa rappresenta un habitat critico per le balenottere comuni del Mediterraneo che necessita, quindi, di maggiore protezione. BIBLIOGRAFIA Canese S., Cardinali A., Fortuna C., Giusti M., Lauriano G., Salvati E. & Greco S A new winter feeding ground redesigns the current knowledge for the mediterranean fin whale (Balaenoptera physalus). J. Mar. Biol. Ass. U.K., 86(4): Canese S., Aguzzi L., Cardinali A., Fortuna C.M., Giusti M. & Greco S Nyctiphanes couchi (Bell, 1853) (Crustacea, Euphausiacea) is an important prey for mediterranean fin whales th Annual Conference of the European Research on Cetaceans. La Rochelle, France, 3-7 April Catalano D., Tringali L.M., Petralia R. & Caltavuturo G Mediterranean fin whales, Balaenoptera physalus, foraging off the Eastern coast of Sicily, Mar Ionio. European Research on Cetaceans, 15. Croll D.A., Tershy B.R., Hewitt R.P., Demer D.A., Fiedler P.C., Smith S.E., Armstrong W., Popp J.M., Kiekhfer T., Lopez V.R., Urban J. & Gendron D An integrated approach to the foraging ecology of marine birds and mammals. Deep- Sea Res. II, 45: Croll D.A., Marinovic B., Benson S., Chavez F.P., Black N., Termullo R. & Tershy B.R From wind to whales: trophic links in an upwelling ecosystem. Final report to the Monterey Bay National Marine Sanctuary. Contract no. 50ABNF (Unpublished): 46 pp. [Available from: D.A. Croll, Institute of Marine Science, University of California at Santa Cruz, Santa Cruz, California]. Fiedler P.C., Reilly S.B., Hewitt R.P., Demer D., Philbrick V.A., Smith S., Armstrong W., Croll D.A., Tershy B.R. & Mate B.R Blue whale habitat and prey in the California Channel Islands. Deep-Sea Res. II, 45: Gill P.C A blue whale (Balaenoptera musculus) feeding ground in a southern Australian coastal upwelling zone. J. Cetacean. Res. Manage, 4(2): Mussi B. & Miragliuolo A I cetacei della costa nord occidentale dell Isola di Ischia (Canyon di Cuma). In: Gambi M.C., De Lauro M. & Jannuzzi F. (Eds), Ambiente marino e costiero e territorio delle isole Flegree (Ischia, Procida e Vivara - Golfo di Napoli). Risultati di uno studio multidisciplinare. Memorie dell'accademia di Scienze Fisiche e Matematiche, Società Italiana di Scienze, Lettere e Arti in Napoli. Liguori Editore: Notarbartolo di Sciara G., Zanardelli M., Jahoda M., Panigada S. & Airoldi S The Fin whale Balaenoptera physalus (L. 1758) in the Mediterranean Sea. Mammal Review, 33: Reilly S.B. & Thayer V.G Blue whale (Balaenoptera musculus) distribution in the eastern tropical Pacific. Mar. Mammal. Sci., 6(4): Schoenherr J.R Blue whales feeding on high concentrations of euphausiids around Monterey Submarine Canyon. Can. J. Zool., 69:

20 Sears R., Williamson J.M., Wenzel F.W., Bérubé M., Gendron D. & Jones P Photographic identification of the blue whale (Balaenoptera musculus) in the Gulf of St. Lawrence, Canada. Rep. int. Whal. Commn (special issue), 12: Simard Y., de Ladurantaye R. & Therriault L.-C Aggregation of euphausiids along a coastal shelf in an upwelling environment. Mar. Ecol. Prog. Ser., 32: Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

21 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 AREE MARINE PROTETTE E PRATERIE DI POSIDONIA OCEANICA: È STATA EFFICACE LA TUTELA FINO AD OGGI? IL CASO DELL AMP DI PORTOFINO (MAR LIGURE) Roberta LASAGNA, Monica MONTEFALCONE, Carla MORRI, Carlo Nike BIANCHI, Giancarlo ALBERTELLI DipTeRis, Dipartimento per lo studio del Territorio e delle sue Risorse, Università di Genova, Corso Europa, Genova ABSTRACT Marine Protected Areas and Posidonia oceanica meadows: has the protection been effective till now? The case of the Portofino MPA (Ligurian Sea) The state of health of the Posidonia oceanica (L.) Delile meadows within the Portofino Marine Protected Area (Ligurian Sea, NW Mediterranean) was investigated by scuba diving, estimating visually the cover of living P. oceanica and of dead matte and evaluating the state of the upper and the lower limits. Meadows located in the areas with a minor degree of protection (C zones) showed a comparatively lower state of health than meadows located within A and B zones. Notwithstanding the objective difficulty in comparing present data with those recorded before the MPA institution, some meadows exhibit signs of continued regression. RIASSUNTO Lo stato di salute delle praterie di Posidonia oceanica (L.) Delile nell Area Marina Protetta di Portofino (Mar Ligure, Mediterraneo nord-occidentale) è stato valutato in immersione subacquea stimando visivamente le percentuali di ricoprimento del fondo con P. oceanica viva e con matte morta e analizzando lo stato dei limiti superiori ed inferiori. I segni più evidenti di regressione sono stati osservati esclusivamente nelle praterie soggette ad un minore grado di tutela (zona C). Nonostante l oggettiva difficoltà di confrontare i risultati del presente studio con studi realizzati precedentemente l istituzione dell AMP sembra che alcune praterie continuino a soffrire di fenomeni regressivi. 1. INTRODUZIONE Lungo la costa ligure, come in tutto il bacino del Mediterraneo, le praterie di Posidonia oceanica stanno subendo una significativa regressione (Bianchi & Peirano, 1995; Peirano & Bianchi, 1997). In quest ottica, l istituzione di Aree Marine Protette 251

22 risulta fondamentale per la salvaguardia di questo importante ecosistema costiero. Lo stato e la distribuzione delle praterie di P. oceanica a Portofino, prima dell istituzione dell AMP, è stato ampiamente studiato ma non con elevato dettaglio (Bavestrello, 1983; Bianchi & Peirano, 1995; Boyer et al., 1996). Nell ambito di questo studio è stata recentemente realizzata una cartografia di dettaglio (scala 1:2.000) delle praterie a Portofino (Montefalcone et al., 2006) che ha permesso di valutarne lo stato di salute in relazione ai differenti gradi di tutela. 2. MATERIALI E METODI L AMP di Portofino (Genova, Mar Ligure) è stata istituita con il Decreto Ministeriale 26/04/1999 e la sua superficie è suddivisa in tre aree a differente tutela: zona A di riserva integrale (Cala dell Oro), zona B di riserva generale (da Punta Portofino a Punta Chiappa, con eccezione della rada e del corridoio di accesso di San Fruttuoso), zona C di riserva parziale (da Punta Pedale a Punta Portofino, con eccezione della rada e del corridoio di accesso di Portofino, e da Punta Chiappa a Punta Cannette, con eccezione della rada e del corridoio di accesso di Porto Pidocchio; Fig. 1). Fig. 1 - Suddivisione dell AMP di Portofino nelle tre zone di tutela. L area di studio è stata ispezionata tra marzo e settembre 2005 mediante 21 rilevamenti subacquei con attrezzatura ARA: 11 transetti di profondità (Bianchi et al., 2003) e 10 immersioni puntiformi. Durante ogni immersione è stato stimato visivamente (Buia et al., 2003) il ricoprimento percentuale di P. oceanica viva e di matte morta, è stata rilevata la natura del substrato di impianto della prateria e la tipologia dei limiti superiori ed inferiori. 252

23 Per ciascuna zona di tutela (A, B e C) è stata calcolata la percentuale di prateria di P. oceanica su sabbia, roccia e matte e la percentuale di matte morta. Inoltre, le percentuali di ricoprimento con P. oceanica sono state suddivise in tre classi: alto ricoprimento ( %), medio ricoprimento (15-85 %) e basso ricoprimento (0-15 %). 3. RISULTATI Dalle batimetrie rilevate è possibile evidenziare che le zone A e B sono caratterizzate da maggiore pendenza del fondale rispetto alla zona C. Sulla superficie totale dei posidonieti nel promontorio di Portofino (43,5 ha) (Montefalcone et al., 2006), Posidonia oceanica su sabbia copre l 11,5 %, su roccia il 16,1 %, su matte il 50,6 %; la matte morta copre il 21,8 %. P. oceanica con alto ricoprimento copre il 58 %, con medio ricoprimento il 32,2 % e con basso ricoprimento il 9,8 %. Nelle zone A e B, P. oceanica è estremamente scarsa (rispettivamente 0,2 e 1,3 ha). Le praterie, per lo più su roccia, sono caratterizzate da alto e medio ricoprimento senza alcun segno di regressione evidente (Fig. 2a, b); hanno limite superiore a circa 15m di profondità e limite inferiore tra 27m e 32 m di profondità. Fig. 2 - a) Percentuali sulla superficie totale delle praterie di Posidonia oceanica su diversi substrati e di matte morta nelle zone a differente tutela; b) Percentuali sulla superficie totale dei posidonieti delle tre classi di ricoprimento di Posidonia oceanica nelle zone a differente tutela. Nella zona C sono presenti le praterie di maggiore estensione (42 ha, cioè il 96,5 % della superficie totale dei posidonieti; Fig. 2a) e si sviluppano da circa 2m di profondità fino a valori massimi di profondità di circa 33 m. La prateria sul versante occidentale del promontorio, da Punta Chiappa a Punta Cannette, appare continua ed omogenea e con segni di regressione solo in corrispondenza del limite inferiore; la prateria sul versante orientale del promontorio, da Punta Pedale a Punta Portofino, presenta invece segni di regressione sia in corrispondenza del limite superiore e del limite inferiore sia all interno della prateria sotto forma di numerose chiazze di matte morta. Circa il 12 % di queste praterie si trova su sabbia, il 13,5 % su roccia ed il 52 % su matte. La matte morta occupa il 22,5 % della superficie totale. Il 58 % delle praterie 253

24 in zona C (56,1 % della superficie totale dei posidonieti) ha un alto ricoprimento, il 32 % (30,8 %) ha un ricoprimento medio ed il 10 % (9,7 %) basso (Fig. 2b). 4. CONCLUSIONI Le differenti pendenze del fondale e tipologie di substrato di impianto nelle tre zone di tutela dell AMP di Portofino sono probabilmente la causa principale delle differenze rilevate nelle praterie di Posidonia oceanica. Su queste praterie incide anche il diverso grado di tutela delle zone dell AMP, testimoniato dalla totale assenza di segni evidenti di regressione recente nelle zone A e B. I dati del presente studio sono difficilmente confrontabili con i dati presenti in letteratura precedenti l istituzione dell AMP (Bavestrello, 1983; Bianchi & Peirano, 1995; Boyer et al., 1996), a causa dei differenti metodi di indagine adottati e delle scale finali di restituzione. Tuttavia, in zona A, le praterie mostrano profondità dei limiti compatibili con i dati rilevati da Boyer et al. (1996). In zona B, le formazioni presenti mostrano un estensione ridotta ed il limite superiore molto più profondo rispetto ai dati rilevati da Bianchi e Peirano (1995). Invece sostanziali differenze sembrano non esserci nella profondità del limite inferiore. In zona C, la prateria nel versante occidentale del promontorio risulta essere più estesa rispetto ai dati pregressi (Bianchi & Peirano, 1995), pur mostrando dei segni di regressione in corrispondenza del limite inferiore. Al contrario, la prateria nel versante orientale del promontorio mostra segni recenti di regressione su entrambi i limiti (Bavestrello, 1983; Boyer et al., 1996), causati dalla maggiore antropizzazione costiera in quest ultima area (Montefalcone et al., 2006). Nonostante le praterie di P. oceanica del promontorio di Portofino siano inserite nella lista dei SIC (Siti di Importanza Comunitaria) liguri (Relini, 2000) e siano formalmente oggetto di protezione da parte dell AMP, alcune di queste hanno ancora sofferto di fenomeni regressivi recenti. Paradossalmente le praterie più importanti si trovano in zona C, dove i vincoli di tutela sono meno stretti: è necessario, pertanto, un maggiore sforzo gestionale su questa zona. È auspicabile che le azioni dell AMP possano portare ad un miglioramento nello stato di salute di queste praterie. BIBLIOGRAFIA Bavestrello G Nuove osservazioni sulle praterie di Posidonia oceanica (L.) Delile del versante occidentale del Golfo Marconi (Riviera Ligure di Levante). Boll. Mus. Ist. Biol. Univ. Genova, 50-51: Bianchi C.N. & Peirano A Atlante delle fanerogame marine della Liguria: Posidonia oceanica e Cymodocea nodosa. ENEA, Centro Ricerche Ambiente Marino, La Spezia. Bianchi C.N., Ardizzone G.D., Belluscio A., Colantoni P., Diviacco G., Morri C. & Tunesi L Manuale di metodologie di campionamento e studio del benthos marino mediterraneo. Capitolo 11. La cartografia del benthos. Biol. Mar. Medit., 10 (Suppl. 1):

25 Boyer M., Bussotti S., Guidetti P. & Matricardi G Note sulla fioritura e fruttificazione delle praterie di Posidonia oceanica (L.) Delile in Mar Ligure (Mediterraneo nord-occidentale). Boll. Mus. Ist. Biol. Univ. Genova, 60-61: Buia M.C., Gambi M.C. & Dappiano M Manuale di metodologie di campionamento e studio del benthos marino mediterraneo. Capitolo 5. I sistemi a fanerogame marine. Biol. Mar. Medit., 10 (Suppl. 1): Montefalcone M., Baudana M., Venturini S., Lasagna R., Bianchi C.N. & Albertelli G Distribuzione spaziale delle praterie di Posidonia oceanica nell Area Marina Protetta di Portofino. Biol. Mar. Medit., 13(2): Peirano A. & Bianchi C.N Decline of the seagrass Posidonia oceanica in response to environmental disturbance: a simulation-like approach off Liguria (NW Mediterranean Sea). In: Hawkins L.E., Hutchinson S., Jensen S., Williams A.C. & Sheader M. (Eds), Responses of marine organisms to their environment: Relini G Nuovi contributi per la conservazione della biodiversità marina in Mediterraneo. Biol. Mar. Medit., 7(3): Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

26 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 CLUES OF SOLAR FORCING FROM A ~2000 YEARS LONG SEDIMENTARY RECORD FROM THE EASTERN TYRRHENIAN MARGIN Fabrizio LIRER, Mario SPROVIERI, Nicola PELOSI, Luciana FERRARO Istituto per l Ambiente Marino Costiero (IAMC) CNR, Calata Porta di Massa, Interno Porto di Napoli Napoli RIASSUNTO Evidenze della attività solare durante gli ultimi 2000 anni in sedimenti marini del margine tirrenico orientale Lo studio stratigrafico integrato di un record sedimentario carotato nel Tirreno meridionale (Golfo di Salerno) ha permesso di individuare le principali variazioni paleoclimatiche degli ultimi 2000 anni. L integrazioni di datazioni AMS 14 C e la presenza di tephra di età nota ha permesso di calibrare il record studiato. Inoltre il confronto tra la distribuzione di Globorotalia inflata con l indice della Total Solar Irradiance (TSI) e il record del 14 C degli anelli degli alberi, ha suggerito un controllo diretto dell insolazioni sulla associazioni a foraminiferi planctonici del Tirreno meridionale durante la parte terminale dell Olocene. In particolare, i cicli di ~200 anni (cicli di Suess) and di ~500 anni, attribuiti da vari autori alla variazioni dell attività solare, sono stati riconosciuti nel record della Globorotalia inflata. Questo dato supporta ulteriormente l ipotesi che le variazioni a scala secolare dell intensità solare opera un controllo primario sulla distribuzione delle associazioni a foraminiferi planctonici del Mediterraneo. ABSTRACT A ~2000 years long sedimentary record recovered from a gravity core on the eastern Tyrrhenian margin has been analysed by a multiproxy stratigraphic approach and provides a new sub-century paleoclimate time series of the central Mediterranean. Tephra layers of Vesuvius interbedded within the sampled succession and attributed to specific volcanic eruptions along with an AMS 14 C dating of the core top have provided an accurate time framework for the studied record. Comparison of the Globorotalia inflata time series with the reconstructed Total Solar Irradiance (TSI) index and tree rings 14 C record, suggests a primary control of the insolation forcing on the planktonic foraminifera assemblage of the eastern Tyrrhenian Sea during the latest Holocene. In particular, the ~200 years (Suess cycles) and ~500 years oscillations attributed by several authors to solar activity were reliably recorded in the G. inflata time series, thus reinforcing the hypothesis that centennial 257

27 fluctuations of solar intensity exert a primary control on the Mediterranean planktonic assemblage distribution. 1. INTRODUCTION Climatic variability reflects complex interactions between external forcing, hydrosphere-atmosphere-biosphere-cryosphere dynamics and a range of environmental feedbacks. Astronomical cycles modulate the long-term patterns of solar energy impinging on the earth, thus providing a clock for the onset of major glacial episodes. On the other hand, changes in solar irradiance operate on decadal to millennial timescales. They also interfere with a wide range of internal climatic processes, that arise from feedbacks and system responses to external forcing (e.g., Trenberth, 1992 and references therein). In the last decade a significant number of long time series have become available that describe paleoclimatic variability with a resolution better than a thousand years. High-resolution analyses of continuous and well-preserved sedimentary Holocene records collected from key areas of the Mediterranean Basin (e.g. Cacho et al., 1999; 2000; 2001; Rohling et al., 2002; Sprovieri et al., 2003) suggest the principal climate events and oscillations of the Northern Hemisphere, documented by multi-proxy records of the Greenland GRIP and GISP ice cores, were faithfully recorded in its sedimentary archives. Actually, the Mediterranean area acts as a boundary zone between humid and desert areas and is highly sensitive to variations in climate and shifts in the climatic bands towards north or south by only a few degrees of latitude that result in dramatic changes of climate conditions. Firstly, Rohling et al. (1998) and Cacho et al. (1999; 2000) have suggested, on the basis of high-resolution multi-proxy analyses of marine sedimentary records, that the millennial scale Dansgaard/Oesheger and Heinrich events reduce polar outbreaks intensity and directly control the winds and precipitation systems on the Northern Mediterranean basin. To higher frequency, an ensemble of papers (Cini Castagnoli et al., 1989; 1993; 1998; 2000; 2002; 2005; Ferraro & Mazzarella, 1998; Camuffo et al., 2000; Tomasino & Dalla Valle, 2000; Camuffo & Sturaro, 2004; Tomasino et al., 2004) reported statistically significant oscillations of ~11, ~22, ~100 and ~200 years in high-resolution oxygen and carbon isotope records, thermoluminescence data, algal-bloom data and sea-storm data from sediments collected in the southern Mediterranean area and from the Adriatic sea. The authors attributed such a kind of oscillations to decadal and centennial frequency variations of solar activity (Beer, 2000; Wagner et al., 2001; Usoskin et al., 2004 and references therein). The aim of the present paper is to recognise in the planktonic foraminifera assemblage recorded from a ~2000 years long hemipelagic succession cored on the outer shelf of the northern Salerno Bay (eastern Tyrrhenian margin), the presence of oscillations which can be attributed to century-scale variations of solar activity. A detailed age model of the core section has been obtained by a 14 C AMS dating of the core top and three volcaniclastic layers (tephra) interbedded within the cored succession. 258

28 The results are compared to two reference high-resolution climate proxy records (the reconstructed Total Solar Irradiance index and the tree ring 14 C record) widely used for the examination of Holocene climatic variability and selected on the basis of length and the highly resolved sampling resolution. 2. THE GRAVITY CORE Gravity core C90 (40 35,76 N; 14 42,38 E) has been recovered close to the shelf break of the northern Salerno Bay, about 3 km off Capo d Orso (Fig. 1), at a water depth of m. The cored succession is represented by undisturbed and well preserved hemi-pelagic deposits punctuated by a number of volcaniclastic layers occurring as cm-thick horizons, namely by Iorio et al. (2004) at cm (V 0 ), cm (V 1 ) and cm (V 2 ) (Fig. 2a, b). The uppermost tephra layers, V 0 (39-48 cm depth) and V 1 ( cm depth) consist of fine ash, while tephra V 2 ( cm depth) consists of a thick coarse grained volcaniclastic bed made up by graded pumice lapilli. Fig. 1 Location map of the C90 core. 3. PLANKTONIC FORAMINIFERA ANALYSIS Analysis of planktonic foraminifera has been conducted on a total number of 216 samples. Sampling rate was 1 cm from the top of the core (seafloor) down to 217 cm below seafloor. Each wet sample of about 30 g was dried at 50 C and washed over 259

29 sieves with mesh-width size of 63 microns. Planktonic foraminifera, characterised by modern assemblages are abundant and well-preserved while percentages of foraminiferal fragments are very low and do not alter the composition of the planktonic assemblage. Fig. 2 a) Photograph of the C90 core. White bars show the position of the tephra layers (V 0, V 1 and V 2 ); b) Lithology of the C90 core. Quantitative planktonic analyses were carried out on the fraction >90 µm mainly composed by small-size adult forms (i.e. Globigerinita glutinata and Turborotalita quinqueloba) and by well-developed adult planktonic foraminiferal species (generally recorded in the fraction >125 µm). The adopted taxonomic units are from Jorissen et al. (1993) and Capotondi et al. (1999). According to these authors we have introduced some supraspecific categories (which remain unchanged even under bad preservation conditions) thus reducing the number of species really occurring in the planktonic foraminiferal assemblages. In particular, ten species or groups of species were distinguished: Globigerina bulloides (including rare specimens of G. falconensis); Globigerinoides quadrilobatus (including G. trilobus and very subordinate G. sacculifer); G. ruber white and pink (extremely rare), G. elongatus (very rare) and G. gomitolus (very rare); Globorotalia truncatulinoides sl. right (very rare) and left coiling; 260

30 Neogloboquadrina pachyderma right and left coiling (very rare); G. glutinata; Orbulina universa; T. quinqueloba; Globigerinatella siphoniphera including G. calida (extremely rare). Fig. 3 - Planktonic foraminiferal distribution throughout the C90 core. Black bands represent the position of the tie-points used for the age model. Briefly, the long-term trend in planktonic foraminifera (Fig. 3) reveal that the faunal composition of the studied interval does not show dramatic changes in the abundance patterns. In particular, G. bulloides, G. ruber, G. inflata left coiling, G. truncatulinoides left coiling, O. universa, G. siphoniphera and T. quinqueloba, show 261

31 long-term oscillations superimposed on short-term fluctuations possibly related to highfrequency climatic oscillations. Among the planktonic species having discontinuous distribution, G. quadrilobatus gr., G. glutinata, N. pachyderma left (extremely rare) and right coiling only occasionally reach significant percentages. 4. AGE MODEL OF THE C90 CORE The age model for the C90 core is based on four well-constrained tie points: i) a 1940±20 years AMS 14 C radiocarbon age of the top core calibrated by Calib 4.1 software package (Stuiver et al., 1998) and obtained on handpicked Globigerina bulloides planktonic foraminifer; ii) three tephra layers, identified throughout the stratigraphic record (V 0 to V 2 ) and attributed to well dated eruptive events (Tab. 1). In particular, the tephra V 0 (39-48 cm) was interpreted as the product of the latest major sub-plinian eruption of Vesuvius that occurred in 1631 AD, while tephra V 1 ( cm) was correlated by Iorio et al. (2004) to the 472 AD (Pollena) sub-plinian eruption of Vesuvius. The tephra V 2, on the basis of petrochemical analysis, was attributed by Sacchi et al. (2005) to the Vesuvian eruption of the 79 AD (Pompeii eruption). The obtained depth-age profile for the C90 core (Fig. 4) suggests that the 1 cm sampling rate yields an average time resolution of about 8 years/sample. Tab. 1 - Absolute ages (years) for tie points used for the age model of C90 core. Material Depth (cmbsf) Method Event Age (years) Planktonic foraminifera 0-3 cm Radiocarbon (AMS 14 C) 1940±20 AD Tephra V cm Stratigraphic correlation Vesuvius eruption 1631 AD Tephra V cm Paleomagnetism (PSV) Vesuvius eruption (Pollena) 472 AD Tephra V cm Petrochemical analysis Vesuvius eruption (Pompeii) 79 AD Fig. 4 - Age-depth profile of the C90 core. Thick line represents a 3 rd order polynomial curve (r 2 =0.99) through the four used tie points. 262

32 5. DICUSSION The age-model of core C90 presented in this study provides an excellent opportunity to constrain a reliable first-order correlation among selected climate sensitive planktonic species and proxies of solar activity: the Total Solar Irradiance (TSI) time series reconstructed by Bard et al. (2000) for the last 1200 years and the tree rings 14 C record of Stuiver et al. (1998). The criterion we have followed for the selection of the planktonic species as best recorders of solar forcing was related to: i) abundance and distribution throughout the studied sediments and ii) ecological sensitivity of the species to different hydrographic and hydrodynamic parameters of the seawater. G. inflata, abundant throughout all the studied record, is regarded in the Mediterranean basin, as indicative of a wellhomogenised and ventilated water column and characteristic of cool and relatively eutrophic winter mixed layer (Pujol & Verganud-Grazzini, 1995; Rohling et al., 2004). Although, also G. ruber and G. bulloides are abundantly distributed all along the studied core, their ecological features show a higher complexity in terms of short-term response to hydrographic changes (e.g., Pujol & Verganud-Grazzini, 1995; Schiebel et al., 1997; Kawahata et al., 2002; Naidu, 2004; Rohling et al., 2004) that render them inappropriate for a reliable registration of century-scale oscillations of solar activity. When put side by side, the estimated Total Solar Irradiance and G. inflata records (Fig. 5) show similar temporal patterns. In particular, the classic colder periods recorded in the Northern Hemisphere during the last 2000 (Dalton, Maunder, Spörer and Wolf, respectively) generally associated to decreased solar activity (Stuiver & Kra, 1986; Hood & Jirikowic, 1990) appear faithfully reflected in higher percentages of the planktonic species (Fig. 5). The tree rings 14 C record (Stuiver et al. 1998) represents the 14 C activity in the atmosphere, recorded by tree rings, and corrected back through time for 14 C decay. Although some variability in the record appear related to fluctuations in the Earth s magnetic field, influencing the amount of 14 C produced in the atmosphere, centennial and sub-centennial scale oscillations in 14 C production can be attributed to solar variability (e.g., Suess, 1970; Denton & Karlén, 1973; Eddy, 1976; Stuiver & Braziunas, 1993; Jirikowic & Damon, 1994; Lean et al., 1995; O Brien et al., 1995; Mayewski et al., 1997; 2004; Beer, 2000; van Geel et al., 2000; Bond et al., 2001; Maasch et al., 2005). Also compared to the 14 C record, the G. inflata signal shows a good match (Fig. 5) with highs in the planktonic record corresponding to lows in the isotope signal (i.e., relatively lower solar activity). Based on these results, the high level of comparability between the proxy records of solar activity and the distribution patterns of G. inflata in the studied succession, suggest a primary control of insolation forcing on the foraminiferal assemblage distribution. However, the analysis of long-term trends in the studied records and their visual comparison does not permit a reliable detection of the frequencies and phase relations between proxy records and solar forcing. In order to verify it, an ensemble of power spectral methodologies were applied to the three different time series: G. inflata, 14 C, TSI. Despite of the several methods to perform time series analysis, only some of they can reliably treat unequally sampled signals (Lomb, 1976; Scargle, 1982). 263

33 Fig. 5 Comparison between the G. inflata signal, the reconstructed Total Solar Irradiance (TSI) of Bard et al. (2000) and tree rings 14 C record (Stuiver et al., 1998). In order to clearly see the multi-decadal to centennial variability, each record has been smoothed (dashed lines) by removing periodicities less that 200 years. Arrows indicate intervals of low solar activity: Dalton (D), Maunder (MA), Spörer (SPO), and Wolf (WO). Grey thick bands indicate the Holocene Rapid Climatic Change (RCC) of Mayewski et al. (2004). Moreover, they are not suitable for investigation of non stationary signals, i.e, frequency components evolution along the time series. Both these problems affect all the records presented in this work and can be solved by sequential application of i) Lomb-Scargle spectral analysis for estimation of the power spectra (Schulz & Statteger 1997; Schulz & Mudelsee 2002) and ii) application of Foster s wavelet analysis (WWZ) (Foster, 1995; 1996a; 1996b). A stepwise approach was adopted for analysis of the G. inflata, 14 C, TSI and time series: i) estimation of Lomb-Scargle power spectra ( Fig. 6A,C, E); ii) estimation of time evolutive wavelet spectra (WWZ-WWA) (Fig. 6B, D, F). A ~500 y periodicity cycle was detected in the G. inflata record all along the studied interval (Fig. 6B). This cyclicity, clearly visible also in the 14 C signal (Fig. 6F), was previously registered by Sonett & Finney (1990) and Usoskin et al. (2004) in the 10 Be Antarctic record and by Stuiver et al. (1995) and Chapman & Shackleton (2000) in the GISP2 δ 18 O and Greenland 10 Be records and attributed by the authors to synchronous oscillations of the solar irradiance. A ~200 y periodicity cycle is present between 0 and ~700y BP in the G. inflata signal and between 0 and ~1000y BP in the TSI and 14 C records, respectively (Fig. 6B, D, F). Periodicity of ~200 y were already recorded by Agnihotri et al. (2002) and Wagner et al. (2001) in the TSI and 14 C signals, respectively, and interpreted as linear 264

34 response of cosmogenic proxy to the Suess solar oscillations (Vitinsky et al., 1986; Damon & Sonett, 1991; Stuiver & Braziunas, 1993, Usoskin et al., 2004, and references therein). Fig. 6 (A, C, E) Bias-corrected power spectrum of the unevenly sampled G. inflata, Total Solar Irradiance (TSI) (Bard et al., 2000) and 14 C signals, respectively. Green line indicates the 95% confidence level. Red dashed lines indicate the AR(1) theoretical red-noise spectrum (Schulz and Mudelsee, 2002). (B, D, F) Wavelet spectrum (Weighted Wavelet Amplitudes-colour chromatic scale) of the original G. inflata, TSI and 14 C signals. Green contour lines indicate the 95% confidence level. 265

35 Also Cini Castagnoli et al. (1989; 2002; 2005) recorded in the thermoluminescence, δ 13 C and δ 18 O signals collected from shallow-water Ionian sea cores.coherence and phase lag analysis performed on the couple of signals TSI-G. inflata and 14 C-G. inflata (Fig. 7a, b) indicate high values of coherence ~0.8 and ~0.6, respectively, only in the ~200y periodicity band with a calculated ~180 and 0 phase, respectively that suggest a linear and phased response of the planktonic record to solar forcing. Summarising, century-scale cycles observed in G. inflata record show a high correspondence with cycles found in proxy records of solar activity suggesting an important component of solar forcing to the late Holocene climate patterns in the central Mediterranean region. Potential mechanisms suggested for transferring solar forcing into the climate system have been discussed in detail by Haigh (1996), van Geel et al. (1999), and Beer et al. (2000), and generally indicate a non linear cause-effect relationships between solar irradiance and terrestrial and/or marine archives. Particularly, Haigh (1996) has suggested that increase or decrease in stratospheric ozone production, due to increase or decreases in the UV radiation, leads to warming/cooling of the lower stratosphere, which in turn would produce expansion of atmospheric cells towards the lower latitudes. Our results may be explained by admitting that solar forcing had a primary role, although a non necessarily linear relation, in affecting the physical environment, via an overall reorganisation of the atmospheric circulation, conductive to short-term enhancement of winter conditions over the Eurasian domain. This would cause, in turn, persistently increased atmospheric pressure over the semi-permanent winter/spring Siberian High and consistent enhanced polar/continental cold air outbreaks towards the central Mediterranean. The recorded concomitant periodic reduction in solar irradiance and increasing abundance of G. inflata species suggests a direct transferring of forcing from the atmosphere to the surface water column, cyclically inducing yearly colder and well-ventilated m depth water masses. 6. CONCLUSIONS The results of this work highlight the role of the solar activity as one of the primary driver of century-scale changes in the seawater surface hydrography of the central Mediterranean, such as testified by selected species of the planktonic foraminifera assemblage. In particular: 1) The observed direct correlation of the G. inflata time series with the solar forcing inferred from the 14 C and TSI records, over the last 2000 years, shows a good match with minor exceptions suggesting an important control of solar activity on the structure of water column of the Eastern Tyrrhenian Margin. 2) Lomb-Scargle and Wavelet spectral analyses performed on the G. inflata, Total Solar Irradiance (TSI), and 14 C records, allowed us to identify that periodicities of ~500, ~200 (solar Suess cycles) modulated during the same time intervals the 266

36 different records. Coherence and phase lag analysis suggested a linear and phased response between solar forcing and G. inflata records at the scale of Suess solar cycles (~200 years). These results favour the hypothesis that the multi-decadal oscillations revealed in G. inflata record are connected to the solar activity and that solar forcing was at work in the Mediterranean marine domain over the past two millennia. Fig. 7 - Coherence and phase spectra performed on the couple of signals (A) 14 C - G. inflata and (B) TSI - G. inflata. Coherence and phase spectra were measured by a multi-taper method estimates, using adaptive weighting and correcting for the inherent bias. Coherence values are plotted on a hyperbolic arctangent scale. The 95% phase confidence level is estimated with a built-in Monte Carlo procedure (Peter Huybers m-files). 267

37 ACKNOWLEDGEMENTS Gravity core in this study were acquired by the Istituto per l Ambiente Marino Costiero (IAMC) - National Research Council of Italy (CNR) of Naples during Oceanographic cruises on board of the R/V Urania, within the frame of a national project aimed to the geologic mapping of the coastal zone of Campania at 1:50000 scale (CARG project). AMS 14 C radiocarbon dating from top of core C90 was obtained at the AMS Center for Accelerator Mass Spectrometry L-397, Lawrence Livermore National Laboratory, CA, USA. The authors gratefully acknowledge Monica Capodanno of IAMC for biostratigraphical sample preparation, Michaele Kashgarian (CAMS Lawrence Livermore National Laboratory, CA, USA) for her skilled support in the AMS 14 C determination, and Patricia Sclafani for proofreading the English text. REFERENCES Agnihotri R., Dutta K., Bhushan R. & Somayajulu B.L.K Evidence for solar forcing on the Indian monsoon during the last millennium. Earth and Planetary Science Letters, 198: Bard E., Raisbeck G., Yiou F.& Jouzel J Solar irradiance during the last 1200 years based on cosmogenic nuclides. Tellus, 52B: Beer J Long-term indirect indices of solar variability. Space Science Reviews, 94: Beer J., Mende W. & Stellmacher R The role of the Sun in climate forcing. Quaternary Science Reviews, 19: Bond G., Kromer B., Beer J., Muscheler R., Evans M., Showers W., Hoffmann S., Lotti-Bond R., Hajdas I., Bonani G Persistent solar influence on North Atlantic climate during the Holocene. Science, 294: Cacho I., Grimalt J.O., Canals M., Sbaffi L., Shackleton N.J., Schonfeld J. & Zahn R Variability of the western Mediterranean Sea surface temperatures during the last years and its connection with the northern hemisphere climatic changes. Paleoceanography, 16: Cacho I., Grimalt J.O., Pelejero C., Canals M., Sierro F.J., Flores J.A. & Shackleton N Dansgaard-Oeschger and Heinrich event imprints in the Alborean Sea paleotemperatures. Paleoceanography, 14: Cacho I., Grimalt J.O., Sierro F.J., Shackleton N. & Canals M Evidence from enhanced Mediterranean thermohaline circulation during rapid climatic coolings. Earth and Planetary Science Letters, 183: Camuffo D., Secco C., Brimblecombe P. & Martin-Vide J Sea Storms in the Adriatic Sea and the Western Mediterranean During the Last Millennium. Climatic Change, 46:

38 Camuffo D. & Sturaro G Use of proxy-documentary and instrumental data to assess the risk factors leading to sea flooding in Venice. Global and Planetary Change, 40: Capotondi L., Borsetti A.M. & Morigi C Foraminiferal ecozones, a high resolution proxy for the late Quaternary biochronology in the central Mediterranean Sea. Marine Geology, 153: Chapman M.R. & Shackleton N.J Evidence of 550-year and 1000-year cyclicities in North Atlantic circulation patterns during the Holocene. The Holocene, 10: Cini Castagnoli G., Bonino G., Della Monica P., Procopio S. & Barrico C On the solar origin of the 200 y Suess wiggles: evidence from thermoluminescence in sea sediments. Il Nuovo Cimento, C21: Cini Castagnoli G., Bonino G. & Provenzale A The 206-year cycle in tree ring radiocarbon data in the thermoluminescence profile of a recent sea sediment. Journal Geophysical Research, 94: Cini Castagnoli G., Bonino G. & Tarocco C Cronologia dei sedimenti marini costieri e fenomeni cosmogeofisici negli ultimi 5000 anni. Il Nuovo Cimento, C16: Cini Castagnoli G., Bonino G. & Taricco C year cycle in the planktonic δ 18 O of a shallow-water Ionian sea core. Il Nuovo Cimento, C23(4): Cini Castagnoli G., Bonino G., Taricco C. & Bernasconi S.M Solar radiation variability in the last 1400 years recorded in the carbon isotope ratio of the Mediterranean sea core. Advance Space Research, 29: Cini Castagnoli G., Taricco C. & Alessio S Isotopic record in a marine shallowwater core: Imprint of solar centennial cycles in the past 2 millennia. Advances Space Research, 35: Damon P.E. & Sonett C.P The Sun in time. Edited by C. P. Sonnet, M.S. Giampapa and M. S. Matthews. Tucson: the University of Arizona: 360 pp. Denton G.H. & Karlen W Holocene climatic variations: their pattern and possible cause. Quaternary Research, 3: Eddy J The Maunder Minimum. Science, 192: Ferraro S. & Mazzarella A Solar Activity and Algal-bloom occurrences in the Northern Adriatic Sea: geomagnetic connection. Theoretical and Applied Climatology, 59(1-2): Foster G The cleanest fourier spectrum. Astronom. J., 109: Foster G. 1996a. Time series analysis by projection. I. Statistical properties of fourier analysis. Astronom. J., 111: Foster G. 1996b. Time series analysis by projection. II. Tensor methods for time series analysis. Astronom. J., 111: Haigh J.D The impact of solar variability on climate. Science, 272: Hood L.L. & Jirikowic J.L Recurring variations of probable solar origin in the atmospheric 14 C time record. Geophysical Research Letters, 17(1): Iorio M., Sagnotti L., Angelino A., Budillon F., D Argenio B., Dinares Turell J., Macri P. & Marsella E High-resolution petrophysical and paleomagnetic study of 269

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42 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 CARATTERIZZAZIONE DELLA COMUNITÀ MICROBICA COLTIVABILE PRESENTE LUNGO LA COLONNA D ACQUA A BAIA TERRA NOVA (MARE DI ROSS, ANTARTIDE) Angelina LO GIUDICE 1, Vivia BRUNI 1, Consolazione CARUSO 1, Santina MANGANO 1, Giovanna MAIMONE 2, Maria DE DOMENICO 1, Luigi MICHAUD 1 1 Dipartimento di Biologia Animale ed Ecologia Marina, Università di Messina, Salita Sperone, Messina 2 Istituto per l Ambiente Marino Costiero (IAMC-CNR), Spianata S. Raineri, Messina ABSTRACT Marine cultivable microbial community inhabiting the water column at Terra Nova Bay (Ross Sea, Antarctica) The phylogenetic diversity of the cultivable bacterioplankton inhabiting Antarctic seawater was examined by genetic fingerprinting. The comparison of the restriction patterns obtained by ARDRA (Amplified Ribosomal DNA Restriction Analysis) led to subdivide the 604 isolates into 53 OTUs (Operational Taxonomic Units). Bacteria representing the class of -Proteobacteria were dominant (68 %), followed by Actinobacteria (15 %), α-proteobacteria (9 %), Bacteroidetes (5 %) and, finally, Firmicutes (1 %). The 3 % of isolates have no known close relatives. Little differences were observed in the bacterioplankton composition both between the sites examined and within the same site. Phenotypic investigation put on evidence the predominance of Gram-negative, rod-shaped and motile bacteria. The majority of them were catalase positive, oxidase negative, psychrotrophic and able to grow in a wide range of salt concentration. RIASSUNTO La diversità filogenetica del batterioplancton coltivabile presente nelle acque marine antartiche è stata esaminata mediante fingerprinting genetico. L analisi dei profili di restrizione ARDRA (Amplified Ribosomal DNA Restriction Analysis) ha permesso di suddividere i 604 isolati in 53 OTU (Operational Taxonomic Unit). È stata osservata la predominanza di -Proteobatteri (68 %), seguiti da Attinobatteri (15 %), α- Proteobatteri (9 %), Bacteroidetes (5 %) e, infine, Firmicutes (1 %). Per il 3 % degli isolati non è stata individuata una precisa appartenenza filogenetica. Lievi differenze nella composizione del batterioplancton coltivabile sono state rilevate sia tra i siti in esame, sia all interno dello stesso sito. 273

43 L indagine fenotipica ha messo in evidenza la prevalenza di batteri Gramnegativi, bastoncellari e mobili; la maggior parte di essi risulta catalasi positiva, ossidasi negativa, psicrotrofa e in grado di crescere in un ampio range di concentrazione salina. 1. INTRODUZIONE Nell ambiente marino le comunità microbiche rivestono un ruolo di primaria importanza nel flusso dell energia, nelle interazioni tra gli oceani e l atmosfera e nelle reti trofiche oceaniche (Legendre et al., 1992; Brown & Bowman, 2001). Nonostante ciò, parte dei processi in cui essi intervengono sono sconosciuti o ancora poco compresi. Le moderne tecniche biomolecolari indipendenti dalla coltivazione se da una parte sono in grado di fornire una visione d insieme della biodiversità microbica, quanto più vicina possibile alla realtà, dall altra non danno chiare informazioni sul ruolo che i microrganismi possono svolgere all interno dell ecosistema in esame. Per tale motivo, l isolamento e la caratterizzazione dei microrganismi marini costituiscono un approccio fondamentale per giungere ad una migliore comprensione della loro fisiologia ed ecologia (Van Trappen et al., 2002). Inoltre, un campo di indagine ormai largamente diffuso e molto promettente è dato dallo sfruttamento in biotecnologia di microrganismi coltivabili isolati da ambienti estremi. Studi riguardanti la biodiversità di microrganismi adattati alle basse temperature (psicrofili e psicrotrofi) sono stati condotti in diverse regioni, tra cui quelle polari (Artide ed Antartide) e alpine. Le informazioni riguardanti la biodiversità e l ecologia dei procarioti antartici rimangono comunque ancora piuttosto scarse e, viste le peculiarità dell ambiente in esame, vanno senza alcun dubbio ampliate. Sebbene i procarioti che popolano l Antartide vengano spesse volte individuati anche in ambienti temperati, negli ultimi dieci anni sono stati decritti batteri appartenenti a nuove specie e generi, alcuni dei quali probabilmente endemici (Gosink et al., 1998; Yakimov et al., 2004; Shivaji et al., 2005; Gupta et al., 2006). L attenzione è stata spesso rivolta ad ambienti quali le acque superficiali, il ghiaccio e i sedimenti, mentre pochi lavori riportano di microrganismi presenti lungo la colonna d acqua (Bowman et al., 1997; Bruni et al., 1999; Brinkmeyer et al., 2003; Bowman, 2004; Michaud et al., 2004; Gentile et al., 2006). Lo scopo del lavoro è stato quello di isolare e caratterizzare, dal punto di vista fenotipico e genotipico, il batterioplancton coltivabile presente in un area marina costiera antartica. 2. MATERIALI E METODI 2.1. Campionamento Durante l Estate Australe , 92 campioni sono stati prelevati con ogni cura di asepsi lungo la colonna d acqua (da 5 a 7 quote) in sei siti a Baia Terra Nova (Mare di Ross, Antartide): Faraglioni (FAR), Mergellina (MER), Portofino (PTF), Santa Maria 274

44 Novella (SMN), Thetys Bay (THS) e Tiburtina (TIB). In ogni sito, ad eccezione di MER e THS, sono stati effettuati tre campionamenti a distanza di una settimana; i singoli campionamenti vengono indicati nel testo come stazioni (Staz.), identificate dall abbreviazione del sito di prelievo seguito da un numero relativo alla data del campionamento (Tab. 1). I prelievi sono stati condotti adoperando bottiglie Niskin da 10 l, previamente trattate con HCl 10 N e montate su apparato Rosette, dotato di sonda multiparametrica per la misura della temperatura e della salinità. Sito FAR Tab. 1 - Siti di campionamento. Prof. max (m) Coordinate Staz. Data FAR S E FAR FAR MER S E MER PTF PTF S E PTF PTF SMN SMN S E SMN THS S E SMN THS THS TIB TIB S E TIB TIB Conteggi totali e vitali L abbondanza del batterioplancton totale (cellule ml -1 ) è stata stimata mediante conteggi diretti al microscopio ad epifluorescenza, previa colorazione con DAPI (Porter & Feig, 1980; La Ferla et al., 2004). Per la determinazione del numero di microrganismi coltivabili (CFU ml -1 ), ciascun campione è stato diluito serialmente e seminato in duplicato su Marine Agar (MA, Difco). Le piastre sono state incubate a 4 C fino all arrivo in Italia Isolamento batterico ed indagini biomolecolari Dalle colonie sviluppatesi si è proceduto all isolamento random dei ceppi batterici e, quindi, alla loro purificazione, prima di procedere con ulteriori analisi. Ad ogni ceppo è stato assegnato un triplice codice: ad esempio, il codice PTF/3/1011 corrisponde al ceppo n 1011, isolato da un campione prelevato dalla stazione Portofino (PTF) nel corso del terzo campionamento. Il 16S rdna dei ceppi isolati è stato sottoposto ad amplificazione via PCR e a successiva analisi di restrizione (ARDRA, Amplified Ribosomal DNA Restriction Analysis) adoperando l enzima AluI (Michaud et al., 2004). Sulla base dei risultati ottenuti dal confronto dei profili ARDRA, almeno due rappresentanti per ogni OTU 275

45 (Operational Taxonomic Unit), presumibilmente specie-specifiche, sono stati sottoposti al sequenziamento del 16S rdna Caratterizzazione fenotipica Una preliminare analisi fenotipica dei ceppi selezionati è stata effettuata adoperando metodiche classiche, tra cui: colorazione di Gram, test dell ossidasi e della catalasi, mobilità, degradazione di macromolecole (amido, chitina, tween 80, agar), crescita in diverse condizioni ambientali (temperatura, salinità), sensibilità agli antibiotici (Lo Giudice et al., 2003; 2006). I ceppi batterici studiati appartengono alla Collezione Italiana di Batteri Antartici (CIBAN-MNA), sezione di Messina, e vengono mantenuti a 4 C su MA fatto solidificare in tubo a becco di clarino e a -80 C in Marine Broth (MB, Difco) addizionato con glicerolo al 20 %. 3. RISULTATI Nel periodo di campionamento la temperatura dell acqua di mare era compresa tra 1,9 e +2,6 C, mentre la salinità tra 33,34 e 37,7. L abbondanza del batterioplancton totale, espressa in cellule ml -1, risultava in media 3,0 ± 2,4 x 10 5 cellule ml -1, variando da 1,2 (Staz. MER-3 a 15 m) a 9,7 x 10 5 cellule ml -1 (Staz. THS-1 a 30 m). Il numero di CFU ml -1 era, invece, compreso tra 0 (Staz. SMN-3 a 500 m) e 8,9 x 10 4 (Staz. THS-1 a 0 m), con un valore medio di 3,5 ± 1,2 x 10 3 CFU ml -1. La percentuale di coltivabilità, ricavata dal confronto tra i conteggi totali e vitali, è risultata nel range 0,04-11 %. Dalle piastre di MA sono state inizialmente prelevate 1700 colonie, con un rendimento finale di isolamento pari al 35,5 %, ovvero 604 ceppi, di cui: 173 isolati da TIB, 107 da SMN, 102 da PTF, 99 da FAR, 77 da THS e, infine, 46 da MER. L analisi dei profili di restrizione ARDRA ha permesso di suddividere i 604 isolati in 53 OTU, la maggior parte delle quali costituite da uno a tre ceppi (Tab. 2). È stata osservata la predominanza di -Proteobatteri (68%), seguiti da Attinobatteri (15%), α-proteobatteri (9 %), Bacteroidetes (5 %) e, infine, Firmicutes (1 %). Per il 3 % degli isolati non è stata individuata una precisa appartenenza filogenetica. In particolare, tra i -Proteobatteri (suddivisi in 11 OTU) i generi Psychromonas (66 %) e Pseudoalteromonas (31 %) sono risultati predominanti, mentre è apparsa trascurabile la presenza dei generi Psychrobacter, Shewanella e Glaciecola (inferiori al 2 %). Tra gli α-proteobatteri (suddivisi in 9 OTU), è risultato predominante il genere Roseobacter (54 %), mentre tra gli Attinobatteri (14 OTU) i generi Agrococcus (30 %), Arthrobacter (24 %) e Frigoribacterium (23 %). Nel caso dei Firmicutes (3 OTU) e dei Bacteroidetes (10 OTU), i diversi generi individuati sono apparsi distribuiti in maniera piuttosto omogenea. L analisi comparativa delle sequenze ha messo in evidenza che 598 dei 604 ceppi isolati sono strettamente correlati con batteri marini conosciuti (percentuale di similarità del 16S rdna > 97 %). I sei ceppi rimanenti presentano una percentuale di similarità 276

46 del 96 % rispettivamente con un batterio antartico della classe dei Bacteroidetes (OTU n 12, cinque ceppi) e con un clone individuato in Artide (OTU n 23, un solo ceppo). Tab. 2 Affiliazione filogenetica dei ceppi rappresentanti le OTU (NR: Numero Rappresentanti; CR: Ceppo Rappresentante; AN: Accession Number; SIM: percentuale di similarità; ALF: α-proteobatteri; GAM: Proteobatteri; ACT: Attinobatteri; FIR: Firmicutes; BAC: Bacteroidetes; NA: non assegnato). Phylum o Ceppo vicino dopo allineamento in GenBank SIM OTU NR CR classe (AN, Microrganismo) (%) ALF 64 1 TIB/3/1091 AJ534230, Sulfitobacter sp. HEL MER/3/0104 SSP542658, Sulfitobacter sp / A 3 TIB/3/1180 AY745834, Paracoccus sp. NPO-JL TIB/1/0392 AY167261, Roseobacter sp. ANT TIB/3/1103A AY576690, Roseobacter sp. 14III/A01/ FAR/4/1388 AY771745, Loktanella salsilacus cl. SE THS/1/0231 AB099634, Sphingomonas xenophaga P PTF/3/1011 AF468357, Arctic sea ice bacterium ARK PTF/4/1546 AF468373, Arctic sea ice bacterium ARK GAM PTF/4/1619 AY167263, Psychromonas sp. ANT9282b FAR/1/0779 AY167312, Psychromonas sp. ANT9282a SMN/1/0683 DQ218321, Pseudoalteromonas sp. EBD 99 6A 60 FAR/1/0777 AM110978, Pseudoalteromonas sp A 44 THS/2/1329 AY781153, Pseudoalteromonas sp. NJ TIB/3/1098 AY687990, Pseudoalteromonas sp. 005NJ FAR/4/1410 AY745825, Pseudoalteromonas sp. JL SMN/5/1212 AY198113, Psychrobacter sp. HLA TIB/1/0372 AY656801, Psychrobacter sp SMN/1/0602 U85853, Glaciecola punicea ACAM 611T TIB/1/0430 SGU85907, Shewanella gelidimarina ACAM ACT 6 10 MER/3/0101 AF134184, Arthrobacter agilis strain LV MER/3/0124 DQ366002, Arthrobacter sp. 20/ SMN/1/0653 AJ717366, Citrococcus sp. AC TIB/3/1211 DQ177472, Nocardioides sp. Tibet-IIR THS/2/0263 AY599739, Actinobacterium TB3-4-I TIB/3/1162 AB010908, Rhodococcus sp. SGB TIB/3/1188 AY771765, Rhodococcus fascians clone SE MER/3/0128 AJ16SRRN, Agrococcus jenensis PTF/1/0544 AJ438585, Leifsonia rubra clone SE THA/1/1059 AY785738, Microbacterium oxydans OUCZ TIB/3/1195 DQ448696, Dietzia sp. CNJ TIB/1/0333 AF468438, Arctic sea ice bacterium ARK TIB/3/1200 AB245394, Aeromicrobium sp. Gsoil SMN/1/0703 AJ440992, Antarctic bacterium R FIR 30 3 THS/1/0249 AF326364, Bacillus sp. MB SMN/3/1645 AY188839, Bacillus sp. ROO2A TIB/3/1184 AF324659, Planococcus psychrotoleratus 99 BAC 3 5 SMN/1/0633 AY694006, Gillisia hiemivivida str IC TIB/3/1185 AY576655, Gillisia mitskevichiae TIB/3/1130 UBA440991, Antarctic bacterium R

47 Tab. 2 Continua. Phylum o Ceppo vicino dopo allineamento in GenBank SIM OUT NR CR classe (AN, Microrganismo) (%) 13 6 PTF/1/0481 AY694003, Bizionia algoritergicola APA TIB/1/0314 AY167320, Psychroflexus torquis ANT MER/3/0208 AY771712, Polaribacter irgensii PTF/1/0565 AB015262, Uncultured Cytophaga sp. JTB MER/3/0155 AY285941, Flavobacteriaceae bact. G1712M TIB/3/1139 AF001367, Gelidibacter algens THS/2/O267 AF468277, Uncultured bact. clone ARKIA NA 60A 1 THS/2/1364 AF277556, Uncultured bacterium SIC.B SMN/1/0657 DQ064632, Antarctic seawater bact. Bsw TIB/3/1165 AY165588, Arctic bact. clone ARKXV/ THS/2/0261 AF479355, Glacial ice bacterium G50-TB FAR/3/1490 DQ906759, Antarctic bact. clone AntCL3C A 2 MER/3/0189 DQ395932, Uncult. org. clone ctg_cgof Lievi differenze nella composizione del batterioplancton coltivabile sono state rilevate sia tra i siti in esame sia all interno dello stesso sito (Tab. 3). La predominanza di -Proteobatteri è stata osservata in tutte le stazioni (39-96 %), ad eccezione di MER- 3, dove la maggior parte degli isolati (41 %) è risultata essere affiliata alla classe degli Attinobatteri. Gli Attinobatteri sono stati isolati in tutte le stazioni (nel range 2-41 %), ad eccezione di FAR-1, caratterizzata dalla presenza quasi esclusiva di -Proteobatteri; nello stesso sito, α-proteobatteri e Attinobatteri sono stati isolati solo dai campioni prelevati durante i due campionamenti successivi (Staz. FAR-2 e FAR-4). Il sito FAR si è distinto, inoltre, per la totale assenza dei due phyla Firmicutes e Bacteroidetes. Tab. 3 - Percentuali di ciascun phylum o classe nelle diverse stazioni. Stazione Phylum o Classe PTF 1 PTF 3 PTF 4 FAR 1 FAR 2 FAR 4 THS 1 THS 2 α-proteobatteri Proteobatteri Attinobatteri Firmicutes 3 Bacteroidetes Non assegnati Stazione Phylum o Classe SMN 1 SMN 3 SMN 5 TIB 1 TIB 2 TIB 3 MER 3 α-proteobatteri Proteobatteri Attinobatteri Firmicutes Bacteroidetes Non assegnati

48 Gli α-proteobatteri (nel range 0-26 %), risultati in percentuale maggiore nel sito TIB, non sono stati isolati soltanto da due stazioni (FAR-1 e SMN-5). Allo stesso modo, i Bacteroidetes (nel range 0-17 %), oltre che essere assenti, come già detto, nel sito FAR, non sono stati isolati dalle Staz. PTF-4 e TIB-2. Infine, un range più ristretto (0-4 %) è stato determinato per i Firmicutes, sempre poco rappresentati numericamente e completamente assenti nei siti PTF e FAR. I risultati della preliminare indagine fenotipica sono riportati in tabella 4. I ceppi analizzati sono in prevalenza Gram-negativi, bastoncellari, mobili, catalasi positivi e ossidasi negativi, psicrotrofi e in grado di crescere in un ampio range di concentrazione salina. Nessuno è in grado di degradare la chitina e l agar, mentre è stata osservata l utilizzazione di amido e tween 80. Tutti i ceppi sono sensibili all ampicillina ed al cloramfenicolo; la sensibilità agli altri antibiotici testati si è rivelata piuttosto variabile. Tab. 4 Caratteristiche fenotipiche dei ceppi analizzati (espresse in percentuale di positività). Caratteristica % Caratteristica % Gram-negativi 84 Crescita su diversi terreni Gram-positivi 16 TSA 79 Pigmentazione delle colonie 75 TSA + 3% NaCl 92 Motilità 81 Test biochimici: Flagelli polari 70 Ossidasi 27 Cellule bastoncellari 88 Catalasi 76 Cellule coccoidi 12 Idrolisi di macromolecole: Crescita a ( C): Chitina Agar Amido Tween [NaCl] per la crescita (%) Sensibilità a: 0 63 Penicillina G Polimixina B O/ Acido nalidixico Tobramicina Tetraciclina Cloramfenicolo Ampicillina DISCUSSIONI L abbondanza del batterioplancton totale rientrava nei range riportati in letteratura per acque antartiche (Delille, 1992; Crisafi et al., 2000; Ducklow et al., 2001). Il confronto dei dati ottenuti dai conteggi totali e vitali ha consentito di ricavare una percentuale di coltivabilità in alcuni casi piuttosto elevata (11%). Buona parte dei ceppi isolati, seppure cresciuti dopo il primo isolamento, non hanno mostrato crescita nei successivi trapianti, mettendo in evidenza le difficoltà esistenti quando i microrganismi marini vengono coltivati in condizioni di laboratorio. In ogni caso, si è riusciti a mantenere 16 ceppi batterici (appartenenti a sei OTU distinte), strettamente correlati a 279

49 microrganismi non isolati in precedenza e per i quali non è chiara l appartenenza filogenetica. La comunità batterica analizzata non può che rappresentare in parte quella effettivamente presente e rilevabile unicamente con tecniche biomolecolari indipendenti dalla coltivazione. Per tale motivo, bisogna premettere che la comparazione dei risultati ottenuti nel corso del presente studio con quelli riportati in letteratura per ambienti antartici è resa difficile dalla diversità delle metodiche utilizzate. La maggior parte degli isolati è strettamente correlata (similarità > 97 %) con specie batteriche riportate in precedenza per ambienti polari o caratterizzati da basse temperature. Inoltre, il ceppo TIB/1/0372 mostra una percentuale di similarità pari al 100 % con Psychrobacter sp. 63, un batterio lipolitico da noi precedentemente isolato dal medesimo sito (Estate Australe 1994/95) e recentemente caratterizzato (Lo Giudice et al., 2006). Le sequenze ottenute dagli isolati TIB/3/1130 e TIB/3/1165, rappresentanti due diverse OTU, presentano, invece, una percentuale di similarità < 97% con batteri noti, indicando la possibilità che essi possano appartenere a specie nuove, per le quali non sono ancora disponibili in database le relative sequenze. In particolare, il batterio più vicino dopo appaiamento delle sequenze al ceppo TIB/3/1165, unico rappresentante dell OTU n 23, è dato da un clone e, quindi, non coltivato in laboratorio. Allo stesso modo, il ceppo rappresentante l OTU n 12 (TIB/3/1130), caratterizzato da una percentuale di similarità del 96 % con l Antarctic bacterium R-8282, appartiene probabilmente ad una specie nuova. La predominanza di ceppi affiliati alla classe dei -Proteobatteri è stata riportata anche per altre regioni artiche e antartiche (Bowman et al., 1997; Brinkmeyer et al., 2003). Tuttavia, tale risultato è in contrasto con studi recenti condotti da Gentile et al. (2006) e Prabagaran et al. (in stampa), rispettivamente su acque costiere superficiali di Baia Terra Nova e acque sub-antartiche (Ushuaia); questi Autori riferiscono, infatti, sulla predominanza di α-proteobatteri. Brinkmeyer et al. (2003), conducendo uno studio sia sulla frazione coltivabile che sulla comunità microbica totale, hanno individuato il genere Glaciecola quale filotipo dominante, mentre nel nostro caso si è trattato del genere Psychromonas, con Glaciecola rappresentata da soli due isolati (OTU n 63). Nel nostro studio, il secondo gruppo dominante è risultato essere quello degli Attinobatteri (15 %). Tale dato, ancora una volta in contrasto con quelli ottenuti da altri Autori (Brinkmeyer et al., 2003; Gentile et al., 2006; Prabagaran et al., in stampa), potrebbe essere considerato inusuale; infatti, generalmente, gli Attinobatteri isolati dall ambiente marino vengono considerati alloctoni. Tuttavia, la loro presenza nelle acque di Baia Terra Nova è stata già rilevata in passato (Michaud et al., 2004) e potrebbe dipendere dalle caratteristiche ambientali dell area oggetto di studio. Gli α-proteobatteri isolati appartengono in massima parte al cosiddetto marine alpha cluster, un gruppo filogenetico, comprendente i generi Roseobacter, Sulfitobacter e Sagittula, che contribuisce significativamente al picoplancton costiero (Gonzales & Moran, 1997). La loro presenza è stata determinata anche tra i cloni analizzati da Prabagaran et al. (in stampa) e tra gli isolati identificati da Brinkmeyer et al. (2003), mentre non tra i cloni ottenuti da Gentile et al. (2006) a partire da campioni prelevati proprio a Baia Terra Nova. 280

50 La presenza di Bacteroidetes nell ambiente marino antartico viene riportata dagli stessi Autori citati sopra. Si tratta generalmente di un phylum strettamente correlato allo scioglimento dei ghiacci ed ai bloom fitoplanctonici. I Firmicutes, scarsamente rappresentati in questo studio (solo cinque ceppi) non sembra siano stati individuati da altri Autori in acque antartiche. Infine, i risultati ottenuti dai tre campionamenti effettuati nei diversi siti non mostrano evidenti differenze; ciò suggerisce che la struttura della comunità batterioplanctonica coltivabile, almeno in riferimento ai grandi gruppi filogenetici, si sia mantenuta pressoché stabile nel periodo di tempo in cui sono stati effettuati i campionamenti. Sebbene la frazione coltivabile analizzata costituisca solo una piccola percentuale dell intero assemblaggio batterioplanctonico antartico studiato, i risultati ottenuti contribuiscono ad ampliare le nostre conoscenze sulla diversità batterica antartica, fornendo informazioni che non potrebbero essere ottenute mediante approcci indipendenti dalla coltivazione. Inoltre, i ceppi isolati costituiscono una collezione unica per poter procedere in futuro con più approfondite analisi tassonomiche e screening atti a valutarne il potenziale biotecnologico. RINGRAZIAMENTI Si ringraziano i colleghi Michela Castellano ed Enrico Olivari (Progetto PNRA 2004/8.5; U.O. SPE-POV), e tutto il personale tecnico-logistico alla Base Mario Zucchelli per la cordiale ed efficace collaborazione. La ricerca è stata finanziata dal Progetto PNRA 2004/1.6 e dal Museo Nazionale dell Antartide (MNA). BIBLIOGRAFIA Bowman J.P Psychrophilic prokaryote structural-functional relationships, biogeography and evolution within marine sediment. Cell. Mol. Biol., 50: Bowman J.P., McCammon S.A., Brown M.V., Nichols D.S. & McMeekin T.A Diversity and association of psychrophilic bacteria in Antarctic sea ice. Appl. Environ. Microbiol., 63: Brinkmeyer R., Knittel K., Jurgens J., Weyland H., Amann R. & Helmke E Diversity and structure of bacterial communities in Arctic versus Antarctic pack ice. Appl. Environ. Microbiol., 69: Brown M.V. & Bowman J.P A molecular phylogenetic survey of sea-ice microbial communities (SIMCO). FEMS Microbiol. Ecol., 35: Bruni V., Gugliandolo C., Maugeri T. & Allegra A Psychrotrophic bacteria from a coastal station in the Ross Sea (Terra Nova Bay, Antarctica). Microbiologica, 22:

51 Crisafi E., Azzaro F., La Ferla R. & Monticelli L.S Microbial biomass and respiratory activity related to the ice-melting upper layers in the Ross Sea (Antarctica). In: Faranda F.M., Guglielmo L. & Ianora A. (Eds), Ross Sea Ecology. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg: Delille D Marine bacterioplankton at the Weddell Sea ice edge, distribution of psychrophilic and psychrotrophic populations. Pol. Biol., 12: Ducklow H., Carlson C., Church M., Kirchman D., Smith D. & Steward G The seasonal development of the bacterioplankton bloom in the Ross Sea, Antarctica, Deep Sea Res. Part II, 48: Gentile G., Giuliano L., D'Auria G., Smedile F., Azzaro M., De Domenico M. & Yakimov M.M Study of bacterial communities in Antarctic coastal waters by a combination of 16S rrna and 16S rdna sequencing. Environ. Microbiol., 8: Gonzales J.M. & Moran M.A Numerical dominance of a group of marine bacteria in the α-subclass of the class Proteobacteria in coastal seawater. Appl. Environ. Microbiol., 63: Gosink J.J., Woese C.R. & Staley J.T Polaribacter gen.nov., with three new species, P. irgensii sp. nov., P. franzmanii sp.nov. and P. filamentus sp. nov., gas vacuolate polar marine bacteria of the Cytophaga-Flavobacterium-Bacterioides group and reclassification of "Flectobacillus glomeratus" as Polaribacter glomeratus comb. nov. Int. J. Syst. Bacteriol., 48: Gupta P., Chaturvedi P., Pradhan S., Delille D. & Shivaji S Marinomonas polaris sp. nov., a psychrohalotolerant strain isolated from coastal sea water off the subantarctic Kerguelen islands. Int. J. Syst. Evol. Microbiol., 56: La Ferla R., Lo Giudice A. & Maimone G Morphology and LPS content for the estimation of the bacterial biomass in the Ionian Sea. Sci. Mar., 68(1): Legendre L., Ackley S.F., Dieckmann G.S., Gulliksen B., Horner R., Melnikov I.A., Roburgh W.S., Spindler M. & Sullivan C.W Ecology of the sea biota. 2 Global significance. Pol. Biol., 12: Lo Giudice A., Michaud L., Allegra A. & Bruni V Batteri psicrotrofi provenienti da habitat diversi del Mare di Ross (Baia Terra Nova, Antartide). Biol. Mar. Medit., 10(2): Lo Giudice A., Michaud L., de Pascale D., De Domenico M., di Prisco G., Fani R. & Bruni V Lipolytic activity of Antarctic cold-adapted marine bacteria (Terra Nova Bay, Ross Sea). J. Appl.Microbiol., 101: Maugeri T.L., Gugliandolo C. & Bruni V Heterotrophic bacteria in the Ross Sea (Terra Nova Bay, Antarctica). Microbiologica, 19: Michaud L., Di Cello F., Brilli M., Fani R., Lo Giudice A. & Bruni V Biodiversity of cultivable Antarctic psychrotrophic marine bacteria isolated from Terra Nova Bay (Ross Sea). FEMS Microbiol. Lett., 230: Porter K.G. & Feig Y.S The use of DAPI for identifying and counting aquatic microflora. Limnol. Oceanogr., 25: Prabagaran S.R., Manorama R., Delille D. & Shivaji S. Predominance of Roseobacter, Sulfitobacter, Glaciecola and Psychrobacter in seawater collected off Ushuaia, Argentina, Sub-Antarctica. FEMS Microbiol. Ecol. (in stampa). 282

52 Shivaji S., Gupta P., Chaturvedi P., Suresh K. & Delille D Marinobacter maritimus sp. nov., a psychrotolerant strain isolated from sea water off the subantarctic Kerguelen islands. Int. J. Syst. Evol. Microbiol., 55: Van Trappen S., Mergaert J., Van Eygen S., Dawyndt P., Cnockaert M.C. & Swings J Diversity of 746 heterotrophic bacteria isolated from microbial mats from ten Antarctic lakes. Syst. Appl. Microbiol., 25: Yakimov M.M., Giuliano L., Gentile G., Crisafi E., Chernikova T.N., Abraham W.R., Lunsdorf H., Timmis K.N. & Golyshin P.N Oleispira antarctica gen. nov., sp. nov., a novel hydrocarbonoclastic marine bacterium isolated from Antarctic coastal sea water. Int. J. Syst. Evol. Microbiol., 53: Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

53 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 VIRUS-PROKARYOTE INTERACTIONS IN DEEP SEDIMENTS: A PAN-EUROPEAN SCALE STUDY Mirko MAGAGNINI, Antonio DELL ANNO, Cinzia CORINALDESI, Gian Marco LUNA, Roberto DANOVARO Dipartimento di Scienze del Mare, Facoltà di Scienze, Università Politecnica delle Marche, Via Brecce Bianche Ancona RIASSUNTO Interazioni virus-procarioti nei sedimenti profondi: uno studio su scala paneuropea I virus rappresentano la componente numericamente dominante in tutti i sistemi acquatici, superando di uno o due ordini di grandezza le abbondanze dei procarioti. A causa della loro elevata abbondanza ed infettività, i virus potrebbero avere un importante ruolo nelle dinamiche del circuito microbico e nella biogeochimica della materia organica. Tuttavia, le informazioni riguardo il possibile controllo da parte dei virus sull abbondanza dei procarioti e sul ciclo della DOM sono ancora estremamente scarse. In questo studio si forniscono nuove informazioni sulla mortalità procariotica indotta da infezione virale nei sedimenti profondi dei margini continentali europei, a profondità comprese tra i 216 e i 5571 metri. Le abbondanze virali e procariotiche erano elevate in tutti i sedimenti analizzati, e confrontabili con i valori tipici di ambienti superficiali. I tassi di produzione virale lorda, calcolata come somma tra produzione netta e decadimento, erano compresi tra 0.48 e 4.9 x 10 8 virus g -1 h -1. I brevi tempi di turnover virale (da 4 a 48 ore) suggeriscono che i sedimenti profondi possono rappresentare un ambiente favorevole per i virus. La mortalità procariotica indotta da lisi virale superava il 90 % nei sedimenti oltre i 2000 m. Questi risultati suggeriscono che i virus non possono essere ulteriormente trascurati nella modellizzazione del funzionamento degli ecosistemi di mare profondo. ABSTRACT Viruses represent the numerically dominant component in all aquatic systems, exceeding prokaryote abundance by one to two orders of magnitude. Due to their high abundance and infectivity, viruses may have profound effects on microbial loop dynamics and biogeochemical cycling of organic matter. However, information on the possible control by viruses on prokaryote abundance and DOM cycling is still scarce. In this study, we provide new insights on viruses-mediated prokaryote mortality in deepsea sediments of continental margins on a pan-european scale. Sampling was performed between 216 and 5571 meters depth. Viral and prokaryote abundances were high in all sampled environments, and comparable with surface values. Gross viral production 285

54 rates, calculated as sum of net viral production and decay, ranged from 0.48 to 4.9 x 10 8 virus g -1 h -1. The short viral turnover times (from 4 to 48 hours) suggest that deep sediments might represent a favorable environment for viruses. The viral-induced prokaryote mortality was higher than 90 % in sediments deeper than 2000 meters. Our results suggest that viruses cannot be further neglected in assessing and modeling the functioning of deep-sea ecosystems. 1. INTRODUCTION Viruses (mainly bacteriophages) are the most abundant biological entities in marine systems, typically numbering ml -1 (Wommack & Colwell, 2000; Mei & Danovaro, 2004). They probably infect all organisms and can rapidly replicate and decay, influencing many biogeochemical and ecological processes (such as nutrient cycling, system respiration, bacterial biodiversity, dimethyl sulphide formation and genetic transfer Fuhrman, 1999). The recognition of viral influence on pelagic processes has, in the past few years, led to an increased focus on the role of viruses in benthic environments (Danovaro et al., 2001; Hewson et al., 2001; Middelboe et al., 2003; Mei & Danovaro, 2004). Available information suggests that viruses are abundant, diverse and dynamic members of benthic communities (Glud & Middelboe, 2004; Mei & Danovaro, 2004). However, to date, most of our knowledge on benthic viruses is based on small-scale investigations on surface, coastal sediments (Weinbauer, 2004). Deep marine sediments remain the largest and unexplored study field of viral ecology. The aim of this work is to provide an accurate estimate of total viral abundance, viral production and decay rates in deep sediments, to allow understanding if viruses really exert a significant control on deep prokaryote C production. This would enable a better understanding of the importance of viral shunt on C cycling in deep oceans. 2. MATERIALS AND METHODS Samples were collected between July and October 2005 at 38 stations in 6 main areas of European margins (Artic Ocean, Iberian margin, Catalan margin, South Tyrrhenian, Sicily Channel, Atalante Basin), including bathymetric and latitudinal transects at each sampling site. Sampling depth ranged from 216 m (Sicily Channel, Mediterranean Sea) and 5571 m (Hausgarten, Artic Ocean). Sampling was performed by means of box-corers and multiple-corers. Viral abundance have been determined by direct counts under epifluorescence microscopy after SYBR-Green I staining (as described in Danovaro et al., 2001). Viral production rates were determined using the dilution technique (Mei & Danovaro, 2004). Virus decay experiments were performed by inhibition of viral production by poisoning prokaryotic fraction with Mitomycin C (Glud & Middelboe, 2004). Rates were determined from first-order regression of viral abundance vs time for triplicate incubations. Prokaryote abundance and the fraction of Nucleoid Containing 286

55 Cells (NuCC) have been determined according to Luna et al. (2002) by acridine orange staining. Prokaryote carbon production was determined by 3 H-leucine incorporation (Smith & Azam, 1992). The burst size (BS) was estimated from time course experiments of viral production. The decrease in prokaryote counts during the viral production experiments was assumed to represent the fraction of bacteria lysed by viral infection. The ratio of viral production to number of killed bacteria, integrated to the entire the time course experiment, was used to calculate the burst size in each aquatic sediment. Viral-induced prokaryote mortality (VIPM) was calculated as: VIPM (%)= [VP/BS] x 100/[PT x PDC] (1) where: VP is the viral production as number of viruses produced per ml per hour; BS is the burst size; PT is the prokaryote turnover as h -1 and PDC is the prokaryote direct count (Mei & Danovaro, 2004). 3. RESULTS AND DISCUSSION The large spatial scale analysis of viral distribution revealed high viral and prokaryote abundances in deep-sea sediments, ranging from 0.57 to 4.35 x 10 9 viruses g -1 (in the Sicily Channel and Nordic Margin, respectively) and from 1.02 to x 10 8 cells g -1 (in the Sicily Channel and Nordic Margin, respectively). Our data falls within the range of previous data reported for surface and deep sediments (Danovaro & Serresi, 2000; Mei & Danovaro, 2004), suggesting that deep sediments could sustain high viral and prokaryote abundances. Previous studies (Mei & Danovaro, 2004; Hewson & Fuhrman, 2003) indicated prokaryotes as the most important hosts for benthic viruses. The correlation (P<0.05, n=38) between viral and total prokaryote abundances found in all investigated sites confirm this hypothesis. The estimated net viral production was variable and did not decrease with depth, ranging from 0.43 to 3.28 x 10 8 viruses g -1 h -1. Net viral production was, on average, 5 folds higher than decay rates. Gross viral production, calculated as net viral production + viral decay, ranged from 0.49 to 4.87 x 10 8 viruses g -1 h -1. The short viral turnover times (from 4 to 48 hours) confirm that viruses are a very dynamic component also in deep sediments. The preliminary results on viral impact on prokaryotes suggest that viral-induced prokaryote mortality slightly increased with depth (Fig. 1), reaching very high values (close to 100 %). These preliminary results suggest that, in deep-sea sediments, viral-induced prokaryote mortality is the main pathway of organic carbon recycling and energy transfer across the trophic web, and it is able to divert the entire prokaryote C production into DOC. Moreover, these preliminary results suggest that in deep sea sediments benthic C production cannot be channelled in higher trophic levels and suggest that viruses are a key component in global biogeochemical cycles. 287

56 VIPM (%) y = Ln(x) R 2 = Depth (m) Fig. 1 - Viral-induced prokaryote mortality in deep-sea sediments. REFERENCES Danovaro R. & Serresi M Viral density and virus-to-bacterium ratio in deep-sea sediments of the Eastern Mediterranean. Appl. Environ. Microbiol., 66: Danovaro R., Dell anno A., Trucco A. & Vannucci S Determination of virus abundance in marine sediments. Appl. Environ. Microbiol., 67: Hewson I., O Niel J.M., Fuhrman J.A. & Dennison W.C Virus-like particle distribution and abundance in sediments and overlying waters along eutrophication gradients in two subtropical estuaries. Limnol. Oceanogr., 46: Luna G.M., Manini E. & Danovaro R Large fraction of dead and inactive bacteria in coastal sediments: comparison of protocols for determination and ecological significance. Appl. Environ. Microbiol., 68: Middelboe M., Glud R.N. & Finster K Distribution of viruses and bacteria in relation to diagenetic activity in an estuarine sediment. Limnol. Oceanogr., 48: Mei M.L. & Danovaro R Virus production and life strategies in aquatic sediments. Limnol. Oceanogr., 49: Fuhrman J Marine viruses and their biogeochemical and ecological effects. Nature, 399: Glud R.N. & Middelboe M Virus and bacteria dynamics of a coastal sediment: implications for benthic carbon cycling. Limnol. Oceanogr., 49:

57 Smith D.C. & Azam F A simple, economical method for measuring bacterial protein synthesis rates in seawater using 3 H-leucine. Mar. Microb. Food Webs, 6: Weinbauer M.G Ecology of prokaryotic viruses. FEMS Microbiol. Rev., 28: Wommack K.E. & Colwell R.L Virioplankton: Viruses in aquatic ecosystems. Microbiol. Mol. Biol. Rev., 64: Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

58 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 FINDINGS OF PHOTOTROPHIC PICOPLANKTON IN THE MESO- AND BATHY-PELAGIC ZONE OF THE IONIAN SEA (MEDITERRANEAN) Giovanna MAIMONE, Rosabruna LA FERLA, Francesco RAFFA, Maurizio AZZARO, Filippo AZZARO, Marcella LEONARDI IAMC-CNR, Sezione di Messina, Spianata S. Raineri, Messina RIASSUNTO Presenza di picoplancton fototrofo negli strati meso- e bati-pelagici del Mar Ionio (Mediterraneo) Nell ambito del progetto NEMO, durante 2 campagne oceanografiche condotte nel Mar Ionio, sono stati raccolti campioni d acqua dalla superficie al fondo. Sono state distinte due popolazioni picofitoplanctoniche: Synechococcus spp. e un gruppo di piccole cellule sferiche con fluorescenza rossa non identificate. Le abbondanze cellulari erano nell ordine di 10 3 cell ml -1. Generalmente, le più alte concentrazioni sono state riscontrate nella zona epipelagica, ma significative abbondanze sono state osservate anche negli strati meso e batipelagici. ABSTRACT In the framework of NEMO Project, two multidisciplinary surveys were performed in a deep-sea area in front off Cape Passero (Ionian Sea). Coccoid cyanobacteria, genus Synechococcus and an unidentified group of very small red fluorescing cells were repeatedly observed in the aphotic zones. The cellular abundances were in the order of 10 3 cells ml -1. Generally the highest concentrations were detected in the epipelagic zone, but significant abundances were achieved also in the meso- and/or bathypelagic zones. 1. INTRODUCTION The photosynthetic prokaryotes represent the main biomass in oceanic ecosystem and play an essential role in the biogeochemical cycles. The diversity of the photosynthetic prokaryotes in the picoplanktonic fraction is mainly represented by two genera: Synechococcus and Prochlorococcus. Several studies have described their distribution patterns and ecological roles (Campbell & Vaulot, 1993; Partensky et al., 1999; Blanchot et al., 2001). Notwithstanding exhaustive literature exists on their distribution and ecology in surface waters, their presence below 200 m remains unknown. During an oceanographic cruise conducted in the Eastern Mediterranean Sea 291

59 in 1987, the occurrence of autofluorescing picoplankters at great depths was reported (La Ferla & Crisafi, 1991). Again, in 1999 in the frame of SINAPSI project carried out in the pelagic Ionian Sea, Synechococcus as well as very small red cells at surface and deep layers were observed (unpublished data). This work is aiming to notify the finding of phototrophic picoplankton (Synechococcus sp and other very small red fluorescing cells) in the aphotic zones of the Ionian Sea. 2. MATERIALS AND METHODS In the frame of the NEMO Project (Neutrinos Monitoring Observatory), two multidisciplinary surveys were carried out in the Ionian Sea (Autumn 2000 and Summer 2001). Three sampling stations (L1 stn.: N, E, depth 2206m; KM3 stn.: N, E, depth 3310m; KM4 stn.: N; E, depth 3331m) in front of Cape Passero (Italy) were investigated. Water samples were collected from surface to bottom. Temperature and salinity were measured in situ using a CTD multiprobe (SBE 911 Sea Bird Electronics). Samples for nutrients (NO 3 +NO 2, NH 4, PO 4 ) were performed according to Strickland & Parsons (1972). Water samples for picophytoplankton enumeration were analysed according to El Hag & Fogg (1986) and observed by an Axioplan 2 Imaging microscope (Zeiss) equipped with Zeiss Axiocam digital camera, and Zeiss Axiovision 3.1 software. 3. RESULTS Low concentrations of nitrates, ammonium and phosphates were detected in both the seasonal periods and sampling sites. NO 3 +NO 2 range between 0.01 and 5.26 µm; PO 4 between 0.01 and 0.45 µm; NH 4 between 0.01 and 1.14 µm. Synechococcus sp. (SYN) and the smaller reddish spherical cells, called in the following text Other Picophytoplankton (OP), were distinguished according their fluorescence and dimension (SYN range size: µm; OP range size: µm). The abundances of both microorganisms were generally low in the order of 10 3 cells ml -1. Minima, maxima, mean values and standard deviations of the SYN and OP abundances in table 1 are summarized. Abundances of both organisms were higher in summer than autumn. Tab. 1 - Range, mean and standard deviation of picophytoplankton cell concentrations in autumn and summer. SYN: Synechococcus; OP: Other Picophytoplankton as cells x 10 3 ml -1. AUTUMN SUMMER L1 KM3 KM4 L1 KM3 KM4 SYN range < < mean ± sd 0.8 ± ± ± ± ± ± 0.6 OP range < < < < < mean ± sd 0.1 ± ± ± ± ± ±

60 The depth-integrated abundances normalized of SYN and OP in the epi meso and bathy-pelagic zones showed for each station different patterns (Fig. 1). The importance of picophytoplankton often resulted greater at deep than at surface layers. In autumn, highest SYN occurrence was in the meso-pelagic zone at KM4 and in the bathy-pelagic zone at L1. Highest OP abundance was achieved in the epi-pelagic layer at KM3; however two significant secondary increases were observed in the bathypelagic zones at KM3 and KM4. In summer, SYN showed high concentrations in the epi-pelagic layer, but high values were also detected in the meso and bathy-pelagic zones at KM4. OP contribution was important in all examined layers. Fig. 1 - Depth integrated abundances of SYN and OP in the epi- meso- and bathy pelagic zones for each stations. 4. DISCUSSIONS AND CONCLUSIONS Our results showed low SYN abundances in the pelagic Ionian Sea, well-known as oligotrophic environment. The surface values were similar to those referred for other oceanic and mediterranean areas (Campbell & Vaulot, 1993; Acosta Pomar et al., 1998; Blanchot et al., 2001). The distribution of the picophytoplankters, and particularly of SYN, generally reflects adaptations to different nutrient and light regimes. In fact, in nutrient-enriched areas SYN is often abundant. Densities of 10 6 cells ml -1 in the Costarica Dome and 10 5 cells ml -1 in Mauritian and Arabian coasts were detected (Partensky et al., 1999). Differences in cell abundances between the two sampling periods are, in our opinion, related with the seasonal trend of the total phototrophic assemblage. In fact, picophytoplankton co-exists with larger-size phytoplankton and their abundances are modulated by patterns of reciprocal dominance or competition. In low 293

61 trophic conditions cyanobacteria could govern the photosynthetic assemblage, while during late-summer bloom larger phytoplankton overwhelmed cyanobacteria (Cotner & Biddanda, 2002). However, the most interesting topic of our research was the findings of high densities of both SYN and OP surprisingly in the meso- and bathy-pelagic layers. As a matter of fact, with the exception of La Ferla & Crisafi (1991), to our knowledge no detection exsists on the occurrence of photosynthetic picoplankters at depths, probably because the majority of researchers consider unexpected their presence in the marine biota below 200 m. The presence of SYN and OP at great depths confirms their adaptability to a wide range of environments. Broenkow et al., (1985) attributed the measurements of deep maxima (500 and 1000 m) during in-situ fluorescent profiles in the Pacific ocean to biological causes (cyanobacteria or nitryfing bacteria or purple non sulfur bacteria). In fact, cyanobacteria could be associated with the transport of particulate organic matter or faecal pellets, of which constitute one of the main vital components (Lewitus & Broenkow, 1985). Hypotheses on the ecological significance of picophytoplankton at greater depths do not exclude the possibility that these organisms constitute darkadapted facoltative photoautotrophs. This seems to be confirmed by a study concerning the light produced by 40 K decays, achieved in the deep Ionian sea (Massa, 2001). An hypothesis is that cyanobacteria could be able to develop a system to use this light emission as energy source. Furthermore, the presence of phycoerythrin in the pigmentary set of these genera may lead to a photosynthetic function role but also allow to stockpile nitrogen for the quiescent and conservative forms (Broenkow et al., 1985). We know that the use of the epifluorescence microscopy is suitable for studying the SYN distribution but it is not the appropriate methodology for studying the smallest and red cells that we called OP. Nevertheless, we think this finding is interesting as well as it is important to continue this research with more appropriate techniques. In fact, we hypotesize that such small microorganisms could be cyanobacteria of Prochlorococcus genus. REFERENCES Acosta Pomar M.L.C., Caruso G., Maugeri T.L., Scarfò R. & Zaccone R Distribution of Synechococcus spp. determined by immunofluorescent assay. Journal of Applied Microbiology, 84(4): Blanchot J., Andrè J.M., Navarette C., Neveux J. & Radenac M.H Picophytoplankton in the equatorial Pacific: vertical distributions in the warm pool and in the high nutrient low chlorophyll conditions. Deep-Sea Research I, 48: Broenkow WW., Lewitus A.J. & Yarbrough M.A Spectral observations of pigment fluorescence in intermediate depth waters of the North Pacific. Journal of Marine Research, 43:

62 Campbell L. & Vaulot D Photosynthetic picoplankton community structure in the subtropical North Pacific Ocean near Hawaii (station ALOHA). Deep-Sea Research I, 40(10): Cotner J.B. & Biddanda B.A Small players, large role: microbial influence on biogeochemical processes in pelagic aquatic ecosystems. Ecosystems, 5: El Hag A.G.D. & Fogg G.E The distribution of coccoid blue-green algae (Cyanobacteria) in the Menai Straits and Irish Sea. Br. Phycol J., 21: La Ferla R. & Crisafi E Preliminary study on vertical distribution of microorganisms in the Bannok Basin waters (Eastern Mediterranean Sea). Mar. Ecol. Prog. Ser., 75: Lewitus A.J. & Broenkow W.W Intermediate depth pigment maxima in oxygen minimum zones. Deep Sea Res., 9: Massa F Optical radiation background from 40 K decays in undersea neutrino telescopes. Eur. Phys. J.C. Partensky F., Blanchot J. & Vaulot D Differential distribution and ecology of Prochlorococcus and Synechococcus: a review. In: Charpy L. & Larkum A.W.D. (Eds), Marine Cyanobacteria. Bull. Inst. Océanog., Monaco, n special 19: Strickland J.D.H. & Parsons T.R A practical handbook of seawater analysis. Bull. Fish. Res. Board Can., 167: Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

63 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 EFFETTI TOSSICI PREVISTI ED OSSERVATI DI MISCELE DI AGENTI ANTIVEGETATIVI PER L ECHINOIDE PARACENTROTUS LIVIDUS Sonia MANZO 1, Silvia BUONO 2, Carlo CREMISINI 3 1 ENEA C. R. Portici, Via vecchio Macello, Portici (NA) 2 CRIAcq Via Università, Portici (NA) 3 ENEA C.R. Casaccia, S.p. Anguillarese, Roma ABSTRACT Predicted and observed toxic effects of antifouling gents mixtures on the echinoid Paracentrotus lividus The aim of this work was to investigate the equitoxic and non-equitoxic mixture toxicity of Irgarol, Diuron and Copper upon the sea urchin Paracentrotus lividus embryos and sperms and to compare the observed data with the predictions derived from the Concentration Addition (CA) and Independent Action. (IA) approaches The equitoxic mixtures embriotoxicity exerted a synergistic behaviour with respect to single substances, while for spermiotoxicity, NOEL and EC50 equitoxic mixtures showed an antagonistic behaviour. Non-equitoxic mixtures produced a synergic behaviour toward embryos only when Copper is at its EC50 and Irgarol and Diuron at their NOEL. For embritoxicity tests CA and IA modelling approaches well represented the NOEL and EC50 equitoxic mixtures toxicity while both underestimated the equitoxic LOEL mixture toxicity. The predictive models didn t describe the mixtures behaviour in spermiotoxicity tests, overestimating toxicity in NOEL and EC50 mixtures, and underestimating for LOEL one. The application of predictive models showed a protective value ( worste case ) in the non-equitoxic mixture only with organic biocides at EC50. The tested dissimilarly acting biocides, act in mixture with mechanisms, which are not predicted by the classical previsional models. Predictive models don't always represent a protective forecast. RIASSUNTO Lo scopo del lavoro è valutare la tossicità di miscele equitossiche e nonequitossiche di Irgarol, Diuron e Rame per embrioni e spermi del riccio di mare Paracentrotus lividus e comparare i dati sperimentali con le predizioni ricavate dai modelli di Concentrazione Addizione (CA) e di Azione Indipendente (IA). Le miscele equitossiche hanno evidenziato sempre un comportamento sinergico delle sostanze nel caso dei test di embriotossicità ed un comportamento antagonistico per la spermiotossicità solo per miscele a livelli di NOEL ed EC

64 Nelle miscele non equitossiche si è registrato sinergismo unicamente nel test di embriotossicità nella miscela in cui il rame era presente alla concentrazione di EC50 e Irgarol e Diuron alle concentrazioni di NOEL. Nei test di embriotossicità i modelli CA ed IA hanno ben predetto il comportamento delle miscele equitossiche di NOEL ed EC50, sottostimando però la tossicità della miscela di LOEL. Per i test di spermiotossicità i modelli non hanno predetto correttamente la tossicità, sovrastimandola a livello di NOEL ed EC50 e sottostimandola a livello di LOEL. Nelle miscele non equitossiche, in cui i biocidi organici sono presenti a livello di EC50, l applicazione dei modelli predittivi ottiene un valore protettivo ( worste case ). I biocidi testati in miscela interagiscono con meccanismi non descrivibili dai classici modelli previsionali che non forniscono sempre una previsione protettiva. 1. INTRODUZIONE Gli antivegetativi sono impiegati per il controllo della crescita di organismi marini su strutture sommerse. Per molti anni il Tributil stagno (TBT) è stato tra gli agenti più utilizzati, ma la sua azione si è rivelata tossica per organismi non target, anche a basse concentrazioni (ng l -1 ) (Hall & Bushong, 1996; Laughlin et al., 1996; Marin et al., 2000). Nel 1989 l UE ha ristretto l utilizzo del TBT e nel 2003 l International Maritime Organization ne ha proibito l uso per imbarcazioni <25 m e del tutto a partire dal Nuovi composti antivegetativi privi di stagno sono oggi disponibili, e tra questi, i prodotti a base di rame e di biocidi ( booster ) hanno una particolare diffusione. L Irgarol (2-methylthio-4-t-butylamino-6-cyclopropylamino-s-triazine) ed il Diuron (3- (3,4-dichlorophenyl)-1,1-dimethylurea) sono tra i biocidi più utilizzati nelle formulazioni di pitture antivegetative (Voulvoulis et al., 1999). Una ampia raccolta dei dati di tossicità di Irgarol e Diuron verso organismi acquatici è stata effettuata da Kostantinou ed Albanis (2004). Altri studi circa gli effetti tossici del Diuron sono stati recentemente pubblicati per i coralli (Jones et al., 2003), le alghe (Maccinnis-Ng et al., 2003), Vibrio fisheri e Daphnia magna (Hernando et al., 2003). Nel 2002 Kobayashi e Okamura hanno valutato gli effetti di vari biocidi sui ricci di mare Hemicentrotus pulcherrimus e Anthocidaris crassispina. In questo studio l Irgarol ha mostrato una NOEL (No Observed Effect Level) pari a 10 µg l -1 per i primi stadi giovanili. Il NOEL del Diuron, riportato nello stesso studio, risultava pari a 1 mg l -1. I test di tossicità con i ricci di mare sono utilizzati da decenni per valutare la tossicità di contaminanti singolarmente ed in miscela (Pagano et al., 1996; His et al., 1999; Marin et al., 2000; Kobayashi & Okamura, 2002; Manzo, 2004). Valutare gli effetti tossici di miscele complesse è di grande importanza in ecotossicologia poiché esse possono presentare un impatto ambientale negativo maggiore rispetto ai singoli costituenti della miscela (Hernando et al., 2003). Lo scopo del presente lavoro di ricerca era valutare la tossicità di miscele equitossiche e non-equitossiche di Irgarol, Diuron e Rame su embrioni e spermi del riccio di mare Paracentrotus lividus e comparare i dati sperimentali con le predizioni ricavate dai modelli di Concentrazione Addizione (CA) e Azione Indipendente (IA). 298

65 2. MATERIALI E METODI Ricci di mare adulti, della specie Paracentrotus lividus, sono stati raccolti nel Golfo di Napoli dal personale della Stazione Zoologica. Essi sono stati stabulati in vasche con acqua di mare per 24 ore a 18 C, ad una salinità del 38 ed a ph 8 (±0,2) (EPA, 1995). I gameti sono stati ottenuti secondo la procedura riportata da Pagano et al. (1986). 1 ml di KCl 0,5 M, è stato iniettato nel celoma del riccio, attraverso la membrana peristomale, al fine di indurre uno shock osmotico, che stimola il rilascio dei gameti. Lo sperma è stato raccolto a secco dalla superficie del riccio e conservato in ghiaccio. Le uova sono state raccolte direttamente in acqua di mare (FSW). Si è poi valutata la qualità dei gameti al microscopio ottico. Il seme dei tre maschi è stato mescolato al fine di ottenere un pool omogeneo. Le uova delle tre femmine selezionate, sono state filtrate con setaccio da 0,5 mm per allontanare il materiale fecale ed altre scorie eventualmente presenti (EPA, 1995) e riunite in un solo pool. La stock solution di uova così ottenuta è stata diluita fino a raggiungere una concentrazione pari a uova per ml. La fecondazione è stata ottenuta aggiungendo 1 ml di sperma diluito 1:1000 alla sospensione di uova (15 min, 18 C) Embriotossicità Il tasso di fecondazione (minimo 90 %), ottenuto mediante lettura al microscopio, è stato stimato su 100 individui. Ogni esperimento è stato condotto in triplicato in piastre in polietilene. Ad ogni pozzetto è stato aggiunto 1 ml della sospensione di zigoti (volume finale: 10 ml) tale da avere una densità di zigoti di unità/ml. Dopo 48 h di incubazione a 18 C, si è proceduto alla lettura delle larve. L osservazione delle alterazioni dello sviluppo è stata effettuata dopo aver immobilizzato le larve con 100 µl di formalina al 40 %. In ogni pozzetto è stato valutato lo sviluppo larvale di 100 individui che sono stati classificati in: Normali (plutei con sviluppo regolare dello scheletro e dell intestino, e di taglia normale); Ritardati (plutei con sviluppo regolare ma con una taglia <1/2 di quella normale); Patologici 1 (P1: malformazioni scheletriche e anormalità dell apparato intestinale); Patologici 2 (P2: arresto dello sviluppo allo stadio di blastula e gastrula) (Pagano et al., 1986) Spermiotossicità Una aliquota di sperma (10 µl), è stata diluita in 10 ml delle soluzioni da testare. Dopo una esposizione di 30 minuti, 50 µl di sperma diluito sono stati distribuiti in ogni pozzetto contenente 9 ml di acqua di mare filtrata e 1 ml della sospensione di uova (20-30 uova ml -1 ). Dopo 20 minuti a 18 C è stato misurato il tasso di fecondazione su 100 uova. La valutazione delle larve è stata effettuata dopo 48 ore a 18 C. 299

66 2.3. Soluzioni Test I biocidi sono stati sciolti in DMSO (Fernandez-Alba et al., 2002); al fine di stimare l eventuale tossicità del solvente, oltre ad un bianco, solo con acqua di mare naturale incontaminata e filtrata (FSW), è stato preparato anche un controllo con DMSO, con il massimo volume di DMSO utilizzato per le soluzioni test. Sono state preparate miscele equitossiche e non di Irgarol, Diuron e Rame in acqua distillata (milliq). Le miscele equitossiche sono state allestite utilizzando tali sostanze ai livelli di NOEL, LOEL ed EC50 (50 % Effect Concentration) (Tab. 1) ottenuti in ricerche precedenti (Manzo et al., 2006) sia per gli embrioni che per gli spermi. Le tre miscele non-equitossiche sono state preparate con l EC50 di un composto ed i NOEL degli altri due. Tab. 1 - Concentrazioni dei singoli contaminanti utilizzati per la preparazione di miscele equitossiche e non (Manzo et al., 2006). NOEL LOEL EC50 TU Test (mg l -1 ) (mg l -1 ) (mg l -1 ) (1/EC50) Diuron Embriotossicità ± Spermiotossicità ± Irgarol Embriotossicità < ± Spermiotossicità ± Rame Embriotossicità ± Spermiotossicità ± Trattamento Statistico Dei Dati I dati sperimentali di embriotossicità e spermiotossicità per le singole sostanze, pubblicati da Manzo et al. (2006), sono stati utilizzati per ottenere curve dose-risposta mediante una procedura di best-fit. Le curve di regressione sono state ottenute ed analizzate con Origin 7 (SR2, Northampton MA USA) utilizzando il metodo dei minimi quadrati e l analisi dei residui. Mediante tale procedura è stata selezionata per ogni singola sostanza e per entrambi i tests la curva dose-risposta che meglio rappresentava i dati sperimentali (valori minimi di somma assoluta dei residui e di somma assoluta delle deviazioni). Le curve dose-risposta così determinate sono state utilizzate per applicare i modelli previsionali di Concentrazione Addizione (CA, 1) (Loewe & Muischnek, 1926) e Azione Indipendente (IA, 2) (Bliss, 1939) alle miscele dei tre composti testate. p ECx 1 = 1 = n i ECx mix (1) i i E( cmix) = 1 n i= 1 [ 1 E( ci) ] (2) 300

67 3. RISULTATI 3.1. Miscele equitossiche Embriotossicità Nella figura 1a sono riportate le percentuali d effetto registrate sperimentalmente e determinate mediante l applicazione dei modelli predittivi CA ed IA con le miscele equitossiche di NOEL, LOEL ed EC50 di Irgarol, Diuron e Rame. Le miscele hanno evidenziato sempre un comportamento sinergico delle sostanze rispetto agli effetti ottenuti singolarmente. I modelli previsionali ben rappresentano i dati osservati nel caso di miscele NOEL ed EC50. Per le miscele LOEL entrambi i modelli sottostimano il valore osservato. Spermiotossicità Il comportamento della miscele a livelli di NOEL ed EC50 (Fig. 1b) è di tipo antagonistico. In nessun caso i modelli prevedono la tossicità misurata della miscela: nel caso di NOEL ed EC50 si ha una sovrastima, per il LOEL si ha una sottostima. % anormali % anormali % anormali Irgarol Irgarol Diuron Diuron Rame Rame Osservato Osservato IA IA CA CA A B C Fig. 1 Embriotossicità (a) e Spermiotossicità (b): percentuale d effetto registrata sperimentalmente e determinata mediante l applicazione dei modelli predittivi CA ed IA con le miscele equitossiche di NOEL (A), LOEL (B) ed EC50 (C) di Irgarol, Diuron e Rame. a % effetto % effetto % effetto Irgarol Irgarol Irgarol Diuron Diuron Diuron Rame Rame Rame Osservato Ossevato Osservato IA IA IA CA CA CA A B C b 301

68 3.2. Miscele non-equitossiche Embriotossicità La miscela in cui il Rame è presente alla concentrazione di EC50 e Irgarol e Diuron alle concentrazioni di NOEL (Fig. 2a-A) ha evidenziato sinergismo, negli altri casi si nota un leggero antagonismo. Entrambi i modelli non prevedono i valori di tossicità osservati sperimentalmente sottostimando nel caso di miscele con Rame all EC50 e sovrastimando nel caso di presenza all EC50 dei biocidi organici. Spermiotossicità L effetto registrato per ciascuna miscela è proporzionale al contaminante maggiormente presente (Fig. 2b). Il modello CA ben prevede la tossicità nel caso di miscela con EC50 del Rame; nei casi di EC50 dei biocidi organici vi è una sovrastima della tossicità da parte dei modelli applicati. % anormali Irgarol Diuron Rame Osservato IA CA A B % effetto Irgarol Diuron Rame Osservato IA CA A B % anormali % anormali Irgarol Diuron Rame Osservato IA CA C % effetto % effetto Irgarol Diuron Rame Osservato IA CA C Irgarol Diuron Rame Osservato IA CA a Irgarol Diuron Rame Osservato IA CA b Fig. 2 - Embriotossicità (a) e Spermiotossicità (b): percentuale d effetto registrata sperimentalmente e determinata mediante l applicazione dei modelli predittivi CA ed IA con le miscele non-equitossiche in cui uno dei contaminanti è presente alla concentrazione di EC50 e gli altri due a livelli di NOEL. 4. DISCUSSIONE 4.1. Tossicità delle miscele Le miscele equitossiche di NOEL, LOEL ed EC50 hanno mostrato un effetto sinergico sullo sviluppo dei plutei, mentre nelle miscele non equitossiche si registra un effetto sinergico solo quando il rame è presente alla concentrazione di EC50 ed i biocidi 302

69 a livello di NOEL. Nelle miscele non equitossiche in cui i boosters sono presenti a livello dei loro EC50 si ha una leggera riduzione dell effetto tossico. Ciò fa ipotizzare che il rame incrementi l azione tossica dei pesticidi impiegati quando è maggiormente presente. Zhou et al. (2006) hanno osservato per V. fischeri, effetti sinergici nelle miscele binarie di biocidi e rame; essi suggerivano che il sinergismo era dovuto alla formazione di composti organici del rame più lipofilici, che possono diffondere attraverso la membrana plasmatica più facilmente. Inoltre il rame può catalizzare la sintesi di specie reattive dell ossigeno, che attraverso l ossidazione delle proteine possono indurre seri danni ai costituenti citoplasmatici, danneggiando DNA e RNA ed alterando la perossidazione lipidica (Halliwell & Gutteridge, 1984; Garcia et al., 2002); questo indurrebbe una amplificazione della tossicità dei biocidi. La riduzione della tossicità degli antifouling nelle miscele non equitossiche, dove sono presenti a livello di EC50, sarebbe dunque dovuta o ad una riduzione del loro assorbimento o all assenza di condizioni di stress ossidativo, che ne amplificano la tossicità. Nella spermiotossicità le miscele equitossiche di NOEL ed EC50 hanno evidenziato antagonismo tra i contaminanti, e la miscela di LOEL sinergismo. Sembrerebbe che basse e alte concentrazioni dei contaminanti (NOEL, EC50), riducano la capacità di questi ultimi a esplicare la loro tossicità. Nella miscela di NOEL la quantità dei contaminanti potrebbe risultare insufficiente ad attuare una azione tossica, mentre nella miscela di EC50 i contaminanti potrebbero complessarsi o competere per i siti bersaglio e/o i siti d ingresso. La miscela di LOEL, che mostra sinergismo, lascia presumere la possibilità che i contaminanti siano presenti in concentrazioni tali da esplicare la loro azione nociva, senza competere o complessarsi. Nelle miscele non equitossiche l effetto registrato è proporzionale al contaminante maggiormente presente, indicando dunque che i contaminanti presenti ai livelli di NOEL non incrementano l effetto negativo della sostanza maggiormente presente. Dai dati osservati si evince una minore sensibilità del test di spermiotossicità rispetto a quello di embriotossicità. È importante sottolineare che gli spermi sono cellule altamente differenziate e specializzate, che sono esposte alle miscele dei contaminanti per un breve periodo (30 minuti). La loro struttura cellulare altamente specializzata spiegherebbe la loro maggiore resistenza all azione dei singoli biocidi, a differenza di quanto osservato per il rame; è importante ricordare che un eccesso di Cu 2+ agisce negativamente sull attività propulsiva delle cellule spermatiche (Young & Nelson, 1974), riducendone la capacità di fertilizzazione. Inoltre durante la reazione acrosomiale, si attua l apertura di canali ionici (nella membrana plasmatica) per indurre un aumento della concentrazione di ioni Ca 2+ (Pillai et al., 1997) e il rame potrebbe utilizzare questa via preferenziale per penetrare nella cellula. Per le miscele dunque potrebbe essere necessario un tempo maggiore per esercitare una azione tossica sulla capacità fecondante delle cellule spermatiche. Quindi il tempo di esposizione nei test di spermiotossicità gioca un ruolo chiave (Pagano et al., 1983; Mwatibo & Green, 1997). Un maggior periodo di esposizione potrebbe probabilmente indurre una maggiore sensibilità del test, tuttavia non rappresenterebbe una situazione reale e quindi non potrebbe essere utilizzato per prevedere gli effetti dei contaminanti nelle popolazioni naturali di echinoidi come discusso da Warnau et al. 303

70 (1996). Inoltre nelle miscele come precedentemente riportato bisogna considerare la possibile formazione di complessi organici, che non modificano sostanzialmente la capacità fecondante delle cellule spermatiche. Conoscere i meccanismi d azione delle singole sostanze è inoltre essenziale per la comprensione del comportamento di miscele complesse Modelli predittivi Gli effetti di Irgarol, Diuron e Rame su spermi e sugli embrioni di riccio di mare sono stati descritti in diversi lavori di ricerca (Kobayashi & Okamura, 2002; Manzo et al., 2006). Essi presumibilmente agiscono differentemente appartenendo a differenti classi di sostanze chimiche. I differenti meccanismi biochimici d azione di Irgarol, Diuron e Rame suggerivano che IA dovesse essere il modello predittivo che meglio rappresentasse i dati sperimentali, mentre CA era valutato unicamente in quanto rappresentante il worstecase. Entrambi i metodi falliscono nel predire accuratamente la tossicità della miscela, come osservato anche per miscele di TBT, Irgarol e Sea-nine (Arrhenius et al., 2006). Risultati differenti sono stati ottenuti da Barata et al. (2006), che hanno trovato una elevata accuratezza dei modelli previsionali IA e CA per miscele di metalli e insetticidi e da Backhaus et al. (2000) nell analisi di miscele multiple di sostanze chimiche ad azione dissimile. Dai dati sperimentali raccolti e dal trattamento statistico degli stessi si è osservato che i modelli CA ed IA prevedono valori di tossicità simili, soprattutto nel caso di miscele equitossiche (Tab. 2) e CA non rappresenta sempre il worste case. Nelle miscele non equitossiche (Tab. 2) l applicazione dei modelli predittivi ottiene un valore protettivo ( worste-case ) nei casi di presenza di biocidi organici a livello di EC50 in miscela. I fenomeni di sinergismo-antagonismo osservati nelle miscele ternarie equitossiche possono essere dovuti a specifiche interazioni tra i componenti delle miscele nelle soluzioni o nel biota. Questo potrebbe implicare che l applicazione di IA non è completamente corretta per le miscele di antifouling testate in quanto il concetto IA assume che non ci siano interazioni nell azione congiunta. Le interazioni che si attuano tra i contaminanti non solo si possono verificare a livello dei siti bersaglio, ma possono modificare anche i processi di assorbimento, distribuzione ed escrezione, biotrasformazione e biodisponibilità (Altenburger et al., 2003). Gli specifici meccanismi molecolari di queste interazioni non sono conosciuti. Questo naturalmente implica che l utilizzo unicamente dei modelli predittivi, nella stima del rischio ambientale di miscele di antifouling dalle curve dose risposta dei singoli contaminanti, potrebbe sottostimare il danno reale di tali contaminanti nell ambiente. 304

71 Tab. 2 - Miscele equitossiche e non. Modelli previsionali: (=) uguale; (+) sovrastima; (-) sottostima. Miscele equitossiche CA IA MIX NOEL = + Embriotossicità MIX LOEL - - MIX EC50 = = MIX NOEL + + Spermiotossicità MIX LOEL - - MIX EC Miscele non-equitossiche CA IA NOELs + EC50 Cu - - Embriotossicità NOELs + EC50 Diuron + + NOELs + EC50 Irgarol + + NOELs + EC50 Cu = = Spermiotossicità NOELs + EC50 Diuron + + NOELs + EC50 Irgarol CONCLUSIONI Le miscele equitossiche hanno evidenziato sempre un comportamento sinergico delle sostanze nel caso dei test di embriotossicità e di tipo antagonistico per la spermiotossicità solo per miscele a livelli di NOEL ed EC50. Nel caso della spermiotossicità sembrerebbe infatti che basse e alte concentrazioni dei contaminanti (NOEL, EC50), riducano la capacità di questi ultimi a esplicare la loro tossicità. Nella miscela di NOEL la quantità dei contaminanti potrebbe risultare insufficiente ad attuare una azione tossica, mentre nella miscela di EC50 i contaminanti potrebbero complessarsi o competere per i siti bersaglio e i siti d ingresso. Nelle miscele non equitossiche si è registrato sinergismo unicamente nel test di embriotossicità nella miscela in cui il rame era presente alla concentrazione di EC50 e Irgarol e Diuron alle concentrazioni di NOEL. Ciò fa ipotizzare che il rame incrementi l azione tossica dei biocidi quando è presente in maggiore quantità, probabilmente per la formazione di composti organici del rame più lipofilici, che possono diffondere attraverso la membrana plasmatica più facilmente. La riduzione della tossicità dei biocidi nelle miscele non equitossiche, dove sono presenti a livello di EC50, sarebbe dunque dovuta a una riduzione del loro assorbimento. Il test di spermiotossicità è risultato il meno sensibile, probabilmente per l elevata specializzazione delle cellule spermatiche e il breve tempo di esposizione ai contaminanti. I biocidi testati dissimilarly acting in miscela interagiscono con meccanismi non descrivibili dai classici modelli previsionali; questi non riescono a dare sempre una previsione protettiva ( worste case ). BIBLIOGRAFIA Altenburger R., Nendza M. & Schuurmann G Mixture toxicity and its modeling by quantitative structure-activity relationships. Environ. Toxicol. Chem., 22:

72 Arrhenius A., Backhaus T., Grönvall F., Junghans M., Scholze M. & Blanck H Effects of three antifouling agents on algal communities and algal reproduction: mixture toxicity studies with TBT, Irgarol and Sea-Nine. Arch. Environ. Contam. Toxicol., 50: Backhaus T., Altenburger R., Boedeker W., Faust M., Scholze M. & Grimme L.H Predictability of the toxicity of a multiple mixture of dissimilarly acting chemicals to Vibrio fischeri. Environ. Toxicol. Chem., 19: Barata C., Baird D.J., Nogueira A.J.A. & Soares A.M.V.M Toxicity of binary mixtures of metals and pyrethroid insecticides to Daphnia magna Straus. Implications for multi-substance risks assessment. Aquat. Toxicol., 78: Bliss C.I The toxicity of poisons applied jointly. Ann. J. Appl. Biol.: Hall Jr. L.W. & Bushong S.J In: Champ M.A. & Seligman P.F. (Eds), Organotins: environmental fate and effects. London: Chapman and Hall: Halliwell B. & Gutteridge M.C Oxygen toxicity, oxygen radicals, transition metals and disease. Biochem. J., 219: Hernando M.D., Ejerhoon M., Fernandez-Alba A.R. & Chisti Y Combined toxicity effects of MTBE and pesticides measured with Vibrio fischeri and Daphnia magna bioassays. Wat. Res., 37: His E., Heyvang I., Geffard O. & De Mountadouin X A comparison between oyster (Crassostrea gigas) and sea urchin (Paracentrotus lividus) larval bioassay for toxicological studies. Wat. Res., 7: Jones R.J., Muller J., Haynes D. & Schreiber U Effects of herbicides diuron and atrazine on corals of the Great Barrier Reef, Australia. MEPS, 251: Kobayashi N. & Okamura H Effects of new antifouling compounds on the development of sea urchin. Marine Pollut. Bull., 44: Kostantinou I.K. & Albanis T.A Worldwide occurence and effects of antifouling paint booster biocides in the aquatic environment: a review. Environ. Intern., 30: Laughlin jr. R.B., Thain J., Davidson B., Valkirs A.O. & Newton F.C In: Champ M.A. & Seligman P.F. (Eds), Organotins: environmental fate and effects. London, Chapman and Hall: Loewe S. & Muischnek H Effect of combinations: mathematical basis of problem. Naunyn Schmiedebergs. Arch. Exp. Pathol. Pharmakol., 114: Maccinis-Ng C.M.O. & Ralph P.J Short term response and recovery of Zostera capricorni photosyntesis after hebicide exposure. Aquat. Bot., 76(1): Manzo S Sea urchin embryotoxicity test: proposal for a simplified bioassay. Ecotox. Environ. Safety, 57: Manzo S., Buono S. & Cremisini C Toxic effects of Irgarol and Diuron on sea urchin Paracentrotus lividus early development, fertilization, and offspring quality. Arch. Environ. Contam. Toxicol., 51: Marin M.G., Moschino V., Cima F. & Celli C Embryotoxicity of butyltin compounds to the sea urchin P. lividus. Mar. Environ. Res., 50: Mwatibo J.M. & Green J.D Effects of methoxychlor pre-exposure on sea urchin gametes. Bull. Environ. Cont. Toxicol., 58:

73 Pagano G., Esposito A., Bove P., De Angelis M., Rota A. & Giordano G.G The effects of exavalent and trivalent chromium on fertilization and development in sea urchin. Environ. Res., 30: Pagano G., Cipollaro M., Corsale G., Esposito A., Ragucci E., Giordano G.G. & Trieff N.M The sea urchin: Bioassay for the assessment of damage from environmental contaminants. ASTM STP920. American Society for Testing and Materials. Philadelphia, PA, USA: Pagano G., Iaccarino M., Guida M., Manzo S., Oral R., Romanelli R. & Rossi M Cadmium Toxicity in Spiked Sediment to sea urchin embryos and sperm. Mar. Environ. Res., 42: Pillai M.C., Blethrow H. & Higashi R.M Inhibition of the sea urchin sperm acrosome reaction by a lignin-derived macromolecule. Aquat. Toxicol., 37: Scholze M., Boedeker W., Faust M., Backhaus T., Altenburger R. & Grimme H A general best-fit method for concentration-response curves and the estimation of low effect concentrations. Environ. Toxicol. Chem., 20: US EPA Short-term methods for estimating the chronic toxicity of effluents and receiving waters to weast coast marine and estuarine organisms. EPA/600R Cincinnati, OH, USA. Voulvoulis N., Scrimshaw M.D. & Lester J.N Alternative antifouling biocides. Appl. Organomet. Chem., 13: 135. Warnau M., Iaccarino M., De Biase A., Temara A., Jangoux M., Dubois P. & Pagano G Spermiotoxicity and embryotoxicity of heavy metals in the Echinoid Paracentrotus lividus. Environ. Toxicol. Chem., 15: Young L.G. & Nelson L The effect of heavy metal ions on the motility of sea urchin spermatozoa. Biol. Bul., 147: Zhou X., Okamura H. & Nagata S Remarkable synergistic effects in antifouling chemicals against Vibrio fischeri in a bioluminescent assay. J. Health Sci., 52: Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

74 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 CONFRONTO TRA INDICI DI QUALITÀ BASATI SUL FITOPLANCTON PER L IMPLEMENTAZIONE DELLA WFD DIRETTIVA 2000/60/CE AI LAGHI ITALIANI Aldo MARCHETTO 1, Bachisio M. PADEDDA 2, Antonietta M. MARIANI 2, Fabio BUZZI 3, Antonella LUGLIÈ 2, Paola BUSCARINU 4, Nicola SECHI 2, Antonio DALMIGLIO 3 1 CNR Istituto per lo Studio degli Ecosistemi Verbania Pallanza 2 Università degli Studi di Sassari, Dipartimento di Botanica ed Ecologia Vegetale Sassari 3 ARPA Lombardia Milano 4 E.A.F. Ente Autonomo del Flumendosa Cagliari ABSTRACT Comparing the perfomances of quality index based on phytoplankton for the Italian lakes The Water Framework Directive (2000/60/CE) requires that the ecological quality of water bodies is estimated by comparing a series of biotic indicators to a reference optimum condition. To establish which already developed indices fit best the estimate of the trophic status of Italian lakes, two indices were applied to 11 natural lakes in the sub-alpine area and 8 reservoirs in Sardinia: Catalàn Index and Brettum Index. The results show a good correspondence of the Brettum Index for the lakes of the sub-alpine ecoregion only; none of the two indices seems to be right to assess the ecological quality of Sardinian reservoirs. RIASSUNTO La Direttiva 2000/60/CE richiede che la qualità ecologica dei corpi idrici sia valutata in base al confronto tra i valori di una serie di indicatori biotici rispetto ad una condizione ottimale di riferimento. Per verificare quali indici già sviluppati si adattino meglio alla stima della qualità dei laghi italiani, ne sono stati testati due a 11 laghi naturali dell area subalpina e ad 8 bacini artificiali della Sardegna: l indice di Catalàn e quello di Brettum. I risultati mostrano una buona corrispondenza unicamente dell indice di Brettum per i laghi dell ecoregione alpina mentre per quelli artificiali sardi nessuno dei due indici pare adatto alla valutazione della loro qualità ecologica. 309

75 1. INTRODUZIONE La Direttiva Quadro 2000/60/CE indica le azioni che i paesi membri devono compiere in termini di qualità delle acque, richiedendo che la qualità dei corpi idrici venga definita attraverso l uso di indicatori biotici rispetto a condizioni di riferimento specifiche per ogni tipologia di ambiente acquatico. Gli elementi idromorfologici e chimico-fisici quindi, vengono valutati solo in relazione all influenza che questi possono esercitare sulle comunità presenti. Il fitoplancton è, nel caso specifico degli ambienti lacustri, uno degli elementi biotici considerato utile per la valutazione di qualità dell ambiente. Questo è possibile in virtù del fatto che i valori del fosforo totale, considerato l indicatore più importante nella valutazione dei livelli trofici lacustri (OECD, 1982), è ben correlato con due variabili che sono, a loro volta, diretta espressione dell intensità dello sviluppo fitoplanctonico: biovolume e clorofilla a. L obiettivo di questo lavoro è stato quello di verificare la risposta di due diversi indici, quello di Catalàn (Agència Catalana de l Aigua, 2003) e quello di Brettum (Dokulil, 2005), in differenti contesti lacustri italiani, al fine di valutarne un loro possibile utilizzo. I due indici considerati sono una parte di quelli valutati nell ambito dei Gruppi di Intercalibrazione Geografica GIG-mediterraneo e GIG-alpino. 2. MATERIALI E METODI Sono stati considerati 19 laghi rientranti in tre delle categorie definite dal progetto ECOSTAT (van den Bund et al., 2003): - 5 grandi laghi naturali profondi dell ecoregione alpina (L-AL3; Z>15 m) (Lago Maggiore, Idro, Mezzola, d Iseo e di Como); - 6 grandi laghi naturali poco profondi dell ecoregione alpina (L-AL4; Z<15 m) (Lago Annone, Caldaro, Pusiano, Segrino, Ganna ed Endine); - 8 laghi artificiali mediterranei della Sardegna (I-SAR; Lago Alto Flumendosa, Bidighinzu, Liscia, Medio Flumendosa, Monteleone Roccadoria, Mulargia, Pattada e Sos Canales). Per ogni lago si sono considerate le serie di dati pluriennali disponibili (da un minimo di una annata ad un massimo di 14 annate) per i soli mesi estivi (giugno - settembre), presumibilmente di massima produttività, prendendo in esame i valori di biovolume, clorofilla a e fosforo totale, ottenuti rispettivamente con le metodiche di Findenegg (1974), Golterman et al. (1978) e Strickland & Parsons (1972). 3. RISULTATI I valori di clorofilla a sono risultati ben correlati al fosforo totale per tutte le diverse tipologie lacustri prese in esame nelle due ecoregioni (Fig. 1a). A sua volta, il biovolume è risultato ben correlato con i valori di clorofilla a (Fig. 1b). 310

76 Fig. 1 - Correlazione dei valori medi (a) di clorofilla a e del fosforo totale (n=66, r=0,463) e (b) del biovolume (n=65, r=0,516) rispetto a quelli della clorofilla a per l insieme dei laghi considerati. Dall applicazione dei diversi indici si evince che quello di Catalàn, nonostante la buona correlazione mostrata con il fosforo totale nei laghi dell ecoregione alpina (Fig. 2a), non descrive bene il loro stato qualitativo, in particolare per quelli a minore trofia. Inoltre, non pare assolutamente adeguato per i laghi sardi dell ecoregione mediterranea (Fig. 2b). Anche l indice di Brettum, si correla in modo significativo ai dati della sola tipologia laghi alpini, descrivendone una relazione inversa (Fig. 3a), e risulta non valido nell applicazione ai laghi della Sardegna (Fig. 3b). 4. DISCUSSIONI E CONCLUSIONI L'insieme dei laghi italiani è molto eterogeno, ed è prevedibile che difficilmente la loro qualità ecologica possa essere descritta da un unico indice. Sulla base delle elaborazioni, allo stato attuale, la qualità dei corpi idrici dell ecoregione alpina risulta ben descrivibile attraverso l applicazione dell indice di Brettum, mentre quello di Catalàn, non risulta idoneo a nessuna delle due categorie considerate di questa ecoregione (L-AL3 e L-AL4), in quanto è stato calibrato a partire da un insieme di laghi artificiali spagnoli, che presentano regimi idrologici e pattern climatici molto diversi dai laghi alpini, che a loro volta possono influenzare fortemente la dinamica del fitoplancton. Per i laghi artificiali della Sardegna, e quindi dell ecoregione mediterranea, i due indici non sono in grado di valutarne la qualità delle acque: infatti se da una parte questi ambienti presentano regimi idrologici e pattern climatici molto diversi da quelli per i quali è stato calibrato l'indice di Brettum, d'altra parte l'indice di Catalàn assegna valori trofici ad interi gruppi alagli, e può quindi risentire della presenza, in regioni differenti, di specie a diversa valenza trofica appartenenti allo stesso gruppo algale. Sia per l indice di Brettum che di Catalàn, per migliorarne la risposta relativamente ai laghi artificiali dell'italia peninsulare ed insulare, si propone, come sviluppo dell indagine, una loro ricalibrazione, includendo alcune specie caratteristiche dei singoli contesti regionali e/o escludendo quelle che invece inficiano l applicabilità 311

77 degli indici stessi. Emerge inoltre la necessità di estendere la valutazione dell applicabilità di altri indici ai laghi esaminati. Per esempio il PTI, già calibrato per i laghi profondi dell ecoregione alpina (Salmaso et al., 2005), può essere testato anche per le altre tipologie lacustri considerate in questo lavoro. Fig. 2 - Correlazione del fosforo totale con l indice di Catalàn (a) per i laghi dell ecoregione alpina (n=22, r=0,743) e (b) per i laghi sardi dell ecoregione mediterranea (n=44, r=0,024). Fig. 3 - Correlazione del fosforo totale con l indice di Brettum (a) per i laghi dell ecoregione alpina (n=22, r=0,626) e (b) per i laghi sardi dell ecoregione mediterranea (n=44, r=0,006). BIBLIOGRAFIA Agència Catalana de l Aigua Desenvolupament d un índex integral de qualitat ecològica i regionalització ambiental dels sistemes loacustres de Catalunya. Generalitat de Catalunya, Departament de Medi Ambient i Habitatge. Dokulil M.T., Teubner K. & Greisberger M Typenspezifische Referenzbedingungen für die integrierende Bewertung des ökologischen Zustandes stehender Gewässer Österreichs gemäß der EU-Wasserrahmenrichtlinie. Modul 1: Die Bewertung der Phytoplanktonstruktur nach dem Brettum-Index. Projektstudie Phase 3, Abschlussbericht. Unpublished report, Bundesministerium 312

78 für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft, Wien. Findenegg I Expression of population. In: Vollenweider R. (Ed.), A manual of methods for measuring primary production in aquatic environmental, I.B.P. 12. Blackwell Scientific Publication, Oxford: Golterman H.L., Clymo R.S. & Ohnstad M.A.M Methods for physical and chemical analysis of freshwaters. I.B.P. Handbook N. 8. Blackwell Scientific Publication, Oxford. OECD Eutrophication of waters. Monitoring, assessment and control. OECD, Paris. Salmaso N., Morabito G., Buzzi F., Garibaldi L., Simona M. & Mosello R Phytoplankton as an indicator of the water quality of the deep lakes south of the Alps. Hydrobiologia, 563: Strickland J.D.H. & Parsons T.R A practical handbook of seawater analysis. Bull. Fish. Res. Board Can., Ottawa: 167. van de Bund W., Cardoso A.C., Heiskanen A.S. & Nõges A Overview of common intercalibration types and guidelines for the selection of intercalibration sites version 2.0, May 19, 2003, and version 3.1, October 9, 2003: groups/ New WG 2A - Ecological Status. Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

79 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 DEEP ICE SHELF WATER FORMATION IN THE ROSS SEA EVIDENCED BY CHLOROFLUOROCARBON INVENTORIES Serena MASSOLO 1, Paola RIVARO 1, Roberto FRACHE 1, Giancarlo SPEZIE 2 1 Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale, Università di Genova 2 Dipartimento di Scienze per l'ambiente, Università di Napoli Parthenope RIASSUNTO Formazione di deep ice shelf water nel Mare di Ross evidenziata dalla distribuzione di clorofluorocarburi È noto che un ramo della High Salinity Shelf Water (HSSW) fluisce dalla polynya di Baia Terra Nova verso sud al di sotto del Ross Ice Shelf (RIS), dove prende parte alla formazione della Deep Ice Shelf Water (DISW). La DISW fuoriesce dalla cavità del RIS come una lingua di acqua superfredda che dirige verso nord occupando lo strato profondo della colonna d acqua. Le misure di clorofluorocarburi sono utili per studiare la circolazione ed il mescolamento della masse d acqua nelle aree di piattaforma e di scarpata del Mare di Ross e per stimare i tassi di ventilazione e di rinnovo delle acque profonde. Questo lavoro presenta i dati di CFC ottenuti dai campioni raccolti nella polynya di Baia Terra Nova e lungo il RIS durante la campagna oceanografica del 2003 del progetto CLIMA (Climatic Long-term Interactions for the Mass-balance in Antarctica). Le principali masse d acqua sono state identificate sulla base delle differenti concentrazioni e percentuali di saturazione dei CFC. In zona di polynya la HSSW è identificata dai massimi di salinità e dalle massime concentrazioni di CFC presenti negli strati subsuperficiali. La DISW è caratterizzata, invece, da concentrazioni e percentuali di saturazione di CFC inferiori alla HSSW, confermando il suo isolamento dagli scambi atmosferici durante la circolazione al di sotto del RIS. La plume della DISW è stata osservata lungo il margine del RIS tra il meridiano 173 E e il 178 E. Sia i dati idrologici che quelli dei traccianti hanno evidenziato che la DISW si dirige dal sito di formazione verso nord, dove si mescola con il ramo entrante in piattaforma di Modified Circumpolar Deep Water (MCDW), massa d acqua caratterizzata dai più bassi contenuti di CFC. ABSTRACT A branch of High Salinity Shelf Water (HSSW) formed in Terra Nova Bay polynya is known to flow southward under the Ross Ice Shelf (RIS), where it takes part in the production of Deep Ice Shelf Water (DISW). DISW comes out from beneath the 315

80 RIS as a tongue of supercold water that flows northward near the bottom of the water column. Chlorofluorocarbon (CFC) measurements are useful to investigate circulation and mixing on the Ross Sea shelf and slope area and to estimate deep water ventilation and renewal rates. In particular, HSSW residence or transformation time beneath the RIS can be calculated from the HSSW and DISW CFC concentration and time history. This work presents the CFC distribution from samples collected during the 2003 C.L.I.M.A. (Climatic Long-term Interactions for the Mass-balance in Antarctica) Project cruise in Terra Nova Bay polynya and along the RIS. Major water masses were identified on the basis of different tracer contents and CFC saturation levels. In polynya area HSSW was clearly seen in salinity distribution and in the highest CFC concentration of the subsurface water masses. DISW is characterized by lower CFC concentration and saturation than HSSW, reflecting its isolation from exchange with the atmosphere while circulating beneath the RIS. DISW plume was observed near the RIS margin from 173 E to 178 E. Both hydrological and tracer data evidenced that DISW moves northward, where it mixes with intruding Modified Circumpolar Deep Water (MCDW), characterized by the lowest CFC concentration and saturation values. 1. INTRODUCTION Measurement of anthropogenic trace substances has been established as an useful tool in oceanographic studies (Mensch et al., 1998; England & Maier-Reimer, 2001). Tracer data supplement information provided by standard hydrographic parameters, such as temperature and salinity. Since the 1980s, anthropogenic chlorofluorocarbons CFC 11 and CFC 12, and more recently CFC 113, have been used as chemical tracers of ocean circulation and mixing processes (Schlosser et al., 1991). CFCs are man-made compounds that have been entering the atmosphere for the past half-century. CFCs are defined as transient tracers because of their timedependent nature. Their temporal atmospheric concentrations are known from industrial production records, direct atmospheric measurements and model-based reconstruction (Elkins et al., 1993; Cunnold et al., 1997; Walker et al., 2000). Chemically stable, CFCs enter the surface ocean by gas exchange with a global oceanic uptake of 1 % of the total emissions through 1994 (Willey et al., 2004) and dissolve in surface seawater. At the equilibrium, the concentration of the dissolved CFC is a function of its concentration in the overlying atmosphere and of the salinity and temperature of the seawater (Bullister & Weiss, 1988). Surface and shelf waters around Antarctica contain relatively high concentrations of dissolved CFCs. On the Antarctic slope, as shelf waters sink and mix with ambient waters to form new bottom waters, they inject CFCs into the oceanic bottom layers (Orsi et al., 1999). The Ross Sea is one of the major sites in forming Antarctic Bottom Water (AABW), defined by a neutral density ( n ) kg m -3, which plays an important role in ventilating the deep ocean. The Circumpolar Deep Water (CDW), the most voluminous water mass carried by the Antarctic Circumpolar Current, flows in the 316

81 Ross Gyre, reaches the continental slope and, at the shelf-break, mixes with the SWs forming the AABWs (Locarnini, 1994). Two shelf waters (SWs) take part to AABW formation in the Ross Sea: the High Salinity Shelf Water (HSSW), characterized by salinity values ranging from to (Jacobs et al., 1985), and the Ice Shelf Water (ISW), defined by temperatures below the surface freezing point. Shelf water, formed during winter as the result of intense sea ice production and export, is more concentrated on the western continental shelf, where sea ice formation is enhanced in persistent coastal leads and polynyas (Killworth, 1974; Kurtz & Bromwich, 1985; Zwally et al., 1985). This produces an east-to-west gradient from Low to High Salinity Shelf Water (LSSW and HSSW), both close to the sea surface freezing temperature. At the continental margin, shelf waters mix with circumpolar deep water (CDW) over the continental slope to form bottom water, and to the south they descend beneath the Ross Ice Shelf (RIS), where depression of the freezing point with increased pressure allows the melting of basal ice. This lowers the shelf water temperature and salinity, increasing its buoyancy and causing it to rise along the ice shelf base. Melting is followed by freezing once the in situ freezing temperature is regained, and the resulting Ice Shelf Water (ISW) separates from the basal ice and flows northward out the ice shelf cavity (MacAyeal, 1985). DISW is found primarily on the central continental shelf from where it migrates northward to the shelf break to contribute to the formation of AABW (Jacobs et al., 1985; Budillon et al., 2002; Rivaro et al., 2003; Rubino et al., 2003; Bergamasco et al., 2004). The chlorofluorocarbon distribution found in selected areas of the Ross Sea is reported in this paper. The aim of measuring CFCs was to evaluate the timescales of ventilation and mixing processes involving various water masses in the shelf area and at the shelf break. The results are discussed in relation to hydrological observations. 2. MATERIALS AND METHODS Water samples were collected in the late summer (January-February) 2003 aboard the RV Italica, in the framework of the CLIMA Project cruise as part of the PNRA activities. Sampling involved a large scale survey from Victoria Land to the Ross Ice Shelf (RIS) and a mesoscale survey at the shelf- break near Cape Adare. Out of 128 hydrological stations investigated, 84 were sampled for CFC analyses. figure 1 shows the map of the area with the position of the casts. Conductivity temperature depth (CTD) casts were performed using a Sea Bird Electronics SBE 9/11 probe with double temperature and conductivity sensors flushed at a constant rate. The CTD was coupled to a Carousel water sampler SBE 32. Hydrological data were corrected and processed according to international procedures (UNESCO, 1988). Water samples for tracer analyses were collected from 12 l Niskin bottles, equipped with an epoxy-coated stainless steel spring, in 60 ml glass ampoules avoiding any contact with air. All ampoules were flame-sealed in an ultra-pure N 2 atmosphere. The flame-sealed ampoules were stored in dark, cold conditions (+4 C). 317

82 Samples were analyzed at Department of Chemistry and Industrial Chemistry, University of Genoa, Genoa, according to the methods described by Bullister and Weiss (1988) and Smethie et al. (1988). The CFCs were analyzed with a specific purge and trap gas chromatographic system with a 63 Ni electron capture as detector. A 5090 Hewlett Packard GC was used with a precolumn of Porasil C and an analytical column packed with Carbograph 1 (60 80 mesh) phase, 183 cm in length. Calibration was done using synthetic air, prepared from ultra-pure O 2 and N 2, containing known amounts of CFC 11 and CFC 12. Hence, an accurate concentration of these compounds was obtained (Bullister & Weiss, 1988). By this standard, all reported concentrations relate to the SIO 2004 scale (http://water.usgs.gov/lab/software/air_curve; Walker et al., 2000). The standard deviation of the method was 0.01 pmol kg -1, and the detection limit was also 0.01 pmol kg -1 for both CFCs VICTORIA LAND Latitude ( S) ROSS ICE SHELF W 160 W Longitude ( E) Fig. 1 - Map of the sampled area and position of the casts. 318

83 3. RESULTS AND DISCUSSION Surface CFC concentrations show a wide range related to seawater temperature and salinity, that influence their solubility. Anyway, the CFC 11 versus CFC 12 ratio presents a mean value of 1.81 similar, even if a little lower, to the value reported from Smethie and Jacobs (2005) for surface waters collected during 2000 and to the value calculated on the basis of the SIO scale revised in 2004 (http://water.usgs.gov/lab/ software/air_curve; Walker et al., 2000). Surface CFC saturation percentage was calculated in all the sampled stations and the maxima values, ranging between 80 and 90 % were found in Terra Nova Bay polynya, known as one of the major HSSW formation area. HSSW is characterized by CFC saturation percentage ranging between 55 and 65 %, despite it is a young and recent ventilated water mass. Data are in agreement with values reported by Smethie and Jacobs (2005). The HSSW undersaturation can be explained taking into account that in the early winter HSSW entrained an undersaturated mixed layer. Moreover, the gas exchange which occurs in the small polynya open water area is not fast enough to allow solubility equilibrium (Smethie & Jacobs, 2005). HSSW leaves its formation area following two principal pathways: northward to Cape Adare slope area and southward to RIS cavity. In both case, this water mass is directly or indirectly involved in AABW formation processes (Budillon et al., 2003). In this study the HSSW southward flow and its contribution to DISW formation were considered. For this purpose two sections, one parallel (36-42; Fig. 2) and one orthogonal (41-54; Fig. 3) to RIS margin, were studied in detail. The section (Fig. 2), west- east oriented from 171 E and 178 E meridian, is positioned along the RIS border to capture both the HSSW inflow beneath the RIS cavity and the DISW outflow. Temperature vertical distribution shows that in stations the water column around 350 m depth is characterized by temperature below 2.0 C, evidencing the DISW outflow at the shelf base. The DISW geographic position found during this survey is more western located respect to what found during previous CLIMA surveys ( and ; Bragato, 2005): in fact, the DISW core with temperature below the surface freezing point can be seen starting E. On the contrary, SISW (Shallow Ice Shelf Water), typically settled between 50 and 250 m, near the RIS margin, is not evident probably because the sampling was carried out too far from RIS (PNRA report, 2003). Salinity appears stratified, values higher than typical of HSSW are present at the bottom layer in all the section. Dissolved oxygen profile evidences below the mixing layer a homogeneous water column characterized by concentrations around 300 µm. Differently from dissolved oxygen, which has similar concentrations in both HSSW and DISW, CFC 11 discriminates the two shelf waters. In fact, HSSW is characterized by the highest CFC concentrations (about 4.7 pmol kg -1 ) in the subsurface layer, meanwhile in DISW CFC concentrations decrease to 4.0 pmol kg -1, because the circulation beneath the RIS prevent any gas exchange with the atmosphere. 319

84 Depth (m) T ( C) Long ( E) Depth (m) S Long ( E) Depth (m) DO (um) Long ( E) Depth (m) CFC 11 (pmol/kg) Long ( E) Fig. 2 - Vertical distributions of Temperature ( C), Salinity, Dissolved Oxygen (µm) and CFC- 11 (pmol kg -1 ) in section

85 HSSW residence time beneath the RIS cavity can be estimated from CFC concentration in both HSSW and DISW and the CFC 11 and CFC 12 time history. The estimation is based on the assumption made for stream tube models (MacAyeal, 1985): in particular, we assume that HSSW circulating beneath RIS scarcely mixes with ambient waters, thus we hypothesize that the DISW CFC concentration is the HSSW CFC concentration when this water mass inflowed beneath the RIS cavity. Thus, assuming that RIS base melting affects CFC concentration for less than 1 %, the HSSW inflow year can be calculated comparing HSSW CFC concentration to CFC time history. Moreover, HSSW residence time beneath the RIS corresponds to the difference between the inflowing under the RIS and the sampling year (Trumbore et al., 1991). This estimation was applied to data reported in table 1; HSSW transit time under the RIS resulted ranging between 2 and 4 years. Tab. 1 - HSSW CFC concentrations and mean saturation % in the RIS proximity. CFC 12 CFC 11 Mean concentration (pmol kg -1 ) Saturation % Recent studies on shelf water circulation CFC-based models (Smethie & Jacobs, 2005) give similar residence time (2-5 years). Since CFC data obtained during 2003 survey represents the first CLIMA project CFC data for this Ross Sea area, they do not allow any evaluation of HSSW residence time variability. Anyway, during 2006 CLIMA survey a detailed sampling of this area was carried out. These data will be very useful to better understand time scale and spatial variability of the studied processes. We compared our results to literature data (Schlosser et al., 1991; Mensch et al., 1996) on shelf water time transit in the interior of Filchner-Ronne Ice Shelf cavity in the Weddell Sea. Data concerning DISW originated in the Ross Sea give shorter circulation time. This difference can be explained taking into account that Filchner-Ronne Ice Shelf cavity is characterized by a deep channel that can influence shelf water circulation and residence time under the ice shelf (Holland et al., 2003). DISW outflowing from RIS is northward directed and flows to Ross Sea southeast slope (Glomar-Challenger basin), where the mixing with CDW and the consequent AABW formation occur. Section 41-54, reported in figure 3, follows only a part of this pathway since the ice coverage did not allow sampling along the DISW preferential northern track. In figure 3 temperature, salinity, dissolved oxygen and CFC 11 vertical profiles in section are shown. Temperature colder than 2.0 C shows DISW presence in the water layer between 300 and 500 m from station 41 to 52, the latter about 140 km far from the RIS margin. In the overlying layer at about 150 m depth MCDW, already mixed with shelf waters, is identified by temperature around 1.0 C from station 48 to 54. Salinity distribution shows a stratified water column with HSSW at the bottom layer from station 41 to 48. HSSW signal begins by weakening from station 49, probably because of bottom topography. In fact, the Ross Sea shelf bottom is characterized by several 321

86 banks and canyons, which can favourite some water pathways and prevent some other. Dissolved oxygen minima (260 M) are observed in correspondence with temperature maxima, confirming MCDW presence, but it does not discriminate HSSW from DISW. Instead DISW pathway is evidenced by CFC 11 distribution instead: in fact, from station 41 to 52 the water column deeper than 300 m is characterized by an increasing CFC 11 concentration with maxima (4.4 pmol kg -1 equivalent to 50 % saturation) in correspondence with HSSW signal at the bottom depth. CFC bottom concentrations and saturation values decrease moving from southern to northern stations with minimum at stations 53 and 54 (3.9 pmol kg 1 corresponding to 35 % saturation), proving that in the northern stations HSSW is already mixed with ambient waters. CFC absolute minima (2.3 and 1.2 pmol kg -1, respectively for CFC 11 and 12) corresponding to % saturation are found in stations 48, 49 and 51 at mid depth, where the intruding MCDW tongue was observed. CFC 11 concentration as well as temperature in DISW do not vary significantly moving from RIS margin, suggesting that DISW plume is not rapidly eroded in the considered spatial scale. CLIMA mooring data collected during in the central Ross Sea confirm DISW presence on the shelf and its topographically controlled flow to the Glomar-Challenger slope (Aliani et al., 2005). These data evidenced also that MCDW and DISW parallely flow, inverting their vertical position with daily frequency but without any significantly seasonal variation (Aliani et al., 2005). This fact can be explained keeping in mind that in Antarctica tidal dynamics play a crucial role in several processes, such as frontal and basal ice shelf melting and, in shelf break proximity, water mass mixing. In this case tide can influence DISW downflow, conditioning significantly AABW formation processes (Bragato, 2005). 4. CONCLUSIONS CFC distribution was helpful to characterize Ross Sea shelf waters and to evaluate temporal scale of processes in which they are involved. In fact, differently from other chemicals, such as nutrients, dissolved oxygen and semi-quantitative tracers obtained from their linear combination (NO, PO, PO 4 * ), CFC concentrations in DISW and HSSW are different, allowing to trace the two water masses. Moreover, employing CFC data a 2-4 years HSSW residence time under the RIS cavity was estimated. Our data agree with previous observations. CFC signal was not eroded in the DISW at about 140 km from the RIS margin. 322

87 Depth (m) T( C) 0 50, , ,000 Distance (m) Depth (m) , ,000 Distance (m) S Depth (m) Depth (m) -700 DO (um) 0 50, , ,000 Distance (m) CFC 11 (pmol/kg) 0 50, , ,000 Distance (m) Fig. 3 - Vertical distribution of Temperature ( C), Salinity, Dissolved Oxygen (DO, µm) and CFC 11 (pmol kg -1 ) in section

88 REFERENCES Aliani S., Paschini E., Bergamasco A., Meloni R., Artegiani A. & Spezie G Exploring downslope events during in central Ross Sea. 3 rd Conference on the Oceanography of the Ross Sea (Antarctica), , Venezia, Italia. Bergamasco A., Defendi V., Budillon G. & Spezie G Downslope flow observations near Cape Adare shelf-break. Antarct. Sci., 16(2): Bragato D Oceanographic processes in proximity of the Ross Ice Shelf. PhD thesis, Università Cà Foscari, Venezia: 124 pp. Budillon G., Gremes Cordero S. & Salusti E On the dense water spreading off the Ross Sea shelf (Southern Ocean). J. Marine Syst., 35: Bullister J.L. & Weiss R.F Determination of CCl 3 F, and CCl 2 F 2 in seawater and air. Deep-Sea Res., 35(5): Cunnold D.M., Weiss R.F., Prinn R.G., Hartley D., Simmonds P.G., Fraser P.J., Miller B., Alyea G.N. & Porter L GAGE/AGAGE measurements indicating reductions in global emissions of CCl 3 F and CCl 2 F 2 in J. Geophys. Res., 102: Elkins J., Thompson T., Swanson T., Butler J., Hall B., Cummings S., Fisher D. & Raffo A Decrease in the growth rates of atmospheric chlorofluorocarbons - 11 and -12. Nature, England M.H. & Maier-Reimer E Using Chemical Tracers To Assess Ocean Models. Reviews Of Geophisics, 39(1): Holland D.M., Jacobs S.S. & Jenkins A Modelling the ocean circulation beneath the Ross Ice Shelf. Antarct. Sci., 15(1): Jacobs S.S., Fairbanks R.G. & Horibe Y Origin and evolution of water masses near the Antarctic continental margin: evidence from H 2 18 O/H 2 16 O ratios in sea water. In: Jacobs S.S. (Ed.), Oceanology Of The Antarctic Continental Shelf. (Antarctic Research Series, Vol. 43). Washington, D.C.: American Geophysical Union. Killworth P.D A baroclinic model of motions on Antarctic continental shelves. Deep-Sea Res., 21(10): Kurtz D.D. & Bromwich D.H A recurring, atmospherically forced polynya in Terra Nova Bay. Antarctic Research Series, 43: Locarnini R.A Water masses and circulation in the Ross Gyre and Environs. PhD Thesis, Texas A&M University: 87 pp. MacAyeal D.R Evolution of tidally triggered meltwater plumes below ice shelves. Antarctic Research Series, 43: Mensch M., Bayer R., Bullister J.L., Schlosser P. & Weiss R The distribution of Tritium and CFCs in the Weddell Sea during the mid-1980s. Prog. Oceanog., 38: Mensch M., Smethie W.M. Jr., Schlosser P., Weppering R. & Bayer R Transient tracers observations from the western Weddell Sea during the drift and recovery 324

89 of Ice Station Weddell. Ocean, Ice and Atmosphere: interactions at the Antarctic Continental margin. Antarctic Research Series, 75: Orsi A.H., Johnson G.C. & Bullister J.L Circulation, mixing and production of Antarctic Bottom Water. Prog. Oceanog., 43: Programma Nazionale di Ricerche in Antartide Rapporto sulla Campagna Antartica Estate Australe , XVIII Spedizione. Roma: Enea-Progetto Antartide, Ant 03/03: 255 pp. Rivaro P., Frache R., Bergamasco A. & Hohmann R Dissolved oxygen, NO and PO as tracers for Ross Sea Ice Shelf Water overflow. Antarct Sci., 15(3): Rubino A., Budillon G., Pierini S. & Spezie G A model for the spreading and sinking of the Deep Ice Shelf Water in the Ross Sea. Antarct. Sci., 15(1): Schlosser P., Bullister J.L. & Bayer R Studies of deep water formation and circulation in the Weddell Sea using natural and anthropogenic tracers. Mar. Chem., 35: Smethie W.M. Jr., Chipman D., Swift J. & Koltermann K Chlorofluoromethanes in the Artic Mediterranean seas: Evidence for formation of bottom water in the Eurasian Basin and deep-water exchange through Fram Strait. Deep-Sea Res., 35: Smethie W.M. Jr. & Jacobs S.S Circulation and melting under the Ross Ice Shelf: estimates from evolving CFC, salinity and temperature fields in the Ross Sea. Deep-Sea Res. I, 52: Trumbore S.E., Jacobs S.S. & Smethie W.M. Jr Chlorofluorocarbon evidence for rapid ventilation of the Ross Sea. Deep-Sea Res., 38(7): UNESCO The acquisition, calibration and analysis of CTD data. A report of SCOR WG 51. Technical Papers in Marine Science, 54: Walker S.J., Weiss R.F. & Salameh P.K Reconstructed histories of annual mean atmospheric mole fractions for the halocarbons CFC-11, CFC-12, CFC-113 and carbon tetrachloride. J. Geophys. Res., 105: Willey D.A., Fine R.A., Sonnerup R.E., Bullister J.L., Smethie W.M. Jr. & Warner M.J Global ocean chlorofluorocarbon inventory. Geophys. Res. Lett., 31: L Zwally H.J., Comiso J.C. & Gordon A.L Antarctic offshore leads and polynyas and oceanographic effects. Antarctic Research Series, 43: Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

90 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 STUDI MODELLISTICI DI CIRCOLAZIONE MARINA NEL GOLFO DI POZZUOLI Gelsomina MATTIA, Stefano PIERINI Dipartimento di Scienze per l'ambiente, Università degli studi di Napoli Parthenope ABSTRACT Modelling the marine circulation in the Gulf of Pozzuoli This coastal circulation modeling study concerns the analysis of different aspects of the marine dynamics in the Gulf of Pozzuoli, chosen as a significant example of small semi-enclosed coastal basin. First of all the gravitational normal modes (seiches) of the basin have been analyzed by exciting the system through idealized winds, by identifying the eigenfrequencies through a spectroscopic analysis of the oceanic response and, finally, by forcing the system at those frequencies with the aim of studying the spatial structure of the seiches. Marine circulation studies have then been carried out by forcing the system by both local winds and remote large-scale fluxes. In order to do so the model has been nested one-way with a circulation model of the Gulf of Naples. Results relative to the period June 2003 are briefly discussed. RIASSUNTO Questo studio di modellistica di circolazione costiera ha riguardato l analisi di diversi aspetti di dinamica marina nel Golfo di Pozzuoli, scelto come prototipo di piccolo bacino costiero semichiuso. Innanzitutto sono stati analizzati i modi normali gravitazionali del bacino (sesse) eccitando il sistema con venti idealizzati, identificando le autofrequenze mediante un analisi spettrale della risposta oceanica ed, infine, forzando il sistema sulle frequenze così ottenute al fine di studiare la struttura spaziale delle sesse. Quindi sono stati effettuati studi sulla circolazione marina indotta sia da venti locali sia da flussi di più grande scala. Per far ciò il modello in questione è stato innestato one-way con un modello di circolazione del Golfo di Napoli. Vengono qui brevemente discussi i risultati relativi al Giugno ANALISI MODELLISTICA DELLE SESSE NEL GOLFO DI POZZUOLI L area considerata in questo studio è il Golfo di Pozzuoli, scelto come prototipo di ristretta zona litoranea Tirrenica semi-chiusa (Mattia, 2006). Il modello di circolazione delle acque del Golfo di Pozzuoli (Fig. 1) si avvale di una versione a tre strati di una serie di modelli matematici sviluppati principalmente per studi di dinamica oceanica di 327

91 grande scala (ad esempio, Pierini 2006), ma applicati anche a studi di circolazione regionale e costiera (Pierini et al., 2004). La metodologia utilizzata per rilevare le sesse nel Golfo di Pozzuoli è la stessa adottata da Gravili et al. (2001) nel caso del Golfo di Napoli e consiste (i) nel forzare il bacino con venti idealizzati, (ii) nell effettuare un analisi spettrale della risposta oceanica, identificando così le autofrequenze gravitazionali del sistema, ed infine (iii) nell eccitare il sistema con le singole componenti di Fourier corrispondenti ai picchi dello spettro, analizzando quindi la struttura spaziale di ciascuna sessa P1 P2 L3 NISIDA 60 C. MISENO A L2 40 B 20 Pw Fig. 1 - Area di interesse. Nella figura 2 sono riportati gli spettri relativi all elevazione superficiale nei punti P1 e P2 prodotta dal rilassamento di un setup generato, sui domini A e B (si veda Fig. 2), da un vento di 5 m s -1 che si interrompe bruscamente dopo 6 ore dall inizio dell esperimento numerico (a) 1000 T= 17h (b) mm 2 cph T= 8.5h T= 4.3h T= 19min P3 P4 T= 12min mm 2 cph T= 8.5h T= 28min T= 22min T= 15min T= 14min P3 P CPH CPH Fig. 2 - Spettri dell elevazione superficiale del punto P1 (linea sottile), P2 (linea spessa): a) dominio A, b) dominio B. Dalla figura 2 si può constatare la presenza di picchi aventi periodi al di sopra dell ora legati ad oscillazioni di natura interna. I periodi di più alta frequenza, di circa 328

92 18 min, 22 min e 28 min sono in buon accordo con quelli precedentemente ottenuti sperimentalmente e teoricamente da Buonocore (2000) e Gravili et al. (2001), rispettivamente. È da notare che la sessa di 28 min non sembra essere caratteristica del golfo; inoltre le altre sesse riscontrate, che tuttavia non mostrano un elevazione apprezzabile all interno del golfo, sono legate alla presenza dei bordi fittizi (e questo vale sia per il dominio A che per il dominio B). 2. STUDI DI CIRCOLAZIONE DELLE ACQUE DEL GOLFO DI POZZUOLI MEDIANTE L ACCOPPIAMENTO CON UN MODELLO SU SCALA REGIONALE Il modello costiero, in una versione a tre strati, è stato quindi accoppiato one-way e off-line con un analogo modello implementato su scala regionale, comprendente il Golfo di Napoli e zone limitrofe, ma a più bassa risoluzione (1 km x 1 km, Pierini et al., 2004). Il nesting è stato effettuato lungo i bordi laterali indicati con L2 e L3 in figura 1.1; il modello dunque è stato forzato sia dai flussi derivanti dal modello regionale ed applicati lungo tali bordi sia, localmente, dal campo di vento ECMWF campionato nel punto P w in figura 3. Il periodo che qui esaminiamo brevemente è il Giugno In particolare va sottolineato un forte segnale relativo ad un onda di Kelvin generata su scala regionale dal rilassamento di un fenomeno di upwelling costiero dovuto a forti venti da Nord, e la cui effettiva esistenza è stata verificata da dati correntometrici nella Bocca Piccola di Capri (Pierini et al., 2005). Per evidenziare le differenze tra i campi di corrente superficiale ottenuti col modello di piccola scala e quelli ottenuti col modello su scala regionale, in figura 2.1 si riportano immagini nelle quali le correnti nel Golfo di Napoli e nel Golfo di Pozzuoli ottenute dai due modelli sono confrontate in finestre ritagliate dagli originali domini di integrazione (si ricorda che il dominio del modello regionale è stato ruotato di 32 rispetto alla direzione Nord-Sud). Durante il giorno 22 nel caso ad alta risoluzione è presente un intensa circolazione ciclonica che abbraccia l intero Golfo di Pozzuoli, la quale è invece totalmente assente nel caso a più bassa risoluzione. Infine nel corso del giorno 25 la penetrazione del flusso entrante nel golfo nel caso ad alta risoluzione è decisamente maggiore rispetto al caso a più bassa risoluzione. Occorre sottolineare che la circolazione ottenuta forzando il modello del Golfo di Pozzuoli senza che questo sia accoppiato col modello su scala regionale, è irrealisticamente debole e con caratteristiche molto diverse da quelle ottenute con i modelli accoppiati. Ciò mette in evidenza un fatto di grande rilevanza in questo contesto costiero: la circolazione in un dominio delle dimensioni del Golfo di Pozzuoli (confrontabili con il raggio interno di deformazione di Rossby, che in questo caso è di circa 8 km) è solo in minima parte dovuta all effetto diretto del vento locale, mentre è dovuta prevalentemente a correnti geostrofiche e/o ageostrofiche che derivano anch esse dal vento ma che hanno bisogno di un dominio decisamente più esteso per manifestarsi. Da qui deriva l assoluta necessità di accoppiare il modello litoraneo con quello regionale. 329

93 22 June 2003, 0.00 h cm/s a c 120 a c (è riportata una freccia ogni 9) June 2003, 0.00 h cm/s b d 120 b d (è riportata una freccia ogni 9) Fig. 3 - Confronto tra i campi di velocità superficiali ottenuti dal modello su scala regionale (colonna sinistra) e dal modello del Golfo di Pozzuoli (colonna destra) nei giorni 22 e 25 Giugno 2003 (a, b, rispettivamente). BIBLIOGRAFIA Buonocore B Le oscillazioni del livello del mare nel Golfo di Pozzuoli. Scritti in memoria del Prof. Antonino Sposito. Ist. Univ. Nav.: Gravili D., Napoletano E. & Pierini S Barotropic aspects of the dynamics of the Gulf of Naples (Tyrrhenian Sea). Continental Shelf Research, 21: Mattia G Studi modellistici di circolazione marina e trasporto in aree costiere campane. Tesi di Dottorato in Scienze e Ingegneria del Mare, Università di Napoli Federico II. Pierini S A Kuroshio Extension system model study: decadal chaotic selfsustained oscillations. Journal of Physical Oceanography, 36: Pierini S., Ferretti R., Veneziani C. & Visconti G Eulerian and Lagrangian model studies of the wind-driven circulation in the Gulf of Naples (Tyrrhenian Sea). European Geosciences Union 2004, Nizza, Geophysical Research Abstracts, A

94 Pierini S., Roselli L. & Spezie G Evidence of coastal trapped waves propagating along a Southern Tyrrhenian coastal zone: modelling results and validation with currentmeter measurements. European Geosciences Union 2005, Vienna, Geophysical Research Abstract, A Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

95 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 MISURE RADAR DI CORRENTI SUPERFICIALI NEL GOLFO DI NAPOLI Milena MENNA, Berardino BUONOCORE, Enrico ZAMBIANCHI Dipartimento di Scienze per l Ambiente, Università degli Studi di Napoli Parthenope ABSTRACT Radar measurements of surface currents in the Gulf of Naples Surface currents measured in winter 2005 in the Gulf of Naples by a coastal radar system are analysed and discussed in the light of the weather situation as reconstructed on the basis of EMCWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) data. The results show a strong interdependence between wind and surface current directions, particularly visible in certain regions of the Gulf. The frequencies where the maximum energy density is concentrated as well as the preferencial rotation of motions are identified by a rotary spectra analysis. RIASSUNTO Campi di corrente superficiale rilevati nel Golfo di Napoli durante l inverno del 2005 da un sistema radar costiero sono analizzati e discussi alla luce della situazione meteorologica ricostruita a partire da dati ECMWF (European Centre for Medium- Range Weather Forecasts). I risultati mostrano una diretta dipendenza tra la direzione del vento e quella delle correnti superficiali, particolarmente marcata in alcune regioni del Golfo. L analisi spettrale rotatoria evidenzia le frequenze a cui si concentra la massima densità di energia e il verso preferenziale di rotazione dei moti. 1. STRUMENTAZIONE INSTALLATA NEL GOLFO DI NAPOLI Il Dipartimento di Scienze per l Ambiente dell Università Parthenope gestisce per conto dell AMRA s.c.a.r.l., centro di Competenza sull Analisi e il Monitoraggio del Rischio Ambientale, un sistema (SeaSonde) prodotto dalla Codar Ocean Sensor per il rilevamento delle correnti superficiali nel Golfo di Napoli. Questo apparato è composto da due unità remote (antenne ricetrasmittenti localizzate a Portici e a Massa Lubrense, rispettivamente siti 1 e 2 in Fig. 1) che misurano le componenti radiali delle correnti nell area in esame, e da una unità centrale (Fig. 1), che provvede alla composizione dei vettori. La frequenza nominale del segnale trasmesso è 25 Mhz, corrispondente ad una lunghezza d onda di 12 m (il sistema è cioè tarato su onde superficiali marine di lunghezza d onda intorno ai 6m, valore tipico per l area); la portata è di circa 30 km, la risoluzione spaziale di 1250 m, quella temporale di un ora (Buonocore et al., 2005). 333

96 Fig. 1 - Configurazione del sistema installato nel Golfo di Napoli e area di copertura dei segnali radar. 2. REGIME DEI VENTI PREVALENTI E VALUTAZIONE DEL CAMPO DI CORRENTI SUPERFICIALI La prima parte del lavoro ha comportato l individuazione delle situazioni di dinamica superficiale tipiche e ricorrenti durante l inverno del 2005, e la loro caratterizzazione in base ai venti predominanti ricavati da dati ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts). Per il mese di febbraio i venti provengono in prevalenza dal quadrante nord-est, con frequenza (~ 20 %) ed intensità (> 10 m s -1 ) massime concentrate in direzione NE (Fig. 2a); per il mese di marzo la direzione predominante in termini di frequenze (~ 13 %) ed intensità (> 10 m s -1 ) è W (Fig. 2b). Pertanto si è deciso di indagare le dinamiche superficiali in corrispondenza di queste condizioni ricorrenti. a b Fig. 2 - a) Rosa dei venti relativa al mese di febbraio 2005; b) Rosa dei venti relativa al mese di marzo

97 Gli schemi di circolazione superficiale tipici, relativi ai due casi, sono rappresentati in figura 3. L analisi qualitativa delle situazioni con vento da nord-est evidenzia come fattore comune la formazione di un jet, proveniente dai quadranti orientali. A seconda di come è orientato l asse del jet, si possono identificare diverse zone di fuoriuscita delle acque superficiali dal Golfo: il centro nord del bacino e l area intorno all isola di Capri (Fig. 3a, b). Fig. 3 - a, b) Campo di correnti superficiali relativo a condizioni di vento dal settore nord-est; c, d) Campo di correnti superficiali relativo a condizioni di vento da ovest. In caso di vento da ovest, la corrente risulta generalmente orientata dalla Bocca Grande verso il centro del bacino (Fig. 3c, d), con relativo trasporto di acqua sotto costa. In questa situazione non si ha la formazione di strutture stabili e persistenti e le correnti superficiali sono caratterizzate da elevata variabilità. L analisi qualitativa dei campi di corrente ha evidenziato le regioni del bacino in cui la circolazione è più attiva; all interno di queste regioni sono stati scelti dei punti (Fig. 2a, b, c) in corrispondenza dei quali si è condotta l analisi direzionale delle correnti. Il punto a è caratterizzato da elevata variabilità direzionale e rappresenta in alcuni casi una zona di fuoriuscita del flusso, in altri una zona di ingresso delle correnti tirreniche e, in altri ancora, una zona di convergenza tra flussi che provengono dall interno e quelli che provengono dall esterno del bacino. Il punto b, posizionato all interno del jet, mostra che le correnti si dirigono verso la area di fuoriuscita localizzata nel centro-nord del bacino in caso di vento da nord-est, mentre in caso di 335

98 vento da ovest, lo stesso punto presenta un elevata variabilità direzionale della corrente con maggiore tendenza del flusso a muoversi verso la costa. Il punto c rappresenta una zona di fuoriuscita, in caso di vento da nord-est, ma diventa una regione di ingresso di acqua nel Golfo in caso di vento da ovest caratterizzata da un elevata variabilità direzionale della corrente. 3. ANALISI SPETTRALE ROTATORIA Negli stessi punti in cui è stata condotta l analisi direzionale per i mesi di febbraio e marzo 2005 abbiamo effettuato un analisi spettrale rotatoria. La tecnica degli spettri rotatori prevede la creazione di un vettore velocità complesso composto da una parte reale e da una parte immaginaria; la prima rappresenta la proiezione del vettore sull asse zonale, la seconda sull asse meridionale. Questo vettore viene scomposto in due componenti circolari rotanti l una in senso orario e l altra in senso antiorario per ogni specifica frequenza (Emery & Thomson, 2001). Questa tecnica consente di indagare il verso preferenziale di rotazione dei moti evidenziando quale delle due componenti (oraria o antioraria) domini il campo di correnti. Convenzionalmente, la componente antioraria è considerata come rotante con una frequenza angolare positiva ( 0) e determina uno spettro positivo S + (), mentre, la componente oraria è considerata rotante con una frequenza angolare negativa ( 0), e determina uno spettro negativo S (). La figura 4 sintetizza le caratteristiche spettrali tipiche del periodo in esame e riporta gli spettri rotatori relativi al punto a in figura 2. a b Fig. 4 - Spettro rotatorio febbraio 2005 a) e spettro rotatorio marzo 2005 b) relativi al punto a in figura 2. Le frecce nere evidenziano le frequenze mareali, la f evidenzia la frequenza inerziale. Le frequenze inerziali (f in Fig. 4) e le frequenze mareali diurne e semidiurne (frecce nere in Fig. 4) sono più evidenti a marzo che a febbraio. L assenza di andamenti coincidenti con i periodi inerziali e mareali trova conferma in bibliografia. Infatti, secondo Moretti et al. (1985), il Golfo di Napoli è caratterizzato da picchi di piccola entità per le componenti mareali diurne e semidiurne; i fenomeni inerziali, invece, 336

99 prevalgono in estate ed in autunno, cioè nei periodi dell anno in cui il termoclino è ben sviluppato e sono meno evidenti nei mesi invernali, quando le condizioni meteomarine sono più severe. A frequenze più basse, l analisi di entrambi i periodi evidenzia la presenza di contributi a 50, 70 e ore, imputabili a cause meteorologiche. Dall osservazione degli spettri rotatori risulta inoltre evidente la prevalenza dello spettro orario su quello antiorario in tutti i punti esaminati in particolare nella regione delle alte frequenze. È quindi possibile affermare che la direzione preferenziale di rotazione dei moti è quella anticiclonica. 4. CONCLUSIONI L analisi delle correnti superficiali rilevate nel Golfo di Napoli nel periodo febbraio-marzo 2005, evidenzia come il vento influenzi la dinamica superficiale in maniera diversificata. Il centro del Golfo è infatti dominato dalle presenza di un jet generalmente concorde con la direzione dei venti prevalenti. Le aree più sottocosta risentono del forzante meteorologico indirettamente, in quanto sollecitate dalla struttura dinamica sopra discussa. L analisi spettrale mostra la presenza di maree, oscillazioni inerziali e di strutture a frequenze più basse presumibilmente legate ad eventi atmosferici, con prevalenza della componente anticiclonica del moto. RINGRAZIAMENTI Si ringrazia il centro di ricerche ENEA di Portici e il Centro di alta formazione Villa Angelina di Massa Lubrense che gentilmente ospitano le due unità remote di cui si compone il sistema radar. Questo lavoro è stato parzialmente finanziato dal progetto Interreg IIIb CORI e dal progetto FISR-MIUR VECTOR. BIBLIOGRAFIA Buonocore B., Flocco D. & Zambianchi E Misure di correnti superficiali eseguite con radar costiero. Manuale Tecnico n. 9, CRdC-AMRA: 15 pp. Emery W. & Thomson R.E Data Analysis Methods in Physical Oceanography. Elsevier, Amsterdam: 638 pp. Moretti M., Spezie G. & Vultaggio M Observation of near inertial period oscillation in the Gulf of Naples. Boll. Oceanol. Teor. Appl., 3(2): Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

100 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 BATTERI MARINI ANTARTICI DEGRADANTI I POLICLOROBIFENILI (PCB): CARATTERIZZAZIONE E POTENZIALE BIODEGRADATIVO Luigi MICHAUD 1, Vivia BRUNI 1, Consolazione CARUSO 1, Giovanni VELLA, Gaetano DI MARCO 2, Maria DE DOMENICO 1, Angelina LO GIUDICE 1 1 Dipartimento di Biologia Animale ed Ecologia Marina, Università di Messina, Salita Sperone, Messina 2 Istituto per i Processi Chimico-Fisici (IPCF-CNR), Via La Farina, Messina ABSTRACT Polychlorinated biphenyl degrading Antarctic marine bacteria: characterization and estimation of their biodegradative potential A total of 126 Antarctic marine bacteria were screened for their ability to degrade polychlorinated biphenyls (PCBs) as the sole carbon and energy source. PCB-degrading isolates were identified by sequencing their 16S rdna as Pseudoalteromonas, Psychrobacter and Arthrobacter members. One representative isolate per genus was selected for the evaluation of the biodegradative potential on PCBs and phenotypically characterized. Differences in the removal patterns of PCB congeners were observed in relation to the phylogenetic affiliation: Arthrobacter member showed similar biodegradation efficiencies when growing at 4 and 15 C, while Pseudoalteromonas strain better degraded PCBs at 15 C. No biodegradation was observed for the Psychrobacter strain at 4 C. RIASSUNTO La capacità di degradare i policlorobifenili (PCB) come unica fonte di carbonio e di energia è stata saggiata su 126 batteri marini antartici. I ceppi in grado di attuare la degradazione sono stati identificati mediante sequenziamento del 16S rdna e appartengono ai generi Pseudoalteromonas, Psychrobacter e Arthrobacter. Un rappresentante per genere è stato selezionato per la valutazione del potenziale biodegradativo sui PCB e caratterizzato fenotipicamente. Differenze nei pattern di rimozione dei singoli congeneri dei PCB sono state osservate in relazione all affiliazione filogenetica dei ceppi esaminati: Arthrobacter ha mostrato di degradare similmente il substrato alle due temperature saggiate (4 e 15 C), Pseudoalteromonas ha degradato il substrato più efficacemente a 15 C, mentre la degradazione a 4 C non è stata osservata per il ceppo di Psychrobacter. 339

101 1. INTRODUZIONE I policlorobifenili (PCB) sono composti organici prodotti massivamente durante la prima metà del ventesimo secolo sotto diversi nomi commerciali, quali Aroclor, Clophen, Fenocloror o Kanecloror. La famiglia dei PCB è costituita da 209 congeneri dati da una molecola di bifenile cui sono legati da uno a dieci atomi di cloro. Le miscele di questi composti non sono infiammabili, presentano un alto grado di stabilità chimica e termica (fino a 350 C) e possiedono buone proprietà dielettriche (Master & Mohn, 1998; Vaillancourt et al., 2003). I PCB hanno trovato numerose applicazioni industriali, ad esempio nei fluidi dielettrici dei trasformatori o come componenti di inchiostri, vernici e lubrificanti. L ampio utilizzo di questi composti chimicamente stabili ha portato ad una estesa contaminazione ambientale derivante da rilasci accidentali o da un uso inappropriato; inoltre, la grande persistenza dei PCB ne ha provocato l accumulo lungo la catena trofica. Nonostante le precauzioni prese per evitare l inquinamento, PCB sono stati ritrovati sia nelle acque marine antartiche che in organismi appartenenti ai diversi livelli della catena trofica (Fuoco et al., 1996, 2005; Montone et al., 2001; Corsolini et al., 2003; 2006; Weber & Goerke, 2003). Sebbene la loro dispersione avvenga principalmente attraverso l atmosfera (Montone et al., 2005), le crescenti attività umane in Antartide hanno probabilmente contribuito anche ad un fenomeno di contaminazione localizzata. Nonostante la loro natura recalcitrante, i PCB possono essere degradati in condizioni aerobie e anaerobie da diversi microrganismi. Tale processo viene spesso riportato per microrganismi mesofili isolati dal suolo o dai sedimenti, dove questi xenobiotici si accumulano. Raramente batteri psicrotolleranti in grado di degradare i PCB sono stati isolati da ambienti freddi (Mohn et al., 1997; Master & Mohn, 1998; Lambo & Patel, 2006). Ad oggi, poco si conosce dell attività degradativa operata dai batteri antartici su questi inquinanti recalcitranti (De Domenico et al., 2004). Lo scopo del lavoro è stato quello di ricercare batteri marini antartici in grado di degradare i PCB, di stimare il loro potenziale biodegradativo e di caratterizzarli dal punto di vista genotipico e fenotipico. 2. MATERIALI E METODI 2.1. Ceppi batterici I 126 ceppi batterici utilizzati in questo studio sono stati isolati da campioni prelevati lungo la colonna d acqua (0-150 m) nella stazione Tiburtina (TIB; coordinate: S E) a Baia Terra Nova (Mare di Ross, Antartide) nell Estate Australe (Bruni et al., 1999). Essi appartengono alla Collezione Italiana di Batteri Antartici del Museo Nazionale dell Antartide (CIBAN-MNA), sezione di Messina, e sono mantenuti in tubo a 4 C su Marine Agar (MA, Difco) fatto solidificare a becco di clarino e a 80 C in Marine Broth (MB, Difco) addizionato con glicerolo al 20 %. 340

102 2.2. Screening per la degradazione dei PCB La capacità di degradare i PCB in condizioni di aerobiosi è stata saggiata in 10 ml di terreno liquido Bushnell Haas (BH, Difco) addizionato con Aroclor 1242 (Sigma, 100 ppm in diclorometano), come unica fonte di carbonio ed energia. L Aroclor è una miscela di congeneri dei PCB (da monocloro- a esacloro-bifenili) costituiti da 12 atomi di C nella molecola del bifenile e contenenti il 42 % di cloro. Il terreno è stato inoculato con una sospensione batterica (10 %, v/v) precedentemente preparata in acqua distillata al 3 % di NaCl. Le colture sono state incubate in agitazione (100 rpm) a 4 e 15 C per 21 giorni. Il terreno di coltura non inoculato è stato incubato in parallelo quale controllo negativo. Tutte le prove sono state condotte in duplicato. La capacità di utilizzare i PCB è stata valutata sulla base del grado di torbidità o della presenza di flocculi cellulari nel terreno di coltura Stima del potenziale biodegradativo I ceppi ritenuti positivi sulla base dello screening preliminare sono stati selezionati per procedere ad ulteriori analisi. Essi sono stati rimessi in coltura in duplicato (come descritto nel paragrafo precedente) in presenza di Aroclor 1242, in un volume finale di terreno pari a 50 ml. Ad intervalli stabiliti, diluizioni seriali delle colture originali sono state seminate in duplicato su MA per il monitoraggio della crescita batterica (CFU ml -1 ). La quantificazione dei PCB rimanenti nel terreno di coltura è stata effettuata mediante gascromatografia spettrometria di massa (GC-MS). Al termine del tempo di incubazione, l attività biodegradativa è stata interrotta aggiungendo alle colture HCl 10 M fino al raggiungimento di un ph 2. Le colture sono state estratte tre volte con il 10 % di diclorometano (CH 2 Cl 2 ), previa aggiunta di una soluzione di octacloronaftalene (OCN, Sigma; 40 ppm in CH 2 Cl 2 ) per stimare l eventuale perdita di substrato durante la procedura di estrazione. Le tre fasi organiche ottenute sono state mescolate e totalmente evaporate a temperatura ambiente sotto cappa chimica, prima di procedere all analisi gas-cromatografica, come precedentemente riportato da De Domenico et al. (2004). L eptametilnonano è stato utilizzato quale standard interno. L intensità dei picchi generati dai singoli congeneri presenti nell Aroclor 1242 è stata normalizzata con il segnale dato dall OCN. Infine, la percentuale di degradazione (% D) è stata determinata secondo la seguente equazione: % D = 100 [(H PCB sample /H PCB control ) x 100] dove H PCB sample e H PCB control sono le altezze dei picchi rispettivamente nel campione e nel controllo negativo Indagini biomolecolari e caratterizzazione fenotipica L amplificazione, il sequenziamento e l analisi filogenetica del 16S rdna è stata condotta come precedentemente descritto da Michaud et al. (2004), mentre l insieme delle caratteristiche morfologiche, biochimiche e fisiologiche dei ceppi in esame è stato determinato con metodiche classiche, come riportato da Lo Giudice et al. (2006). 341

103 3. RISULTATI 3.1. Screening preliminare e caratterizzazione dei ceppi selezionati Soltanto 9 (7.1 %) dei ceppi sottoposti a screening preliminare per la degradazione dei PCB ha mostrato una crescita visibile ad occhio nudo ed imputabile all utilizzo del substrato addizionato al terreno di coltura. L analisi delle sequenze del loro 16S rdna ha permesso di risalire alla loro affiliazione filogenetica; essi appartengono a tre generi distinti: Pseudoalteromonas (ceppi 3, 5, 19 e 24) e Psychrobacter (ceppi 6, 15 e 16) tra i -Proteobatteri, e Arthrobacter (ceppi 9 e 74) tra gli Attinobatteri. Le sequenze del loro 16S rdna hanno una percentuale di similarità > 97 % con specie note. Un rappresentante per genere (ceppi 15, 19 e 74) è stato selezionato per la determinazione del potenziale biodegradativo nei confronti dei PCB. I risultati della caratterizzazione fenotipica dei tre ceppi oggetto di studio sono mostrati in tabella 1. Essi hanno degradato almeno due delle macromolecole saggiate, mentre nessuno è stato in grado di degradare la chitina. Tutti e tre si sono dimostrati lipolitici sul tween 80. Nessuno dei ceppi ha mostrato di possedere gli enzimi ornitina decarbossilasi, lisina decarbossilasi e arginina diidrolasi. La produzione di H 2 S e di indolo non sono state osservate. Tutti sono risultati psicrotolleranti e in grado di crescere in un ampio range di ph e concentrazione di NaCl. Gran parte degli antibiotici saggiati ne hanno inibito la crescita Saggio di biodegradazione sui PCB Differenze sono state rilevate nei conteggi vitali dei ceppi selezionati quando incubati in presenza di Aroclor 1242 a 4 e 15 C per 21 giorni (Tab. 2). I PCB hanno sostenuto popolazioni batteriche fino 6,8 x 10 6 CFU ml -1 (ceppo 74 a 4 C). La crescita batterica è stata generalmente favorita dalla bassa temperatura (ad eccezione di Psychrobacter sp. 15) ed è passata dalla fase di latenza a quella logaritmica dopo sette giorni di incubazione (dati non riportati). L estrazione dei PCB rimanenti nel terreno di coltura è stata condotta al termine del periodo di incubazione previsto (21 giorni), quando i ceppi si trovavano in tarda fase stazionaria. Differenze nella degradazione dei PCB sono state osservate in relazione all affiliazione filogenetica dei ceppi in esame: Arthrobacter sp. 74 ha mostrato di degradare similmente il substrato alle due temperature saggiate, Pseudoalteromonas sp. 19 si è dimostrato più efficace a 15 C nei confronti di gran parte dei congeneri, mentre Psychrobacter sp. 15 ha attuato una debole degradazione esclusivamente a 15 C. Nel complesso, gli isolati sono stati in grado di ridurre la maggior parte dei picchi osservati nei cromatogrammi, in un range dello 0,4-82,8 %. Nessun congenere è stato rimosso totalmente, ma è stata osservata una degradazione superiore al 50 % per un gran numero di essi (Tab. 3). 342

104 Tab. 1 Caratteristiche fenotipiche dei ceppi degradanti i PCB (b: bastoncellari; c: cocchi). Caratteristica Psychrobacter Pseudoalteromonas Arthrobacter Profondità di prelievo (m) Colorazione di Gram + Motilità + Morfologia cellulare b b c Flagelli polari + Pigmentazione delle colonie + Endospore Temperatura di crescita ( C): Range di ph per la crescita [NaCl] min per la crescita (%) [NaCl] max per la crescita (%) Utilizzo come fonte di carbonio: Glucosio + Maltosio, malato, mannitolo, arabinosio, mannosio, adipato, gluconato, caprato, fenilacetato, citrato, N-acetyl-glucosamina, Test biochimici: Lisina decarbossilasi, ornitina decarbossilasi arginina deidrolasi ureasi + β-galactosidasi + Triptofano deaminasi + Ossidasi + + Catalasi Formazione di indolo Reazione di Voges-Proskauer Riduzione nitrati, formaz. H 2 S Idrolisi di macromolecole: Esculina, tween Gelatina + Chitina, agar Amido + + Produzione di acidi da: Glucosio, inositolo, sorbitolo, ramnosio, melibiosio, mannitolo amigdalina, arabinosio Saccarosio + Sensibilità a: Penicillina G, acido nalidixico, tobramicina, cloramfenicolo ampicillina Polimixina B + Tetraciclina + + O/

105 Tab. 2 Conteggi vitali (CFU ml -1 x 10 6, media ± dev. st.) su MA dei ceppi antartici degradanti i PCB dopo 21 giorni di incubazione a 4 e 15 C. Temperatura di incubazione ( C) Ceppo 4 15 Psychrobacter sp. 15 1,5 ± 0,6 4,5 ± 2,3 Pseudoalteromonas sp. 19 3,4 ± 1,3 2,8 ± 0,7 Arthrobacter sp. 74 6,8 ± 2,1 4,6 ± 0,8 Tab. 3 Efficienza biodegradativa, espressa in % di substrato rimosso, dei ceppi antartici selezionati (TR: tempo di ritenzione; NA: picco non assegnato). Efficienza della biodegradazione (%) Ceppo 15 Ceppo 19 Ceppo 74 TR (min) n picco Congeneri 15 C 4 C 15 C 4 C 15 C ,2' , ,4' 0, ,3' 4, ,2',5 6, ,4,6 18, ,3,3' ,6 8, NA 17, ,3',5 7, ,4, 20, ,4,4' 24, ,3,6 17, ,2',3,3' ,2',3,5 20, ,2',5,5' 15, ,2',4,5' 12, ,2',5,6 25, ,3,4,4' 21, ,2',3,5' 6, ,3,4,4' 12, ,3',4,4' 6, ,2',3,4,5 4, ,3',4,4',5 4, ,2',3,4,5' ,3',4,5', A 4 C, Arthrobacter sp. 74 ha rimosso i diclorobifenili nel range %, i triclorobifenili tra il 37 ed il 60 %, i tetraclorobifenili tra il 48 ed il 55 % e i pentaclorobifenili tra il 50 ed il 70 %; a 15 C, la sua efficienza di degradazione è risultata tra il 62 ed il 77 % sui diclorobifenili, tra il 38 ed il 61 % sui triclorobifenili, tra il 44 ed il 56 % sui tetraclorobifenili e, infine, tra il 52 ed il 57 % sui pentaclorobifenili. 344

106 L efficienza biodegradativa di Pseudoalteromonas sp. 19 a 4 C è risultata nel range % sui diclorobifenili, % sui triclorobifenili, % sui tetraclorobifenili e % sui pentaclorobifenili; a 15 C è stato in grado di rimuovere i diclorobifenili tra il 72 ed il 79 %, i triclorobifenili tra il 49 ed il 67 %, i tetraclorobifenili tra il 46 ed il 69 % e, infine, i pentaclorobifenili tra il 50 ed il 70 %. A 4 C, i ceppi Pseudoalteromonas sp. 19 e Arthrobacter sp. 74 hanno mostrato pattern di degradazione simili tra loro nei confronti dei di-, tri- e tetra-clorobifenili, mentre i pentaclorobifenili sono stati rimossi in maniera più significativa da Arthrobacter sp. 74. Al contrario, a 15 C Pseudoalteromonas sp. 19 è apparso più efficace sulla maggior parte dei congeneri nella degradazione rispetto ad Arthrobacter sp DISCUSSIONE L isolamento di batteri psicrotolleranti in grado di degradare i PCB è stato riportato per suoli e sedimenti artici (Mohn et al., 1997; Master & Mohn, 1998; Lambo & Patel, 2006), mentre poco si conosce sull attività degradativa di batteri antartici nei confronti di questi xenobiotici altamente recalcitranti. Il presente studio ha permesso di dimostrare tale loro capacità e di confermare risultati già ottenuti in passato. De Domenico et al. (2004) riportano, infatti, di due ceppi strettamente correlati a Rhodococcus fascians, in grado di degradare fino al 32 % e al 63 % di PCB, rispettivamente a 4 e 20 C. Tra i microrganismi mesofili, il genere Rhodococcus, insieme a Janibacter, Arthrobacter e Corynebacterium, è tra i batteri Gram-positivi già noti per la capacità di utilizzare i PCB; tra i Gram-negativi, invece, si annoverano i generi Pseudomonas, Acinetobacter e Alcaligenes (Seto et al., 1995; Williams et al., 1997; Sierra et al., 2003; Yang et al., 2004). Batteri psicrotolleranti del genere Pseudomonas degradanti i PCB sono stati isolati da Mohn et al. (1997) e da Master e Mohn (1998), mentre Lambo e Patel (2006) hanno osservato la stessa capacità per un ceppo del genere Hydrogenophaga. Un aspetto interessante del nostro studio è stato quello di aver dimostrato la degradazione, seppur debole, dei PCB ad opera del genere Psychrobacter. Contrariamente al genere Pseudoalteromonas, capace di degradare diversi tipi di inquinanti (quali gli idrocarburi alifatici ed aromatici), dallo studio bibliografico effettuato non risulta, infatti, alcuna capacità biodegradativa nei confronti di sostanze inquinanti da parte del genere Psychrobacter. La caratterizzazione dei ceppi oggetto di studio fornisce un valido aiuto per la comprensione della loro ecofisiologia. Infatti, per poter sviluppare e ottimizzare le strategie di bioremediation diventa fondamentale giungere alla comprensione del potenziale dei microrganismi in grado di degradare l inquinante, anche basandosi sulla loro fisiologia e sulle loro funzioni ecologiche (Watanabe et al., 2002). I batteri marini psicrotolleranti, grazie al vantaggio intrinseco nella rimozione di contaminanti a bassa temperatura e alla loro capacità di sopravvivere e rimanere attivi alle condizioni in situ, potrebbero essere sfruttati in maniera più efficace, rispetto alle controparti mesofile e psicrofile, per la bioremediation sia in ambienti freddi che 345

107 temperati (Gounot, 1991). Essi potrebbero rappresentare, dunque, un mezzo efficace per il recupero di ambienti contaminati in Antartide, dove non è consentita l introduzione di specie alloctone. Infine, i risultati ottenuti mettono in evidenza il fondamentale ruolo dei batteri quali agenti di autodepurazione nei mari antartici. RINGRAZIAMENTI La ricerca è stata finanziata dal Progetto PNRA 2002/1.5. BIBLIOGRAFIA Bruni V., Gugliandolo C., Maugeri T. & Allegra A Psychrotrophic bacteria from a coastal station in the Ross Sea (Terra Nova Bay, Antarctica). Microbiologica, 22: Corsolini S., Ademollo N., Romeo T., Olmastroni S. & Focardi S Persistent organic pollutants in some species of a Ross Sea pelagic trophic web. Ant. Sci., 15: Corsolini S., Covaci A., Ademollo N., Focardi S. & Schepens P Occurrence of organochlorine pesticides (OCPs) and their enantiomeric signatures, and concentrations of polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) in the Adélie penguin food web, Antarctica. Environ. Poll.,140: De Domenico M., Lo Giudice A., Michaud L., Saitta M. & Bruni V Diesel oil and PCB-degrading bacteria isolated from Antarctic seawaters (Terra Nova Bay, Ross Sea). Pol. Res., 23: Fuoco R., Colombini M. P., Ceccarini A. & Abete C Polychlorobiphenyls in Antarctica. Microchem. J., 54: Fuoco R., Giannarelli S., Wei Y., Abete C., Francesconi S. & Termine M Polychlorobiphenyls and polycyclic aromatic hydrocarbons in the sea-surface micro-layer and the water column at Gerlache Inlet, Antarctica. J. Environ. Monit., 2005: Gounot A.M Bacterial life at low temperature: physiological aspects and biotechnological implications. J. Appl. Bacteriol., 71: Lambo A.J. & Patel T.R Isolation and characterization of a biphenyl-utilizing psychrotrophic bacterium, Hydrogenophaga taeniospiralis IA3-A, that cometabolize dichlorobiphenyls and polychlorinated biphenyl congeners in Aroclor J. Basic Microbiol., 46: Lo Giudice A., Michaud L., de Pascale D., De Domenico M., di Prisco G., Fani R. & Bruni V Lipolytic activity of Antarctic cold-adapted marine bacteria (Terra Nova Bay, Ross Sea). J. Appl.Microbiol., 101: Mohn W.W., Westerberg K., Cullen W.R. & Reimer K.J Aerobic biodegradation of biphenyl and polychlorinated biphenyls by Arctic soil micro-organisms. Appl. Environ. Microbiol.,

108 Master E. R. & Mohn W.W Psychrotolerant bacteria isolated from Arctic soil that degrade polychlorinated biphenyls at low temperatures. Appl. Environ. Microbiol., 64: Michaud L., Di Cello F., Brilli M., Fani R., Lo Giudice A. & Bruni V Biodiversity of cultivable Antarctic psychrotrophic marine bacteria isolated from Terra Nova Bay (Ross Sea). FEMS Microbiol. Lett., 230: Montone R.C., Taniguchi S. & Weber R.R Polychlorinated biphenyls in marine sediments of Admiralty Bay, King George Island, Antarctica. Mar. Poll. Bull., 42: Montone R.C., Taniguchi S., Boian C. & Weber R.R PCBs and chlorinated pesticides (DDTs, HCHs and HCB) in the atmosphere of the southwest Atlantic and Antarctic oceans. Mar. Poll. Bull., 50: Seto M., Kimbara K., Shimura M., Hatta,T., Fukuda M. & Yano K A novel transformation of polychlorinated biphenyls by Rhodococcus sp. strain RHA1. Appl. Environ. Microbiol., 61: Sierra I., Valera M.L &, Laborda F Study of the biodegradation process of polychlorinated biphenyls in liquid medium and soil by a new isolated aerobic bacterium (Janibacter sp.). Chemosphere, 53: Vaillancourt F.H., Haro M.A., Drouin N., Karim Z., Maaroufi H. & Eltis L.D Characterization of extradiol dioxygenases from a polychlorinated biphenyldegrading strain that possess higher specificities for chlorinated metabolites. J. Bacteriol., 185: Watanabe K., Futamata H. & Harayama S Understanding the diversity in catabolic potential of microorganisms for the development of biodegradation strategies. Antonie van Leeuwenhoek, 81: Weber K. & Goerke H Persistent organic pollutants (POPs) in Antarctic fish: levels, patterns, changes. Chemosphere, 53: Williams W.A., Lobos J.H. & Cheetham W.E A phylogenetic analysis of aerobic polychlorinated biphenyl-degrading bacteria. Int. J. Syst. Bacteriol., 47: Yang X., Sun Y. & Qian S Biodegradation of seven polychlorinated biphenyls by a newly isolated aerobic bacterium (Rhodococcus sp. R04). J. Ind. Microbiol. Biotechnol., 31: Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

109 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 ATTIVITÀ E BIOMASSE MICROBICHE NELLE ACQUE SUPERFICIALI DEL MAR IONIO Luis Salvador MONTICELLI 1, Gabriella CARUSO 1, Emilio DE DOMENICO 2, Filippo AZZARO 1, Maurizio AZZARO 1, Rosabruna LA FERLA 1, Marcella LEONARDI 1, Giovanna MAIMONE 1, Franco DECEMBRINI 1 1 Istituto per l Ambiente Marino Costiero (IAMC), CNR di Messina 2 Dipartimento Biologia Animale ed Ecologia Marina, Università di Messina ABSTRACT Microbial activities and biomasses in the surface waters of the Ionian Sea The aim of the study was to elucidate the microbial processes related to C and P biogeochemical cycles which occur at the surface layer (5-100 m) of the Ionian Sea during late autumn period. Two successive steps, concerning respectively the enzymatic hydrolysis of proteins, polysaccharides and organic phosphates and the incorporation of the released monomers into new microbial biomass were investigated, together with the abundance and biomass of total bacterioplankton and picophytoplankton and measurement of chlorophyll-a content as an index of phytoplankton biomass. Three main hydrological areas (Central Eastern -ICOr, Central- IC and Central-Western-Sicily Channel ICOc-CS) with distinctive characteristics were identified by the analysis of 6 microbiological variables. ICOc-CS area was characterised by the highest values of microbial activity (production and decomposition) and consumption of inorganic phosphorus (Pi). IC area showed high potential mineralisation rates of organic phosphates and glycosides, while low total bacterioplankton and picophytoplankton abundances were found. In IC and ICOr areas, the high values of potentially mineralised Pi: consumed Pi ratio (59 and 250 respectively) provide the supply of Pi for further productive processes. RIASSUNTO Lo studio ha avuto come obiettivo principale individuare i processi microbici legati ai cicli biogeochimici del carbonio e fosforo che avvengono simultaneamente nello strato superficiale (5-100 m) del Mar Ionio durante il periodo tardo autunnale. L analisi simultanea di sei variabili microbiologiche ha permesso di individuare tre aree ben distinte fra loro (Centro Orientale -ICOr, Centro- IC e Centro Occidentale-Canale di Sicil ICOc-CS) caratterizzate anche dalle loro proprietà idrologiche. I valori più elevati di attività (produzione batterica eterotrofica, attività proteolitica) e di consumo potenziale autotrofico ed eterotrofico di fosfati inorganici (Pi) sono stati riscontrati nell area ICOc-CS; l area IC è risultata invece caratterizzata da un elevato tasso di 349

110 mineralizzazione potenziale dei fosfati organici e poli ßglucosidi e da bassi conteggi di cellule batteriche e di picofitoplancton. Nelle aree IC ed ICOr i valori del rapporto Pi potenzialmente mineralizzato: Pi potenzialmente consumato (59 e 250 rispettivamente) assicurano una elevata quantità di Pi disponibile per ulteriori processi produttivi. 1. INTRODUZIONE All interno del Mar Mediterraneo, il Mar Ionio rappresenta un sito chiave per la sua posizione come punto di incrocio fra i sottobacini occidentale, orientale ed adriatico (Manca, 2000), nonché come punto di confluenza e di scambio di diverse masse d acqua caratterizzate anche da particolare idrodinamismo. Già in precedenza è stato dimostrato come tale sito rappresenti un punto di importante trasformazione delle masse d acqua (Malanotte-Rizzoli et al., 1997; Manca, 2000), che condizionano le caratteristiche idrologiche di tutto il bacino mediterraneo. I processi biologici ed in particolare quelli legati alle componenti microbiche che svolgono un ruolo chiave nei cicli biogeochimici di Carbonio, Azoto (Hoppe et al., 2002) e Fosforo (Jones, 1997; Hoppe, 2003) rispondono in maniera sensibile a variazioni idrologiche e climatiche (Turley, 1999). Fatta eccezione per pochi studi (Monticelli et al., 2002; Zaccone et al., 2003; La Ferla et al., 2005), le conoscenze acquisite dal punto di vista idrodinamico a livello di bacino ionico non sono state finora messe in relazione con i processi microbici che avvengono a livello delle masse d acqua, mentre numerose indagini a tal riguardo sono state condotte nel bacino Levantino (Robarts et al., 1996; Van Wambecke et al., 2001). Al fine di valutare l entità delle biomasse microbiche e dei processi di produzione e decomposizione eterotrofica legati alla trasformazione della sostanza organica e la loro distribuzione spaziale è stata condotta in periodo tardo-autunnale (Novembre 2004) una indagine multidisciplinare in una serie di stazioni dislocate dallo Ionio Meridionale (Ovest di Creta) fino all estremo occidentale del Canale di Sicilia. Nel presente studio l attenzione è stata concentrata sullo strato superficiale (0-100 m) in quanto esso è più direttamente interessato dai recenti cambiamenti occorsi nella sua circolazione orizzontale (Manca, 2000). 2. MATERIALI E METODI Nell ambito della campagna MEDBIO effettuata con la N/O Urania (CNR) nel periodo novembre 2004, sono stati effettuati campionamenti lungo la colonna d acqua nel bacino dello Ionio meridionale, in modo da coprire un area congiungente l isola di Creta con il Canale di Sicilia. Le aree d indagine con l ubicazione delle stazioni di prelievo (31, 33, 34b, 27, 28, 451, 271, L2, Km3, Km4) campionate a diverse profondità per ogni massa d acqua (superficiale, intermedia, profonda) sono riportate in figura 1. Per questo studio l attenzione è stata rivolta in particolare allo strato superficiale nel quale sono stati prelevati campioni d acqua alle quote di 5, 25, 50, 75 e 100 metri di profondità 350

111 mediante una rosetta equipaggiata con bottiglie Niskin di capacità 12 l ed una sonda multiparametrica per il rilevamento di temperatura, salinità, ossigeno disciolto, fluorescenza e pressione. Fig Localizzazione delle stazioni di prelievo. Sui campioni d acqua sono stati determinati i seguenti parametri chimici e biologici: attività enzimatica extracellulare (AEE) [leucina aminopeptidasi (LAP), β- glucosidasi (β-glu) e fosfatasi alcalina (AP)], produzione batterica eterotrofica (PB), conteggi diretti del batterioplancton totale (Eubacteria + Archaea) (BDC) e picofitoplancton (PFP), clorofilla a (Chl-a) e nutrienti (fosfati e nitrati). Con il termine AEE determinata sul campione in toto si fa riferimento alla determinazione simultanea delle attività extra ed ectocellulare (Hoppe et al., 2002). I campioni per la determinazione della AEE sono stati processati a bordo mediante incubazione con substrati fluorogenici specifici (leucine aminomethylcoumarine, Leu-MCA, 4-methylumbelliferil-β-D-glucopyranoside, MUF-glu, 4- methylumbelliferylphosphate, MUF-phosphate, Sigma-Aldrich), secondo la tecnica di multiconcentrazione di Hoppe (1993), e successiva lettura spettrofluorimetrica (Turner fluorimeter modello TD-700) dell intensità di fluorescenza rilasciata dall idrolisi enzimatica dei substrati. I valori V max di attività (velocità massimale di idrolisi potenziale) sono stati calcolati mediante trasformazione di Lineweaver Burke; il risultato è stato espresso in nmoli di monomero rilasciato l -1 h -1. Per le stime di PB sono state condotte a bordo incubazioni (90 minuti alla temperatura in situ del campione +/- 1 C) utilizzando una concentrazione saturante di 3 H Leucina (concentrazione finale 20 nm, attività specifica 65 Ci mmol -1, Amersham Biosciences, UK) secondo il micrometodo di Smith & Azam (1992). I calcoli sono stati effettuati secondo Kirchman (1993) adoperando una diluizione isotopica =1. I risultati sono stati espressi in µg C l -1 h -1 potenzialmente incorporati nella nuova biomassa batterica. I conteggi di BDC e PFP sono stati condotti secondo Porter e Feig (1980) ed il contenuto di Chl-a è stato stimato secondo Lorenzen (1967). La determinazione quantitativa delle endotossine batteriche (LPS), adoperata come indice della biomassa 351

112 dei batteri Gram negativi, è stata condotta utilizzando il kit QCL-1000 (Bio Whittaker, Inc.), in accordo con La Ferla et al. (2004). Le determinazioni degli ortofosfati e nitrati sono state effettuate secondo le metodiche descritte da Strickland e Parsons (1972) adoperando uno spettofotometro Cary 50 Varian. Il fosforo (P) potenzialmente consumato dai batteri eterotrofi è stato calcolato dalla PB in base al rapporto stechiometrico C 50: N 13: P 1 di Fagerbakke et al. (1996); l attività AP è stata espressa in nmoli l -1 h -1 di fosfato inorganico potenzialmente liberati dai fosfati organici (Jones, 1997). La quantità di particellato sospeso (TSM: Total Suspended Matter) è stata determinata per mezzo di pesate differenziali di campioni volumetrici d acqua di mare, filtrati su filtri Whatman GF/F (porosità 0.8 µm) e successivamente essiccati a 80 C. Le pesate sono state eseguite su bilancia analitica (+/- 10 µg) e la concentrazione di TSM è stata espressa in mg l -1. Elaborazione statistica La relazione tra due variabili è stata effettuata mediante calcolo del coefficiente di correlazione di Pearson; i livelli di similarità tra le caratteristiche microbiologiche delle stazioni campionate sono stati valutati mediante analisi Multi- Dimensional Scaling (MDS) accoppiata all analisi dei clusters eseguita utilizzando il coefficiente di similarità di Bray-Curtis (programma Primer v5); il confronto tra due medie è stato condotto mediante analisi della varianza (ANOVA) ad una via. Allo scopo di facilitare lo studio delle similarità microbiologiche fra le stazioni i valori dei parametri confrontati sono stati normalizzati per ogni singola stazione mediante integrazione trapezoidale dei valori misurati lungo la colonna d acqua (5-100 m) riferita al numero di metri della stessa (95 m). 3. RISULTATI E DISCUSSIONE La figura 2 rappresenta schematicamente i risultati di MDS e dei valori di similarità (S) dell analisi dei clusters condotte esclusivamente sui sei parametri biologici (LAP, βglu, AP, PB, BDC, Chl-a) normalizzati per lo strato superficiale. Sono stati identificati 2 raggruppamenti principali, di cui uno costituito dalle stazioni 33 e 34B situate nell Ionio Centro Orientale (ICOr) che presentano fra loro una S dell % ed un secondo raggruppamento, più eterogeneo e suddivisibile in due raggruppamenti minori, comprendente tutte le stazioni localizzate nell area dell Ionio Centro Occidentale-Canale di Sicilia (ICOc-CS). La stazione 31 situata nello Ionio Centrale (IC) si discosta dai raggruppamenti precedenti indicando così di possedere caratteristiche microbiologiche marcatamente differenti da quelle evidenziate dalle altre stazioni raggruppate. Le stazioni appartenenti al cluster ICOr risultano legate da una maggiore similarità (S = 77.71) con le stazioni dell area ICOc-CS rispetto alla similarità rilevata con la stazione dell area IC (staz. 31, S = 66.49). La discriminazione di 3 diverse aree nello Ionio Centrale-Canale di Sicilia basata sulle attività microbiche (Fig. 2) si riflette inoltre nelle particolari caratteristiche chimiche e fisiche dello strato superficiale riscontrate in ogni area. La tabella 1 riporta i 352

113 valori medi ottenuti per i parametri esaminati nelle singole aree e le differenze significative rilevate fra esse dall ANOVA. Ionio Centro Orientale (ICOr) 34B S S S S Km3 271 S S Km4 L2 31 Ionio Centro Occidentale- Canale di Sicilia (ICOc-CS) Ionio Centrale (IC) Fig. 2 - Accorpamento delle stazioni prodotto mediante MDS. I valori delle similarità (S) provengono dall analisi dei clusters. Tab. 1 - Valori medi ottenuti per i diversi parametri idrologici e microbiologici nelle aree esaminate. Parametri unità IC ICOr ICOc-CS IC Produzione batterica eterotrofica ( PB ) µg C L -1 h Leucina-aminopeptidasi (LAP) nmol L -1 h ßGlucosidasi (ßGlu) nmol L -1 h A A Fosfatasi alcaline (AP) nmol L -1 h A 4.61 A A Conta diretta dei batteri ( BDC) cellule x 10 5 ml A Picofitoplancton (PFP) cellule x 10 3 ml Lipopolicacharidi (LPS) ng L Clorofilla a ( Chl. a ) µg L A Salinità (S) A PO4-3 µm A NO3-1 µm AP / LAP A LAP / ßGluc 0.13 A 3.32 A A 0.13 * dai singoli campioni ( IC n =4, ICOr n =8, ICOc-CS n = 28 ). A (ANOVA Test, α<0.05) fra due valori adiacenti 353

114 I valori di PB seguono un andamento gradualmente decrescente dal Canale di Sicilia attraverso lo Ionio Centrale verso il bacino Orientale; quelli di LAP diminuiscono dall area ICOc-CS verso l area ICOr mentre il minimo valore si riscontra nella Staz. 31(IC). I dati di attività βglu ed AP presentano una distribuzione opposta a quella della LAP, con i valori massimi osservati nell area IC ed i valori minimi nell area ICOc-CS. Nell intero bacino studiato la PB risulta inversamente correlata con il gradiente alino (Tab. 2), decrescendo dal Canale di Sicilia verso Oriente; tale osservazione trova peraltro riscontro in quanto riportato dagli studi di Robarts et al. (1996) e Christaki et al. (2000). Le stime di attività enzimatica e di produzione batterica (PB) presentano valori confrontabili per ordine di grandezza con quelli ottenuti in precedenti indagini (Monticelli et al., 2002; Caruso et al., 2003; Zaccone et al., 2003; La Ferla et al., 2005). Analogamente a quanto osservato per i valori di LAP, i conteggi BDC, la componente PFP ed i valori di LPS diminuiscono gradualmente dal Canale di Sicilia verso lo Ionio Orientale, con i minimi valori sempre nello Ionio Centrale. Fra tutte le aree studiate, l area ICOr si presenta più alina (S = 38.46) ed oligotrofica (0.043 µg Chl-a l -1 ), mentre acque più diluite (S = 38.05) e con maggiore trofismo (0.080 µg Chl-a l -1 ) caratterizzano l area ICOc-CS. La maggiore salinità delle acque dello ICOr riflette la intrusione di acque superficiali più salate provenienti dal Bacino Levantino e dallo Ionio che conferiscono anche importanti variazioni nelle caratteristiche microbiologiche dell intera area. L area IC presenta caratteristiche intermedie fra le altre due aree, mostrando valori elevati di P inorganico (Pi), in associazione con valori più elevati di AP e di TSM (6.52 mg l -1 ). La correlazione positiva riscontrata fra AP e PFP e quella negativa o l assenza di correlazione fra AP e BDC suggeriscono per tale enzima un origine picofitoplanctonica nelle aree IC e ICOr (Tab. 2). Le variazioni del contenuto in TSM riscontrate fra ICOc-CS (5.30 mg l -1 ) e ICOr (5.15 mg l -1 ) non risultano significative. L incidenza di TSM rientra in un range di valori normali per ambienti oligotrofici in relazione al periodo studiato, e risulta confrontabile con quanto già osservato in quest area nel corso di precedenti indagini (campagna Talastro 4/2002, dati non pubblicati). Tanto nello Ionio Centrale come nello Ionio Centro Orientale non si osservano correlazioni significative fra i tassi di attività idrolitiche e di produzione; ciò indicherebbe un disaccoppiamento fra i processi di idrolisi e di uptake da parte della componente microbica eterotrofa, per cui i monomeri rilasciati dalle attività β-glu e AP non risulterebbero efficientemente incorporati in nuova biomassa. Al contrario, nell area ICOc-CS le correlazioni significative fra PB e Chl-a e ßGluc suggeriscono come i processi di produzione fitoplanctonica (Chl-a più elevata) comportino il rilascio di polimeri solubili e stimolino l attività idrolitica della ßGluc e la produzione di nuova biomassa batterica. La produzione di polisaccaridi associata ad incremento nella PB e nei tassi di attività β-glu è stata attribuita al rilascio di polisaccaridi solubili da parte di Diatomee (Middelboe et al., 1995). Nell area ICOc-CS il riscontro di valori di LAP più elevati suggerisce la presenza di materiale proteico più fresco, mentre nell area IC i valori bassi di LAP ed alti di β- 354

115 Glu indicano la prevalenza di materiale che ha già subito decomposizione a livello della componente proteica e quindi più refrattario. Ciò risulta confermato dai valori del rapporto LAP/β-Glu che forniscono indicazioni sulla natura qualitativa della materia organica disponibile, trattandosi nel caso specifico di materia di recente produzione nell area ICOc CS e di materia più refrattaria nelle aree IC e ICOr. La presenza di un elevata attività AP in corrispondenza di un elevato contenuto di Pi suggerisce una rapida mineralizzazione dei fosfati organici, con rigenerazione di una notevole quantità di Pi che di conseguenza risulta proveniente da produzione rigenerata; tale processo potrebbe essere probabilmente stimolato da un precedente bloom fitoplanctonico che ha determinato il consumo di questo nutriente. Questa ipotesi sarebbe peraltro supportata dalla elevata attività β-glu che come è noto viene sintetizzata in particolare durante la fase di senescenza fitoplanctonica ed agisce solubilizzando la componente polisaccaridica più recalcitrante (Chrost, 1990). Il rapporto fra i tassi di attività AP/LAP confermerebbe la prevalenza del processo di mineralizzazione dei fosfati sulla decomposizione proteica a livello dell area IC. Tab Coefficienti di Pearson calcolati fra i diversi parametri biologici. Parametri confrontati IC ICOr ICOc - CS PB - S *** * * PB - β Glu ns ns 0.62 *** PB - AP ns ns 0.48 * PB - BDC ns ns 0.45 * PB - PFP ns ns 0.60 ** PB - Chl-a ns ns 0.75 *** AP - PFP 0.92 ** 0.76 * ns AP - BDC ** ns ns AP - PO * ns ns β-glu- PFP ns ns 0.57 ** * P</=0.05 ** P</= 0.01 *** P</=0.001 ns coefficiente di correlazione p> 0.05 La tabella 3 riassume i parametri inerenti al ciclo biogeochimico del P in soluzione. Pur non essendo stato valutato sperimentalmente il consumo autotrofico potenziale di P inorganico (Pi), le basse concentrazioni di Chl-a osservate nell intero bacino d indagine permettono di supporre la presenza di una biomassa fitoplanctonica e di una produzione autotrofica molto contenute. Una stima orientativa della produzione autotrofica nel Mar Ionio è stata fatta a partire dal rapporto che lega la produzione e la biomassa fitoplanctonica (PP/BF) considerando che questo rapporto risulta costante in ambienti pelagici e verosimilmente pari a 1.5 mg C l -1 h -1 per mg Chl-a (Moran & 355

116 Estrada, 2001). Il Pi consumato per via autotrofica è stato calcolato considerando il rapporto elementare di Redfield (C 106: N 16: P1). Area Pi Tab Biogeochimica dei fosfati inorganici. Consumo eterotrofo potenziale (Ce) Consumo autotrofo (Ca) (v. testo) Potenzialmente mineralizzato Ca/Ce (M) M/C* (nmp) (nmp h -1 ) (nmp h -1 ) (nmp h -1 ) IC ICOr ICOc-CS *C = Ce + Ca; Pi (fosfati inorganici) Nell area centrale (IC) il pool elevato di Pi viene alimentato da un elevato tasso potenziale di AP che mineralizza (M) nm P h -1 ; la quantità consumata dalle componenti eterotrofica (Ce) ed autotrofica (Ca) per la produzione di biomassa è relativamente bassa e si traduce in un elevato rapporto M/C (250.0) rispetto all area ICOc-CS, nella quale il tasso di AP è di 1 ordine di grandezza inferiore (1.18 nm P h -1 ), tuttavia il Pi rilasciato viene rapidamente consumato dai microrganismi, comportando un ridotto rapporto M/C. Sovrapponendo alla ubicazione delle stazioni studiate lo schema della circolazione generale delle masse d acqua superficiali nel Mediterraneo orientale riportato da Malanotte-Rizzoli et al. (1997), si rileva che la circolazione dell Atlantic Ionian Stream incanalandosi nello Ionio attraverso il Canale di Sicilia e seguendo un percorso anticiclonico a scala di bacino per finalmente fondersi e perdere la sua identità, copre nel suo percorso due delle aree individuate (ICOs-CS ed ICOr) senza interessare l area IC. Se consideriamo a priori che la circolazione superficiale dello Ionio durante il periodo studiato rispecchia il modello di circolazione generale sopraccitato risulta lecito ipotizzare, di conseguenza, che talune caratteristiche microbiologiche legate alla massa d acqua, possano essere riscontrate anche in diverse aree del bacino reciprocamente distanti. Per contro, il ridotto numero di stazioni studiate ha fornito una immagine istantanea sulle attività e biomasse microbiche presenti nello Ionio Centrale che è risultata molto limitata per permettere una più approfondita interpretazione sulla evoluzione dei processi biologici che hanno luogo su scala temporale compatibile con i tempi in cui una massa d acqua mantiene le caratteristiche di una propria identità. Per tale finalità potrebbe rivelarsi più adeguato in future indagini ricorrere ad un tipo di campionamento derivante (di tipo Lagrangiano), che potrebbe inoltre fornire un valido supporto nella interpretazione dei test di similarità tra stazioni (MDS, analisi dei clusters) effettuati sulla base di variabili microbiologiche. Un altro aspetto molto importante da considerare riguarda quello relativo alle interpretazioni sul significato ecologico dei valori di alcune variabili microbiche e dei rapporti fra attività enzimatiche, produzione batterica eterotrofica, produzione primaria, biomasse autotrofa ed batterica, ecc. Emergono dalla letteratura scientifica risultati ben contrastanti, o solo apparentemente contradditori, sugli effetti di qualche singolo substrato sulla crescita batterica e attività enzimatiche e delle importanti variazioni su 356

117 diverse scale temporali ed spaziali che questi rapporti possono subire (Middelboe et al., 1995; Misic et al., 1998; Donachie et al., comprensivo della bibliografia riportata); tale problematica apre nuove finestre interpretative e richiede ulteriori approcci sperimentali. Nel presente lavoro, trattandosi di uno studio preliminare, si è optato per adoperare un criterio diretto (tipo causa - effetto) nella interpretazione dei rapporti tra le variabili microbiche analizzate, criterio che fra l altro trova il suo riscontro in osservazioni sperimentali (Misic et al., 1998) ed ambientali (Middelboe et al., 1995) realizzate in altri ecosistemi. 4. CONCLUSIONI Considerando esclusivamente sei variabili microbiologiche dello strato superficiale (5-100 m) del Mar Ionio, l analisi della similarità fra le stazioni ha permesso di individuare nel periodo tardo autunnale due raggruppamenti ed una singola stazione che riflettono la discriminazione in tre sottobacini (Centro Occidentale-Canale di Sicilia, Centrale e Centro Orientale). I valori più elevati di produzione batterica eterotrofica, leucina aminopeptidasi, abbondanza e biomassa batterica, abbondanza picofitoplanctonica e contenuto in clorofilla a sono stati riscontrati nello Ionio Centro Occidentale - Canale di Sicilia. Lo studio ha evidenziato stretti rapporti tra il picofitoplancton e l attività degli enzimi che intervengono nella mineralizzazione dei composti P organici (aree Centrale e Centro Orientale). Il tasso di mineralizzazione di P organico, molto elevato nelle aree Centrale e Centro Orientale rispetto allo Ionio Centro Occidentale-Canale di Sicilia, porta alla rigenerazione di una quantità elevata di Pi che può rimanere disponibile per ulteriori processi produttivi. RINGRAZIAMENTI Lo studio è stato parzialmente finanziato dal Programma FIRB-MIUR (RBAU012KXA009) Biodiversità ed organizzazione delle comunità in differenti contesti ambientali. BIBLIOGRAFIA Caruso G., Azzaro M., Zaccone R., Mancuso M. & Leonardi M Stime di abbondanza ed attività microbiche in un area oligotrofica del mar Ionio: studio stagionale. Atti Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia, 16: Christaki U., Giannakourou A., Van Wambeke F. & Gregori G Picoplankton and nanoplankton coupling in the euphotic zone of the Mediterranean Sea. In: Briand F. (Ed.). CIESM Workshop Series n 11 CIESM, Monaco:

118 Chrost R.J Microbial ectoenzymes in aquatic environments. In: Overbeck J.& Chrost R.J. (Eds), Aquatic Microbial Ecology: biochemical and molecular approaches. Springer Verlag, New York: Donachie S.P., Christian J.R. & Karl D.M Nutrient regulation of bacterial production and ectoenzyme activities in the subtropical North Pacific Ocean. Deep-Sea Research II, 48: Fagerbakke K.M., Heldal M. & Norland S Content of carbon, nitrogen, oxygen, sulfur and phosphorus in native aquatic and cultured bacteria. Aquat. Microb. Ecol., 10: Hoppe H.-G Use of fluorogenic model substrates for extracellular enzyme activity (EEA) measurement of bacteria. In: Kemp P.F., Sherr B.F, Sherr E.B. & Cole J.J. (Eds), Handbook of Methods in Aquatic Microbial Ecology. Lewis Publishers, Boca Raton: Hoppe H.G., Arnosti C. & Herndl G.G Ecological significance of bacterial enzymes in the marine environment. In: Burn R.G & Dick R.P. (Eds), Enzymes in the environment: activity, ecology and applications. Marcel Dekker Inc., New York: Hoppe H.G Phosphatase activity in the sea. Hydrobiologia, 493: Jones R.D Phosphorus cycling. In: Hurst C.J. (Ed. in chief), Manual of Environmental Microbiology. ASM Press, Washington, D.C.: Kirchman D.L Leucine incorporation as a measure of biomass production by heterotrophic bacteria. In: Kemp P.F., Sherr B.F., Sherr E.B.& Cole J.J. (Eds), Current Methods in aquatic microbial ecology. CRC Press, Boca Raton: La Ferla R., Azzaro F., Azzaro M., Caruso G., Decembrini F., Leonardi M., Maimone G., Monticelli L.S., Raffa F., Santinelli C., Zaccone R. & Ribera d Alcalà M Microbial contribution to carbon biogeochemistry in the Mediterranean Sea: variability of activities and biomass. J. Mar. Systems., 57: La Ferla R., Lo Giudice A. & Maimone G Morphology and LPS content for the estimation of marine bacterioplankton biomass in the Ionian Sea. Scientia Marina, 68(1): Lorenzen C.I Determination of chlorophyll and pheopigments spectrophotometric equations. Limnol. Oceanogr., 12: Malanotte-Rizzoli P., Manca B.B., Ribera D Alcalà M., Theocharis A., Bergamasco A., Bregant D., Budillon G., Civitarese G., Georgopoulos D., Korres G., Lascaratos A., Brenner G. & Ozsoy E The Eastern Mediterranean in the 80s and in the 90s: the big transition in the intermediate and deep circulations. Dyn. Atmos. Ocean., 29: Manca B.B Recent changes in dynamics of the Eastern Mediterranean affecting the water characteristics of the adjacent basins. In: Briand F. (Ed.), CIESM Workshop Series n 10. CIESM, Monaco: Middelboe M., Søndergaard M., Letarte Y. & Borch N.H Attached and freeliving bacteria: production and polymer hydrolysis during a diatom bloom. Microb Ecol., 29:

119 Misic C., Povero P. & Fabiano M Relationship between ectoenzymatic activity and availability of organic substrates (Ross Sea, Antartica): an experimental approach. Polar Biol., 20: Monticelli L.S., Azzaro P., Azzaro M., Caruso G., La Ferla R., Leonardi M., Maimone G. & Zaccone R Seasonal variability and spatial gradients of microbial activities in surface and deep water masses of the Ionian Sea. 8 th Symposium on Aquatic Microbial Ecology SAME-8, Taormina: L20. Moran X.A.G. & Estrada M Short-term variability of photosynthetic parameters and particulate and dissolved primary production in the Alboran Sea (SW Mediterranean). Mar. Ecol. Prog. Ser., 212: Porter K.G. & Feig Y.S The use of DAPI for identifying and counting aquatic microflora. Limnol. Oceanogr., 25: Robarts R.D., Zohary T., Waiser M.J. & Yacobi Y.W Bacterial abundance, biomass and production in relation to phytoplankton biomass in the Levantine basin of the southeastern Mediterranean Sea. Mar. Ecol. Prog. Ser., 137: Smith D.C. & Azam F A simple, economical method for measuring bacterial protein synthesis rates in seawater using H3-leucine. Mar. Microb. Food Webs, 6: Strickland J.F.H. & Parsons T.R A pratical handbook of seawater analysis. Bull. Fish. Res. Bd. Canada, n 167: 311 pp. Turley C The changing Mediterranean Sea- a sensitive ecosystem? Prog. Oceanogr., 44: Van Wambecke F., Goutx M., Striby L., Sempéré R. & Vidussi F Bacterial dynamics during the transition from spring bloom to oligotrophy in the NW Mediterranean Sea: Relationships with particulate detritus and dissolved organic matter. Mar. Ecol. Prog. Ser., 212: Zaccone R., Monticelli L.S., Seritti A., Santinelli C., Azzaro M., Boldrin A., La Ferla R. & Ribera d Alcalà M Bacterial processes in the intermediate and deep layers of the Ionian Sea in winter 1999: Vertical profiles and their relationship to the different water masses. J. Geophys. Res., 108(C9): Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

120 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 MESOZOOPLANCTON E BATTERI (LIBERI ED ADESI) DEL GOLFO DEL TIGULLIO (MAR LIGURE) Luigi PANE, Elisabetta GIACCO, Gian Luigi MARIOTTINI, Carla PRUZZO Dipartimento di Biologia, Università di Genova, Viale Benedetto XV Genova ABSTRACT Mesozooplankton and free- and associated-bacteria in the Tigullio Gulf (Ligurian Sea) A one-year survey was carried out monthly in 2000 in the Gulf of Tigullio (Ligurian Sea) to contribute to the knowledge of the relationships between marine zooplankton and pathogenic bacteria. In two stations (St. A, St. B) in front of Rapallo mesozooplankton samples were collected, free-living and mesozooplankton-adhering bacteria were counted and identified; furthermore, temperature and salinity were recorded and the phytoplanktonic biomass was determined. Temperature and salinity values were substantially similar in both stations, with slight increase of salinity maxima in St. A. The lowest values of chlorophyll a in St. A and St. B were recorded respectively in July (10 m) and October (25 m), whilst two surface peaks were observed in St. A (January and November) and one in St. B (January). In vertical samples the mesozooplankton showed maximum values in September (3600 ind m -3 ) in St. A and in July ( ind m -3 ) in St. B; the mesozooplankton horizontal maxima occurred in January (738 ind m -3 ) in St. A and in July ( ind m -3 ) in St. B. Copepods were dominant in all samples, except in June and July (St. B) when cladocerans went over them, and were mainly represented by Paracalanus parvus, Clausocalanus arcuicornis, C. furcatus, Centropages typicus and Oithona helgolandica. Bacteria occurred abundantly in seawater in May (St. A; max cell 10 4 ml -1, 5 m) and in April (St. B; max cell 10 4 ml -1, 15 m). The adhesion of bacteria to mesozooplankton was remarkable in October ( CFU ml -1 ): the mainly found bacteria were Vibrio alginolyticus, Pseudomonas sp. and Aeromonas sp. In this study, unlike what observed in sea zones of the Adriatic Sea, the occurrence of the association bacteriamesozooplankton has been emphasized at the surface during all the examined period; in particular, Vibrio alginolyticus was present in almost all samples. RIASSUNTO Durante l anno 2000 è stata condotta un indagine mensile nel Golfo del Tigullio (Mar Ligure) allo scopo di contribuire alla conoscenza delle relazioni tra zooplancton marino e batteri patogeni. In due stazioni (St. A, St. B), localizzate nell area di mare antistante la città di Rapallo, sono stati raccolti campioni di mesozooplancton e 361

121 conteggiati ed identificati i batteri (liberi nell acqua ed associati al mesozooplancton); sono stati inoltre registrati i valori di temperatura e salinità dell acqua e determinata la biomassa fitoplanctonica. I valori di temperatura e salinità sono risultati sostanzialmente analoghi nelle due stazioni, con un leggero incremento dei valori massimi di salinità nella St. A. I valori minimi di clorofilla a nelle stazioni St. A e St. B sono stati riscontrati rispettivamente in luglio (10 m) e ottobre (25 m) mentre due picchi superficiali sono stati registrati nella St. A (gennaio, novembre) ed uno solo nella St. B (gennaio). Nei campioni verticali i massimi di densità del mesozooplancton sono stati riscontrati in settembre (3600 ind m -3 ) nella St. A e in luglio (2864,10 ind m -3 ) nella St. B; nei campioni orizzontali i valori massimi di densità sono stati registrati nel mese di gennaio (738 ind m -3 ) nella St. A e nel mese di luglio (2656,90 ind m -3 ) nella St. B. I copepodi, dominanti in tutti i campioni ad eccezione di giugno e luglio (St. B), quando è stata osservata la dominanza dei cladoceri, sono stati rappresentati principalmente da Paracalanus parvus, Clausocalanus arcuicornis, C. furcatus, Centropages typicus ed Oithona helgolandica. I batteri liberi nell acqua hanno mostrato i massimi di densità in maggio (St. A: 60,11 cell 10 4 ml -1, 5 m) ed in aprile (St. B: 51,02 cell 10 4 ml -1, 15 m). L adesione dei batteri, in particolare di Vibrio alginolyticus, Pseudomonas sp. ed Aeromonas sp., al mesozooplancton è stata rilevante in ottobre ( CFU ml -1 ). Durante questo studio, a differenza di quanto riscontrato in alcune zone del Mare Adriatico, è stata evidenziata la presenza dell associazione tra batteri e mesozooplancton superficiale durante tutto il periodo esaminato; in particolare, la presenza di Vibrio alginolyticus è stata riscontrata in quasi tutti i campioni esaminati. 1. INTRODUZIONE Il mesozooplancton, componente fondamentale dell ecosistema marino costiero, costituisce un serbatoio di batteri patogeni, tra cui alcune forme appartenenti al genere Vibrio (Dumontet et al., 2000; Tarsi et al., 2000; Pruzzo et al., 2003). In particolare, i copepodi svolgono un ruolo fondamentale per la sopravvivenza di questi microrganismi, in quanto la colonizzazione dell esoscheletro chitinoso costituisce per i batteri una strategia per la loro sopravvivenza (Colwell, 1996) attraverso la quale essi possono persistere negli ambienti acquatici più a lungo rispetto alle cellule libere (Roszak & Colwell, 1987; Tamplin et al., 1990) ed estendere la loro distribuzione geografica. La colonizzazione batterica in ambiente marino costiero è facilitata dalla presenza, nella colonna d acqua, di microhabitat, quali detrito organico e plancton, ed è inoltre sostenuta da condizioni favorevoli di temperatura e salinità. Tra i batteri adesi ai copepodi si annoverano specie patogene tra cui Vibrio cholerae (Tamplin et al., 1990; Colwell & Huq, 1994), Vibrio parahaemolyticus (Kaneko & Colwell, 1975) Vibrio alginolyticus (Carli et al., 1993), Enterococcus faecalis (Signoretto et al., 2004) ed Helicobacter pylori (Cellini et al., 2005). Poiché alcuni vibrioni (Vibrio cholerae) associati ai copepodi e ad altri organismi planctonici possono costituire un serbatoio di forme virulente capaci di scatenare epidemie (Huq et al., 1984), in questo studio è stata valutata, in una zona neritica antropizzata del Mar Ligure (Golfo del Tigullio), la comunità batterica adesa al mesozooplancton superficiale definendo le specie 362

122 microbiche più frequenti in tale associazione, con lo scopo di evidenziare eventuali analogie o differenze con quanto noto per altre zone studiate con sistemi similari. 2. MATERIALI E METODI I campionamenti sono stati effettuati mensilmente, nel periodo gennaio-dicembre 2000, in due stazioni (St. A, St. B) ubicate nella zona di mare antistante Rapallo (Golfo del Tigullio, Mar Ligure), su batimetrie rispettivamente di 30 e 60 metri (Fig. 1). Fig. 1 - Golfo del Tigullio: posizione delle stazioni di campionamento. In entrambe le stazioni (St. A, St. B) sono state misurate la temperatura e la salinità utilizzando una sonda multiparametrica (YSI mod. 30). I rilevamenti sono stati effettuati ad intervalli di 2,5 m tra la superficie e i 15 m di profondità; un ulteriore dato è stato acquisito alla profondità di 25 m. Per la valutazione della biomassa fitoplanctonica come clorofilla a (Chl a), sono stati effettuati campionamenti di acqua di mare, ad intervalli di 5 metri, tramite bottiglia oceanografica Niskin. I campioni sono stati mantenuti al buio, alla temperatura di circa +4 C fino al momento delle analisi. La concentrazione di Chl a è stata misurata previa estrazione dei campioni con acetone al 90 % e dosaggio spettrofotometrico (Strickland & Parsons, 1960). Il mesozooplancton è stato raccolto utilizzando un retino WP2 (200 µm di vuoto di maglia) provvisto di 363

123 flussometro (General Oceanic) interno ed esterno. Sono state effettuate pescate orizzontali superficiali, trascinando il retino per circa 3 minuti alla velocità di 1-2 nodi, e verticali da 25 m alla superficie. I campioni raccolti sono stati immediatamente fissati in formalina al 4 %, trasportati in laboratorio ed osservati, per la valutazione quantitativa e per l analisi tassonomica, tramite stereomicroscopio Nikon SMZ-U e microscopio Leitz Diaplan; il numero di individui è stato riferito al volume di acqua filtrata (ind m - 3). Per la determinazione della carica batterica libera nell acqua sono stati effettuati prelievi di acqua di mare superficiale tramite bottiglie di vetro sterili. La valutazione della componente batterica libera ed adesa al mesozooplancton è stata effettuata con metodi colturali sui terreni selettivi Luria-Bertani (LB), per enterococchi, e Thiosulfate Citrate Bile Sucrose (TCBS) agar, per vibrioni, esprimendo i risultati come Unità Formanti Colonie (Colony Forming Units - CFU) ml -1 e/o tramite conteggio con microscopio in epifluorescenza (Olympus IX 70) dopo trattamento del campione con DAPI (4,6-diamidino-2-fenilindolo). 3. RISULTATI Nella St. A la temperatura è variata tra 12,2 C (gennaio, 12,5 e 15m) e 24,5 C (agosto, 0-15 m), la salinità tra 36,5 (febbraio, 10 m) e 39,1 (novembre, 15 m); nella St. B la temperatura è variata tra 11,8 C (gennaio, superficie) e 24,5 C (agosto, superficie e 2,5 m), la salinità tra 36,6 (novembre, 0-5 m) e 38,3 (giugno, 25 m). L andamento della Chl a ha presentato, in entrambe le stazioni, due picchi stagionali in entrambe le stazioni e a tutte le profondità; i valori di Chl a riscontrati (Fig. 2) sono variati in St. A tra 0,10 µg l -1 (luglio, 10 m) e 2,49 µg l -1 (gennaio e novembre, superficie) ed in St. B tra 0,08 (ottobre, 25m) e 1,79 (gennaio, superficie). La densità massima del mesozooplancton totale nei campioni orizzontali (Fig. 3a, b) è stata osservata, nella St. A, in gennaio (738 ind m -3 ) e nella St. B in luglio (2656,90 ind. m -3 ); nei campionamenti verticali (Fig. 4a, b) il massimo di densità è stato riscontrato, nella St. A, in settembre (3600 ind m -3 ) e nella St. B in luglio (2864,10 ind m -3 ). I copepodi hanno caratterizzato il popolamento mesozooplanctonico dello strato superficiale in entrambe le stazioni, risultando dominanti in tutti i campionamenti, ad eccezione di quelli del mese di gennaio, nei quali si è registrata la dominanza delle appendicolarie, e dei mesi di giugno e luglio quando, nella St. B, si è osservata la dominanza dei cladoceri (Fig. 3 e 4) lungo tutta la colonna d acqua; in particolare, nello strato superficiale i cladoceri hanno rappresentato il 46,0 % e il 46,2 % del mesozooplancton totale, rispettivamente in giugno e in luglio (St. B). Tra i copepodi le specie più frequenti sono state Paracalanus parvus, Clausocalanus arcuicornis, C. furcatus, Centropages typicus ed Oithona helgolandica (Tab. 1 e 2). La presenza di batteri liberi nell acqua (Fig. 5a, b) è stata rilevante soprattutto in maggio nella St. A, con un valore massimo di 60,11 cell x10 4 ml -1 alla profondità di 5 m, ed in aprile nella St. B, dove si è riscontrato un massimo di 51,02 cell x10 4 ml -1 alla profondità di 15 m. Relativamente alla St. A sono risultati prevalenti e coltivabili Vibrio alginolyticus, Pseudomonas sp. e Aeromonas sp. (Tab. 3). L adesione dei batteri al mesozooplancton (Tab. 4) ha mostrato il massimo valore in ottobre ( CFU ml -1 ). 364

124 µg/l 2,5 a 2 1,5 1 0,5 0 Gen Feb Apr Mag Giu Lug Ago Set Nov Dic µg/l 2 b 1,5 1 0,5 0 Gen Feb Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic Fig. 2 -Andamento della clorofilla a (µg l -1 ) in rapporto alla profondità (=0m, =5m, =10m, =15m, =25m) nella St. A (a) e nella St. B (b). 365

125 a 600 ind/m Gen Feb Apr Mag Giu Ago Set Nov Dic 3000 b ind/m Gen Feb Apr Mag Giu Lug Ago Set Nov Dic Fig. 3 - Distribuzione orizzontale del mesozooplancton superficiale ( =cladoceri, =copepodi, =appendicolarie, =altri, =totale) nella St. A (a) e nella St. B (b). 366

126 a ind/m Gen Feb Apr Mag Giu Ago Set Nov Dic b 2000 ind/m Gen Feb Apr Mag Giu Lug Ago Set Nov Dic Fig. 4 - Distribuzione verticale (25m-superficie) del mesozooplancton (=cladoceri, =copepodi, =appendicolarie, =altri, =totale) nella St. A (a) e nella St. B (b). 367

127 Tab. 1 Composizione del popolamento a copepodi (ind. m -3 ) nelle due stazioni considerate (A, B). Campionamenti orizzontali. Mese Gennaio Febbraio Aprile Maggio Giugno Luglio Aprile Settembre Novembre Dicembre Stazione A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B Paracalanus parvus Clausocalanus arcuicornis Clausocalanus furcatus Temora stylifera Centropages typicus 25,1 0 12,2 2,5 89,1 22,8 21,8 32,7 70,8 33,0-99,0 31,3 2,0 16,9 23,4 16,1 3,3 5,3 13,0 13,7 0 5,8 0 17,8 15,9 5,5 2,3 9,8 0-12,3 15,6 0 33,6 5,4 7,1 3,3 13,3 8,0 9,1 0 2,9 0 10,7 12,9 1,8 11,7 2,4 0-14,0 4,7 14,0 8,5 32,5 15,1 11,0 3,6 6,0 4, , ,3 0 5,0-13,0 9, ,0 0 9,0 0,9 2,0 2,3 0 2,2 0,5 0 11,3 5,5 14,0 0 37,9-21,9 0 2,0 0 1,1 1,0 3,3 0,9 0,3 Acartia clausi 6,8 3,5 5,8 12,5 25,0 15,0 32,7 51,3 2,4 64, ,1 2,3 0,9 2,8 Oithona helgolandica 2,3 7,0 8,8 15,9 35,6 29,3 21,8 18, ,9 6,3 0,7 2,8 0 5,0 39,9 3,6 2,0 Oithona nana 0 0 2, ,7 12, ,8 0 4,0 12,9 2,7 0 Oithona plumifera 2,3 24, ,4 2,8 1,6 0 36,0 0 2,0 copepoditi 134,3 186,4 49,7 76,3 164,0 409,3 101,8 354,8 124,5 387,8-661,5 86,0 63,9 205,8 267,0 48,4 217,2 53,5 119,9 altri 45,6 1,8 23,0 0,5 53,5 32,7 10,8 51,4 26,8 33,0-119,3 31,3 18,1 33,7 54,8 11,0 42,0 15,3 6,0 368

128 Tab. 2 - Composizione del popolamento a copepodi (ind. m -3 ) nelle due stazioni considerate (A, B). Campionamenti verticali (tra 25m e la superficie). Mese Gennaio Febbraio Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Novembre Dicembre Stazione A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B Paracalanus parvus Clausocalanus arcuicornis Clausocalanus furcatus Temora stylifera Centropages typicus 0 3,6 30,3 53,0 187,5 28,7 0 12,6 228,6 31,9-75,1 9,7 9,3 150,0 10,3 17,9 2,3 66,7 14,0 27,6 0 30,3 21,0 87,5 28,7 10,0 0 42,9 0-9,4 29,0 4,6 175,0 12,3 17,9 4,0 66,7 5,0 22,6 0 22,7 8,4 25,0 24,0 30,0 0 35,7 0-18,8 41,9 23,2 87,5 61,6 3,6 13,0 11,1 4,0 0 1, ,1 8,0-9,4 6,5 4,6 0 7,0 3,6 12,0 5,6 1, ,2 8, ,0 8,4 0 43,9-18,8 3,2 4,6 0 4,0 0 4,6 0 2,0 Acartia clausi 2,5 1,8 30,3 0 12,5 9,6 90,0 0 7, , ,0 1,1 5,6 2,0 Oithona helgolandica 15,0 18,0 143,9 21,0 187,5 24,0 200,0 37, ,4 0 4,6 50,0 2,0 35,7 41,2 33,3 3,0 Oithona nana 0 7, ,0 8,4 14, ,5 0 3,6 9,6 0 0 Oithona plumifera 7,5 3,6 22,7 4, ,4 0 12,5 4,1 10,7 48,9 22,2 3,0 copepoditi 157,9 203,7 363,7 271,1 900,0 268,1 630,0 348,6 623,1 323,3-770,0 187,1 178,9 787,5 273,8 292,9 262,4 283,5 120,5 altri 49,1 12,6 159,3 52,5 13,3 9,6 70,0 37,8 57,1 16,0-131,5 151,6 23,1 100,0 36,7 14,3 49,2 100,0 16,0 369

129 60 a 50 cell/ml x Apr Mag Giu Lug Ago Set Nov cell/ml x Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic Fig. 5 - Batteri liberi nell acqua (cell. ml ) in rapporto alla profondità (=0m, =5m, =10m, =15m, =25m) nella St. A (a) e nella St. B (b). b 370

130 Tab. 3 - Specie batteriche prevalenti e coltivabili riscontrate nei campioni di acqua di mare (St. A). Mese CFU ml -1 Specie coltivabile (%) LB TCBS LB TCBS Vibrio alginolyticus (60%) Aprile 1, Pseudomonas spp. (20%) Aeromonas spp. (10%) altri (10%) Vibrio alginolyticus (90%) Aeromonas spp. (10%) Vibrio alginolyticus (60%) Vibrio alginolyticus (90%) Maggio Aeromonas spp. (30%) Aeromonas spp. (5%) altri (10%) Pseudomonas spp. (5%) Vibrio alginolyticus (60%) Giugno 4, Pseudomonas spp. (25%) Aeromonas spp. (10%) altri (5%) Vibrio alginolyticus (95%) Aeromonas spp. (5%) Vibrio alginolyticus (60%) Agosto altri (40%) Vibrio alginolyticus (100%) Vibrio alginolyticus (60%) Vibrio alginolyticus (90%) Settembre Aeromonas spp. (30%) Aeromonas spp. (5%) altri (10%) Vibrio parahaemolyticus (5%) Ottobre Vibrio alginolyticus (60%) Pseudomonas spp. (40%) Novembre Vibrio alginolyticus (50%) Pseudomonas spp. (50%) Vibrio alginolyticus (100%) Vibrio alginolyticus (100%) Tab. 4 - Specie batteriche prevalenti e coltivabili associate al mesozooplancton (St. A). CFU ml -1 Specie coltivabile (%) Mese LB TCBS LB TCBS Vibrio alginolyticus (70%) Pseudomonas spp. (10%) Aprile nessuna nessuna colonia colonia Aeromonas spp. (10%) altri (10%) Maggio 2, Aeromonas spp. (30%) Vibrio alginolyticus (65%) altri (5%) Giugno Vibrio alginolyticus (70%) Aeromonas spp. (30%) Agosto 3, Vibrio alginolyticus (95%) altri (5%) Vibrio alginolyticus (60%) Settembre 1, , Pseudomonas spp. (30%) altri (10%) Vibrio alginolyticus (60%) Ottobre Pseudomonas spp. (40%) Vibrio alginolyticus (50%) Novembre Pseudomonas spp. (50%) Vibrio alginolyticus (100%) Vibrio alginolyticus (85%) Aeromonas spp. (15%) Vibrio alginolyticus (100%) Vibrio alginolyticus (80%) Aeromonas spp. (10%) Vibrio alginolyticus (100%) Vibrio alginolyticus (100%) 371

131 4. DISCUSSIONE I dati relativi all andamento della Chl a sono paragonabili a quelli riportati in precedenti lavori riguardanti diverse zone del Mar Ligure (Della Croce et al., 1981; Bruzzone et al., 1982; Fabiano et al., 1984; 1986) ed hanno confermato lo stato oligotrofico delle acque del Golfo del Tigullio. L abbondanza e la composizione qualitativa del popolamento a copepodi riscontrate seguono una variabilità stagionale ben conosciuta e rilevabile in queste acque marine costiere, con la presenza costante di specie quali Paracalanus parvus, Clausocalanus arcuicornis e Acartia clausi (Della Croce, 1952; Carli et al., 1994; Pane et al., 2005), come risulta anche dal confronto con dati relativi a serie pluriennali di campionamenti effettuati nel Golfo del Tigullio (Licandro & Ibanez, 2000). È stato riscontrato un picco consistente dei batteri liberi nell acqua nei mesi di aprile e maggio ed una diminuzione graduale nei mesi successivi. Lo zooplancton, ed in particolare i copepodi, con il loro esoscheletro di chitina, forniscono a questi microrganismi un microhabitat stabile e protettivo nei confronti degli stress ambientali (Colwell & Huq, 1994), favorendone la sopravvivenza. Tale interazione rappresenta inoltre uno dei fondamentali meccanismi di mineralizzazione del carbonio organico di origine planctonica in ambiente marino. In questo studio è stata confermata l associazione tra mesozooplancton e i batteri chitinolitici del genere Vibrio nel Mar Ligure (Pane et al., 2003); la presenza di Vibrio alginolyticus è stata riscontrata in quasi tutti i campioni esaminati. Inoltre, a differenza di quanto osservato in alcuni studi effettuati nel Mare Adriatico (Montanari et al., 1999; Baffone et al., 2006), è stata evidenziata la presenza dell associazione tra batteri e mesozooplancton durante tutto il periodo esaminato. BIBLIOGRAFIA Baffone W., Tarsi R., Pane L., Campana R., Repetto B., Mariottini G.L. & Pruzzo C Detection of free-living and plankton-bound vibrios in coastal waters of the Adriatic Sea (Italy) and study of their pathogenicity-associated properties. Environ. Microbiol., 8: Bruzzone C., Carli A., Chiapperini D., Pane L., Valente T. & Vignola S Ricerche relative alla produzione marina nelle acque costiere del Golfo di Genova. Atti Convegno Unità Operative afferenti ai sottoprogetti Risorse Biologiche e Inquinamento Marino. Roma, Novembre 1981: Carli A., Pane L., Casareto L., Bertone S. & Pruzzo C Occurrence of Vibrio alginolyticus in Ligurian coast rock pools (Tyrrhenian Sea, Italy) and its association with the copepod Tigriopus fulvus (Fischer, 1860). Appl. Environ. Microbiol., 59: Carli A., Fraschetti S., Magni P., Mariottini G.L., Pane L. Pruzzo C. & Romairone V A study of planktonic population in relation to the eutrophication state of the water in a Ligurian Sea zone. Map Tech. Rep. Ser., 78:

132 Cellini L., Di Campli E., Grande R., Di Bartolomeo S., Prenna M., Pasquantonio M.S. & Pane L Detection of Helicobacter pylori associated with zooplankton. Aquat. Microb. Ecol., 40: Colwell R.R. & Huq A Vibrios in the environment: viable but noncolturable Vibrio cholerae. In: Wachsmuth I.K., Blake P.A. & Osvik Ø. (Eds), Vibrio cholerae and cholera: molecular to global perspectives. American Society for Microbiology, Washington DC: Colwell R.R Global climate and infectious disease: the cholera paradigm. Science, 274: Della Croce N Variazioni stagionali dello zooplancton di superficie pescato a Punta del Mesco (La Spezia) tra il ed il Boll. Mus. Ist. Biol. Univ. Genova, 24: Della Croce N., Fabiano M. & Sertorio T Biomassa planctonica, sali nutritivi, parametri idrologici: Alassio, Savona, Chiavari, Corniglia. Istituto Scienze Ambientali Marine, Università di Genova. Rapporto tecnico, 15: 1-9. Dumontet S., Krovacek K., Suenson S.S., Pasquale V., Baloda S.B. & Figliuolo G Prevalence and diversity of Aeromonas and Vibrio spp. in coastal water of Southern Italy. Comp. Immunol. Microbiol. Infect Dis., 23: Fabiano M., Zavatarelli M & Palmero S Observation sur la matiere organique particulaire (proteines, glucides, lipides, chlorophylle) en Mer Ligure. Tethys., 11: Fabiano M., Povero T., Zunini Sertorio T. & Salemi Picone P Acque costiere liguri: considerazioni su alcuni parametri ambientali. Boll. Mus. Ist. Biol. Univ. Genova, 52: Huq A., West P.A., Small E.B., Huq M.I. & Colwell R.R Influence of water temperature, salinity and ph on survival and growth of toxigenic Vibrio cholerae serovar 01 associated with live copepods in laboratory microcosms. Appl. Environ. Microbiol., 48: Kaneko T. & Colwell R.R Adsorption of Vibrio parahaemolyticus onto chitin and copepods. Appl. Microbiol., 29: Licandro P. & Ibanez F Changes of zooplankton communities in the Gulf of Tigullio (Ligurian Sea, Western Mediterranean) from 1985 to Influence of hydroclimatic factors. J. Plankton Res., 22: Montanari M.P., Pruzzo C., Pane L. & Colwell R.R Vibrios associated with plankton in a coastal zone of the Adriatic Sea (Italy). FEMS Microbiol. Ecol., 29: Pane L., De Nuccio L., Bozzolasco M., Mariottini G.L. & Debbia E Studio dell associazione zooplancton-batteri in un area neritica del Golfo di Genova (Mar Ligure). Biol. Mar. Medit., 10: Pane L., Boccardo S. & Mariottini G.L Mesozooplankton assemblage and first record of Paracartia grani Sars G.O., 1904 (Copepoda: Calanoida) in the Western Harbour of Genova (Ligurian Sea). Riv. Biol./Biol. Forum., 98: Pruzzo C., Tarsi R., Lleò M. del M., Signoretto C., Zampini M., Pane L., Colwell R.R. & Canepari P Persistence of adhesive properties in Vibrio cholerae after long-term exposure to sea water. Environ. Microbiol., 5:

133 Roszak D.B. & Colwell R.R Survival strategies of bacteria in the natural environment. Microbiol. Rev., 51: Signoretto C., Burlacchini G., Lleò M. del M., Pruzzo C., Zampini M., Pane L., Franzini G. & Canepari P Adhesion of Enterococcus faecalis in the nonculturable state to plankton is the main mechanism responsible for persistence of this bacterium in both lake and seawater. Appl. Environ. Microbiol., 70: Strickland J.D.H. & Parsons T.R A manual of sea water analysis. Bull. Fish. Res. Board Can.: 185 pp. Tamplin M.L., Gauzens A.L., Huq A., Sack D.A. & Colwell R.R Attachment of Vibrio cholerae serogroup 01 to zooplankton and phytoplankton of Bangladesh waters. Appl. Environ. Microbiol., 56: Tarsi R., Pane L., Carli A. & Pruzzo C Vibrio attachment to chitin containing surfaces: a survival strategy in the aquatic environment. Recent Res. Devel. Microbiol., 4: Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

134 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 UNO STUDIO DEL MIXED LAYER NEL SETTORE ATLANTICO DELL OCEANO MERIDIONALE Tiziana PELUSO 1,2, Giorgio BUDILLON 2, Fabiano BUSDRAGHI 3,4, Daniele IUDICONE 4 1 Dipartimento di Biologia Animale ed Ecologia Marina, Università degli Studi di Messina 2 Dipartimento di Scienze per l Ambiente (DiSAm), Università degli Studi di Napoli Parthenope 3 Laboratoire d oceanographie et du climat, experimentation et approches numeriques (LOCEAN), Universite Pierre et Marie Curie, Paris 4 Laboratorio di Oceanografia Biologica, stazione Zoologica A. Dohrn di Napoli ABSTRACT Mixed layer variability in the Southern Ocean Wind blowing on the ocean stirs the upper layers leading to a thin mixed layer at the sea surface having constant temperature and salinity from the surface down to a depth where the values differ from those at the surface. The mixed layer is roughly m thick over oceanic area. Many important processes occur within the mixed layer, whether physical, chemical, or biological. Within the project CANOPO (PNRA) the attention has been focused on the evolution of the mixed layer in the Weddell Sea contributing to extend the data collected with in situ data (XBT and XCTD). RIASSUNTO Gli strati superficiali degli oceani mostrano tipicamente uno strato rimescolato con spessore variabile da pochi a centinaia di metri. Lo strato rimescolato assume un ruolo chiave negli studi sull evoluzione del clima, sulla produzione biologica nonché sulla dispersione di inquinanti. Nell ambito del progetto CANOPO del PNRA è stata focalizzata l attenzione sull evoluzione dello strato rimescolato nel Mare di Weddell combinando informazioni raccolte recentemente in situ (XBT e XCTD) con quelle ottenute da banche dati. 1. MATERIALI E METODI L area di studio scelta per questo lavoro è situata al centro del Mare di Weddell (Fig. 1) ed è rappresentata da una griglia di open ocean comprendente il gyre ciclonico (Weddell Gyre) che si estende dalla Penisola Antartica fino a circa 30 E 375

135 intersecando il meridiano di Greenwich tra i 60 e 62 S (Gordon & Huber, 1990). In questa area sono stati raccolti e visualizzati i profili di temperatura e salinità forniti dai database ARGO e WOD05 (Busdraghi, 2006) e quelli raccolti attraverso le campagne oceanografiche nell ambito del progetto CANOPO del PNRA effettuate da gennaio a marzo nel 2004, 2005 e 2006 ottenuti attraverso l utilizzo di sonde XBT e XCTD (De Alteris et al., 2006). Su ogni profilo è stata calcolata la profondità dello strato rimescolato con un metodo a soglia a differenze finite. In questo metodo, le variabili utilizzate sono la temperatura potenziale e nel caso di profili in cui è presente anche la salinità, la salinità stessa e la densità potenziale. Fig. 1 - Transetti Canopo e area di studio open ocean (box). Fig. 2 - Esempio di profilo in cui sono individuati la temperatura di riferimento (-10m) e la profondità dello strato rimescolato (Busdraghi, 2006). Ogni profilo verticale viene esplorato dalla superficie al fondo sino a trovare uno scarto da un certo valore di riferimento superiore al criterio di soglia scelto (Fig. 2). Più precisamente sia a(z) la grandezza fisica utilizzata e a i (z i ) le misure di a disponibili alla profondità z. Una volta scelto il livello di riferimento z 0 viene per prima cosa determinato a(z 0 ) per interpolazione lineare fra z i1 = max(z i z 0 ) e z i2 = min(z i z 0 ). Vengono in seguito confrontati i valori di a(z i ) per z i > z 0 fino a che viene trovato un livello z j tale che: a j ( z j o ) a( z ) λ a i ( zi o 1) a( z ) < λ i < j (1) Per questo lavoro è stato scelto il criterio soglia =0.2 C che sembra il più adatto alle alte latitudini (De Boyer Montègut et al., 2004). Per evitare il ciclo diurno, il valore di riferimento z 0 viene fissato a 10m di profondità. Questo evita inoltre gli eventuali sbalzi di temperatura presenti nei primissimi metri della colonna d acqua dovuti all introduzione dello strumento. 376

136 2. SERIE TEMPORALI E CONCLUSIONI Per creare una serie temporale estiva ed invernale della profondità dello strato rimescolato, sono stati, in prima analisi, visualizzati ed esaminati i profili di temperatura ottenuti dalle campagne Canopo 2004, 2005 e 2006 rientranti nell area di studio (Fig. 1). Successivamente, su ogni profilo è stato applicato il metodo a soglia con differenze finite per calcolare la profondità dello strato rimescolato. Le medie stagionali invernali (luglio-agosto-settembre) ed estive (gennaio-febbraio-marzo) sono state ottenute calcolando la media della profondità dello strato rimescolato di tutti i profili di temperatura (Canopo, WOD05 e Argo) misurati nell area di studio. Per ottenere la serie temporale invernale (Fig. 3), oltre a calcolare direttamente la profondità dello strato rimescolato con il metodo precedentemente descritto, è stato calcolato su ogni profilo estivo il minimo di temperatura subsuperficiale. Infatti, in mancanza di un numero sufficiente di misure nell inverno australe, si è deciso di sfruttare questa informazione che viene considerata un indicatore dello strato rimescolato dell inverno precedente (Rintoul & Bullister, 1999). Dal confronto con la profondità dello strato rimescolato dei dati invernali con il minimo di temperatura subsuperficiale estiva, infatti, si è visto che le informazioni concordano con un errore di ±15m rendendo possibile ampliare la serie temporale invernale. La profondità dello strato rimescolato invernale (Fig. 3) presenta un periodo di massimo approfondimento (>100 m), tra il 1960 e il 1975 ad esclusione del 1971 e 1972 e una notevole variabilità (da 58 m del 1972 a 104 m del 1969). Dalla serie temporale estiva (Fig. 4), invece, è possibile notare come la profondità dello strato rimescolato nel 1999, 2004 e 2005 risulti essere superiore di circa 20 m (profondità media dell intero periodo ~ 50 m) rispetto a quella degli anni precedenti e del Fig. 3 - Serie temporale invernale (medie annuali ): profondità dello strato rimescolato (pallino) con mediana ed errore sulla mediana, copertura di ghiaccio (linea tratteggiata), temperatura dell aria (linea continua). 377

137 Per analizzare l anomalia di questi tre anni, sono state studiate le relative condizioni meteorologiche, utilizzando i dati ECMWF e la concentrazione del ghiaccio attraverso le misure effettuate dal sensore SSM/I disponibili dal NSIDC 1. Nella figura 4 è possibile notare come nel 2003 e nel 2004 ci sia una diminuzione della temperatura dell aria da circa C a circa C, accompagnato con una copertura del ghiaccio superiore al 40 %. Questo, d altra parte, non basta a spiegare un approfondimento di circa 20 m negli anni in esame e ulteriori studi sono sicuramente necessari per comprendere a pieno le anomalie riscontrate. Fig. 4 - Serie temporale estiva (medie annuali ): profondità dello strato rimescolato (pallino) con mediana ed errore sulla mediana, copertura di ghiaccio (linea tratteggiata), temperatura dell aria (linea continua). L attività svolta fino a questo momento ha permesso, comunque, di ricostruire la variabilità dello strato rimescolato dal 1947 al 2006 utilizzando i dati provenienti da diversi data base e derivanti da campagne oceanografiche recenti in un area non ancora investigata su una scala temporale cosi lunga. L obiettivo di questo lavoro, infatti, è stato quello di ottenere una serie temporale con cui poter validare un modello matematico di mixed layer (GOTM) con cui verrà effettuata un analisi più approfondita della variabilità dello strato rimescolato in funzione dei forzanti atmosferici. BIBLIOGRAFIA Brusdraghi F Variabilità bassa frequenza dello strato turbolento superficiale dell Oceano Australe. Tesi di laurea in Fisica Applicata. Università di Pisa. De Alteris A., Artale V., Rupolo V. & Budillon G Analisi preliminare dei dati XBT e XCTD raccolti nel Mare di Weddell durante la campagna CANOPO (PNRA) Volume Abstract XVII Congresso AIOL: Disponibili al sito: 378

138 De Boyer Montègut C., Madec G., Fischer A.S., Lazar A. & Iuducone D Mixed layer depth over the global ocean: An examination of profile data and a profile based climatology. J. Geophys. Res., 109: C Gordon A.L. & Huber B.H Southern ocean winter mixed layer. J. Geophys. Res., 95(11): Rintoul S.R. & Bullister J.L A late winter hydrographic section from Tasmania to Antarctica. Deep Sea Res., I, 46: Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

139 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 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 Nunzio PENNA 1, Fabio RICCI 2, Samuela CAPELLACCI 2, Marco GIORGI 2, Cristina INGARAO 3 1 Cattedra di Oceanografia Chimica, Facoltà di Scienze Ambientali Università degli Studi di Urbino Carlo Bo, Loc. Crocicchia Urbino (PU) 2 Centro di Biologia Ambientale, Università degli Studi di Urbino Carlo Bo, Viale Trieste, Pesaro 3 Facoltà di Scienze Ambientali, Università degli Studi di Urbino Carlo Bo ABSTRACT Chemical determinations on the organic matter content in mucilage samples collected in northern Adriatic Sea. Precise definition on Pakulski-Benner analytical method for total carbohydrates determination Mucilage samples were collected along the italian coast of the Adriatic Sea in two stations: Pesaro and Fano in 2001 and The researches about chemical composition of the samples, besides carbohydrates, proteins and lipids content, have been extended to the main components of the humic substances not always described in literature. Moreover Pakulski-Benner s method was deepened and completed for more exact determination of total carbohydrates. RIASSUNTO Sono stati prelevati campioni di mucillagine lungo la costa italiana del Mare Adriatico in due stazioni: Pesaro e Fano negli anni 2001 e Le ricerche sulla composizione chimica dei campioni, oltre al contenuto in carboidrati, proteine e lipidi, sono state estese ai principali componenti della sostanza umica non sempre dettagliatamente riportati in letteratura. Inoltre si è approfondita e completata la metodica di Pakulski-Benner per una più precisa determinazione dei carboidrati totali. 1. INTRODUZIONE La presenza di mucillagini, nel mare Adriatico è stata chiamata nei secoli scorsi mare sporco. Questo fenomeno è conosciuto da tempo, le prime segnalazioni 381

140 risalgono al 1729 (Bianchi, 1746) e sono continuate negli anni (Castracane, 1873; Forti, 1906) fino ad oggi (Faganeli et al., 1995; Penna et al., 2003; Kovac et al., 2004). La comparsa delle mucillagini è considerata un fenomeno complesso e l origine esatta è ancora di difficile interpretazione. La maggior parte degli studi la attribuiscono soprattutto alle diatomee, anche bentoniche, che in particolari condizioni idrodinamiche, alte temperature, mare calmo e assenza di vento, secernono sostanze mucillaginose (Rinaldi et al., 1995; Degobbis et al., 1999). Particolare importanza può avere anche lo squilibrio nel rapporto di nutrienti N/P (Myklestad, 1995; Penna et al., 1999). Si possono trovare sia in profondità sotto forma di macrofiocchi, filamenti, ragnatele e nubi, che in superficie a formare strati gelatinosi (Stachowitsch et al., 1990). L area dove si manifestano prevalentemente è quella dell Adriatico centro-settentrionale interessando sia la costa italiana che quella sloveno-croata (Kovac et al., 2002; Maley et al., 2003). Le mucillagini compaiono normalmente in estate, da luglio a settembre, e vengono disperse con le prime mareggiate di ottobre (Penna et al., 2000). Recentemente il fenomeno si è avuto in forma molto estesa nel 1988, 1989 e 1991 (Penna et al., 1993), si è ripresentato nel 1997 e nel 2000 ed in misura minore negli anni dal 2001 al 2004 (Penna et al., 2003; Giani et al., 2005), mentre nel 2005 non si è verificato. 2. MATERIALI E METODI 2.1. Campionamento Gli aggregati mucillaginosi sono stati campionati nei siti descritti in figura 1 (Pesaro e Fano) con l imbarcazione scientifica ATHENA dell Università di Urbino nell estate degli anni 2001 e 2003 e ad una distanza di 1000 e 2000 metri dalla costa. In laboratorio si è proceduto immediatamente al congelamento a 20 C del materiale tal quale. I campioni sono stati denominati in accordo al luogo di prelievo, all anno di comparsa ed alla distanza dalla costa. Ciascun campione è stato suddiviso in due aliquote allo scopo di esaminare le differenze di composizione determinate sia sul campione non dializzato che dializzato. Il prelievo, limitato esclusivamente agli aggregati superficiali (Fig. 2), è stato effettuato mediante bottiglie scure in polietilene Pre-trattamento della mucillagine Un aliquota di ciascun campione dopo scongelamento a temperatura ambiente è stata sottoposta a dialisi (membrana Spectra/Pore MWCO: Dalton) per 24 ore contro 10 litri di acqua bidistillata allo scopo di eliminare i sali inorganici. Si è proceduto poi, dopo centrifugazione a 4000 rpm per 20 min. e scolamento su net (cutoff 10 µm) per 45 min., ad essiccamento in stufa a 105 C fino a raggiungimento di peso costante (Standard Methods, 2005). L altra aliquota ha subito gli stessi trattamenti ad eccezione della dialisi. 382

141 Fig. 1 - Area di campionamento ed imbarcazione scientifica ATHENA. Fig. 2 - Mucillagine comparsa in superficie (Pesaro) nell estate Determinazione della sostanza organica È stata effettuata per incenerimento dei campioni di mucillagine dializzati e non dializzati in muffola a 500 C per un ora (Standard Methods, 1985) e quantificazione percentuale del residuo volatile. Sulle frazione Umina la sostanza organica è stata determinata seguendo le stesse modalità. 383

142 2.4. Determinazioni colorimetriche Carboidrati totali Prima determinazione. I carboidrati totali contenuti nei campioni di mucillagine sono stati determinati secondo la metodica di estrazione Pakulski-Benner (Pakulski & Benner, 1992). Si effettua un pre-trattamento idrolitico di ± 0.5 mg di mucillagine allo stato secco con 1 ml di acido solforico concentrato (12 M) per 2 ore a temperatura ambiente seguito da un ulteriore trattamento per 3 ore a temperatura di 100 C con acido solforico diluito alla concentrazione finale 1.2 M. Tale diluizione viene effettuata con acqua persolfata (1 g di persollfato di potassio per litro di acqua distillata) e successivamente distillata. Dopo centrifugazione a 4000 rpm per 20 min. sul sopranatante i carboidrati sono stati determinati spettrofotometricamente secondo la metodica di colorazione MBTH (Johnson & Sieburth, 1977; Johnson et al., 1981; Parsons et al., 1984). Secondo tale metodica gli idrolizzati (monosaccaridi) vengono neutralizzati con sodio idrossido 2M fino ph alcalino(circa 9) e ridotti a zuccheri alcolici con potassio boroidruro al 2 %. La reazione di riduzione viene terminata con l aggiunta di HCl 2M. Gli zuccheri alcolici vengono poi ossidati ad aldeidi con acido periodico M. L ossidazione viene terminata con l aggiunta di sodio arsenito M. Le aldeidi vengono poi fatte reagire con MBTH (3-Methyl-2- benzothiazolinone hydrazone hydrochloride monohydrate) cloruro ferrico ed acetone. L assorbanza viene misurata spettrofotometricamente a 635 nm dopo calibrazione strumentale con una miscela acqua:acetone (1.8:1). I risultati sono espressi come glucosio equivalenti. Tutti i campioni sono stati analizzati in tre repliche. Seconda determinazione. Sul residuo idrolitico insoluto della prima determinazione, si è poi proceduto ad un secondo trattamento seguendo le stesse modalità di estrazione (con acido solforico) e colorazione (con MBTH). Carboidrati totali sulle frazioni umina ed acido umico. Sulle frazioni umina sono stati determinati i carboidrati totali seguendo le stesse modalità di estrazione e colorazione. Proteine totali Le proteine totali sono state analizzate secondo la metodica di Bradford (Bradford, 1976) leggermente modificata (Setchell, 1981) in cui il volume del cromogeno (Coomassie Brillant Blue G 250) dipende dal livello di sensibilità richiesto (Spector, 1978). L estrazione viene effettuata sottoponendo mg di mucillagine allo stato secco a trattamento idrolitico con 5-6 ml di NaOH 0.5 N per 2 ore alla temperatura di 60 C in un bagno termostatico (Mayer et al., 1986). Sull estratto ottenuto dopo centrifugazione a 4000 rpm per 20 min., le proteine totali sono state determinate spettrofotometricamente. 100 µl di estratto proteico vengono fatti reagire con 2 ml di cromogeno opportunamente diluito (1:10) con acqua bidistillata. Tale cromogeno esiste in due differenti forme (di colorazione rossa e blu) e, con un meccanismo di reazione ancora non ben chiarito, la forma rossa di questo viene convertita in forma blu in quantità direttamente proporzionale al contenuto proteico 384

143 dell estratto. L assorbanza viene misurata alla lunghezza d onda di 595 nm dopo calibrazione strumentale con acqua bidistillata. I risultati sono espressi come y- globulina bovina equivalenti. Tutti i campioni sono stati analizzati in tre repliche. Proteine totali sulle frazioni umina ed acido umico. Sulle frazioni umina ed acidi umici sono state quantificate le proteine totali seguendo le stesse modalità di estrazione e colorazione Determinazioni gravimetriche Lipidi totali L estrazione dei lipidi è stata effettuata secondo la metodica Folk et al. (1957). In tale procedura viene utilizzata una miscela cloroformio-metanolo (2:1) il cui volume (in ml) deve essere 20 volte il peso (in mg) della mucillagine. Nella risultante miscela bifasica il campione viene agitato per 30 min. (tale procedura va effettuata in ambiente freddo). Si centrifuga poi a 2000 rpm per 20 min. e la fase superiore, contenente l estratto lipidico, viene purificata con NaCl 0.9 N (il cui volume deve essere 0.2 volte il volume dell estratto ottenuto). Tale procedura serve per allontanare dalla fase lipidica superiore gli acidi lipidici che in tal modo rimangono confinati nella fase cloroformica inferiore. Dopo una vigorosa agitazione ed una successiva centrifugazione la fase superiore viene rimossa per sifonamento. Si eseguono poi 2-3 lavaggi dell interfaccia con una miscela di cloroformio:metanolo 1:1. Infine la fase inferiore, contenente l estratto lipidico, viene fatta evaporare sottovuoto. I lipidi totali vengono quindi quantificati gravimetricamente. Sostanze umiche Umina, acidi umici e acidi fulvici sono stati estratti e purificati secondi il metodo sviluppato dall IHSS (International Humic Substance Society, schematizzato in figura mg di mucillagine allo stato secco vengono trattati con HCl 0.1 M nella proporzione di 10 ml di liquido per 1 g di sostanza secca e fatti agitare per un ora a temperatura ambiente. Tale procedura ha lo scopo di allontanare i carbonati dalla fase solida. Dopo centrifugazione a 4000 rpm per 10 min. il sopranatante (estratto 1) viene conservato. Il residuo viene neutralizzato con NaOH 1M fino ph 7 e successivamente trattato con NaOH 0.2M (nella proporzione di 10 ml di liquido per 1 g di sostanza secca) sotto agitazione per una notte. Dopo centrifugazione a 4000 rpm per 10 min, il residuo costituisce la frazione umina (insolubile in soluzioni acide e basiche). Questa viene poi purificata con HCl 0.1 M ed acqua milliq per tre volte. Il sopranatante viene acidificato con HCl 6M fino ph 1 sotto continua agitazione e decantato poi ore. Dopo centrifugazione il precipitato che si viene a formare costituisce la frazione acido umico mentre il sopranatante (estratto 2) costituisce la frazione acido fulvico. Il precipitato acido umico viene poi nuovamente disciolto in NaOH 0.1M e successivamente precipitato con HCl 6N. Tale procedura viene ripetuta due volte. I precipitati umina ed acido umico ed i sopranatanti acido fulvico (estratto 1 più estratto 2) vengono poi purificati mediante dialisi (membrana Spectra/Pore MWCO:

144 Dalton.) per 24 ore contro 10 l di acqua bidistillata. Dopo centrifugazione i residui sono stati essiccati a 105 C fino a peso secco. Mucillagine secca Trattamento con HCl 0.1 M per 1 ora Agitazione e centrifugazione Precipitato Sopranatante estratto 1 (umina, acido umico, fulvico, carboidrati,altro) (acido fulvico, carboidrati,altro) Aggiunta al precipitato di NaOH 1N fino neutralità Estrazione con NaOH 0.2 N sotto agitazione per una notte Centrifugazione Sopranatante (fase basica NaOH 0.2 N) (acido umico, fulvico, carboidrati) Precipitato (umina) Aggiunta di HCl 6N (ph 2) Centrifugazione Precipitato (acido umico) Sopranatante estratto 2 (acido fulvico, carboidrati ed altro) Dialisi dei precipitati (umina ed acidi umici) e dei sopranatanti (acidi fulvici) per 24 ore contro 10 l di acqua milliq. Centrifugazione 4000 rpm per 20 min. Essiccamento a 105 C fino a peso costante. Fig. 3 - Schema di estrazione delle frazioni uminiche umiche e fulviche. 3. RISULTATI E DISCUSSIONE Scopo della ricerca è stato quello di approfondire la struttura chimica della sostanza organica di campioni di mucillagine. Le analisi sono state eseguite sia sulla frazione dializzata che non dializzata dei campioni portati a secco a 105 C. Il contenuto in carboidrati, proteine e lipidi è riportato in tabella 1. Le percentuali sono espresse nei riguardi sia del secco che della sostanza organica. Dai dati ottenuti risulta che la composizione in sostanza organica, carboidrati totali proteine e lipidi è abbastanza simile nei campioni esaminati dializzati e non dializzati. Il contenuto nei campioni dializzati è (ad eccezione del Pesaro 1000 per gli acidi umici) generalmente di poco maggiore. Sostanzialmente la composizione della 386

145 mucillagine non varia né a livello del luogo di prelievo e nemmeno, dato ancora più rilevante, nei diversi anni 2001 e Tab. 1 - Composizione chimica dei campioni di mucillagine non dializzati (ND) e dializzati (D). Campioni % Sostanza secca % Sostanza organica % Carboidrati totali % Proteine totali % Lipidi totali Fano /06/01 ND 4.93± ± ± ± ± Pesaro /6/03 ND 5.12± ± ± ± ± Pesaro /6/03 ND 4.43± ± ± ± ± Fano /06/01 D 4.36± ± ± ± ± Pesaro /6/03 D 5.45± ± ± ± ± Pesaro /06/03 D 9.87± ± ± percentuale rispetto alla sostanza secca percentuale rispetto alla sostanza organica 5.46± ± Maggiore attenzione è stata dedicata alla quantificazione ed alla composizione delle sostanze umiche: umina, acidi umici e fulvici. In particolare sull umina si è determinata la sostanza organica i carboidrati e le proteine totali. (Tab. 2). Le concentrazioni sono espresse nei riguardi sia del secco che della sostanza organica. Si precisa inoltre che sulla frazione umina le concentrazioni in sostanza organica, carboidrati e proteine totali sono espresse rispetto alla percentuale in peso di umina contenuta nella mucillagine. Sull umina si è determinato il contenuto in sostanza organica, carboidrati totali e proteine totali; questi dati non vengono normalmente riportati in letteratura (Grasset & Amblès, 1998; Mecozzi et al., 2005), ed è interessante poterli calcolare in quanto esprimono una frazione significativa dell umina. Anche riguardo alle sostanze umiche il contenuto in umina, acidi umici e fulvici, determinati sempre sia sul dializzato che sul non dializzato, è risultato simile ed è lievemente maggiore nei campioni dializzati. Con la metodica di Pakulski-Benner sono state effettuate sullo stesso campione due determinazioni successive (Tab. 3). Riguardo al metodo Pakulski-Benner comunemente usato per la determinazione dei carboidrati totali, si è notato che in una sola determinazione non veniva calcolato circa il 10 % di sostanza, quantità non trascurabile, ricorrendo ad una seconda determinazione il risultato era più preciso, ed è quasi uguale, sia sul dializzato che sul 387

146 non dializzato. Il complesso dei dati di questo lavoro ribadisce un concetto ormai generalmente accettato riguardo al fatto che in Adriatico la mucillagine, nella sua composizione essenziale, non cambia a livello spazio-temporale, come già rilevato in altre campagne sperimentali (Giani et al., 2005). Tab. 2 - Quantificazione delle sostanze umiche e composizione chimica della frazione umina. Campioni % Umina Sostanze umiche % Acidi umici % Acidi fulvici % Sostanza organica Frazione Umina % Carboidrati totali % Proteine totali Fano /06/01 ND 12.10± ± ± ± ± ± Pesaro /6/03 ND 12.32± ± ± ± ± ± Pesaro /6/03 ND 11.65± ± ± ± ± ± Fano /06/01 D 23.93± ± ± ± ± ± Pesaro /6/03 D 20.34± ± ± ± ± ± Pesaro /06/03 D 21.29± ± percentuale rispetto alla sostanza secca percentuale rispetto alla sostanza organica 1.31± ± ± ± Tab. 3 - Prima e seconda determinazione di carboidrati totali campioni dializzati (D) e non dializzati(nd). Metodica PAKULSKI-BENNER Campioni Fano /06/01 ND Pesaro /6/03 ND Pesaro /6/03 ND Fano /06/01 D Pesaro /6/03 D Pesaro /06/03 D % Carboidrati totali sulla I determinazione % Carboidrati totali sulla II determinazione % quantità non rilevata nella I determinazione 7.22± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ±

147 BIBLIOGRAFIA Bianchi G Notizie sulla vasta fioritura algale del Raccolta d opuscoli scientifici e filologici, 34: Bradford M A rapid and sensitive method for the quantification of micogram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal. Biochem., 72: Castracane F Sopra la straordinaria apparenza presentata dal mare Adriatico nella seconda metà del luglio Atti Accad. Pontif. Nuovi Lincei, 26: Degobbis D., Malej A. & Fonda Umani S The mucilage phenomenon in the northern Adriatic Sea. A critical review of the present scientific hypotheses. Ann. Ist. Super. Sanità, 35: Faganeli J., Kovac N., Leskovsek H. & Pezdic J Sources and fluxes of particulate organic matter in shallow coastal waters characterized by summer macroaggregate formation. Biogeochemistry, 29: Folck J., Lees M., Sloane S. & Stanley G.H A simple method for the isolation and purification of total lipides from animal tissues. J. Biol. Chem., 226: Forti A Alcune osservazioni sul mare sporco ed in particolare sul fenomeno avvenuto nel Nuovo giornale botanico, 13(4): Giani M., Degobbis D. & Rinaldi A Mucilages in the Adriatic and Tyrrhenian Seas. Sci. Tot. Environ., 353(1-3): Grasset L. & Amblès A Structure of humin and humic acid from an acid soil as revealed by phase transfer catalysed hydrolysis. Org. Geochem., 29: Johnson K.M. & Sieburth J Dissolved carbohydrate in seawater. I, A precise spectrophotometric analysis for monosaccharides. Mar. Chem., 5: Johnson K.M., Burney C.M. & Sieburth J.M Doubling the Production and Precision of the MBTH. Spectrophotometric Assay for Dissolved Carbohydrates in Seawater. Mar. Chem., 10(6): Kovac N., Bajt O., Faganeli J., Sket B. & Orel B Study of macroaggregate composition using FT-IR and H-NMR spectroscopy. Mar. Chem., 78: Kovac N., Faganeli J., Bajt O., Sket B., Orel B. & Penna N Chemical composition of macroaggregates in the northern Adriatic sea. Organic Geochem., 35: Malej A., Mozeti P., Turk V., Terzi S., Ahel M. & Cauwet G Changes in particulate and dissolved organic matter in nutrient-enriched enclosures from an area influenced by mucilage: the northern Adriatic Sea. Journal of Plankton Research., 25: Mayer L.M, Schick L. & Setchell W Measurement of protein in near shore marine sediment. Mar. Ecol. Prog. Ser., 30: Mecozzi M., Pietrantonio E., Di Noto V. & Papai Z The humin structure of mucilage aggregates in the Adriatic and Tyrrhenian seas: hypothesis about the reasonable causes of mucilage formation. Marine Chemistry., 95: Myklestad S Release of extracellular products by phytoplankton with special emphasis on polisaccharides. Science Total Environm., 165:

148 Pakulski J.D. & Benner R An improved method for the hydrolysis and MBTH analysis of dissolved and particulate carbohydrates in seawater. Mar. Chem., 40: Parsons T.R., Maita Y. & Lalli C.M A Manual of Chemical and Biological Methods for Seawater Analysis. Pergamon, New York: Penna N., Rinaldi A., Montanari G., Di Paolo A. & Penna A Mucilaginous masses in the Adriatic Sea in the summer of Water Res., 27: Penna N., Berluti S., Penna A. & Magnani M Influenza dei rapporti di nutrienti sulla produzione di polisaccaridi extracellulari in vitro da parte di diatomee isolate dal Mare Adriatico. Biologia marina mediterranea, 7: fasc (Parte prima). Penna N., Berluti S., Penna A. & Ridolfi R Study and monitoring of mucilage in the Adriatic Sea. Water Science and Technology, 42(1-2): Penna N., Capellacci S., Ricci F. & Kovac N Characterization of carbohydrates in mucilage sample from the Northern Adriatic Sea. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 376: Rinaldi A., Vollenweider R.A., Montanari G., Ferrari C.R. & Ghetti A Mucilages in Italian Seas: the Adriatic and Tyrrhenian Seas, Sci. Tot. Environ., 165: Setchell F Particulate protein measurement in oceanographic samples by dye binding. Marine Chemistry, 10: Spector T Refinement of the Coomassie Blue method of protein quantification. Anal. Biochem., Stachowitsch M., Fanuko N. & Richter M Mucous aggregates in the Adriatic Sea: an overview of stages and occurrences. PSZNI Mar. Ecol., 11(4): Standard Methods for the examination of Water and Wastewater th Edition, APHA AWWA WPCF. Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

149 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 BIOADSORBIMENTO DI METALLI PESANTI DA PARTE DI CYMODOCEA NODOSA Chiara PENNESI 1, Francesca BEOLCHINI 1, Tiziana ROMAGNOLI 1, Marcello CENTOFANTI 2, Lia MOSCA 2, Cecilia TOTTI 1 1 Dipartimento di Scienze del mare, Università Politecnica delle Marche, Via Brecce Bianche Ancona 2 Dipartimento di Chimica, Ingegneria Chimica e Materiali, Università dell Aquila Monteluco di Roio ABSTRACT Biosorption of heavy metal by Cymodocea nodosa The potential of metal adsorption by biological materials has been investigated in the last years, with the aim of finding materials cheaper and/or more efficient to use as alternative to ion exchange resins or activated carbon. The seagrass dead biomass shows an efficient biosorption of heavy metals, due to the chemical composition of the cuticle, the external layer of the leaves. The aim of the present work was to evaluate the influence of ph variations on the equilibrium uptake of lead by a biomaterial consisting of dried Cymodocea nodosa. The experimental data indicate that the seagrass biosorption ability increases with ph in the investigated range (3-5). Two equilibrium sorption models have been successfully applied to the experimental data, which take into account the competition between hydrogen and metal ions: Ideal competitive Langmuir model and Non ideal competitive adsorption model (NICA). Both models satisfactorily fitted experimental data confirming the hypothesis of a competitive mechanism during biosorption; the second one gave the best fit, as a proof of the heterogeneous structure of the biosorbent. RIASSUNTO L utilizzo di materiale biologico per la rimozione di metalli pesanti da acque reflue contaminate è oggetto della ricerca recente, con lo scopo di individuare materiali più economici e/o più efficienti da utilizzare in alternativa alle resine a scambio ionico o ai carboni attivi. In questo lavoro si è voluto testare l efficienza di biomateriali a base di foglie essiccate di Cymodocea nodosa nella rimozione del piombo e l influenza del ph su tale rimozione all equilibrio. Dai dati ottenuti si può osservare che l abilità bioadsorbente della pianta aumenta con l aumentare del ph nell intervallo preso in esame (3-5). Ai dati sperimentali sono stati inoltre adattati con successo due modelli di equilibrio di adsorbimento che tengono conto della competizione tra ioni idrogeno e ioni metallo: Ideal competitive Langmuir model e Non ideal competitive adsorption 391

150 model (NICA). Entrambi i modelli hanno mostrato un buon accordo con i dati sperimentali, a conferma dell ipotesi di un meccanismo competitivo alla base del bioadsorbimento. Il secondo modello si è adattato meglio rispetto al primo, a testimonianza della superficie eterogenea del biomateriale utilizzato. 1. INTRODUZIONE Il termine bioadsorbimento indica la capacità di legare metalli pesanti quali Cd 2+, Cu 2+, Zn 2+, Pb 2+, Cr 3+, Hg 2+ da parte di vari organismi (batteri, funghi, microalghe, macrofite). Questo processo si basa sulla formazione di un legame chimico-fisico fra lo ione metallo e i siti attivi presenti nella parete cellulare e nella cuticola delle macrofite marine. Precedenti lavori in letteratura hanno mostrato che le macroalghe e le angiosperme marine rappresentano dei buoni materiali adsorbenti nei processi di rimozione dei metalli grazie alla costituzione biochimica esterna (parete cellulare e cuticola; Schlacher-Hoenlinger & Schlacher, 1998; Schiewer & Wong, 2000; Davis et al., 2003). Pennesi et al. (2005) hanno messo in evidenza che le alghe brune, la cui parete cellulare è ricca di alginati e fucoidani possiedono migliori proprietà bioadsorbenti rispetto alle alghe rosse e verdi. È noto inoltre che l efficienza del processo di bioadsorbimento dipende da diversi fattori, fra cui la complessità strutturale delle macrofite e le condizioni operative del processo (in particolare ph e forza ionica; Vegliò & Beolchini, 1997). Cymodocea nodosa (Ucria) Ascherson è un angiosperma marina della famiglia delle Cymodoceaceae che vive in fondali sabbiosi poco profondi. In diverse aree della fascia costiera marchigiana (Adriatico settentrionale) forma delle praterie plurispecifiche assieme a Zostera marina e Nanozostera noltii (Curiel et al., 1995). La scelta di Cymodocea nodosa come specie da testare è dovuta al fatto che nel periodo autunno invernale in alcune aree antistanti le praterie, ci può essere un abbondante presenza di foglie spiaggiate di questa angiosperma marina. Il presente lavoro si propone di analizzare le capacità bioadsorbenti all equilibrio di esemplari morti di C. nodosa a diversi valori di ph, con l obiettivo di ottimizzare le condizioni operative in tecnologie innovative di trattamento di reflui contaminati da piombo mediante bioadsorbimento. 2. MATERIALI E METODI Le piante di Cymodocea nodosa sono state raccolte da materiale spiaggiato nella costa marchigiana (Gabicce). Durante le prove di bioadsorbimento, alle foglie essiccate e reidratate è stato aggiunto un volume noto di soluzione contenente il metallo. Dalla sospensione così ottenuta sono stati effettuati prelievi successivi per la misura della concentrazione dei metalli, mediante spettrofotometro ad assorbimento atomico. Queste prove sono state effettuate a diversi valori di ph (da 3 a 5). Per ogni valore di ph studiato sono state successivamente costruite le isoterme di adsorbimento (equazione di Langmuir; Langmuir, 1918); inoltre, ai dati sperimentali 392

151 ottenuti a tutti i ph, sono stati adattati con successo modelli di equilibrio di adsorbimento che tengono conto della competizione del metallo con lo ione H 3 O + (Pagnanelli et al., 2005). In particolare nel Modello Ideale si tiene conto della competizione che potrebbe esistere fra il catione metallo e l H 3 O +, mentre nel Modello Non Ideale (NICA) si considera anche l eterogeneità della matrice adsorbente. 3. RISULTATI Questa ricerca ha evidenziato che il ph ha una grande influenza nel bioadsorbimento del piombo da parte di Cymodocea nodosa. La figura 1 mostra le curve isoterme ottenute all equilibrio. I dati sperimentali sono stati elaborati utilizzando l equazione di Langmuir (v. Materiali e Metodi). Dall analisi dalle curve risulta evidente che all aumentare del ph aumenta anche la capacità adsorbente di C. nodosa, che raggiunge la massima efficienza a ph=5. Non sono stati testati valori di ph>5 per evitare la precipitazione del metallo. La figura 2 esprime l andamento della concentrazione massima del metallo che si è legato ai siti attivi (parametro q max ) in funzione del ph; anche in questo caso le due variabili sono risultate direttamente proporzionali. L aumento dell efficienza bioadsorbente con il ph fa ipotizzare che esista una competizione fra l H 3 O + e il Pb 2+. Per verificare questa ipotesi, sono stati adattati a tutti i dati sperimentali (ottenuti a tutti i ph analizzati) due modelli di adsorbimento competitivo (Fig. 3 Modello Ideale e Fig. 4 Modello Non Ideale). Dall analisi dei diagrammi quadrati e dal valore della varianza residua risulta che il Modello Non Ideale (Fig. 4; NICA) descrive in maniera più soddisfacente i dati sperimentali analizzati. 0.7 q (mmol g -1 ) Ceq (mmol l -1 ) Fig. 1 - Curve isoterme di Langmuir (biomassa 5 g l -1 ; T ambiente; Pb 50 mg l -1 ). 393

152 qmax (mmol g -1 ) qmax b b (l mmol -1 ) ph Fig. 2 - Parametri di Langmuir in relazione al ph qcal (meq g -1 ) q exp (meq g -1 ) Fig. 3 - Modello Ideale di competizione (biomassa 5 g l -1 ; T ambiente; Pb 50 mg l -1 ; tutti ph analizzati). 394

153 1.2 1 qcal (meq g -1 ) q exp (meq g -1 ) Fig. 4 - Modello Non Ideale di competizione (biomassa 5 g l -1 ; T ambiente; Pb 50 mg l -1 ; tutti ph analizzati). 4. CONCLUSIONI Cymodocea nodosa risulta essere un ottimo bioadsorbente del piombo. Questo è probabilmente dovuto ai gruppi carbossilici presenti sulla cutina e responsabili del legame con il catione metallo (Sanchez et al., 1999; Davis et al., 2003). Il fatto che l attività bioadsorbente migliora all aumentare del ph suggerisce che il meccanismo che interviene in questo processo sia di tipo competitivo: all aumentare del ph diminuisce la concentrazione degli ioni H 3 O + che entrano in competizione con i cationi del metallo per il sito attivo (Schiewer & Wong, 2000). Il significato applicativo di questi risultati, ancora in corso di approfondimento e definizione, potrebbe risiedere nella possibilità di utilizzare materiale biologico morto (es. spiaggiato) per il trattamento di reflui industriali. BIBLIOGRAFIA Curiel D., Marzocchi M., Solazzi A. & Bellato A Vegetazione algale epifita di fanerogame marine nella Laguna di Venezia (Bacino di Malamocco). Boll. Mus. civ. St. nat., Venezia, 46: Davis T.A., Volesky B. & Mucci A A review of the biochemistry of heavy metal biosorption by brown algae. Water Research, 37: Langmuir I The adsorption of gases on plane surfaces of glass, mica and platinum. J. Am. Chem. Soc., 40: Pagnanelli F., Mainelli S., De Angelis S. & Toro L Biosorption of protons and heavy metals onto olive pomace: Modelling of competition effects. Water Research, 39:

154 Pennesi C., Beolchini F., Romagnoli T., Centofanti M., Mosca L., Vegliò F. & Totti C Studio del bioadsorbimento dei metalli pesanti da parte di macrofite marine. Informatore Botanico Italiano, 37 (1, Parte B): Sanchez A., Ballester A., Blazquez M.L., Gonzalez F., Munoz J. & Hammaini A Biosorption of copper and zinc by Cymodocea nodosa. FEMS Microbiology Reviews, 23: Schiewer S. & Wong M.H Ionic strength effects in biosorption of metals by marine algae. Chemosphere, 41: Schlacher-Hoenlinger M.A. & Schlacher T.A Differential accumulation patterns of heavy metals among the macrophytes of a Mediterranean seagrass meadow. Chemosphere, 37(8): Vegliò F. & Beolchini F Removal of metals by biosorption: a review. Hydrometallurgy, 44: Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

155 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 DAPHNIA IN LAKE MAGGIORE: NEW STRATEGIES FOR THE FUTURE Roberta PISCIA 1, Luiz Reinaldo BOZELLI 2, Riccardo DE BERNARDI 1, Piero GUILIZZONI 1, Marina MANCA 1 1 C.N.R.-I.S.E. Largo Tonolli Verbania Pallanza 2 Dipartimento di Ecologia, Universidade Federal do Rio de Janeiro, CCS Bloco A Ilha do Fundão, Rio de Janeiro, Brasile RIASSUNTO La Daphnia nel Lago Maggiore: nuove strategie per il futuro Gli organismi zooplanctonici riescono a sopravvivere a condizioni estreme attraverso l utilizzo di specifici meccanismi di adattamento, primo fra i quali la produzione di stadi a sviluppo ritardato, capaci di mantenersi in uno stato di vita latente fino a che le condizioni ambientali non tornino ad essere loro favorevoli. La Daphnia del Lago Maggiore è da sempre caratterizzata da una riproduzione esclusivamente partenogenetica. Il ritrovamento, nella primavera del 2005, di un numero non trascurabile di maschi e femmine efippiali ha stimolato una ricerca volta a quantificare la presenza di efippi nel sedimento e la viabilità delle uova in essi contenute. Pertanto, sono state prelevate ed analizzate sette carote di sedimento, rappresentative di diverse zone e fasi evolutive del Lago Maggiore. L analisi delle diverse sezioni di sedimento ha consentito di confermare come la produzione di efippi sia un fenomeno recente, databile a partire dagli ultimi 8 anni. Inoltre, l analisi della distribuzione in zone diverse del bacino lacustre ha messo in luce una notevole eterogeneità spaziale ed una forte interazione tra litorale e pelago: l ambiente litorale rappresenterebbe la zona di reclutamento delle uova efippiali comparse nel pelago all inizio della stagione di crescita. Esperimenti di viabilità condotti in condizioni controllate di laboratorio hanno inoltre dimostrato come il successo della schiusa sia maggiore (più del doppio) per le uova provenienti dalle zone poco profonde rispetto a quelle di zone più profonde del lago. Sebbene preliminari, le informazioni da noi ottenute consentono di analizzare e discutere il fenomeno del cambiamento nelle modalità riproduttive e della produzione di efippi ad esso conseguente, come risposta a fattori biotici, quali l insorgenza di condizioni ambientali sfavorevoli, prime fra tutte quelle di un eventuale deterioramento della qualità dell alimento, ancora poco studiati. ABSTRACT Zooplankton is able to withstand harsh environments because of specific adaptations, such as the production of resting stages that can survive unfavourable environmental conditions. The Daphnia population of Lake Maggiore has historically 397

156 been composed of parthenogenetic females. However, a significant number of males and ephippial females were found in the spring of This occurrence stimulated research to evaluate the role of a transient egg bank in seasonal Daphnia population recruitment. We collected and analyzed samples from seven sediment cores, representing different phases of trophic evolution and different lake zones. Ephippial production was found to be a new phenomenon in the lake that began 8 years ago at the earliest. In addition, a horizontal distribution analysis permitted us to trace spatial heterogeneity and led us to view the littoral as a zone of ephippial egg recruitment to pelagic waters. Laboratory experiments on the viability of ephippial eggs showed that hatching success was more than two times higher for eggs coming from shallow sites compared to eggs from deeper areas of the lake. The observed modifications in the reproductive strategy of Daphnia in Lake Maggiore, resulting in the production of ephippia, may signal important environmental changes. 1. INTRODUCTION To bridge periods of unsuitable physical or biological conditions, organisms inhabiting unstable aquatic environments often rely on the production of resting or dormant stages (Cáceres, 1997; Brendonck et al., 1998). In Daphnia, such dormant stages consist of two eggs enclosed within protective membranes, including a modified part of the carapace. This dormant stage is called an ephippium. The ephippium is shed during moulting, enabling dispersion through various abiotic and biotic vectors. Ephippia may accumulate in sediments, forming a pool from which females can periodically hatch (Herzig, 1985). This egg bank (De Stasio, 1989) is similar to a seed bank in plants. The presence of an egg bank may have significant consequences on the structure and dynamics of the pelagic community (Marcus & Boero, 1998). The establishment and maintenance of an egg bank is advantageous in situations in which local extinction events are probable (De Stasio, 1989). Eggs banks have been studied to improve understanding of seasonal variations in population (Cáceres, 1998) and community structure (Donald, 1983). They can be seen as archives of information on species composition (Crispim & Watanabe, 2001) and its spatio-temporal variations (Vanderkhove et al., 2005). Therefore, studies of egg banks are very important in estimating biodiversity. The production of ephippia is most commonly observed in variable environments, such as high mountain lakes or ephemeral ponds; however, it can also be found in large, deep lakes (Jankowsky & Straile, 2003). An example of the production of ephippia by Daphnia can be seen in Lake Maggiore. In the past, only parthenogenetic females were found in this lake; however, in the spring of 2005, significant numbers of males and ephippial females were counted in the zooplankton samples collected at the usual sampling site (Manca et al., 2006a). Therefore we performed preliminary research on the horizontal and vertical distribution of ephippia and on the viability of ephippial eggs. Our goal was twofold: 1) to trace changes in the reproductive strategy of Daphnia in Lake Maggiore; 2) to relate such changes to environmental conditions. 398

157 2. MATERIALS AND METHODS Lake Maggiore is a deep (depth max = 370 m) and large (area = km 2 ) subalpine lake located in northern Italy. Sediment cores were collected in summer 2005 from seven different stations in the lake. Four stations (SG1, SG2, IM and PAL) were located in areas with water depth < 100 m (shallow stations), while the other three (GHI, GHI2 and BRI) were in areas with water depth > 350 m (deep stations). Seven cores (LM-SG1\05, LM-SG2\05, LM-IM\05, LM-PAL\05, LM-GHI\05, LM-GHI2\05 and LM-BRI\05), of a length between 15 and 70 cm, were collected using a gravity corer (diameter = 6 cm) and stored in the dark at 4 C. The topmost 3 cm were sectioned into 1 cm increments, while 1 cm sections were taken from the rest of the core at 5 cm intervals. These sections were stored under the same conditions as the cores, over a period of between 2 weeks and 2 months. The sediment was rinsed using distilled water and passed through three different sieves (400, 200 and 80 µm), to obtain different size fractions. The material obtained was then sorted under a dissecting microscope (Zeiss Stemi 2000-C) and the ephippia thus isolated were removed and stored in 0.7 ml of 0.4 µm filtered oligomineral water at 4 C in the dark. Isolated ephippia were kept in 4 ml wells of 0.4 µm filtered oligomineral water. A total of 48 ephippia, including 16 one-egg ephippia and 32 two-egg ephippia, were retrieved from the sediment samples. Plates were incubated in a thermostatic cell at a constant temperature of 15 C, a light intensity of x 10 3 Lux and a photoperiod of 16 h Light: 8 h Dark. Every 24 h, the culture medium was renewed and hatching events recorded until Day 14. We used the program GraphPad Prism version 4.03 (GraphPad Software, San Diego California USA, 2005) for statistical analyses. T- test was used to assess the statistical difference in ephippia abundance at shallow/deep stations. Differences in time-until-hatching were tested through the Mann-Whitney U-test. Chronology of sediment cores were established in previous studies (Marchetto et al., 2004; Guilizzoni & Calderoni, 2007) in which core-to-core correlations were also shown. 3. RESULTS Our results provided information on both horizontal and vertical distributions of the ephippial eggs of Daphnia in Lake Maggiore. In the upper 3 cm section of the sediment cores, both the total abundance and the proportion of empty or two-egg ephippia, tended to increase from shallow to deep stations (Fig. 1). There was a statistically significant difference between shallow and deep stations as concerns the mean density of ephippia with eggs, ephippia without eggs, and ephippial eggs (P=0.018; P=0.008; P=0.01, respectively). The abundance of ephippia tended to decrease with the depth of the core (Fig. 2). The resting stages appeared to be concentrated mainly in the upper 3 cm of each sediment core, with a clear increase in the uppermost layer. 399

158 20000 ephippia or eggs m with eggs without eggs eggs 0 SG1/05 SG2/05 IM/05 PAL/05 BRI/05 GHI/05 GHI2/05 shallow stations deep stations Fig. 1 - Total abundance of ephippia and of their eggs, found in the upper 3 cm sections of sediment cores (empty ephippia are also recorded) collected in Summer 2005 from different sampling stations of Lake Maggiore. Ephippia 10 3 m -2 Depth (cm) GHI\ SG1\ GHI2\ SG2\ BRI\ IM\05 with eggs without eggs PAL\ Fig. 2 - Abundance of ephippia in different sections of sediment cores collected in summer 2005 from several stations in Lake Maggiore. 400

159 In the three shallow sites (SG1, SG2 and IM), ephippia density was low and restricted to the upper 3 cm of the sediment cores. In two deep stations (GHI and BRI), density levels were higher and the presence of ephippia was recorded down to the cm sections. In GHI2 and PAL stations, density values were high in the upper 3 cm and a few ephippia with eggs were also detected in deeper parts of the sediment core (50 cm in GHI2). We found that ephippia retrieved from the sediment cores of shallower sites had higher hatching rates than those from deeper sites (29.7 % compared to 11.6 %). Hatching success was restricted to the uppermost 3 cm in all the cores. Two-egg ephippia were more viable than one-egg ones (88 % compared to 12 %). Time until hatching did not vary (U = 20.50, P = ) between ephippia from shallow (mean ± SE; 4.2 ± 0.4 days, n = 11) and from deep water (4.2 ± 0.8 days, n = 4). Overall hatchling survival was good (31 %). 4. DISCUSSION The appearance of male and ephippial female Daphnia in the open-water zooplankton of Lake Maggiore is a very unusual phenomenon; it has been observed only occasionally over a period of approximately 50 years. Ephippia were only rarely reported in previous studies of sediment cores from Lake Maggiore (Manca et al., 2006b). Sediments are natural archives of information, particularly for ephippia, which accumulate in them (Herzig, 1985). Ephippia were found in all sediment cores analyzed during the course of the present study. This suggests that their production is not a localized phenomenon and is not solely a result of transport from lake tributaries. The abundance of Daphnia ephippia in sediments from Lake Maggiore is low, but lies within the range of values reported in the literature ( m -2 ; Brendonck & de Meester, 2003). Differences between shallow and deep sites may be related to the more stable conditions prevalent in deeper sites, especially as concerns abiotic factors, such as light regime, known to trigger the hatching of dormant eggs (De Stasio, 1989). Greater abundance in the deep sites may also be the result of drift from shallower areas (Brendonck & de Meester, 2003). Higher densities of ephippia were found in the upper 3 cm of the sediment cores. This confirms our estimates, based on zooplankton samples, that significant production of ephippia started not earlier than 8 years ago (chronology based on previous studies; see methods). Previously, parthenogenesis was the prevalent reproductive strategy used by Daphnia in Lake Maggiore. In cores LM-PAL/05 (shallow area) and LM-BRI/05 (deep area), ephippia were also found in sections deeper than 3 cm; while we cannot exclude earlier production in these sites, we believe that this results must be related to higher sedimentation rates due to the presence of turbidity, which is known to occur in these areas of the lake basin (Marchetto et al., 1999). The ephippia retrieved from the lake sediments were found to be viable. However, hatching success was more than two times higher for eggs from shallow sites, suggesting a strict interaction between littoral and pelagic waters. The littoral 401

160 environment appears to act as a recruitment zone for ephippial eggs, as was hypothesized by de Bernardi et al. (1980). The contribution of ephippial eggs to population density still appears to be too low to contribute substantially to the seasonal dynamics of Daphnia in Lake Maggiore. Termination of diapause, resulting in the hatching of ephippial eggs, is induced by various factors. These include both biotic (eg. infochemicals produced by predators/competitors; Lass et al., 2005; Bozelli et al., 2008) and abiotic (eg. light, photoperiod and oxygen concentration) factors. The relevance of different factors is species- and population-dependent (Wyngaard, 1988). Stross and Hill (1965) showed that the clearly defined relationship between photoperiod and ephippia production in Daphnia was dependent on population density level. Zooplanktonic organisms seem to be capable of perceiving signals from the environment and integrating them to express highly differentiated responses (Tollrian & Dodson, 1999). Jankowski & Straile (2004) found that production of ephippia by Daphnia hyalina and Daphnia galeata was mainly related to biotic factors, particularly to food resources. Substantial changes have occurred over the last 40 years in Lake Maggiore. Originally oligotrophic (RP<10 µg l -1 ; Vollenweider, 1965), the lake became mesotrophic during the seventies, due to anthropogenic impact (RP=28 µg l -1 ; Ambrosetti et al., 1983). It then experienced a recovery during the nineties (RP 10 µg l - 1 ; Calderoni et al., 2006). Changes in trophy also resulted in changes in phytoplankton and zooplankton population structure (de Bernardi et al., 1990) and density (Manca & Ruggiu, 1998). Algal blooms and production of potentially harmful compounds were detected in summer 2005 (Morabito et al., 2006). Therefore, food quality is likely to have played a role in the production of ephippia by Daphnia in Lake Maggiore. However, this remains a hypothesis and further research is needed. Given the key role of Daphnia in the pelagic food web of Lake Maggiore, the change in reproductive strategy we detected deserves particular attention, as a sign of important environmental changes. ACKNOWLEDGMENTS We are very grateful to thank Elisa Peters for the language revision of an earlier version of the manuscript. REFERENCES Ambrosetti W., Barbanti L., Mosello R., Rolla A. & Ruggiu D Mescolamento, caratteristiche chimiche, fitoplancton e situazione trofica nei laghi profondi subalpini. C.N.R. - P.F. Promozione della qualità dell ambiente. AQ/2/20: 151 pp. Bozelli L.R., Tonsi M., Sandrini F. & Manca M A Big-Bang or small bangs? Hatching in the way environment informs. Hydrobiologia (pending for revision). 402

161 Brendonck L., de Meester L. & Hairston N.G. Jr. (Eds) Evolutionary and Ecological Aspects of Crustacean Diapause. Arch. Hydrobiol. (Special Issues), 52: 561 pp. Brendonck L. & de Meester L Egg banks in freshwater zooplankton: evolutionary and ecological archives in the sediment. Hydrobiology, 491: Cáceres C.E Dormancy in invertebrates. Inv. Biol., 116: Cáceres C.E Interspecific variation in the abundance, production, and emergence of Daphnia diapausing eggs. Ecol., 79: Calderoni A., Rogora M., Pranzo A. & Tartari G Chimica lacustre. In: C.N.R.- I.S.E. sede di Verbania. Ricerche sull evoluzione del Lago Maggiore. Aspetti limnologici. Programma quinquennale Campagna Commissione Internazionale per la protezione delle acque italo-svizzere (Ed.): Crispim M.C. & Watanabe T What can dry reservoir sediments in a semi-arid region in Brazil tell us about Cladocera? Hydrobiologia, 442: de Bernardi R., Giussani G. & Soldavini E Ruolo della fascia litorale nello sviluppo e nella dinamica di popolazioni pelagiche di alcuni cladoceri d acqua dolce. Atti III Congr. A.I.O.L.: de Bernardi R., Giussani G., Manca M. & Ruggiu D Trophic status and the pelagic system in Lago Maggiore. Hydrobiologia, 191: 1-8. De Stasio B.T. Jr The seed bank of freshwater crustacean: copepodology for the plant ecologist. Ecology, 70: Donald D.B Erratic occurrence of anostracan in a temporary pond: colonization and extinction or adaptation to variations in annual weather? Can. J. Zool., 61: Guilizzoni P. & Calderoni A Monitoraggio della presenza del DDT e di altri contaminanti nell ecosistema Lago Maggiore. Rapporto quinquennale Ed. Commissione Internazionale per la protezione delle acque Italo-Svizzere: 102 pp. Herzig A Resting eggs - a significant stage in the life cycle of crustaceans Leptodora kindti and Bytothrephes longimanus. Ver. Internat. Verein. Theor. Ang. Limnol., 22: Jankowski T. & Straile D A comparison of egg bank and long-term plankton dynamics of two Daphnia species, D. hyalina and D. galeata: potentials and limits on reconstruction. Limnol. Oceanogr., 48: Jankowski T. & Straile D Allochronic differentiation among Daphnia species, hybrids and backcrosses: the importance of sexual reproduction for population dynamics and genetic architecture. J. Evol. Biol., 17: Lass S., Vos M., Wolinska J. & Spaak P Hatching with the enemy: Daphnia diapausing eggs hatch in the presence of fish kairomones. Chemoecology, 15: Manca M. & Ruggiu D Consequences of pelagic foods web changes during a long-term oligotrophication process. Limnol. Oceanogr., 43: Manca M, Visconti A., Piscia R. & de Bernardi R. 2006a. Dinamica stagionale del popolamento zooplanctonico. In: C.N.R.-I.S.E. Sede di Verbania Ricerche sull'evoluzione del Lago Maggiore. Aspetti limnologici. Programma quinquennale 403

162 Campagna Commissione Internazionale per la protezione delle acque italo-svizzere (Ed.): Manca M., Torretta B., Comoli P., Amsinck S.L. & Jeppesen E. 2006b. Major changes in trophic dynamics in large, deep sub-alpine Lake Maggiore from 1943 to 2002: a high resolution comparative paleo-neolimnological study. Freshwat. Biol., 52(11): Marchetto A., A. Lami & P. Guilizzoni Commissione Internazionale per la protezione delle acque italo-svizzere. Attività svolta dal gruppo di Paleolimnologia del CNR-Istituto Italiano di Idrobiologia nell'ambito del Progetto esecutivo su "Ricerche sulla distribuzione e gli effetti del DDT nell'ecosistema del Lago Maggiore, Rapporto finale, Allegati: Marchetto A., Lami A., Musazzi S., Masaferro J., Langone L. & Guilizzoni P Lake Maggiore (N. Italy) trophic history: fossil diatoms, plant pigments, chironomids and comparison with long-term limnological data. Quaternary International, 113: Marcus N.H. & Boero F Minireview: The importance of bentic pelagic coupling and the forgotten role of the life cycles in coastal aquatic systems. Limnol. Oceanogr., 43: Morabito G., Panzani P. & Oggioni A Indagini sul fitoplancton. In: C.N.R.-I.S.E. Sede di Verbania. Ricerche sull'evoluzione del Lago Maggiore. Aspetti limnologici. Programma quinquennale Campagna Commissione Internazionale per la protezione delle acque italo-svizzere (Ed.): Stross R.G. & Hill G.C Diapause induction in Daphnia requires two stimuli. Science, 150: Tollrian R. & Dodson S.I Inducible defences in Cladocera: constraints, costs and multipredator environments. In: Tollrian R. & Harvell C. (Eds), The ecology and evolution of inducible defences. Princeton University Press, UK: Vanderkhove J., Declerck S., Jeppesen E., Conde-Porcuna J.M., Brendonck L. & de Meester L Dormant propagule banks integrate spatio-temporal heterogeneity in cladoceran communities. Oecologia, 142: Vollenweider R.A Calculation models of photosynthesis-depth curves and some implications regarding day rate estimates in primary production. Mem. Ist. Ital. Idrobiol., 18 Suppl.: Wyngaard G.A Geographical variation in dormancy in a copepod: evidence from a population crosses. Hydrobiologia, 167/168: Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

163 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 HYDROPHYSICAL MESOSCALE FACTORS AFFECTING PHYTOPLANKTON DISTRIBUTION IN A SOUTHERN ADRIATIC SEA COASTAL AREA (GULF OF MANFREDONIA) Francesco RAFFA, Franco DECEMBRINI, Tom Sawyer HOPKINS CNR-IAMC, Istituto per l Ambiente Marino Costiero, U.O.T. Messina, Spianata S. Raineri, Messina RIASSUNTO Andamento di mesoscala dei parametri idrofisici ed effetti sulla distribuzione del fitoplancton in una zona costiera dell'adriatico Meridionale (Golfo di Manfredonia) Il Golfo di Manfredonia è situato nel mare adriatico occidentale, sul litorale italiano che demarca la circolazione adriatica centrale da quella meridionale. Di seguito sono riportate le distribuzioni spaziali delle proprietà fisiche oceanografiche e della concentrazione di clorofilla-a nel Golfo di Manfredonia durante la stagione primaverile. Le caratteristiche generali della circolazione seguono la traccia della salinità, indicando che l acqua con i valori alini elevati (S>38.65) risale nel centro del gyre dallo strato intermedio occupato dalla LIW. La distribuzione della concentrazione di Chl-a (all'interno di mg Chl-a m -3 ) era governata dalle caratteristiche idrodinamiche osservate. ABSTRACT The Gulf of Manfredonia is located in the southwestern Adriatic Sea, which marks the boundary on the Italian coast between the Central and Southern Adriatic circulations. The spatial distributions of Chl-a concentration and of the hydrophysical properties in the Gulf of Manfredonia area during the spring are here depicted. The general features of the circulation follows the salinity pattern, evidencing that high salinity (S>38.65) in the center of the gyre upwell from the intermediate layer occupied by LIW. The distribution of the chlorophyll-a concentration (within mg Chla m -3 ) was consistent with the observed background hydrodynamical characteristics. 1. INTRODUCTION In the framework of the Italian National Programme CLUSTER 10 (SAM projects) an oceanographic SAMCA cruise (System Approach to Mediterranean Coastal Areas) was conducted in the Gulf of Manfredonia in the southwestern Adriatic Sea. 405

164 The objective of this work is to describe the spatial distributions of Chl-a concentration and hydrophysical properties in the Gulf of Manfredonia area during the spring of Sampling allowed to describe the quasi-synoptically spatial distribution across 5 longitudinal transects, consisting of 5 10 stations (3 5 nautical miles apart), with physical, chemical and biological measurements using a CTD/fluorometer. 2. METHODS As part of this project a hydrographic cruise was conducted during May The sampling plan included 32 stations along four (nearshore-offshore) transects perpendicular to the bathymetric ( m). At each station vertical profiles of physic-chemical parameters (temperature, salinity, dissolved oxygen and fluorescence) were measured with a CTD (SBE 911-rosette) equipped with Turner Scufa fluorometer (for Chl-a). The CTD and fluorescence data were calibrated with lab samples. The adjusted sea levels (ASL) over the Gulf shelf and the vertical profiles (0-100 m) of the cross-sectional flows of geostrophic current across the transect were computed with the steric-height method (Hopkins, 1996). The reference point was taken to the 1000 m contour on the fall line from the Gulf of Manfredonia, and the reference density was taken to be g cm -3 at the reference point in the Adriatic Sea. Water samples at 3-5 different depths were collected for determination of Chl-a concentration and were filtered with Wathmann GF/F fiberglass filters and stored at -20 C. The laboratory analyses were performed by spectro-fluorometry following the methods of Lazzara et al. (1990). 3. STUDY AREA The Gulf of Manfredonia is located south of the Cape of Gargano (Fig. 1), which marks the boundary on the Italian coast between the Central and Southern Adriatic circulations (cf. Artegiani et al., 1997). The thermohaline circulation in the Southern Adriatic is cyclonic with the inflowing Levantine Intermediate Water (LIW) entering Otranto Strait along the eastern slope with a portion continuing northward into the Central Adriatic and a portion returning southward along the western slope. This simple depiction is often masked by opposing sub-basin scale wind-driven circulations generated by the predominant N-NW or S-SE winds (cf. Manca et al., 2001). Land runoff from the Italian peninsula generates a low salinity water mass, which flows geostrophically southward along the narrow western shelf, and which is often referred to as the Western Adriatic Coastal Current (WAC) (cf. Hopkins et al., 1998). Thus, the strength of the WAC is strongly correlated with recent rainfall runoff, which is commonly high in the spring. 406

165 Gargano Adriatic Sea I T A L Y Adriatic Sea Manfredonia Tyrrhenian Sea Ionian Sea Fig. 1 Location of the stations in the Gulf of Manfredonia. 4. RESULTS The results are displayed by surface contours (Fig. 2) and vertical profiles of the four main transects (Fig. 3). Both the surface salinity and vertical density structures clearly indicate the WAC as a low salinity feature convergent against the coast. The adjusted sea level (ASL) values varied from ~5 to ~12 cm over the observed area (Hopkins, 1996). The higher ASL values are associated with water columns having lower integrated density values, which in this case reflect the lower salinities of the WAC waters. The resulting geostrophic velocity components normal to each transect are shown in the four transects. The core of the WAC is clearly defined as a southward coastal jet centred over the upper slope and flowing at speeds exceeding 30 cm s -1. As the WAC follows the m bathymetry, it is close inshore at the northern and southern ends of the Gulf. Thus traversing the Gulf, the WAC is located considerably offshore, with the intervening waters having the same water type but moving southward at a much slower speed. These waters have a much longer residence time being, as it were, enclosed in the Gulf. We note that the local runoff is negligible. Offshore of the WAC the southern flow diminishes and reverses to a northern flow, as a result of the ASL distribution offshelf. An ASL trough protrudes into the area from the north creating an weak anticyclonic circulation, which results in some loss of WAC waters offshore. The distribution of the chlorophyll-a concentration (within mg Chl-a m -3 ) was correlated with the observed hydrodynamical characteristics. Two sub-systems are clearly defined; i.e. that associated with the WAC, particularly with the salinity front at the offshore edge of the WAC, and that interpreted as the deep-chlorophyll maximum (DCM) in the deeper waters of the shelf and interior. The values of the WAC are characterized by higher chlorophyll-a concentration (0.3 mg m -3 ) near the bottom, whereas the DCM values showed an almost continuous rich layer at m characterized by chlorophyll higher than 0.3 mg m -3. In the Gulf area shoreward of the 407

166 WAC core, the chlorophyll values were less, suggesting again a higher residence time, but with still some enrichment at the bottom with values ~ 0.2 mg m -3. Latitude ( N) Temperature ( C) Salinity Adjusted Sea Level (cm) Chl-a (mg/m3) Fig. 2 - Surface distribution of: temperature ( C), salinity, adjusted sea level (cm) and chl-a (mg m -3 ). 408

167 ! "! # Fig. 3 - Cross-sectional contour plots, from highlighted transects in the Gulf, of density, chlorophill-a (mg m -3 ) and geostrophic velocity component (cm s -1 ) normal to the transect, with positive values indicating a northward direction. The flow is calculated between every station. 5. FINAL CONSIDERATIONS The WAC clearly contributes to the local chlorophyll production for the Gulf area. While the WAC by-passes the inner, shallow parts of the Gulf by following the more direct course along the shelf edge, it no doubt contributes to the integrated Gulf production due to the entrapment WAC waters and their nutrients within the inner waters and the resulting benthic recycling occurring there. The relative contribution to the frontal portion of the WAC by apparent vertical connection with the offshelf DCM is another point for further investigation. 409

168 REFERENCES Artegiani A., Bregant D., Paschini E., Pinardi N., Raicich, F. & Russo A The Adriatic Sea general circulation. Part I: air sea interactions and water mass structure. Journal of Physical Oceanography, 27: Hopkins T.S A note on the geostrophic velocity field referenced to a point. Cont. Shelf Res., 16(12): Hopkins T., Artegiani A., Kinder C. & Pariente R Description of the Northern Adriatic circulation as computed from the ELNA hydrography. In: Hopkins T.S., Artegiani A., Cauwet G., Degobbis D. & Malij A. (Eds), The Adriatic Sea. Ecosystem Research Report No. 32, 1999, EUR 18834, European Commission, Brussels. Lazzara L., Bianchi F., Falcucci M., Hull V., Modigh M. & Ribera D Alcalà M Pigmenti clorofilliani. Nova Thalassia, 11: Manca B., Franco P. & Paschini E Seasonal Variability of the Hydrography in the Adriatic Sea: Water Mass Properties and Circulation Mediterranean Ecosystems: Structures and Processes. In: Faranda F.M., Guglielmo L. & Spezie G. (Eds). Springer Verlag Italia: Schlitzer, Reiner Ocean Data View [Computer program manual]. Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research, Bremerhaven, Germany. Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

169 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 VARIAZIONI RELATIVE DEL LIVELLO MARINO E DINAMICA RECENTE DELLA PIANA DI SIBARI (ITALIA MERIDIONALE) Andrea RANDISI Dipartimento di Scienze della Terra, Università degli Studi di Napoli Federico II Istituto per l Ambiente Marino Costiero, CNR di Napoli ABSTRACT Relative sea level changes and Holocene environmental dynamics of the Sybaris coastal plain (Southern Italy) A geological study has been carried out on the Sybaris area (Northern Calabria) to contribute to the understanding of the late Pleistocene and Holocene relative sea level changes. In the region the latter have developed with different eustatic and tectonic rates and have influenced the sedimentation and the environmental dynamics of the coastal plain. On the basis of a stratigraphic, structural and geomorphologic survey a rich data set has been collected for the late Pleistocene of the northern and northern-western sectors of the plain. This survey was based on the analysis of topographic maps (1: scale) and of several aerial photos and digital elevation models (DEM), available in literature. Moreover, a high precision (±3 m) GPS survey was performed in the area, connecting in the field the GPS with a pocket computer to create a digital map of the geological and geomorphologic features of the above area. This study allowed: (1) to recognize in the field 4 orders of late Pleistocene marine terraces, mapping them with a precision higher than the available cartography; (2) to correlate these terraces among them using the 114 m a.s.l. terrace (130 ka BP in Cucci, 2004) as a stratigraphic datum; (3) to individuate the inner edges of the correlated terrace surfaces, suggesting the late Pleistocene coastlines, generated by eustatic lowering; (4) to estimate the regional uplift rates for the studied area. For the Holocene times, the long- and the short-term tectonic control (uplift and subsidence changes) has been estimated in the area of the Sybaris archaeological park. Here, sedimentological and radiometric bore core data available in literature have been used, considering the recent recalibration of the radiometric dating of peat and organic matter levels. On the above bases it has been estimated that this area underwent uplift and subsidence changes at no constant rates, at regional and local scale respectively. This allowed to relate the above values, estimated for the last 14ka, with the northern Calabria relative sea level curve of Lambeck et al. (2004). In conclusion, this preliminary study suggests that the present-day geological characteristics, as well as the progradational trends of the Sybaris coastal plain, record the interaction between eustatic (global scale) and tectonic (regional to local scale) 411

170 processes. The latter, showing no constant rates, strongly influenced the geological evolution of the coastal plain. RIASSUNTO Vengono brevemente illustrati i risultati di uno studio interdisciplinare condotto nella piana di Sibari (Calabria) e finalizzato alla ricostruzione delle variazioni relative del livello marino che hanno controllato la dinamica ambientale della piana nel Pleistocene superiore e nell Olocene. Lo studio si è basato sull analisi di carte topografiche (scala 1:10.000), foto aeree e modelli digitali dell altezza (DEM) ed è stato condotto attraverso il rilevamento di campagna, realizzato con l ausilio di un GPS ad elevata precisione (±3 m) collegato ad un computer palmare per la restituzione digitale dei dati raccolti. Il rilevamento ha consentito l individuazione dei terrazzi marini del Pleistocene superiore che bordano la piana a Nord e a Nord-Ovest. La loro correlazione è basata sulla datazione assoluta dei depositi marini di un terrazzo a 114 m s.l.m. situato a Nord di Trebisacce (130 ka BP in Cucci, 2004) ed usato come datum. È stato così possibile tracciare con buona approssimazione le antiche linee di riva e stimare per il Pleistocene superiore i tassi del sollevamento regionale. Inoltre, sulla base di datazioni radiometriche di livelli di torba e sostanza organica, individuati in alcuni sondaggi nei depositi olocenici dell area del parco archeologico di Sibari e disponibili in letteratura, è stato possibile effettuare una prima stima dei valori del sollevamento e della subsidenza della area analizzata. I dati, riferiti agli ultimi anni, sono stati plottati sulla curva delle variazioni relative del livello marino, costruita da Lambeck et al. (2004) per la Calabria settentrionale. I risultati di questo studio rappresentano un contributo ad una più precisa ricostruzione della dinamica recente della piana di Sibari che, nel Pleistocene superiore e nell Olocene, è stata interessata da un sollevamento regionale, sovrimposto all eustatismo, e che si è verificato con tassi non costanti. Ciò spiega le caratteristiche geologiche della piana costiera di Sibari, che è attualmente in progradazione ed è interessata localmente da subsidenza (parco archeologico), nonostante sia situata nel contesto di un sollevamento regionale. 1. INTRODUZIONE Scopo di questo lavoro è la ricostruzione della interazione tra le componenti che hanno controllato il complesso andamento delle variazioni della linea di riva della piana di Sibari nel Pleistocene superiore-olocene, condizionandone l attuale morfologia costiera. È noto infatti che i principali fattori che controllano l evoluzione di una piana costiera sono le variazioni del livello marino e la tettonica (Bartolini et al., 1996; Bosi et al., 1996; Amorosi et al., 1999). La variazione del livello marino lungo le coste Italiane nel tardo Quaternario è il risultato della interazione di fattori come l eustatismo, la glacio-idro-isostasia, la tettonica (Lambeck et al., 2004) e l apporto di sedimenti. Mentre l eustatismo (variazione assoluta del livello marino di alta e bassa frequenza) è un fenomeno globale, la glacio-idro-isostasia (riassestamento all equilibrio delle masse 412

171 crostali dovuto alla variazione di volume delle coperture glaciali), la tettonica e l apporto di sedimenti variano localmente. In particolare un notevole apporto sedimentario, dovuto alla elevata capacità di trasporto del sistema fluviale nell area di Sibari (e.g. Colella et al., 1984; Colella, 1988; Sabato, 1989; Sabato et al., 2004), può aver determinato la subsidenza da carico per costipamento di sedimenti (e.g. Cherubini et al., 2000). Quello che segue è pertanto una prima sintesi delle ricerche in atto nel quadro della mia tesi di dottorato. 2. INQUADRAMENTO GEOLOGICO L area, oggetto di studio, è localizzata nella parte nord-orientale della Calabria (Italia meridionale, Fig. 1) e, sebbene sia molto vicina all Arco calabro, appartiene strutturalmente al dominio dell Appennino meridionale (e.g. Ogniben, 1975). L unità stratigrafica e tettonica inferiore di questo settore dell Appennino è una successione sedimentaria deformata dello spessore di 4000 m formata da calcari e dolomie del Mesozoico appartenenti alla piattaforma carbonatica Campano-Lucana Auct., che costituisce l ossatura del massiccio montuoso del Pollino (D Argenio et al., 1973). Essa è tettonicamente ricoperta da una successione di terreni del Giurassico superiore- Paleogene, costituita da rocce metamorfiche ed ignee (complesso Liguride, Ogniben et al., 1969). Su questa giace in contatto tettonico una sequenza argilloso-calcarea pelagica del Cretacico-Paleogene che passa verso l alto a torbiditi (complesso Sicilide, Ogniben, 1969). Sia il complesso Liguride che quello Sicilide nell Oligocene-Miocene superiore subirono una forte subsidenza e furono seppelliti da una spessa successione sabbiosoargillosa, depositatasi durante le fasi tettoniche tardive dell Appennino meridionale (Amodio-Morelli et al., 1976; Bonardi et al., 1982). Fig. 1 - Ubicazione dell area studiata. 413

172 Dal Miocene medio, infatti, la tettonica compressiva ha prodotto raccorciamenti crostali, con ispessimenti e sovrascorrimenti delle coperture sedimentarie appenniniche verso l avampaese apulo (Haccard et al., 1972; Ogniben et al., 1975; Scandone, 1979; Patacca et al., 1990). Allo stesso tempo la tettonica distensiva ha provocato l apertura del Bacino Tirrenico e la conseguente subduzione della litosfera oceanica del mar Ionio sotto l Arco Calabro (Caputo et al., 1970; Gasparini et al., 1982; Malinverno & Ryan, 1986; Anderson & Jackson, 1987; Giardini & Velonà, 1991). Infine, durante il tardo Pliocene ed il Pleistocene basale, l area della piana di Sibari fu colmata da una spessa serie di depositi marini, rappresentati nella parte sommitale da calcareniti e conglomerati passanti a depositi marini del Pleistocene superiore e continentali recenti (Van Dijk et al., 2000). 3. METODOLOGIA DI STUDIO Nell area a Nord del Crati, compresa tra Villapiana e Trebisacce, lo studio del Pleistocene superiore-olocene è stato portato a termine attraverso un rilevamento geomorfologico, basato sull analisi di carte topografiche (scala 1:10.000), foto aeree e modelli digitali dell altezza (DEM). L ausilio di un GPS, ad elevata precisione (±3 m), collegato ad un computer palmare ha permesso la restituzione digitale dei dati raccolti. Particolare interesse, durante il rilevamento, è stato posto all analisi stratigrafica, morfologica e sedimentologica dei terrazzi marini, che bordano la piana di Sibari a Nord, a Nord-Ovest e a Sud, e riferibili al Pleistocene superiore (e.g. Hearty et al., 1986; Dai Pra & Hearty, 1988). I terrazzi marini, infatti, sono un utile marker geomorfologico della dinamica costiera e quindi delle variazioni di posizione nel tempo della linea di riva (Burbank & Anderson, 2001). Lo studio morfologico di questi terrazzi è stato allargato all intera geometria dei corpi sedimentari e delle superfici di abrasione che li delimitano, geometria creatasi durante gli innalzamenti eustatici e lo stazionamento alto del livello marino (e.g. Tongiorgi & Trevisan, 1941; Dumas & Raffy, 2006). Il margine interno delle superfici di abrasione marina, dovute alla complessa interazione tra i processi sedimentari e morfogenetici e l innalzamento eustatico, indica la posizione della antica linea di riva. Quando è ben esposto, questo margine suggerisce il livello marino del tempo (e.g. Bradley & Griggs, 1976; Kern, 1977). 4. IL PLEISTOCENE SUPERIORE E L OLOCENE DELLA CALABRIA SETTENTRIONALE I terrazzi nel settore analizzato compreso tra Villapiana e Trebisacce, appaiono come ampie superfici sub-orizzontali a luoghi incise dall erosione. Soprattutto nelle incisioni è possibile osservare la copertura sedimentaria, che solitamente è rappresentata da una successione di conglomerati passanti gradualmente, a luoghi bruscamente, verso l alto a silt. Questi ultimi sono sormontati da sabbie a loro volta coperte da conglomerati. I terrazzi esposti in questa area sono tagliati dal Saraceno, un corso 414

173 d acqua a regime torrentizio dalla elevata capacità di trasporto. I depositi alluvionali, infatti, hanno un notevole spessore e si intercalano a quelli marini. In alcuni casi l erosione operata dall azione delle acque di scorrimento superficiale rende difficile la correlazione dei vari depositi. È stato possibile riconoscere 4 ordini di terrazzi del Pleistocene superiore, compresi tra una quota di 55 e 290 m s.l.m., e i rispettivi margini interni, cioè le antiche linee di riva (indicate in Fig. 2 da T1 a T4, dalla più recente alla più antica). L individuazione dell ordine dei terrazzi marini è supportata dalla datazione assoluta di depositi marini di un terrazzo a circa 114m s.l.m. (T2 in Fig. 2) a Nord di Trebisacce (130 ka; Cucci, 2004). Inoltre, in accordo con Westaway (1993) che riporta per il Pleistocene medio-superiore dell area in oggetto un tasso medio di sollevamento intorno a 1 mm a -1 (assunto come costante), sono state messe in relazione le altezze delle antiche linee di riva (margini interni dei terrazzi T1,, T4) con le altezze del livello marino e i rispettivi stadi isotopici. A tal uopo si è fatto riferimento alla curva composita costruita da Waelbroek et al. (2002) per gli ultimi 432 ka con dati provenienti dall oceano Atlantico settentrionale e dal Pacifico equatoriale (Fig. 3). Fig. 2 - T1, T2, T3, T4: terrazzi marini del Pleistocene superiore, dal più recente T1 al più antico T4; le linee indicano i margini interni e rappresentano antiche linee di riva. Su queste basi è stato possibile stimare, con una maggiore precisione, i tassi di sollevamento sia per l area studiata che per i terrazzi T1 (0.6 mm a -1 ), T2 (1.1 mm a -1 ), T3 (0.9 mm a -1 ) e T4 (0.9 mm a -1 ). Per quanto riguarda l Olocene sono stati ricalcolati i tassi di sollevamento e di subsidenza indicati per la zona del parco archeologico di Sibari da Cucci (2005). Questo Autore ha considerato, per la stima dei tassi, le età così come riportate in letteratura e ottenute con il radiocarbonio su livelli con sostanza organica e livelli di torba intercalati in alcuni sondaggi, effettuati nella suddetta area (Cotecchia et al., 1969; Guerricchio & Melidoro, 1975; Cherubini et al., 2000). In questo lavoro si fa riferimento alle sopra citate età, così come riportate più specificatamente in Pagliarulo (2006), che le ha ricalibrate indicando valori comprese tra i 14012±80 ed i 1536±45 anni. Usando questi 415

174 valori è stato possibile ricalcolare con maggiore precisione i tassi di sollevamento e di subsidenza (Tab. 1, colonne E e F). Terrazzi Altezza del margine interno in metri s.l.m. Stadio isotopico (da Waelbroek et al., 2002) Età (ka BP) Tasso di sollevamento in mm/a (questo lavoro) T1 55 5,3 100±10 0,6 T ,5 130±10 1,1 T ,3 220±10 0,9 T ,2 330±10 0,9 Fig. 3 - Sopra: curva delle variazioni del livello marino (da Waelbroek et al., 2002); i numeri indicano gli stadi isotopici. Sotto: tasso di sollevamento stimato in questo lavoro per i terrazzi T1, _, T4. Tab. 1 - Tassi di sollevamento e subsidenza ricalcolati per l Olocene del parco archeologico di Sibari. Colonne: A, B e C, livelli marker datati e relative profondità dal piano campagna; D, altezza in metri del livello marino relativo (da Lambeck et al., 2004); E ed F, valori stimati in questo lavoro per il sollevamento (positivi), per la subsidenza (negativi) e, rispettivamente, per i loro tassi. A B C D E F Marker Altezza (m) Età (a BP) Altezza l.m.r. (m) Sollev./Subsid. (m) Tasso di sollev./subsid. (mm a -1 ) Sost. Org. -0,1±3 1877±60-0,6 0,5 0,27 Sost. Org. -0,5±3 1536±45-0,5 0 0 Sost. Org. -1±3 3068±45-1,2 0,2 0,07 Lignite -1,35±3 2643± ,35-0,13 Helix -1,8 1471±164-0,4-1,4-0,95 Cerast /-2 804±170-0, ,49 Torba -3±3 5316±69-3,9 0,9 0,17 Torba -6±3 3561±50-1,8-4,2-1,18 Torba -38±3 9362±70-28,5-9,5-1,01 Sost. Org. -50,8± ±70-39,2-11,6-1,16 Sost. Org. -68,3± ±80-78,9 10,6 0,76 I dati ottenuti, riferiti all altezza del livello marino relativo degli ultimi anni (Tab. 1 colonna D), sono stati plottati sulla curva di Lambeck et al. (2004) costruita per la Calabria settentrionale. La figura 5 mostra che questa area è stata interessata da alterne fasi di sollevamento e subsidenza che si sono verificate con tassi non costanti (Tab. 1, colonna F). 416

175 5. CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE I risultati di questo studio forniscono un ulteriore contributo ad una più precisa ricostruzione della dinamica recente della piana di Sibari. Questa ultima durante il Pleistocene superiore mostra un tasso di sollevamento variabile tra 0.7 e 1.1 mm a -1 (Fig. 4) contrariamente al tasso di 1 mm a -1 riportato in letteratura e assunto come costante (Cucci, 2004; 2005). Fig. 4 - Curva delle variazioni relative del livello marino (da Lambeck et al., 2004) e valori stimati per il sollevamento e la subsidenza per l Olocene del parco archeologico di Sibari (Tab. 1 colonna E). Si noti che in questa area la dinamica recente (ultimi 14 ka) si è manifestata con tassi non costanti (Tab. 1 colonna F) sia attraverso fasi di sollevamento (valori che ricadono al di sopra della curva) che attraverso fasi di subsidenza (valori che ricadono al di sotto della curva). D altra parte è possibile spiegare l elevata mobilità verticale ed il tasso variabile di sollevamento delle aree costiere della Calabria settentrionale considerando che i principali fattori di controllo, sia nella genesi dei terrazzi che nel determinarne il numero di ordini osservabile e le differenze che li caratterizzano, sono rappresentati dalle variazioni del livello marino, dalla tettonica e dalla sismicità. Questi processi 417

176 devono essere considerati non costanti e/o istantanei nel tempo ma sovrimposti a trend regionali di più lungo termine. Anche per l Olocene i valori del tasso di sollevamento e del tasso di subsidenza risultano essere stati non costanti (Tab. 1) e indicano che l area del parco archeologico di Sibari è attualmente soggetta ad una fase di subsidenza nonostante sia situata nel contesto di un sollevamento regionale. RINGRAZIAMENTI Questo lavoro è parte delle ricerche svolte nell ambito della mia tesi di dottorato in Scienze ed Ingegneria del mare (Università degli Studi di Napoli Federico II ). Ringrazio il Prof. Bruno D Argenio (Dipartimento di Scienze della Terra, Università degli Studi di Napoli Federico II ed IAMC, CNR Napoli) per i continui incoraggiamenti e i consigli elargiti. Ringrazio inoltre la Prof. Vittoria Ferreri e il Dott. Luigi Ferranti (Dipartimento di Scienze della Terra, Napoli), il Dott. Fabrizio Antonioli (ENEA Roma) e la Dott. Rossella Pagliarulo (IRPI, CNR Bari) per i suggerimenti forniti su problematiche rispettivamente di sedimentologia, geodinamica, geomorfologia e geotecnica. BIBLIOGRAFIA Amato A., Belluomini G., Cinque A., Manolio M. & Ravera F Terrazzi marini e sollevamenti tettonici quaternari lungo il margine ionico dell Appennino lucano. Il Quaternario, 10(2): Amodio-Morelli L., Bonardi G., Colonna V., Dietrich D., Giunta G., Ippolito F., Liguori V., Lorenzoni S., Paglionico A., Perrone V., Piccarreta G., Russo M., Scandone P., Zanettin-Lorenzoni E. & Zuppetta A L Arco Calabro- Peloritano nell orogene appenninico-maghrebide. Mem. Soc. Geol. It., 17: Amorosi A., Colalongo M.L., Pasini G. & Preti D Sedimentary response to late Quaternary sea-level changes in the Romagna coastal plain (Northern Italy). Sedimentology, 46: Anderson H. & Jackson J The deep seismicity of the Thyrrenian sea. Geophys. J. R. Astron. Soc., 91: Bartolini C. & Carobene L Italy s instability in the coastal domain. Z. Geomorph. N. F., 102: Bigi G., Cosentino D., Parotto M., Sartori R. & Scandone P Structural model of Italy. Quad. Ric. Sci., 114(3): 363. Bonardi G., Cello G., Perrone V., Tortorici L., Turco E. & Zuppetta A The evolution of the northern sector of the Calabria-Peloritani arc in a semiquantitative palynspastic restoration. Boll. Soc. Geol. It., 101: Bosi C., Carobene L. & Sposato A Il ruolo dell eustatismo nella evoluzione geologica nell area mediterranea. Mem. Soc. Geol. It., 51: Bradley W.C. & Griggs G.B Form, genesis and deformation of central California wave-cut platforms. Geol. Soc. Amer. Bull., 87:

177 Burbank D.W. & Anderson R.S Tectonic geomorphology. Blackwell Science. Caputo M., Panza G.F. & Postpischl D Deep structure of the Mediterranean Basin. J. Geophys. Res., 75: Cherubini C., Cotecchia V. & Pagliarulo R Subsidence in the Sybaris Plain (Italy). In: Carbognin L., Gambolati G. & Johnson A.I. (Ed.), Land Subsidence. Proceedings of the 6 th International Symposium on Land Subsidence. Ravenna: Colella A. & Normark W.R High-resolution side-scanning sonar survey of delta slope and inner fan channels of Crati submarine fan (Ionian sea). Mem. Soc. Geol. It., 27: Colella A Sedimentazione e tettonica nel bacino del Crati (Pliocene-Olocene, Calabria settentrionale). Atti del 74 Congresso della Soc. Geol. It., B: Cotecchia V., Dai Pra G. & Magri G Oscillazioni tirreniane e oloceniche del livello del mare nel golfo di Taranto, corredate da datazioni col metodo del radiocarbonio. Geol. Appl. Idrogeol., IV: Cucci L. & Cinti F Regional uplift and local tectonic deformation recorded by the Quaternary marine terraces on the Ionian coast of Northern Calabria (Southern Italy). Tectonophysics, 292: Cucci L Raised marine terraces in the Northern Calabrian Arc (Southern Italy): a ~600 kyr-long geological record of regional uplift. Annals of Geophysics, 47(4): Dai Pra G. & Hearty P.J I livelli marini pleistocenici del golfo di Taranto. Sintesi geocronostratigrafica e tettonica. Mem. Soc. Geol. It., 41: D Argenio B., Pescatore T. & Scandone P Schema geologico dell Appennino Campano-Lucano. Acc. Naz. Lincei, 183: Dumas B. & Raffy J How eustatic raised marine terraces of Calabria can be connected with climate oscillations occuring over the MIS 5-MIS 4 period. Geogr. Fis. Dinam. Quat., 29: Ferranti L., Antonioli F., Mauz B., Amorosi A., Dai Pra G., Mastronuzzi G., Monaco C., Orrù P., Pappalardo M., Radtke U., Renda P., Romano P., Sansò P. & Verrubbi V Markers of the last interglacial sea-level high stand along the coast of Italy: Tectonic implications. Quaternary International, 145: Gasparini P., Iannaccone G., Scandone P. & Scarpa R Seismotectonics of the Calabrian Arc. Tectonophysics, 84: Giardini D. & Velonà M The deep seismicity of the Thyrrenian sea. Terra Nova, 3: Haccard D., Lorenz C. & Grandjacquet C Essai sur l evolution tectonogenitique de la laison Alpes-Appennines (de la Ligurie a la Calabre). Mem. Soc. Geol. Ital., 11: 309. Hearty P.J., Miller G.H., Stearns C.E. & Szabo B.J Aminostratigraphy of Quaternary shorelines around the Mediterranean basin. Geol. Soc. Am. Bull., 97: Kern J.P Origin and history of upper Pleistocene marine terraces, San Diego, California. Geol. Soc. Amer. Bull., 88:

178 Lambeck K., Antonioli F., Purcell A. & Silenzi S Sea-level change along the Italian coast for the past year. Quaternary Science Reviews, 23: Malinverno A. & Ryan W.B.F Extension in the Thyrrenian sea and shortening in the Apennines as result of arc migration driven by sinking of the lithosphere. Tectonics, 5: Ogniben L Schema introduttivo alla geologia del confine calabro-lucano. Mem. Soc. Geol. Ital., 8: Ogniben L., Parotto M. & Praturlon A Structural model of Italy. Quad. Ric. Sci., 90: 502. Pagliarulo R Coastal changes and the environmental evolution of the archaeological site of Sybaris (Southern Italy). Geogr. Fis. Din. Quat., 29(1): Pagliarulo R., Cotecchia F., Coop M.R. & Cherubini C Studio litostratigrafico e geotecnico della Piana di Sibari con riferimento all'evoluzione morfologica e ambientale del sito archeologico. Geologia Applicata e Idrogeologia, 30: Patacca E., Sartori R.& Scandone P Thyrrenian basin and Apenninic Arcs: kinematics relations since Late Tortonian times. Mem. Soc. Geol. Ital., 45: Sabato L Sedimentazione attuale in alcuni fiumi a breve corso fra le piane di Metaponto e Sibari (confine calabro-lucano). Mem. Soc. Geol. It., 42: Sabato L. & Tropeano M Fiumara: a kind of high hazard river. Physics and Chemistry of the Earth, 29: Scandone P Origin of the Thyrrenian sea and Calabrian Arc. Boll. Soc. Geol. Ital., 98: Tongiorgi E. & Trevisan L Discussione sulla genesi e sulla cronologia dei terrazzi e delle pianure in relazione alle variazioni climatiche. Atti Soc. Tosc. Sc. Nat., 49: Van Dijk J.P., Bello M., Brancaleoni G.P., Cantarella G., Costa V., Frixa A., Golfetto F., Merlini S., Riva M., Torricelli S., Toscano C. & Zerilli A A regional structural model for the northern sector of the Calabrian Arc (southern Italy). Tectonophysics, 324: Waelbroeck C., Labeyrie L., Michel E., Duplessy J.C., Mcmanus J.F., Lambeck K., Balbon E. & Labracherie M Sea level and deep water temperature changes derived from benthic foraminifera isotopic records. Quaternary Science Reviews, 21: Westaway R Quaternary uplift of Southern Italy. J. Geophys. Res., 98: Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

179 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 HEAVY METALS IN TOP CORE SEDIMENTS FROM THE SOUTHERN CAMPANIA SHELF (ITALY): KRIGING OF SPATIAL COMPONENTS TO EXPLORE GEOCHEMICAL BACKGROUNDS Simone SAMMARTINO, Mario SPROVIERI, Ennio MARSELLA C.N.R.-I.A.M.C. Istituto per l Ambiente Marino Costiero Napoli RIASSUNTO Distribuzione di metalli pesanti in sedimenti superficiali dell area meridionale della piattaforma campana (Italia): applicazione di tecniche statistiche di kriging delle componenti spaziali per un appropriata definizione dei valori di background geochimico I risultati di una campagna di misure geochimiche effettuate sulla piattaforma continentale della costa meridionale della regione Campania, offrono l opportunità di applicare le metodologie Geostatistiche più avanzate per la valutazione e la definizione dei valori di background delle concentrazioni di alcuni metalli pesanti. Su un ammontare totale di 104 campioni di sedimento superficiale, raccolti ad una distanza media di 1.5 km l uno dall altro, a copertura di un area totale di circa 1300 km 2, sono state effettuate analisi delle concentrazioni di Contenuto Organico, di selezionati metalli pesanti (As, Al, Fe, Cd, V, Cr, Zn, Cu, Ni,Hg e Pb) e ne sono state valutate le proprietà sedimentologiche. Le caratteristiche dell area, che risulta essere scarsamente influenzata da attività industriali e l esaustiva disponibilità dei dati, hanno rappresentato le condizioni ottimali per la valutazione delle metodologie geostatistiche più appropriate per una definizione attendibile del background geochimico. Tale approccio ha permesso, inoltre, una corretta differenziazione degli effetti del controllo geologico sulla distribuzione spaziale degli elementi in tracce. La valutazione dei fattori di arricchimento, quantificati in relazione ai valori di composizione medi stimati a livello internazionale e a quelli di concentrazione dei metalli misurati sulla terraferma, ha giocato un ruolo fondamentale per la determinazione dell influenza antropogenica e per la definizione degli input di tale natura. Un approfondita analisi statistica spaziale esplorativa (ESDA) e un attenta analisi variografica hanno rappresentato la base di riferimento per la corretta applicazione di alcune tecniche geostatistiche. In particolare il Kriging delle componenti spaziali è stato proposto come sistema ottimale per la valutazione quantitativa dei background geochimici. Tale approccio ha permesso di estrarre due differenti componenti spaziali, responsabili della definizione della struttura di variabilità delle specie analizzate, operanti a due diverse scale. Tali componenti sono state stimate singolarmente e per ognuna di esse sono state prodotte le mappe di distribuzione spaziale. In questo modo è stato possibile distinguere l effetto del controllo geologico sulla distribuzione dei livelli geochimici e differenziarne le scale di 421

180 applicabilità, locale e regionale, al fine di fornire una corretta interpretazione ambientale di tale effetto. ABSTRACT The results of a geochemical survey carried out on the Southern Campania shelf (Southern Italy), are illustrated offering a tempting opportunity to implement advanced geostatistical methodologies to discuss the statement and definition of regional geochemical backgrounds for selected heavy metals. A total of 104 top core sediments, collected at an average 1.5 km distance from one another and covering a shelf area of about 1300 km 2, have been analyzed for grain size, organic carbon content (OC) and heavy metals (As, Al, Fe, Cd, V, Cr, Zn, Cu, Ni, Hg and Pb) concentrations. The characteristics of the area, scarcely influenced by industrial activities, and the extensive data set, make this study suitable for revising the most appropriate geostatistical methodology for a reliable definition of large scale marine sediments geochemical backgrounds and to discriminate different geological controls on trace elements distribution patterns. Enrichment factors estimated with respect both the average shale composition and the weighted average metal concentrations measured in inland soils, rule out significant anthropogenic inputs. A deep exploratory spatial data analysis (ESDA) and the careful implementation of variography (estimation and modelling of variograms) have been carried out. The kriging of spatial component has been implemented and it has been proposed as an appropriate quantitative methodology to define the geochemical backgrounds for the different heavy metals. Such approach has allowed to define two spatial components in the context of the spatial structures of the variables and to estimate the spatial distributions of each of these components singularly. In such way it has been possible to discriminate the local and regional controls on geochemical levels, related to the different spatial variability of grain size, providing the environmental interpretation of such aspects. 1. THE TERM GEOCHEMICAL BACKGROUND The definition of geochemical background maps for selected trace elements is fundamental for the assessment of environmental changes induced by the anthropogenic impact. This led many countries to compile multi-element regional geochemical atlases (Bolviken et al., 1986). Geochemical backgrounds provide a means of defining the natural spatial variations in the geochemistry of the earth's surface materials for guidance of policy makers concerned with environmental issues. Appropriate definitions of geochemical backgrounds are needed for environmental legislation and political decision-making, especially in the assessment of contaminated areas and definition of concentration levels that put human health and the ecosystem at risk. Moreover, the definition of geochemical backgrounds for toxic heavy metals is becoming more and more necessary for coastal and shelf marine sediments where several industrial wastes and discharges and commercial ports are located. In many 422

181 areas of Italy, natural concentrations of several heavy metals exceed the defined limit values designated for contaminated soils generally because of anthropic pollution but at times due to a geological context characterized by natural high levels of different heavy metals. Thus, it would seem reasonable that for political decision-making, separate local and regional background should be determined with separate guidelines for constituents determined by different analytical procedures. However, although the term 'geochemical background'appears in the international geochemical mapping programs of both IGCP 259 and 360 (Darnley et al., 1995), its definition was already became vague. Generally, the geochemical baseline of an element is considered as its natural variation in concentration in the studied environment with a direct control of regional and/or basic geology. This definition is undermined by an appropriate definition of the factors (collection methods and measurement techniques) that strongly influence the concentration values of the different analytics. While an international standardization of these primary parameters is pending, it results necessary to describe each parameter for every geochemical background definition of selected areas. 2. THE GEOSTATISTICAL APPROACH In this study we propose a geostatistical approach focused on the assessment of the geochemical background for selected heavy metals in marine sedimentary environments characterized by limited anthropic inputs. The application of a proper variography together with kriging estimates is proposed to directly analyze dualistic behaviours of different trace elements and accurately infer their spatial structural variability related to different control mechanisms. Such an approach is focused on the discrimination of different spatial scales in the heavy metals background levels and to emphasize different lithologic and geologic controls on the metal distribution patterns (Reis et al., 2004). Application of variographic analysis and geostatistical estimations, implemented in a quasi-stationary multivariate framework, are proposed as appropriate and synthetic interpretation tools of geochemical datasets and represent a powerful numerical approach to appropriately assess trace elements natural backgrounds. 3. THE CASE STUDY: THE SOUTHERN CAMPANIAN SHELF As a case study, the Campania shelf area was investigated within the bathymetry of 200 m. It represents an outstanding natural laboratory to investigate different contributions of heavy metals to the coastal marine system and to test the stationary and non-stationary geostatistical methodologies that can be used for the definition of the geochemical baselines. The complex lithogenic system, typical of a volcanogenic area and characterizing most of the eastern Tyrrhenian region, render the southern Campania shelf area one of the most complex environmental system where to define and identify geochemical baselines and geochemical anomalies. 423

182 3.1. Geological context The shelf of the Eastern Tyrrhenian Sea margin lies in a tectonic transition zone between the uplifting Appennine chain to the east (on land) and the subsiding Tyrrhenian Basin. The study area encompasses the shelf between the Gulf of Salerno and the Gulf of Policastro. Seaward of the study area lies the youngest part of the Tyrrhenian Bathyal Plain, an area where subsidence is inferred to be about 1 mm/yr during post-early Pleistocene. Three different physographic settings exist in this region: Salerno Gulf, Cilento Promontory and Policastro Gulf. The Gulf of Salerno and the Sele River Plain on land constitute a structural depression (perytyrrhenian basin) trending WSW-ENE, bounded by NW-SE normal faults with an offset of about 3000 m (Russo, 1990) of the Mesozoic and Cenozoic Apenninic Units and filled by Plio-Quaternary sediments 100 m thick (Bartole et al., 1984). The northern part of the Salerno Gulf is characterized by a steep to very steep slope dipping more than 10, a shelf-break at 100 to 120 m water depth, and a narrow shelf (1 to few kilometres wide). The area of wide shelf (max 30 km), in the southern part of the Salerno Gulf, north of Cape Licosa, has a deeper shelf-break (180 to more than 200 m water depth). A change in bathymetric gradient at 120 m depth marks the transition to the outer shelf. The sea-floor surface is steeper (>1 ) landward of the transition and becomes gentler (<1/2 ) on the outer shelf. Off Cape Palinuro the shelf presents a width of about 23 km with a shelf-break located at 250 m of water depth. East and south of Cape Licosa, the shelf narrows, and the shelf-break is located at m of water depth (Ferraro et al., 1997). The Gulf of Policastro is characterized by a narrow shelf (2-5 km wide) and a very steep upper slope (> 10 ). A large number of gullies, at places indenting the shelf-break, extensively dissect the upper-slope. Close to the shelf-break, wide slump scarps are commonly formed, while slump folds occur on the slope. They indicate that downslope mass transfer has involved large volumes of sediments. 4. SAMPLES COLLECTION AND ANALYSIS About 104 samples were collected during the GMS 03_01 oceanic cruise (aboard the O/V Urania) in November Location map of the collected samples is reported in figure 1. Superficial sediments were collected by a Van Veen grab, and immediately described in terms of visible features and grain size. Three sub-samples were collected from the superficial 2 cm of sediment, placed into pre-cleaned Ziploc plastic bags for trace metals analysis and stored at -18 C on board within an hour of collection. Special attention was paid to avoid problems of contamination. Chemical analyses of the collected samples were done following the methodologies cited in Sprovieri et al. (2006). 424

183 Fig. 1 - Map of the Southern Campania shelf area, with sampling sites. 5. EXPLORATORY STATISTICAL DATA ANALYSIS (ESDA) 5.1. Univariate statistics Among the metals, V has the highest values (12151 mg kg -1 ), followed by Zn (11124 mg kg -1 ), Cr (4-101 mg kg -1 ), Cu (1-46 mg kg -1 ), Ni (2-46 mg kg -1 ), and Pb (1-46 mg kg -1 ), As (6-51 mg kg -1 ), Cd ( mg kg -1 ), and Hg ( mg kg -1 ). Aluminium and Fe show average concentrations of 9.8 and 6.8 %, respectively (Tab. 1). Aluminium, Fe, and most trace metals (Cr, Cu, Ni, V and Zn) show a quite normal distribution, except for Cr and V which show a slight deflection for a binomial one (Tab. 1). Kurtosis index generally indicates a wide dispersion of values, with some slight platicurtic behaviour. All these characteristics are typical of large spatial domains, in our case, samples were collected over a very large wrap, 20 km wide, and more than 100 km long. Mercury, Cd and OC show a different general behaviour with a high skewed distribution and a few large values which could, in first approximation, be considered as outliers. Only As and Pb show a lognormal distribution even if their 425

184 logarithmic transformation leads to only a slightly increase of normality in their histograms. Tab. 1 - Basic statistics of Heavy Metals. Sample Al Fe Cr Cu Ni V Zn Pb Hg Cd As OC (mg kg-1) (mg kg-1) (mg kg-1) (mg kg-1) (mg kg-1) (mg kg-1) (mg kg-1) (mg kg-1) (mg kg-1) (mg kg-1) (mg kg-1) (%) Min ,46 1,15 2,49 12,04 11,99 2,75 0,002 0,009 6,47 0,03 Max ,76 46,44 45,82 151,45 124,86 46,29 0,35 2,00 50,77 12,32 Mean ,16 19,60 24,05 65,24 69,81 18,00 0,06 0,15 20,85 0,82 Median ,37 18,81 25,36 68,31 73,43 16,44 0,04 0,10 20,18 0,53 Interquartile range ,14 22,54 22,44 49,59 40,12 15,57 0,04 0,14 9,57 0,70 Std. Dev ,20 12,12 12,81 29,85 30,43 10,42 0,06 0,22 7,92 1,30 Skewness 0,07 0,003 0,06 0,13-0,13 0,13-0,22 0,67 2,19 6,15 0,85 7,12 Kurtosis 1,70 1,98 1,94 1,76 1,80 2,32 2,05 2,82 8,34 51,13 4,14 62, Bivariate statistics Aluminium, Fe, Cr, Cu, Ni, V Zn and, to a lesser extent, Pb show a significant negative correlation (Tab. 2) with grain size: the Pearson's coefficients ranges from -0.6 to The -0.6 value for the Pb/grain size correlation decreases to for log transformed Pb. Also the log transformed Cd and Hg values present a lower correlation degree with grain size when compared to the same relationships calculated with untransformed data. As expected, low heavy metals concentrations are characteristics of coarse sediment, whereas fine particles show higher values. The clear relationship between grain size and most of the element distribution suggests that mean grain size distribution is a dominant driving factor for elemental composition of the studied coastal sediments. Only As, Cd, Hg and OC show scarce correlation with grain size, thus suggesting different driving factors for their spatial distribution patterns. Tab. 2 - Correlation matrix among Heavy Metals and Grain size. Al Fe Cr Cu Ni V Zn Pb Hg Cd As OC Grain size Al 1 0,95 0,95 0,92 0,92 0,92 0,92 0,81 0,36 0,23 0,17-0,07-0,70 Fe 0,95 1 0,90 0,89 0,92 0,86 0,91 0,76 0,36 0,25 0,15-0,08-0,71 Cr 0,95 0,90 1 0,96 0,96 0,96 0,95 0,85 0,37 0,21 0,18-0,07-0,73 Cu 0,92 0,89 0,96 1 0,97 0,92 0,96 0,89 0,45 0,18 0,20-0,06-0,72 Ni 0,92 0,92 0,96 0,97 1 0,90 0,97 0,81 0,40 0,18 0,12-0,07-0,74 V 0,92 0,86 0,96 0,92 0,90 1 0,92 0,89 0,31 0,28 0,32-0,09-0,68 Zn 0,92 0,91 0,95 0,96 0,97 0,92 1,00 0,84 0,39 0,22 0,13-0,06-0,77 Pb 0,81 0,76 0,85 0,89 0,81 0,89 0,84 1 0,31 0,33 0,43-0,08-0,60 Hg 0,36 0,36 0,37 0,45 0,40 0,31 0,39 0,31 1-0,05 0,08-0,02-0,38 Cd 0,23 0,25 0,21 0,18 0,18 0,28 0,22 0,33-0,05 1 0,06 0,03-0,14 As 0,17 0,15 0,18 0,20 0,12 0,32 0,13 0,43 0,08 0,06 1-0,10 0,07 TOC -0,07-0,08-0,07-0,06-0,07-0,09-0,06-0,08-0,02 0,03-0,10 1-0,09 Grain size -0,70-0,71-0,73-0,72-0,74-0,68-0,77-0,60-0,38-0,14 0,07-0,09 1 Iron, Cr, Ni, Cu, Zn and V show a high positive correlation (averagely >0.7) with Al (Tab. 2) and high negative correlation values with grain size, thus suggesting an important control of alumino-silicates minerals, which account for more than 50 % of the mineralogy of the sediments, on the distribution patterns of these elements. 426

185 6. ENRICHMENT FACTORS In order to roughly discriminate the sources of the different heavy metals in the area, we calculated the enrichment factors (Efs) of the trace elements among the studied marine sediments and both the average shale values (Wedepohl, 1978) and the weighted average concentrations reported by De Vivo et al. (2003) for the two watersheds facing the studied marine shelf area. In particular analytical procedures used for the analysis of our marine sediments and the continental samples of De Vivo et al. (2003) are equivalent and allow a direct comparison of the two datasets. Theoretically, the enrichment factor (EF), i.e. the ratio of an element to Al in marine sediments over that of the continental rocks, is capable of indicating the anthropogenic impacts because the concentration of Al in weathering products and their parent materials are generally comparable. The estimated EFs for the different heavy metals against values reported by De Vivo et al. (2003) show mean values around unit for most trace elements (Fig. 2). A different picture can be observed for the enrichment factors calculated by comparing our marine sediments with the average lithospheric concentrations reported by Wedepohl (1978). These results firstly exclude any kind of significant anthropic input on the distribution patterns of the different heavy metals in the studied area. Only As shows anomalous high EFs values when compared to the average shale values attributable to an important active hydrothermal circulation and related dissolution of As-bearing sulphides already described by De Vivo et al. (1989) in the studied area. Actually, evidence from studies on reservoir fluids and epithermal ore deposits demonstrate that As is concentrated during hydrothermal processes. In their study on the Phlegrean Field geothermal system, De Vivo et al. (1989) give a 922 mg l -1 range for As content in the deep reservoir fluids with pyrite and arsenopyrite being commonly recognised in the hydrothermal paragenesis. 7. KRIGING OF SPATIAL COMPONENTS 7.1. Experimental Variogram Computation Some assumptions made on the first results of experimental omnidirectional variogram computation suggest to implement the calculus with a lag value of 1 km and a total amount of 30 lags. Looking at such a stationary modelled variograms (Fig. 3), we can note how, for Aluminium, Fe, V, Zn and Pb, two distinct components of spatial variability are clearly evident (Fe and Pb as examples). These two different trends act at different spatial scales, one shorter with higher frequencies variability and one larger with a smoother variation of the field. Substantially we are assuming the variables are a linear combination of two distinct effects and a constant local mean. Short range variability acts at about km spatial scale, while long range at about km. There is no variability scale 427

186 structure smaller than the local one and none bigger than the regional one and both of them are similarly centred on a regional mean value Enrichment Factors EF vs. Average Shales EF vs. Average Continent Cd As Cr Cu Ni Pb V Zn Fe Hg Fig. 2 - Enrichment factors for the different trace elements between the studied sediments against average shale values (dotted bars) and the continental data (grey bars) estimated for the facing catchment basins of Southern Campania (De Vivo et al., 2003). Fig. 3 - Omindirectional experimental semivariograms for Iron and Lead (dotted lines) with their respective fitted multirange theoretical models Kriging of spatial components Kriging of spatial components is here computed to discriminate the two different spatial factors explaining the spatial distribution of the variables. 428

187 In much cases the spatial distribution of a variable is the result of an extremely complex mixture of different factors, often acting at different temporal or spatial scales. Variogram is a powerful tool to extract such multi-scale configuration and, coupled with the kriging estimation method, can be used to discriminate each spatial component. If the variable can be regarded as the sum of independent sub-variables, its variogram will be computed as the sum of spatial components. Now, we can implement ordinary punctual kriging, introducing in the kriging system only one spatial component at once and computing the estimation for each component. Such procedure allows to extract the different spatial distributions of all the independent variables that sum up the original one. In this case the component sum up to two and we can consider the variable as a combination of a local/high frequency component and a regional/low frequency one and their estimation as a filtering algorithm that allows us to distinguish one component from the other. We are assuming that both components are of second order stationary, according to the quasi-stationarity assertion previously explained Spatial Estimation Looking at the kriged map of the regional range (Fig. 4a) component of Zinc (reported as an example for the other nested variability structures), we can easily note a smoothed variation of the field, with low frequency variability through the entire spatial domain. An essentially grain size driven distribution of values can be assumed, with generally high concentration levels corresponding to finest sediment, distributed outside the shelf zone and in the Golfo di Policastro zone and low concentration values generally concentrated along the coast and out of the Punta Licosa area, where coarser sediment is more diffuse. The local range component grid (Fig. 4b) shows a high frequency variability with several high and low concentration hot spots values. Mainly, from Punta Licosa to Camerota cape the anomalies are more apparent, while a negative spot is located in the middle of Golfo di Policastro. Fig. 4a - Estimated values for the regional scale component of Zn concentration values. 429

188 Fig. 4b - Estimated values for the local scale component of Zn concentration values. Fig. 4c - Ordinary Punctual kriging map of the combined regional and local structures of variability of Zn. For both (a) and (b) the mean constant value of mg kg -1 is subtracted. Resolution of interpolated map is 500 m. Finally, the composed map (Fig. 4c), obtained with the traditional implementation of Ordinary punctual kriging on the global nested variogram, shows both short and long range components and represents the complete description of the general distribution of estimated concentration values for the different trace metals. 430

189 8. RESULTS DISCUSSION Box-Whiskers plots (Fig. 5) of the distribution parameters of spatial components of the studied trace metals show some particular features; median value is substantially constant for both the components, while measure of dispersion (interquartile range) is very different. Actually, heavy metals characterized by a nested variability structure can be considered as the sum of a mean value (a spatial mean, constant for the whole spatial domain, accordingly with the second order stationarity principle) and two spatial components that act at two different spatial scales. That is why the median value is quite constant for both the components. Regional scale dispersion is much higher than that of the local scale just because of the different values of the sill (the variance modelled by the variogram). The sill of the regional component is much higher than the local one and the dispersion of estimated data is higher. Regional scale component is somewhat as a globally variable surface that is filtered of the more irregular high frequency variations of the local scale component. Thus, these median values of the regional components can be reasonably regarded as the background levels of the different heavy metals (Fig. 6). Median values of the estimated regional scale components can be higher (or lower) than the raw data, filtering local anomalies related to localized sources or high-frequency grain size distribution patterns. Obviously, for the heavy metals that in the studied area do not present nested structures, the estimated background value are simply the median of the global kriged map. Moreover a primary control of grain size on the distribution patterns of most of the studied heavy metals is evident at both local and regional spatial scales. Arsenic shows a particular behaviour with high concentrations related to an important hydrothermal activity typical of the southern Campania area. Fig. 5 - Box-Whiskers plots of the distribution parameters (median and I and III quartiles) of spatial components for aluminium, Fe, Zn, Pb and V. The interval bar refers to the range of variability of the original concentration values of the same analytics. 431

190 Fig. 6-3D visualization of estimated values of local and regional components of Zinc. 432

191 ACKNOWLEDGMENTS The authors want to warmly thank I.A.M.C. C.N.R. Institute and especially Dr. Daniela Salvagio Manta for her professional support in geochemical laboratory and Dr. Luciana Ferrero for her expert sustain in geological framework. BIBLIOGRAPHY Bartole R., Savelli C., Tramontana M. & Wezel F.C Structural and sedimentary features in the Tyrrhenian margin of Campania, Southern Italy. Marine Geology, 55: Bolviken B., Bergströ J., Bjorklund A., Kontio M., Lehmuspelto P., Lindholm T., Magnusson J., Ottesen R.T., Steenfelt A. & Volden T Geochemical Atlas of Northern Fennoscandia. Scale 1:4,00,000. Geol. Surveys of Finland, Norway and Sweden. Darnley A.G., Bjorklund A., Bolkiven B., Gustavsson N., Koval P.V., Plant J.A., Steenfelt A., Tauchid M. & Xie X A global geochemical database for environmantal and resource management. Recommendation for international geochemical mapping. Final Report of IGCP Project 259, Earth Sciences 19, UNESCO, Paris. De Vivo B., Belkin H.E., Barbieri M., Chelini W., Lattanzi P., Lima A. & Tolomeo L The Campi Flegrei (Italy) geothermal system: a fluid inclusion study of the Mofete and San Vito fields. J. Volcanol. Geotherm. Res., 36: De Vivo B., Lima A., Albanese S. & Cicchella D Atlante di Geochimicaambientale della regione Campania. Di Frede (Ed.): 2144 pp. Ferraro L., Pescatore T., Russo B., Senatore M.R., Secchione C., Coppa M.G. & Di Tuoro A Studi di geologia marine del margine tirrenico: la piattaforma continentale tra Punta Licosa e Capo Palinuro (Tirreno Meridionale). Bollettino Società Geologica Italiana, 116: Reis A.P., Sousa A.J., Ferreira da Silva E., Patina C. & Fonseca E.C Combining multiple correspondence analysis with factorial kriging analysis for geochemical mapping of the gold-silver deposit at Marrancos (Portugal). Applied Geochemistry, 19: Russo F I sedimenti quaternari della Piana del Sele, studio geologico e geomorfologico. PhD. Thesis, University Federico II, Naples: 168 pp. Sprovieri M., Sammartino S., Salvagio Manta D., Marsella E., Ferraro L Heavy metals in top core sediments from the southern Campania shelf (Italy): Hints to define large-scale geochemical backgrounds. Chemistry and Ecology, 22: Wedepohl KH Handbook of Geochemistry. Springer Verlag, Berlin-Heidelberg. Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

192 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 VARIABILITÀ TEMPORALE DELL ULTRAFITOPLANCTON DEL GOLFO DI NAPOLI E FOTOFISIOLOGIA DELLA COMPONENTE EUCARIOTICA Immacolata SANTARPIA, Vincenzo SAGGIOMO Area Gestione Ambiente ed Ecologia Costiera delle Aree Temperate e Polari Stazione Zoologica A. Dohrn Napoli ABSTRACT Seasonal dynamics of ultraphytoplankton in the Gulf of Naples and photophysiology of the eukaryotic fraction The temporal variations in pigment spectra of ultraphytoplankton size class (<5 µm) were investigated at a coastal site in the Gulf of Naples over an annual cycle. The <5 µm fraction accounted on average for ~50 % of the total phytoplankton biomass and small eukaryotes were the dominant component. The photoprotection experiments carried out on five small eukaryote species suggested that a flexible photosynthetic apparatus play a crucial role in the success of this group. RIASSUNTO Le variazioni nello spettro pigmentario della classe dimensionale ultrafitoplanctonica (<5 µm) sono state analizzate durante un ciclo annuale in una stazione costiera del Golfo di Napoli. L ultrafitoplancton costituisce in media il 50 % della biomassa fitoplanctonica totale e i piccoli eucarioti ne sono la componente dominante. Esperimenti di fotoprotezione condotti su 5 specie di piccoli eucarioti suggeriscono che la plasticità dell apparato fotosintetico è uno dei motivi del loro successo negli ambienti costieri 1. INTRODUZIONE Esiste una relazione molto stretta tra la distribuzione del fitoplancton nelle diverse classi dimensionali e il flusso di carbonio nelle reti trofiche pelagiche (Legendre & Michaud, 1998). Si stima che l ultrafitoplancton costituisca almeno il 50 % della produzione primaria marina in acque oligotrofiche (Legendre & Le Fevre, 1995). Ciò nonostante la nostra conoscenza della diversità specifica, della fisiologia e della distribuzione di questo gruppo è estremamente frammentaria. L utilizzo dei pigmenti fotosintetici si è rivelato utile nel descrivere i principali gruppi algali, soprattutto per le forme più fragili e piccole, sottostimate dai metodi di microscopia più comunemente usati (Jeffrey et al., 1997). Ad oggi pochissimi studi sono stati condotti per determinare 435

193 lo spettro pigmentario all interno delle classi dimensionali (Rodríguez et al., 2003). In questo lavoro si è scelto di separare la classe <5 µm (ultrafitoplancton) sia perchè, da un punto di vista ecologico, si può considerare il limite inferiore per una predazione efficiente da parte del mesozooplancton (Legendre & Rassoulzadegan, 1996) sia perché permette di studiare meglio i piccoli eucarioti che hanno dimensioni generalmente comprese tra 1 e 5 µm. L obiettivo principale è lo studio della dinamica stagionale dell ultrafitoplancton (<5 µm) in ambiente costiero, sia in termini di abbondanza che di composizione (tramite cromatografia liquida-hplc). I risultati sono poi stati confrontati con i principali parametri abiotici (es. nutrienti). Inoltre, sono stati realizzati degli esperimenti su colture monospecifiche di piccoli eucarioti con l intento di interpretare i patterns di distribuzione dell ultrafitoplancton in relazione alle risposte fotofisiologiche. 2. MATERIALI E METODI 2.1. Spettro pigmentario I campionamenti sono stati effettuati con cadenza settimanale durante un intero ciclo annuale (luglio luglio 2005) in una stazione costiera del Golfo di Napoli, denominata Marechiara ( N, E). Profili dei principali parametri chimicofisici (salinità, temperatura, ossigeno, fluorescenza, densità) sono stati acquisiti utilizzando una sonda multiparametrica SBE 911plus. I campioni per la determinazione dei nutrienti e dei pigmenti fotosintetici sono stati raccolti su 4 quote (0, -10, -20 e -40 m). Per l'analisi dello spettro pigmentario sono state effettuate delle filtrazioni sequenziali su filtri in policarbonato con foro passante di 5 µm e su filtri in fibra di vetro GF/F (per separare la frazione >5 e <5 µm rispettivamente). I filtri sono poi stati analizzati con un HPLC mod. 1100, secondo il metodo riportato in Vidussi et al. (1996) Esperimenti di fotoprotezione Gli esperimenti di fotoprotezione sono stati realizzati sulle seguenti specie: 2 diatomee (Papiliocellulus simplex e Minidiscus comicus), 2 primnesioficee (Imantonia rotunda e Phaeocystys sp.), 1 prasinoficea (Micromonas pusilla). Per ciascuna specie sono state allestite due colture: - una coltura pre-acclimatata (PA) tenuta 4 settimane a 40 mol fotoni m -2 s -1 e, successivamente, sottoposta per dieci giorni ad un ciclo di 4 ore ad alta irradianza (700 mol fotoni m -2 s -1 ); - una coltura di controllo (CC), tenuta quattro settimane, a 40 mol fotoni m -2 s -1. Durante l esperimento entrambe le colture di ciascuna specie sono state esposte a 700 mol fotoni m -2 s -1, per 4 ore. I campioni sono stati raccolti sia durante lo stress luminoso che nella fase di ripristino, con una cadenza di min per la determinazione dei pigmenti del ciclo delle xantofille (tramite 436

194 HPLC) e di min per la determinazione dei parametri fotosintetici (tramite misure di fluorescenza modulata, Phyto-PAM). 3. RISULTATI 3.1. Spettro pigmentario I valori medi della biomassa fitoplanctonica totale (TChl a =0.83±1.15 mg m -3 ) indicano una condizione di generale mesotrofia, mentre la correlazione negativa esistente tra biomassa e salinità evidenzia l importanza degli apporti terrigeni durante le fioriture. In corrispondenza dei massimi di clorofilla si osserva un aumento della frazione >5 µm (r = 0.98, P <0.01, n = 200) e una diminuzione della percentuale <5 µm. La distribuzione delle due classi dimensionali lungo la colonna d acqua evidenzia un contributo maggiore dell ultrafitoplancton nello strato m (in media 63.1±20.0 %.) Gli eucarioti contribuiscono in media al 84.1±11.0 % della biomassa ultrafitoplanctonica e il loro contributo è positivamente correlato con la concentrazione dei nitrati. La frazione ultrafitoplanctonica mostra una maggiore diversità nello spettro pigmentario rispetto alla frazione >5 µm. Più in dettaglio, le concentrazioni di fucoxantina e di 19 esanoiloxifucoxantina indicano che le piccole diatomee e le primnesioficee sono i gruppi più importanti nella frazione <5 µm, soprattutto durante le fioriture. I valori di alloxantina evidenziano un notevole contributo delle criptoficee (40 % della biomassa ultrafitoplanctonica in superficie) durante la fioritura autunnale. Invece, durante la fioritura di inizio primavera, un contributo importante alla biomassa ultrafitoplanctonica è dato dalle Prasinoficee (~25 % nei primi 40 m). Per quanto riguarda i procarioti, in estate cianobatteri (zeaxantina syn ) e procloroficee (divinil-clorofilla a) presentano una distribuzione opposta lungo la colonna d acqua: in superficie le procloroficee sono quasi del tutto assenti, mentre i cianobatteri contribuiscono per il 22.2±10.3 % alla biomassa ultrafitoplanctonica. Le procloroficee risultano assenti in presenza di elevati valori di biomassa totale (TChl a >1 mg m -3 ) Esperimenti di fotoprotezione In tutte le specie, le colture pre-acclimatate (PA) mostrano un contenuto di xantofille più elevato rispetto alle colture di controllo, mentre non si sono osservate variazioni nel contenuto degli altri pigmenti fotosintetici. Durante l esperimento si osserva un rapido aumento nello stato di depossidazione (DPS) dei pigmenti del ciclo delle xantofille, anche se con delle differenze tra colture CC e PA. Ad esempio, nella coltura CC di I. rotunda il DPS mostra un aumento meno pronunciato rispetto alla coltura PA (dopo 1 min, 8 % e ~30 % rispettivamente). In generale la variazione del DPS è più rapida ed accentuata nelle alghe bruno-dorate, rispetto all alga verde. Inoltre, durante l esperimento si assiste ad una sintesi ex-novo di diadinoxantina, che è più consistente nelle colture PA. 437

195 Ai cambiamenti nel pool delle xantofille si accompagna una riduzione sia del rendimento quantico del fotosistema II (F v /F m ), che dell efficienza fotosintetica ( PAM ). In particolare, in tutte le alghe bruno-dorate si evidenzia una correlazione negativa tra il DPS ed il rendimento quantico. Tale correlazione indica chiaramente che i processi dissipativi in condizioni di stress luminoso sono regolati dal pool delle xantofille (es. formazione di diatoxantina). D altro canto la riduzione dell PAM, evidenzia che queste variazioni si traducono in una riduzione della sezione di assorbimento effettivo dell antenna. I risultati registrati nella fase di ripristino al termine dello stress luminoso, indicano, nel complesso, che la cinetica di epossidazione è più rapida nelle colture preacclimatate rispetto al controllo. 4. DISCUSSIONE E CONCLUSIONI Nel complesso i risultati evidenziano che l ultrafitoplancton svolge un ruolo centrale nelle aree costiere del Mar Mediterraneo. Tale classe dimensionale mostra maggiore diversità rispetto alla frazione >5 µm ed è composta essenzialmente da eucarioti. Inoltre, l approccio chemo-tassonomico ha permesso di evidenziare l importanza di alcuni gruppi generalmente sottovalutati (es. Criptoficee). Il successo dei piccoli eucarioti, rispetto alla componente procariotica, può essere in parte spiegato dalla loro alta competitività nell utilizzare gli episodici input di nuovi nutrienti, tipici di un area costiera (Santarpia, 2005). Inoltre, gli esperimenti hanno mostrato che questo gruppo possiede un apparato fotosintetico estremamente adattabile, in cui si verifica una continua regolazione dell antenna e dei centri di reazione, in maniera da evitare il fotodanneggiamento. Si tratta di un chiaro vantaggio in ambiente costiero, dove la colonna d acqua è spesso soggetta a rimescolamento. Tutti questi elementi sembrano suggerire che il decremento percentuale dell ultrafitoplancton durante le fioriture potrebbe essere legato ad un efficiente pressione di pascolo da parte del microzooplancton (Franzè et al., 2008) piuttosto che a un basso tasso di crescita. BIBLIOGRAFIA Franzè G., Santarpia I. & Modigh M Impatto del microzooplancton sulla composizione fitoplanctonica nel Golfo di Napoli. Atti A.I.OL., 19: Legendre L. & Le Fèvre J Microbial food webs and the export of biogenic carbon in oceans. Aquat. Microb. Ecol., 9: Legendre L. & Rassoulzadegan F Food-web mediated export of biogenic carbon in oceans: environmental control. Mar. Ecol. Prog. Ser., 145: Legendre L. & Michaud J Flux of biogenic carbon in oceans: size-dependent regulation by pelagic food webs. Mar. Ecol. Prog. Ser., 164: Jeffrey S.W., Mantoura R.F.C. & Wright S.W Phytoplankton pigments in oceanography. UNESCO publishing: 662 pp. 438

196 Rodríguez F., Pazos Y., Maneiro J. & Zapata M Temporal variation in phytoplankton assemblages and pigment composition at a fixed station of the Ría of Pontevedra (NW Spain). Est. Coast. Shelf Sci., 58: Santarpia I Ultraphytoplankton in marine ecosystems: from seasonal cycle to short-term responses. PhD Thesis, University of Naples Federico II: 169 pp. Vidussi F., Claustre H., Bustillos-Guzman J., Cailliau C. & Marty J.-C Determination of chlorophylls and carotenoids of marine phytoplankton: separation of chlorophyll a from divinyl-chlorophyll a and zeaxanthin from lutein. J. Plank. Res., 18: Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

197 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 CISTI DI DINOFLAGELLATI IN SEDIMENTI A DIVERSA GRANULOMETRIA NEL GOLFO DI OLBIA Cecilia SATTA 1, Gianni DE FALCO 2, Antonella LUGLIÉ 1, Bachisio Mario PADEDDA 1, Vincenzo PASCUCCI 3, Nicola SECHI 1 1 Università di Sassari, Dipartimento di Botanica ed Ecologia Vegetale Sassari 2 IMC, International Marine Centre Torre Grande (Oristano) 3 Università di Sassari, Istituto di Scienze Geologico-Mineralogiche Sassari ABSTRACT Dinoflagellate cysts in sediments with different granulometry in the gulf of Olbia In the past few years some species of the genus Alexandrium have caused harmful blooms in the Gulf of Olbia. In order to better understand patterns of cyst accumulation in the area, the granulometry of sediment has been mapped and dinoflagellate cyst abundance has been assessed in areas characterized by different granulometry. 37 dredgings were collected in 2005, and, on the base of sediment composition and the first cysts screening, a second sampling was performed at 6 selected stations in The highest cyst density and species diversity were detected in the innermost part of the Gulf and a significant correlation (r = 0.875; n = 6) was detected between the cyst densities and fine sediment (clay + silt). RIASSUNTO Il Golfo di Olbia è stato interessato negli anni passati da fioriture dannose di specie del genere Alexandrium. Per comprendere le modalità di deposizione delle cisti di resistenza di queste specie ed altre possibili nocive, è stata effettuata la loro mappatura in relazione alla granulometria del sedimento caratterizzante il fondale del Golfo di Olbia. Nel 2005 è stato svolto un primo campionamento in 37 punti; nel 2006, sulla base dei primi risultati, è stato svolto un secondo campionamento su 6 stazioni selezionate. Le più alte densità e la maggiore varietà di specie sono state riscontrate nella parte più interna del Golfo, è stata inoltre riscontrata una correlazione significativa (r = 0,875, n = 6) fra la densità delle cisti e la percentuale di frazione fine del sedimento (clay+silt). 1. INTRODUZIONE Più del 10 % delle 2000 specie marine conosciute di dinoflagellati sono produttrici, durante il loro ciclo vitale di cisti. Queste possono essere temporanee, in 441

198 risposta a condizioni ambientali non favorevoli, oppure di resistenza, quale risultato della riproduzione sessuale. Una volta prodotte tendono a sedimentare sul fondo, con un comportamento simile a quello della componente più fine del sedimento (Dale, 1976; Erard-Le Denn et al., 1993, Yamaguchi et al., 2002). Per questo motivo le cisti sono influenzate dalle stesse forzanti fisiche che agiscono sulla dispersione e deposizione dei materiali fini, come maree e correnti. Spesso le densità più alte di cisti, non si riscontrano direttamente nei sedimenti sottostanti l area di comparsa delle fioriture, piuttosto nei bacini profondi o in aree confinate adiacenti. Generalmente i siti di accumulo migliori, sono infatti bacini o altre depressioni, ma anche i porti e le baie, meno esposti all azione dei venti (Anderson et al., 2003). La germinazione di queste cisti, in determinate condizioni, è fonte di inoculo per nuovi blooms. Inoltre, queste particolari cellule, sono legate ad altri importanti aspetti ecologici, come la dispersione della specie, il superamento di condizioni ambientali avverse e la ricombinazione genetica legata alla riproduzione sessuale (Wall, 1971). La conoscenza della distribuzione e delle abbondanze delle cisti in siti di particolare interesse può essere molto utile per gli studi ecologici e per il monitoraggio ai fini della gestione e predizione di eventi HABs. Sono, infatti, circa una ventina le specie harmful produttrici di cisti e, nell ambito di queste, meno di una decina quelle capaci di produrre tossine (Matsuoka & Fukuyo, 2000). Uno degli obiettivi del Progetto Europeo SEED (GOCE-CT ) è l integrazione diretta dello studio delle cisti con l analisi sedimentologica dei depositi dove queste si accumulano, per meglio comprenderne la distribuzione spaziale (WP6 Resting stages as passive particles: dispersion and accumulation ). Uno dei siti di studio del progetto è il Golfo di Olbia, nella Sardegna Nord- Orientale (Fig. 1). Questo sito negli anni passati è stato caratterizzato da fioriture di specie tossiche appartenenti al genere Alexandrium (Luglié et al., 2003; 2004). Obiettivo dello studio è valutare la relazione tra la distribuzione spaziale delle abbondanze delle cisti e la granulometria del fondale del Golfo di Olbia. 2. MATERIALI E METODI Sono state fatte nel Golfo di Olbia due campagne di campionamento, rispettivamente nell ottobre 2005 e nel maggio Durante la prima campagna sono stai raccolti con la benna di Eckman, campioni relativi a 37 stazioni (Fig. 1). Su questi campioni sono state effettuate le analisi granulometriche (dopo aver eliminato la materia organica mediante trattamento con H 2 O 2 ), utilizzando setacci con intervalli di 1/2 phi per la frazione sabbioso-ghiaiosa, e mediante granulometria laser (Galai CIS 1) per la frazione inferiore a 63 µm (Puig & Palanque, 1998; Romano & Gabellini, 2001; De Falco et al., 2004). I dati granulometrici sono stati successivamente analizzati con il programma GRADISTAT (Blott & Pye, 2001). Sub-campioni di sedimento sono stati analizzati per valutare la presenza/assenza di cisti secondo quanto suggerito da Anderson et al. (2003). 442

199 Sulla base dei risultati sia granulometrici che dell analisi delle cisti, sono state selezionate 6 stazioni (Fig. 1), in cui effettuare la seconda campionatura. Questa è stata fatta tramite un subacqueo, utilizzando dei campionatori in pvc, per meglio preservare l interfaccia acqua-sedimento. In ogni stazione sono state raccolte tre repliche. Per ognuna di queste è stato sezionato il primo centimetro di sedimento che è stato trattato con un Sonicatore HD 2070, setacciato, per raccogliere la frazione compresa fra 10 e 100 µm, e di seguito sottoposto a frazionamento su gradiente di densità, secondo il metodo illustrato da Bolch (1997), modificato da Amorim et al. (2001). I campioni sono stati quindi analizzati al microscopio invertito (ingrandimento 400x) per la stima della densità delle cisti, che è stata espressa come cisti cm -3 di sedimento umido e come cisti gr -1 PS (con PS si intende Peso Secco, valutato su un volume pesato di sedimento, essiccato in stufa a 105 C per 24 h e quindi ripesato). Fig. 1 - Golfo di Olbia e i punti di prelievo; con i cerchi sono indicate le stazioni della seconda campagna. 3. RISULTATI E DISCUSSIONI 3.1. Analisi granulometriche Nella figura 2 sono rappresentate le percentuali di ghiaia, sabbia e fango delle diverse stazioni. Si tratta di sedimenti prevalentemente sabbiosi con una percentuale di fango inferiore al 25 %. Nei settori orientali del golfo, quali K e L, la frazione più grossolana (sabbia+ghiaia) è dominante mentre è del tutto assente il fango. In quest area sfocia il fiume Padrongianus principale sorgente di materiale clastico dell area del Golfo di Olbia. Anche in una parte delle stazioni più interne (B e D) la frazione più grossolana supera, in alcuni casi, il 60 %. Peculiarità di queste aree interne è la presenza degli allevamenti di mitili. In diversi casi la frazione grossolana dei sedimenti di queste aree interne è risultata costituita da gusci (interi ed in frammenti) di mitili. Questo 443

200 aspetto evidenzia come la mitilicoltura influenzi in modo significativo la composizione dei sedimenti. 100% 80% 60% 40% 20% 0% A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 E1 E2 E3 F1 F2 F3 G1 G2 G3 I1 I2 I3 J1 J2 J3 K1 K2 K3 L1 L2 M1 M2 M3 N1 N2 Ghiaia (%) Sabbia (%) Silt+Clay (%) Fig. 2 - Percentuali delle componenti grossolane e sottili nelle diverse stazioni. Al fine di valutare la presenza di trend spaziali nelle caratteristiche granulometriche dei sedimenti è stata effettuata l analisi fattoriale sulle variabili riportate in tabella 1. Sono stati estratti tre fattori che spiegano cumulativamente l 86 % della varianza totale. Il fattore 1 è correlato alle frazioni più fini (fanghi) e a sedimenti poco classati. Il fattore 2 è correlato alle sabbie medio-fini, il fattore 3 alla frazione siltosa. Il diagramma fattore1/fattore2 (Fig. 3), nel quale i campioni sono stati suddivisi in tre classi (interni Nord: A, B, C, D; interni Sud: G, I, J; esterni: E, F, K, L, M, N), indica che il fattore 1 separa i campioni prelevati nella parte interna del golfo rispetto a quelli provenienti dal settore esterno. I sedimenti della parte interna presentano un maggiore contenuto in frazione argillosa (<4 phi), coerentemente con il minore idrodinamismo dell interno della baia. Fig. 3 - Diagramma fattore 1 vs fattore

201 Tab. 1 - Coefficienti delle variabili per ciascun fattore (in grassetto quelli significativi) Analisi delle cisti Fattore 1 Fattore 2 Fattore 3 MEDIA 0,35 0,78 0,48 SORTING 0,93 0,11 0,10 SKEWNESS 0,38-0,74-0,21 > 2000 µm -0,11-0,87-0,14 > 1000 µm -0,13-0,61-0,64 > 500 µm -0,11-0,11-0,82 > 250 µm 0,18 0,80-0,33 > 125 µm 0,19 0,83 0,41 > 63 µm 0,40 0,62 0,63 > 31 µm 0,17 0,16 0,84 > 8 µm 0,29 0,10 0,84 > 4 µm 0,78 0,10 0,58 > 2 µm 0,93 0,12 0,29 > 1 µm 0,96 0,11 0,19 >0,5 µm 0,97 0,08 0,11 Expl.Var 4,85 4,08 3,94 Prp.Tot 32% 27% 26% Nella figura 4 sono rappresentate le densità totali delle cisti relative alle 6 stazioni selezionate sulla base delle analisi granulometriche, della loro posizione e del primo screening di presenza/assenza delle cisti effettuato sui campioni della prima campagna cisti gr -1 PS cisti cm -3 A B G I F N Fig. 4 - Densità totali delle cisti nelle diverse stazioni. Le tre stazioni più interne mostrano le maggiori densità sia come cisti cm -3 che come cisti gr -1 PS. La stazione N, la più esterna, mostra densità decisamente più basse (21 cisti gr -1 PS e 30 cisti cm -3 ), seguendo un trend in diminuzione nello spostamento dall area più interna del golfo verso il mare aperto. Questo appare coerente con i risultati dell analisi fattoriale eseguita sui dati granulometrici che indicavano, appunto, una netta distinzione tra stazioni interne ed esterne in rapporto alla componente fine. 445

202 Quanto riportato è sostenuto dalla correlazione significativa riscontrata fra le densità delle cisti e la percentuale di fango (Fig. 5) y = 0,9531x - 1,2359 R 2 = 0,7686 cisti 10 3 cm % silt+clay Fig. 5 - Correlazione fra densità delle cisti e frazione pelitica del sedimento. I generi più importanti riconosciuti sono stati: Scrippsiella, Gonyaulax, Protoperidinium e Alexandrium (Fig. 6). La loro distribuzione mostra nelle tre stazioni più interne, la presenza di tutti e quattro i generi, mentre nelle esterne si riscontrano solo Scrippsiella e Protoperidinium. Fig. 6 - Cisti di Scrippsiella (a), Gonyaulax (b), Alexandrium (c) e Protoperidinium (d). 4. CONCLUSIONI I risultati indicano che nel Golfo di Olbia esistono diverse condizioni di sedimentazione. L attività di mitilicoltura influenza fortemente le caratteristiche del sedimento introducendo in questo una componente grossolana secondaria. Questo fatto incide sui risultati granulometrici, riducendo le percentuali della componente fine. Nonostante questo, la distribuzione delle cisti, segue quella della frazione pelitica, a cui risulta strettamente correlata, confermando quanto riscontrato da Dale (1976), Erard-le Denn et al. (1993) e Yamaguchi et al. (2002). Le stazioni interne (quelle interessate 446

203 dalle maggiori densità di cisti) assumono, per questo motivo, un importanza di rilievo e meritano studi più dettagliati ed approfonditi per comprendere il loro possibile ruolo come banche di cisti nell avvio di fioriture dannose. Questo, in particolare, se si considera la presenza di cisti di specie del genere Alexandrium con massime densità proprio in queste stazioni. BIBLIOGRAFIA Amorim A., Dale B., Godinho R. & Brotas V Gymnodinium catenatum-like cysts (Dinophyceae) in recent sediments from the coast of Portugal. Phycologia, 40(6): Anderson D.M., Fukuyo Y. & Matsuoka K Cyst methodologies. In: Hallegraeff G.M., Anderson D.M. & Cembella A.D. (Eds), Manual on Harmful Marine Microalgae. UNESCO, Paris: Blott S.J. & Pye K Gradistat: a grain size distribution and statistics package for the analysis of unconsolidated sediments. Earth Surface Processes and Landforms, 26: Bolch C.J.S The use of sodium polytungstato for the separation and concentration of living dinoflagellate cysts from marine sediments. Phycologia, 36(6): Dale B Cyst formation, sedimentation and preservation: factors affecting dinoflagellate assemblages in recent sediments from Trondheimsfjord, Norway. Rew. Palaeob. Palynol., 22: De Falco G., Magni P. & Terasvuori L Sediment grain size and organic carbon distribution in the Cabras lagoon (Sardinia, Western Mediterranean). Chemistry and Ecology, 20 (Suppl. 1): Erard-le Denn E., Desbruyeres E. & Olu K Alexandrium minutum: resting cysts distribution in the sediments collected along the Brittany Coast, France. In: Smayda T.J. & Shimizu Y. (Eds), Toxic Phytoplankton Bloom in the Sea. Proc. 5 th Int. Conf. on Toxic Marine Phytoplankton. New York, Elsevier Science Inc.: Lugliè A., Giacobbe M.G., Sannio A., Fiocca F. & Sechi N First record of Alexandrium catenella (Whedon & Kofoid) Balech (Dinophyta), a potential producer of paralytic shellfish poisoining in Italian waters (Sardinia, Tyrrhenian Sea). Bocconea, 16(2): Luglié A., Giacobbe M., Fiocca F., Sannio A. & Sechi N The geographical distribution of Alexandrium catenella is extending to Italy! First evidences from the Tyrrhenian Sea. In: Steidinger A., Landsbergh J.H., Tomas C.R. & Vargo G.A. (Eds), Proc. X Int. Conf. on Harmful Algae. Florida Fish and Wildlife Conservation Commission and Intergovernmental Oceanographic Commission of UNESCO: Matsuoka K. & Fukuyo Y Technical Guide for Modern Dinoflagellates Cyst Study. WESTPAC-HAB/WESTPAC/IOC. 447

204 Puig P. & Palanques A Temporal variability and composition of settling particle fluxes on the Barcelona continental margin (Nothwestern Mediterranean). Journal of Marine Research, 56: Romano E. & Gabellini M Analisi delle caratteristiche granulometriche. In: Cicero A.M. & Di Gerolamo I. (Eds), Metodologie Analitiche di Riferimento. Roma. Wall D Biological problems concerning fossilizable dinoflagellates. Geosci. Man., 3: Yamaguchi M., Itakura S., Nagasaki K. & Kotani Y Distribution and abundance of resting cysts of the toxic Alexandrium spp. (Dinophyceae) in sediments of the western Seto Inland Sea. Japan. Fisher. Sci., 68: Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

205 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 ANALISI DELLE POPOLAZIONI DI GORGONIE NELL AMP DI PUNTA CAMPANELLA DOPO EVENTI DI MORIA DI MASSA Luisa SBRESCIA, Mariangela RUSSO, Floriana DI STEFANO, Giovanni Fulvio RUSSO CoNISMa, U.L.R. Università di Napoli Parthenope Dipartimento di Scienze per l Ambiente, Via A. De Gasperi, Napoli ABSTRACT Gorgonian populations analyses in the Punta Campanella MPA following local mortality events After extensive mass mortality events occurred in the summer 1999 and 2002, gorgonians in MPA of Punta Campanella were monitored. A preliminary survey during the summer 2003 was performed, and sampling was carried out in five times from May 2004 to October Eunicella singularis, Eunicella cavolinii and Paramunicea clavata were the species taken into account. The main objective of the study was to determine the levels of damage of sea fan colonies and the population recovery, in four selected sites. Affected and died colonies were detected from partial or total loss of cenenchyme and from the amount of epizoic cover; recovery was estimated as recruitment of juvenile colonies (less than 5 cm high). P. clavata populations showed no suffering signs and population structure was quite constant, while E. cavolinii showed suffering signs as well as high recruitment. E. singularis colonies were the most damaged, although a partial recovery was recorded at the end of study. On the overall, population parameters of the sea fan species are coherent with a prolonged and anomalous warming of the superficial water body occurred in the years of mass mortality, which mainly affected the shallower species (E. singularis) and was almost negligible on the deeper one (P. clavata). RIASSUNTO In seguito ad eventi di moria di massa di gorgonacei verificatisi nell estati del 1999 e del 2002, è stato effettuato un programma di monitoraggio sulle gorgonie dell area marina protetta di Punta Campanella. Dopo alcuni survey preliminari condotti nell estate del 2003, sono stati svolti rilevamenti in cinque tempi dal maggio 2004 all ottobre Le specie indagate sono state Eunicella singularis, Eunicella cavolinii e Paramunicea clavata. L obiettivo principale dello studio è stato quello di valutare lo stato di degrado e gli eventuali processi di recupero delle popolazioni in quattro siti opportunamente selezionati. Lo stato di degrado è stato valutato in base alla perdita parziale o totale del cenenchima delle colonie ed all ammontare della copertura 449

206 epizoica; il recupero è stato valutato come processo di reclutamento in base alla presenza di colonie neo-insediate di piccole dimensioni (meno di 5 cm di altezza). P. clavata non ha mostrato evidenti segni di degrado e la struttura delle popolazioni è rimasta pressoché costante nel tempo. E. cavolinii, pur evidenziando un discreto stato di degrado delle colonie, ha mostrato il migliore reclutamento. E. singularis è la specie con popolazioni in peggior stato di degrado, nonostante una certa ripresa nel reclutamento, soprattutto nella fase finale delle osservazioni. L andamento generale dei parametri di popolazione delle specie è coerentemente associabile ad un anomalo e prolungato riscaldamento dello strato d acqua superficiale occorso negli anni della moria di massa, che ha avuto un maggiore effetto negativo sulla specie a distribuzione più superficiale (E. singularis), ed un effetto praticamente trascurabile sulla specie a distribuzione più profonda (P. clavata). 1. INTRODUZIONE I gorgonacei sono tra i principali costruttori dello strato elevato della biocenosi del coralligeno, del quale costituiscono una facies caratteristica nel piano circalitorale, e quindi il loro degrado può avere notevole influenza sulla struttura e sulla dinamica di questa comunità bentonica. Tali organismi sono molto sensibili alle variazioni brusche di fattori ambientali, quali l idrodinamismo (Rivoire, 1991), la salinità e la quantità di particellato sospeso e sedimentato (Weinberg, 1979). Oltre a tali fattori ambientali anche le attività umane, come l utilizzo di lenze da pesca, il turismo subacqueo e l ancoraggio indiscriminato, possono danneggiare le popolazioni (Bavestrello & Cerrano, 1998). I popolamenti bentonici di fondo duro del Mediterraneo nord-occidentale, ed in particolare i popolamenti a gorgonacei, sono stati interessati tra la seconda metà di agosto e l ottobre del 1999 da un grave evento di mortalità di massa, associato ad una prolungata persistenza del termoclino estivo, a causa della riduzione della frequenza relativa dei venti di maestrale (Pérèz et al., 2000; Garrabou et al., 2001; Cerrano et al., 2005). Non è ancora chiaro se questa anomalia idro-climatica sia da considerare un fenomeno occasionale o se rientri in un processo più ampio e regolare di riscaldamento dell intera regione mediterranea (Romano et al., 2000). Comunque, nell estate del 2002 il Tirreno centrale è stato interessato da un ulteriore evento di moria, associabile ad analoghe condizioni idro-climatiche, che lungo le coste delle isole di Ischia e Procida ha colpito i popolamenti a gorgonacei, con modalità e diffusione alquanto eterogenea (Gambi et al., 2006). Obiettivo del presente studio è stato quello di valutare lo stato di degrado e gli eventuali processi di recupero delle popolazioni di gorgonacei in alcuni siti dell AMP di Punta Campanella, dopo gli eventi di moria di massa del 1999 e del

207 2. MATERIALI E METODI Le specie indagate sono state Eunicella singularis (Esper, 1794), Eunicella cavolinii (Von Koch, 1887) e Paramunicea clavata (Risso, 1826). Survey preliminari, condotti nell estate del 2003, hanno permesso di individuare siti in cui da un lato le popolazioni di ciascuna delle specie prese in esame fossero composte da un numero di colonie sufficientemente elevato per compiere le osservazioni, dall altro avessero la più ampia distribuzione batimetrica. I siti di studio (Fig. 1) sono stati localizzati sia lungo il versante occidentale dell AMP di Punta Campanella (Fossa Papa e Punta Campanella I), sia lungo il versante orientale (Punta Campanella II e Scoglio Penna). In base ai dati disponibili sull intervallo batimetrico in cui si colloca il termoclino estivo, sono state considerate in ciascun sito tre fasce batimetriche: A<-25 m, -25<B<-30 m, C>-30 m; nell ambito di ciascuna fascia batimetrica sono state effettuate tre repliche casuali di rilevamento delle popolazioni di gorgonie. a) b) Fig. 1 - Area di studio (a) e localizzazione dei siti di campionamento(b). I rilevamenti sono stati svolti in tre tempi nel 2004 (maggio-giugno, luglio-agosto, settembre-ottobre) e in due tempi nel 2005 (maggio-giugno, settembre-ottobre). La densità di popolazione, le classi di taglia e le classi di degrado sono state rilevate direttamente in immersione con ARA, utilizzando un quadrato di 1 m di lato. Per ottenere le classi di taglia è stata considerata l altezza delle colonie e sono stati ricavati 451

208 due ranghi, rispettivamente h5 cm e h>5 cm, per la valutazione della percentuale di reclute giovanili delle colonie. Lo stato di degrado della popolazione presente in ciascuna replica, è stato ottenuto assegnando a ciascuna delle colonie presenti un rango in base alla percentuale di tessuto necrotico o di sclerasse colonizzato da epibionti: colonie integre (0-30 %), degradate (30-70 %) e morte ( %). 3. RISULTATI Le specie di gorgonie presenti nei diversi siti e nelle diverse fasce batimetriche sono riportate in tabella 1. Tab. 1 - Siti di campionamento e specie esaminate: Ec= Eunicella cavolinii, Es= Eunicella singularis, Pc= Paramunicea clavata. I numeri in parentesi riguardano le fasce batimetriche (cfr. testo). Sito Specie Fossa Papa (FP) Ec (1,2,3) Punta Campanella I (PCI) Es (1,2,3) Punta Campanella II (PCII) Es (1,2,3), Ec (3), Pc(3) Scoglio Penna (SP) Ec (1,2,3), Pc (2,3) In figura 2 è riportata la densità delle colonie nei diversi siti e nelle diverse fasce batimetriche. Per quanto concerne la densità di popolazione di E. singularis, essa in entrambe i siti di rilevamento è costante nella fascia batimetrica più profonda (circa 6 col m -2 ), mentre in quella più superficiale ed intermedia dapprima va incontro ad un decremento (da circa 10 a 4 col m -2, nel 2004) e poi ad una ripresa (circa 8 col m -2, alla fine del 2005). La densità di popolazione di E. cavolinii aumenta gradualmente con la profondità in tutti i siti di studio (da circa 10 a 25 col m -2 ), con valori particolarmente elevati nel sito FP. A differenza delle due specie precedentemente considerate, P. clavata è presente solo nella fascia batimetrica intermedia (sito SP) e profonda (siti SP e PCII); mentre nella fascia batimetrica più profonda la densità di popolazione in entrambe i siti indagati si mantiene costante nel tempo (circa 10 col m -2 ), nella fascia batimetrica intermedia si assiste ad un decremento complessivo della densità (da circa 14 a 7 col m -2 ). In figura 3 è riportata l evoluzione nel tempo delle dominanze quantitative per rango di degrado delle colonie, a loro volta distinte in giovanili (o reclute) ed adulte. Sia per E. cavolinii che per P. clavata, è stata riscontrata una certa costanza nel tempo dei rapporti quantitativi tra i ranghi di degrado, con una percentuale di colonie integre del % circa per E. cavolinii e del 60 % per P. clavata. È da sottolineare, però, che mentre in P. clavata vi è uno scarso contributo complessivo delle reclute (10 % circa), in E. cavolinii le reclute contribuiscono in maniera preponderante a mantenere alquanto costante la percentuale di colonie integre, soprattutto nel sito FP (35-40 %) e, nel solo 2005, nel sito PCII (25 %). Per quanto riguarda E. singularis, è stata riscontrata una notevole variabilità: accanto ad un picco del 65 % di colonie integre, riscontrato 452

209 nell ultimo periodo del 2004, ed in massima parte dovuto al contributo delle colonie adulte, nel primo periodo del 2005 si assiste ad un picco di colonie degradate (50-70 %). Eunicella singularis n medio colonie/m m-g 04 l-a 04 s-o 04 m-g 05 s-o 05 m-g 04 l-a 04 s-o 04 m-g 05 s-o 05 m-g 04 l-a 04 s-o 04 m-g 05 s-o 05 A<-25m -25< B <-30m C>-30m profondità nel tempo Eunicella cavolinii n medio colonie/m m-g 04 l-a 04 s-o 04 m-g 05 s-o 05 m-g 04 l-a 04 s-o 04 m-g 05 s-o 05 m-g 04 l-a 04 s-o 04 m-g 05 s-o 05 A<-25m -25< B <-30m C>-30m profondità nel tempo Paramunicea clavata n medio colonie/m m-g 04 l-a 04 s-o 04 m-g 05 s-o 05 m-g 04 l-a 04 s-o 04 m-g 05 s-o 05-25< B <-30m C>-30m profondità nel tempo FP PCI PCII SP Fig. 2 - Densità delle colonie nei siti. 453

210 Tale degrado improvviso e consistente, avvenuto tra l autunno del 2004 e la primavera del 2005, è imputabile ad un uso eccessivo della pesca con le lenze, molte delle quali sono state peraltro rinvenute impigliate tra le ramificazioni delle colonie (cfr. sul tema Bavestrello & Cerrano, 1998). Il contributo delle reclute è risultato particolarmente scarso nel 2004, mentre si assiste ad una certa ripresa nel 2005, con valori di dominanza quantitativa del %. Eunicella singularis nel sito PCI Eunicella singularis nel sito PCII 100% 80% 60% 40% 20% 0% m-g 04 l-a 04 s-o 04 m-g 05 s-o % 80% 60% 40% 20% 0% m-g 04 l-a 04 s-o 04 m-g 05 s-o 05 Eunicella cavolinii nel sito SP 100% 80% 60% 40% 20% 0% m-g 04 l-a 04 s-o 04 m-g 05 s-o 05 Eunicella cavolinii nel sito FP 100% 80% 60% 40% 20% 0% m-g 04 l-a 04 s-o 04 m-g 05 s-o 05 Eunicella cavolinii nel sito PCII 100% 80% 60% 40% 20% 0% m-g 04 l-a 04 s-o 04 m-g 05 s-o 05 Adulte integre A. degradate A. morte Reclute integre R. degradate R. morte Paramunicea clavata nel sito PCII Paramunicea clavata nel sito SP 100% 80% 60% 40% 20% 0% m-g 04 l-a 04 s-o 04 m-g 05 s-o % 80% 60% 40% 20% 0% m-g 04 l-a 04 s-o 04 m-g 05 s-o 05 Fig. 3 - Evoluzione nel tempo delle dominanze quantitative per rango di degrado delle colonie, distinte in reclute ed adulte. 454

211 4. DISCUSSIONE E CONCLUSIONI In figura 4 è riportato l andamento della struttura termica degli strati d acqua superficiali in una stazione del golfo di Napoli ( Marechiara ) dal 1999 al 2004 (g. c. Saggiomo). Sono evidenti le due anomalie termiche che hanno interessato la colonna d acqua, rispettivamente nel 1999 e nel Durante le estati di questi anni si è registrato un marcato approfondimento dello strato rimescolato ed una erosione tardiva del termoclino. La concomitanza, nel golfo di Napoli, di tali anomalie termiche con gli episodi di moria di massa dei gorgonacei sembra ancora una volta confermare quanto già segnalato per altre località del Mediterraneo occidentale (Pérèz et al., 2000; Garrabou et al., 2001). Parimenti ad altre località, come il Mar Ligure (Cerrano et al., 2005) e le isole Flegree (Gambi et al., 2006), è stata riscontrata una certa disomogeneità dei livelli di degrado delle colonie tra i diversi siti per tutte le specie indagate, il che suggerisce un effetto additivo di altri fattori di tipo edafico sull anomalia climatica, che ne stemperano o acuiscono l impatto. Comunque, è risultato altresì evidente che le specie hanno risposto in maniera notevolmente diversa all anomalia termica e coerentemente con la loro distribuzione batimetrica. Prof (m) a) -70 Gen '99 Mar Mag Lug Sett Nov Gen '00 Mar Mag Set Nov Gen '01 Mar Mag Lug Set Nov Gen '02 Mar Mag Lug Set Nov Gen '03 Mar Mag Lug Set Nov b) Fig. 4 - Struttura termica della colonna d acqua (a) e del 2004 (b). P. clavata, presente solo nelle fascia intermedia e profonda, ha risentito molto meno delle altre specie dell anomalia termica, mostrando densità di popolazione alquanto costanti nel tempo, percentuali elevate di colonie integre e reclutamento limitato. E. cavolinii, presente in tutte le tre fasce batimetriche con densità lievemente crescenti con la profondità, ha risentito in misura maggiore dell anomalia termica 455

212 rispetto alla specie precedente, poiché ha mostrato una più bassa percentuale di colonie integre, soprattutto nei rilevamenti più superficiali e meno distanti nel tempo dall anomalia, ed un reclutamento crescente nel periodo delle osservazioni. E. singularis, distribuita con le massime densità nella fascia batimetrica più superficiale, è la specie che ha maggiormente risentito dell anomalia termica. La percentuale di colonie degradate all inizio delle osservazioni è particolarmente elevata e decresce lievemente nel tempo, nonostante un effetto additivo di disturbo arrecato dalla pesca con le lenze, mentre il reclutamento incrementa notevolmente, soprattutto nel periodo finale delle osservazioni. In definitiva, il descritto andamento generale dei parametri di popolazione delle specie indagate è coerentemente associabile all anomalia climatica, che ha avuto un maggiore effetto negativo sulla specie a distribuzione più superficiale (E. singularis), in una fascia batimetrica interessata dal prolungato riscaldamento della massa d acqua, ed un effetto praticamente trascurabile sulla specie a distribuzione più profonda (P. clavata), presente soprattutto a batimetrie maggiori rispetto alla collocazione del termoclino stagionale. RINGRAZIAMENTI Si ringrazia la Riserva Marina di Punta Campanella per il finanziamento dello studio. BIBLIOGRAFIA Bavestrello G., Cerrano C., Cattaneo-Vietti R. & Zanzi D Epibiosi e mortalità in Paramunicea clavata nel Mar Ligure. In: Cicogna F., Bavestrello G. & Cattaneo- Vietti R. (Eds), Biologia e tutela del corallo rosso e di altri ottocoralli del Mediterraneo. Min. Pol. Agr., Roma: Cerrano C., Bavestrello G., Bianchi C.N., Cattaneo-Vietti R., Bava S., Morganti C., Morri C., Picco P., Sara G., Schiaparelli S., Siccardi A. & Sponga F A catastrophic mass-mortality episode of gorgonians and other organisms in the Ligurian Sea (North-western Mediterranean), summer Ecology Letters, 3: Cerrano C., Arillo A., Azzini F., Calcinai B., Castellano L., Muti C., Valisano L., Zega G. & Bavestrello G Gorgonian population recovery after a mass mortality event. Mar. Freshw. Ecosyst., 15: Gambi M.C., Cigliano M. & Iacono B Segnalazione di un evento di mortalità di gorgonacei lungo le coste delle isole di Ischia e Procida (Golfo di Napoli, Mar Tirreno). Bio. Mar. Medit., 13(1): Garrabou J., Perez T., Sartoretto S. & Harmelin J.G Mass mortality event in red coral Corallium rubrum populations in the Provence region (France, NW Mediterranean). Mar. Ecol. Prog. Ser., 217: Rivoire G Mortalitè du corail et des gorgones en profondeur au large des cotes 456

213 provençales. In: Bourdouresque C.F., Avon M. & Gravez V. (Eds), Les espèces marine a protèger en Mediterranee. GIS Posidonie publ., France: Romano J.C., Bensoussan N., Younes W. & Arlhac D Anomalies thermique dans les eaux du golfe de Marseille durante l été Une explication partielle de la mortalité d'invertébrés fixés. C.R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la vie, 323: Sara G., Gasparini G.P., Morri C., Bianchi C.N. & Cinelli F Reclutamento delle gorgonie dopo un episodio di moria di massa in mar Ligure orientale. Bio. Mar. Medit., 10(2): Weinberg S Autoecology of shallow-water octocorallia from mediterranean rocky substrata, I. The Banyuls area. Bijdragen tot de Dierkunde, 49(1): Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

214 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 ACQUE PROFONDE DI NEOFORMAZIONE NEL MAR MEDITERRANEO OCCIDENTALE Katrin SCHRÖDER 1, Domenico BACCIOLA 1, Mireno BORGHINI 1, Gabriella CERRATI 2, Vito DIFESCA 2, Roberta DELFANTI 2, Gian Pietro GASPARINI 1, Chiara SANTINELLI 3 1 CNR ISMAR Forte Santa Teresa Pozzuolo di Lerici 2 ENEA - CRAM Forte Santa Teresa Pozzuolo di Lerici 3 CNR IBF Sezione di Pisa ABSTRACT Newly formed deep water in the Western Mediterranean sea In the western Mediterranean the winter of was characterized by the formation of a dense water mass, significantly warmer and saltier with respect to the past. The temperature vs salinity diagrams of the deep layer show the presence of three different water types, one of them is a resident one and the other two types are newly formed. During the oceanographic cruise MEDOCC05 (spring 2005), the newly formed deep water has been observed even at hundred of kilometres from its formation area,. Here we present the distribution of physical properties in the deep layer, in relation to the biogeochemical characteristics. RIASSUNTO Nel Mediterraneo Occidentale l inverno è stato caratterizzato dalla formazione di acque dense significativamente più calde e più salate rispetto al passato. I diagrammi di temperatura vs salinità mostrano la presenza, in profondità, di tre tipi di acque diverse, di cui una residente e le altre due di neoformazione. Nel corso della campagna oceanografica MEDOCC05 (primavera 2005), le nuove acque profonde sono state osservate anche a centinaia di chilometri dalla loro zona di formazione. Nel seguito vengono descritte le distribuzioni delle caratteristiche fisiche in profondità in relazione alle caratteristiche biogeochimiche. 1. INTRODUZIONE Nella primavera del 2005, nel corso della campagna oceanografica MEDOCC05 (Fig. 1), è stata investigata un ampia area del Mediterraneo Occidentale allo scopo di monitorare i principali passaggi che connettono i diversi sotto-bacini. Gli obiettivi dell indagine in campo hanno incluso anche lo studio dei flussi di massa, della 459

215 distribuzione dei nutrienti e dei flussi biogeochimici in aree chiave del Mediterraneo Occidentale. La distribuzione di temperatura, salinità e densità è stata descritta da Schröder et al. (2006) e messa in relazione al transiente climatico che ha interessato il Mediterraneo Orientale a partire dagli anni 80. In questo lavoro, partendo dai risultati di Schröder et al. (2006), si mettono in relazione le caratteristiche fisiche con quelle biogeochimiche, presentando alcune ipotesi sui meccanismi che ne hanno determinato la distribuzione nel bacino occidentale. Fig. 1 (a) Stazioni di campionamento della campagna oceanografica MEDOCC05; (b) confronto tra i diagrammi -S del 1995 e del I dati si riferiscono al transetto tra Baleari e Sardegna. La parte settentrionale del Mediterraneo Occidentale ha un ruolo importante per l intero Mediterraneo grazie alla presenza di siti di formazione di acqua densa. I processi di formazione dell acqua densa sono particolarmente attivi nel Golfo del Leone, anche se eventi meno intensi sono stati osservati nel Mare Balearico e nel Mar Ligure. Un fattore importante che controlla la formazione delle acque dense nel Golfo del Leone è la distribuzione del sale nella colonna d acqua, in particolare il contenuto di sale della Levantine Intermediate Water (LIW). La circolazione ciclonica nella regione provoca il sollevamento di acqua intermedia verso gli strati superficiali. Acque più salate in prossimità della superficie necessitano di un raffreddamento minore per diventare abbastanza dense e sprofondare negli strati profondi. La distribuzione di temperatura e salinità ha evidenziato la peculiarità dell inverno , caratterizzato da un abbondante formazione di acqua densa (Schröder et al., 2006). Da un punto di vista biogeochimico, le acque di neoformazione presentano caratteristiche diverse rispetto alle acque residenti, in termini di concentrazioni di nutrienti, ma anche di ossigeno e di carbonio organico disciolto (DOC), a causa dei processi che ne determinano le concentrazioni al di sotto della zona fotica. 2. ACQUE PROFONDE DI NEOFORMAZIONE Nell area di formazione e nella zona di propagazione dell acqua profonda del Mediterraneo Occidentale, ed in particolare nel Golfo del Leone, nel Mar Ligure, nel Mare Balearico, nel Bacino Algero-Provenzale e nel Bacino Algerino sono stati 460

216 riscontrati diagrammi -S dalla forma particolare (Fig. 1b), che mettono in evidenza la composizione complessa delle acque profonde, in cui è stato possibile distinguere due tipi di acque di neoformazione (Schröder et al., 2006): il tipo B (più caldo, più salato e meno ossigenato) e il tipo C (più freddo, meno salato e più ossigenato). Generalmente le acque formatesi nel mostrano valori di salinità, temperatura e densità più elevati rispetto alle acque residenti ed a osservazioni precedenti. È noto che le acque profonde del Mediterraneo Occidentale siano diventate più calde e più salate fin dagli anni 50. Molti autori hanno tentato di spiegare questa tendenza, attribuendola all effetto serra e/o ad un aumento della salinità superficiale, sia nel bacino occidentale che in quello orientale, ipotizzando connessioni con i cambiamenti delle condizioni ambientali, come la riduzione degli apporti fluviali soprattutto di origine antropica. Tali tendenze a lungo termine hanno subito una forte accelerazione nell ultimo decennio, creando progressivamente condizioni favorevoli agli eventi osservati nella primavera La causa di questa accelerazione è da attribuire al cosiddetto transiente del Mediterraneo Orientale (EMT, Eastern Mediterranean Transient). L EMT, sviluppatosi a partire dalla fine degli anni 80, ha modificato la circolazione termoalina del Mediterraneo Orientale per gran parte degli anni 90 (Lascaratos et al., 1999), propagandosi poi nel bacino occidentale attraverso il Canale di Sicilia. Inizialmente ha indotto un aumento di temperatura e di salinità negli strati profondi del Tirreno (Gasparini et al., 2005). Successivamente l apporto di acque intermedie più salate e più calde dal Mediterraneo Orientale ha favorito la formazione di acque profonde più calde e più salate nel Mediterraneo nord-occidentale (Schröder et al., 2006). Ciò a causa del ruolo fondamentale che l acqua intermedia riveste nei processi convettivi che avvengono in questa area. 3. NUTRIENTI NEL MEDITERRANEO OCCIDENTALE Le maggiori differenze nella distribuzione dei nutrienti nella colonna d acqua sono state riscontrate tra le aree interessate dalla presenza e dalla formazione di acque dense e le altre aree. Le concentrazioni dei nutrienti mostrano lo stesso andamento, decrescente da ovest verso est, sia a livello intermedio, sia in profondità, in accordo con la letteratura. Le concentrazioni più elevate sono presenti nel bacino Provenzale. I valori più bassi sono invece stati riscontrati nelle stazioni del Canale di Sicilia, sia nello strato intermedio, sia in quello profondo. Si tratta del flusso d acqua proveniente dal Mediterraneo Orientale, più povero di nutrienti rispetto al bacino occidentale. In figura 2 sono rappresentate due tipiche distribuzioni verticali delle concentrazioni di nitrati, silicati e fosfati. Il profilo in figura 2a si riferisce ad una stazione del bacino algerino. Le concentrazioni, molto basse in superficie aumentano con la profondità, mostrando un massimo in corrispondenza dell acqua intermedia, la più vecchia delle masse d acqua che si trovano in questa zona. Nella stazione algerina considerata, la nuova acqua profonda non è stata riscontrata, ed infatti le concentrazioni di nutrienti sul fondo sono relativamente elevate, intorno a 9 mol kg -1 per nitrati e silicati e 0.4 mol kg -1 per quanto riguarda i fosfati. Nel profilo relativo ad una stazione del Golfo del Leone (Fig. 2b), dove era abbondantemente presente l acqua 461

217 neoformata, si riscontra una situazione diversa. Le concentrazioni superficiali sono più elevate e quelle intermedie più basse. Il tipico massimo associato all acqua intermedia è scomparso. Questo è da attribuirsi ai movimenti convettivi che avvengono in questa area, durante il periodo di formazione delle acque dense, e che ha portato al mixing tra le masse d acqua superficiali ed intermedie. Inoltre lo strato profondo, complessivamente più ricco di nutrienti, in prossimità del fondo è occupato da acqua neoformata, e presenta una forte diminuzione delle concentrazioni di nutrienti intorno a 7 mol kg -1 per i nitrati e i silicati e 0.38 mol kg -1 per i fosfati. Questo avviene in quanto è acqua in prevalenza di origine superficiale che non ha avuto il tempo di accumulare nutrienti e di rimineralizzare la sostanza organica presente. Questa caratteristica è confermata anche dai dati di DOC, che presenta valori molto elevati in profondità, intorno a 70 mol l -1, e dai dati di ossigeno, che mostra un incremento di concentrazione nello strato di fondo, arrivando a 210 mol l -1. Fig. 2 - (a) Profilo di concentrazioni di nutrienti nella stazione D8 del bacino Algerino; (b) idem per la stazione L10 del Golfo del Leone. 4. CONCLUSIONI Fin dai primi anni 90 la propagazione dell EMT nel Mediterraneo Occidentale ha indotto un aumento significativo della variabilità interannuale delle condizioni idrologiche nel Canale di Sicilia e nel Tirreno (Gasparini et al., 2005), e cambiamenti significativi sono stati osservati anche nel flusso uscente dallo Stretto di Gibilterra (Millot et al., 2006). La produzione di acqua profonda nell inverno conferma un aumento della variabilità interannuale nelle condizioni idrologiche e suggerisce che l EMT, a causa degli elevati livelli di sale e di calore che vengono trasferiti dal Mediterraneo Orientale, ha significative ripercussioni anche nel Mediterraneo Occidentale. Le caratteristiche biogeochimiche (nutrienti, ossigeno disciolto, DOC) evidenziano una chiara corrispondenza con le strutture idrologiche, presentando una evidente distinzione tra acqua profonda vecchia e neoformata. La significatività e la persistenza dei cambiamenti osservati nel 2005 è confermata da una 462

218 nuova campagna oceanografica effettuata nell anno successivo (primavera 2006), durante la quale è stata osservata ancora la stessa struttura profonda, ma in un area ancora più estesa. Tali dati permetteranno di migliorare la valutazione degli effetti che l EMT sta avendo sul bacino occidentale e in particolare sulla formazione delle sue acque dense. BIBLIOGRAFIA Gasparini G.P., Ortona A., Budillon G., Astraldi M. & Sansone E The effect of the Eastern Mediterranean Transient on the hydrographic characteristics in the Strait of Sicily and in the Tyrrhenian. Deep Sea Research, 52: Lascaratos A., Roether W., Nittis K. & Klein B Recent changes in the Eastern Mediterranean Deep Waters: a review. Progr. in Ocean., 44: Millot C., Candela J., Fuda J.L. & Tber Y Large warming and salinification of the Mediterranean outflow due to changes in its composition. Deep Sea Res., 53: Schröder K., Gasparini G.P., Tangherlini M. & Astraldi M Deep and intermediate water in the western Mediterranean under the influence of the Eastern Mediterranean Transient. Geophys. Res. Lett., 33, L21607 doi: /2006gl Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

219 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 RELAZIONI TRA CONTENUTO DI MATERIA ORGANICA, CARBONIO ORGANICO E GRANULOMETRIA NEI SEDIMENTI DI AREE DI TRANSIZIONE Geraldina SIGNA, Marcella LEONARDI, Alessia D AGATA, Alessandro BERGAMASCO C.N.R. - Istituto per l Ambiente Marino Costiero Messina ABSTRACT Relationships between organic matter, organic carbon and grainsize in transition water sediments To describe the geochemical features of the sediments in nine sicilian coastal lakes, 78 samples of surface sediments were collected in July Analyses of Nitrogen, Total Organic Carbon, Organic Matter, Carbonates and Grainsize were performed. A better correlation between the Organic Matter, evaluated through the Sequential-LOI, and TOC was found at 350 C, rather than at 450 C. Statistical analysis confirmed the similarities of the trends of TOC and LOI 350 in the samples pooled according to the dominant grainsize, with the highest values associated to the medium sand fraction. The differences among the median values of the groups were significant (ANOVA, Kruskal-Wallis; P<0.001). The ratio LOI/TOC in the sediments were rather variable at the two temperatures. LOI 350 /TOC values ranged between 2 and 5, conversely the LOI 450 /TOC ones spanned in a wider range (2.5 14). The sandy samples exhibited more frequently lower values of the LOI/TOC ratio at both temperatures, while the silty samples showed the opposite, probably due to the presence of less labile organic compounds in the finest fractions. RIASSUNTO Al fine di effettuare una caratterizzazione geochimica dei sedimenti di nove laghi costieri siciliani, 78 campioni di sedimento superficiale sono stati prelevati, nel Luglio 2005, per le analisi di Azoto e Carbonio organico totale, Materia organica, Carbonati e Granulometria. La migliore correlazione tra i valori di materia organica, ottenuti con la tecnica della S-LOI (Sequential Loss-on-Ignition) a 350 e 450 C ed il contenuto di Carbonio Organico Totale (TOC) è emersa alla temperatura di 350 C piuttosto che a 450 C. L analisi comparata dei valori di LOI 950 e di incidenza percentuale di carbonati determinati analiticamente, ha mostrato un elevata correlazione lineare (R 2 = 0,95), facendo ritenere che a questa temperatura S-LOI possa rappresentare una valida stima dell incidenza dei carbonati nei sedimenti. 465

220 Le analisi statistiche hanno confermato le analogie rilevate negli andamenti di TOC e LOI 350 dei campioni raggruppati in base alla classe granulometrica, ed hanno indicato come significativa la varianza fra le mediane dei vari gruppi (ANOVA, Kruskal-Wallis; P<0,001). I risultati del rapporto LOI/TOC nei sedimenti analizzati mostrano, alle due temperature, andamenti differenti. In particolare i valori del rapporto LOI 350 /TOC risultano distribuiti in un più ristretto range di valori (2 5), rispetto a quanto rilevato per il rapporto LOI 450 /TOC, che presentano un range più ampio ( ). I campioni sabbiosi presentano, ad entrambe le temperature, valori bassi del rapporto LOI/TOC più frequentemente dei campioni siltosi. Ciò sembra da imputare alla presenza di materia organica meno labile nella frazione pelitica. 1. INTRODUZIONE Nonostante l interesse ecologico che le aree di transizione siciliane rivestono, sia in quanto dichiarate Riserve Naturali Orientate a scala regionale, sia perché spesso classificate SIC a scala europea, sono ancora scarse le informazioni disponibili in letteratura, specialmente in relazione alle caratteristiche sedimentarie e geochimiche. Com è noto i sedimenti dei laghi costieri svolgono un ruolo di serbatoio/sorgente di composti organici ed inorganici che intervengono nei processi biogeochimici influenzando gli equilibri all interno dell ecosistema. In conseguenza di ciò la conoscenza delle caratteristiche geochimiche dei sedimenti lacustri è di notevole importanza per definire la qualità di un sistema ambientale. Ad esempio il contenuto in Carbonio Organico nei sedimenti, in quanto espressione della domanda di ossigeno da parte del biota (Leong & Tanner, 1999), è ritenuto un parametro fondamentale nella valutazione della qualità dei sistemi costieri. La determinazione mediante analisi elementare di carbonio, è generalmente ritenuta una misura più accurata, ed è la più utilizzata, come ampiamente documentato (Telek & Marshall, 1974; Cauwet, 1975; Hirota & Szyper, 1975; Byers et al., 1978; Froelich, 1980; Hedges & Stern, 1984; Kristensen & Andersen, 1987). Al contrario, la stima della sostanza organica col metodo S-LOI (Sequential Loss-on-Ignition), basata sulla misura della perdita di peso per combustione, sebbene più rapida ed economica (Mook & Hoskin, 1982; Luczak, 1997), risulta meno precisa. Questo metodo infatti può presentare due principali fonti di errore, legate alla potenziale perdita di CO 2 dai carbonati, e conseguente sovrastima della materia inorganica (Duval, 1963; Hirota & Szyper, 1975; Byers et al., 1978; Froelich, 1980) ed a una potenziale perdita di acqua strutturale dai minerali argillosi (Ball, 1964; Mook & Hoskin, 1982). Obiettivo di questo studio è la definizione del range di variazione del carbonio totale, organico ed inorganico, nelle aree di transizione indagate, in relazione alle loro caratteristiche granulometriche. Inoltre, attraverso l analisi del rapporto LOI/TOC si è voluto verificare l efficacia descrittiva del metodo S-LOI nell analisi globale della materia organica sedimentaria, in aree di transizione con caratteristiche sedimentologiche differenti. 466

221 2. MATERIALI E METODI 2.1. Aree di Studio Le caratteristiche geochimiche dei sedimenti sono state studiate in nove bacini, selezionati per le loro differenti caratteristiche quali: dimensioni, profondità, ricambio idrico, tipologia e intensità della pressione antropica. I corpi idrici studiati fanno parte di tre aree di transizione della Sicilia orientale (Fig. 1) di notevole interesse ecologico. Il sistema dei laghetti di Marinello (Verde, Porto Vecchio, Mergolo e Marinello), situato nel Golfo di Patti (ME), è caratterizzato da un notevole dinamismo geomorfologico ed un elevata complessità trofica ed idrobiologica (Leonardi et al., 2000; 2006). ITALIA AREA A A1: VERDE A2: PORTO VECCHIO A3: MERGOLO A4: MARINELLO 1 2 A 3 SICILIA 4 N 0,5 Km B 2 AREA C C1: PICCOLO C2: GRANDE C3: ROVETO C N AREA B B1: GANZIRRI B2: FARO 1 Km 3 N 1 Km Fig. 1 - Localizzazione delle aree di campionamento. AREA A: Laghetti di Marinello; AREA B: Complesso di Capo Peloro; AREA C: Pantani di Vendicari. I laghetti sono essenzialmente degli stagni costieri poco profondi (1-4 m), separati dal mare da cordoni litorali soggetti a continui cambiamenti a causa della rapida evoluzione della morfologia costiera (Leonardi & Giacobbe, 2001). Il complesso di Capo Peloro (ME) è costituito dai laghi salmastri di Ganzirri e Faro, la cui profondità massima è rispettivamente 7 e 28 m Mentre il primo dal punto di vista sedimentario e batimetrico può essere in realtà suddiviso in due sottobacini con caratteristiche chimico-fisico distinte (Vanucci et al., 2005), il Lago di Faro ha forma circolare e risulta essere meromittico con la zona profonda anossica ricca di idrogeno solforato (Acosta Pomar et al., 1988). Il sistema lagunare di Vendicari (SR), la cui importanza ecologica è riconosciuta a livello comunitario (zona SIC, ZPS, Convenzione di Ramsar), costituisce il settore più 467

222 settentrionale di un sistema di zone umide costiere, che si sviluppa lungo la fascia sudorientale della Sicilia. Il sistema è costituito da tre cosiddetti pantani (Piccolo, Grande e Roveto) che si estendono, per una lunghezza di circa 6 km, parallelamente alla linea di costa; la profondità varia da 0,1 a 1,5 m pertanto sono considerati stagni temporanei essendo soggetti a prosciugamento estivo (Faranda, 1977; Badalamenti et al. 1985) Campionamento Per la caratterizzazione geochimica dei sedimenti sono stati prelevati, a mezzo benna Van Veen (273 cm 2, 2000 ml), 78 campioni di sedimento superficiale. Nei diversi corpi idrici, sono state scelte una o due stazioni, in ciascuna delle quali il campionamento è stato eseguito sui tre vertici di una griglia triangolare con lati di 10 m, con due repliche per ogni vertice Analisi I campioni di sedimento sono stati essiccati in stufa a 105 C, e dopo quartazione i subcampioni sono stati avviati alle varie analisi. La caratterizzazione granulometrica dei sedimenti è stata eseguita utilizzando una colonna di setacci in acciaio inox, serie USA, ASTM, scelti in modo da ottenere una serie granulometrica con intervalli di ½ Φ (Φ = - log 2 Ø mm). È stata inoltre eseguita l analisi delle peliti per sedimentazione (Buchanan & Kain, 1971). Sono stati quindi calcolati i valori di tendenza centrale (Mz, Mo, Md: Folk & Ward, 1957) ed i sedimenti sono stati classificati secondo Wentworth (1922). L incidenza di TOC (Total Organic Carbon) e TN (Total Nitrogen) è stata determinata per via gascromatografica, mediante un CHN-Autoanalizer 2400 Perkin Elmer (Froelich, 1980; Hedges & Sterns, 1984), sulla frazione <500 µm. Sulla stessa frazione è stata eseguita la stima del contenuto in Sostanza Organica per termogravimetria o LOI (Loss of Weight on Ignition) a 350 C e 450 C, secondo la variante di Tagliapietra et al. (2002). Il contenuto in Carbonati è stato determinato sia tramite acidificazione con HCl, sia con la tecnica S-LOI a 950 C (Dean, 1974; Bengtsson & Enell, 1986; Heiri et al., 2001), al fine di confrontare i due metodi in sedimenti con differente origine e tenore in carbonati. 3. RISULTATI E DISCUSSIONE Per quanto riguarda la classificazione litotipica, i sedimenti esaminati sono perlopiù ascrivibili alle Sabbie, più o meno fini, ed ai Fanghi. In particolare, dall analisi dei valori di diametro medio (Mz) espressi in Φ, le aree risultano discriminate dal valore di 4 Φ (Fig. 2), che rappresenta il limite fra le sabbie (<4 Φ) e le peliti (>4 Φ). Nella prima categoria si collocano solo i sedimenti dei laghi Faro e Ganzirri (Area B), e Porto Vecchio (Area A), che risultano quindi mediamente più grossolani di quelli delle altre aree di transizione, collocandosi fra le Sabbie grossolane o ghiaiose e le Sabbie debolmente infangate. Invece i sedimenti dei laghetti 468

223 Marinello, Mergolo e Verde, come pure quelli di Vendicari (Area C), sono perlopiù dei Fanghi puri, o Fanghi sabbiosi, ovvero delle Sabbie fangose, o ancora delle Sabbie fangoso-argillose. FANGO MF Mz (Φ) 8 FANGO F FANGO M FANGO G SABBIA MF SABBIA F SABBIA M SABBIA G SABBIA MG A R E A B : C A P O P E L O R O AREA A: MARINELLO 2 1 AREA C: 2 3 Fig. 2 - Diametro medio (Mz Φ) nei sedimenti esaminati (n = 78). MF: molto fine; F: fine; M: medio; G: grossolano, MG: molto grossolano. Nella tabella 1 sono riportate le medie per ogni bacino esaminato, dei valori di Carbonio organico totale (TOC), Azoto totale (N), Materia organica (LOI 350 e LOI 450 ), Carbonati, LOI 950 e rapporto C/N. Complessivamente il TOC oscilla tra 0,19 e 7,53 %; i valori più elevati sono stati rilevati nel lago Piccolo dell area di Vendicari, dove la media è stata di 4,23 ± 0,38. Peraltro il contenuto di materia organica determinato con la tecnica della S-LOI alle temperature di 350 e 450 C evidenzia range di valori differenti ma parzialmente sovrapposti: LOI 350 (%): range 0,43 12,42; media: 4,87±2,96; LOI 450 (%): range 0,67 18,77; media: 8,44±4,67. La significatività della relazione lineare esistente fra i valori di TOC e quelli di LOI alle due temperature è stata verificata e comparata (Fig. 3). L elevata correlazione ottenuta fra i valori di TOC e LOI 350 (R 2 = 0,89), fa ritenere che le due misure siano complementari ed adeguatamente significative per un ampio range di valori di tenore organico, come nel caso dei sedimenti di aree di transizione, tipicamente eterogenei. Per contro la correlazione tra i valori di TOC e quelli di LOI 450 è risultata sensibilmente più bassa (R 2 = 0,53). Ciò è probabilmente dovuto alla presenza di carbonati di calcio, ferro e magnesio, la cui combustione avviene tra i 400 ed i 450 C (Duval, 1963; Froelich, 1980; Weliky et al, 1983), e che contribuiscono quindi alla perdita ponderale registrata a questa temperatura. Inoltre, l incidenza di sostanza organica refrattaria, ritenuta da alcuni autori responsabile della perdita in peso fra i 400 ed i 500 C (Kristensen & Andersen, 1987; Luczak, 1997), è risultata irrilevante nei nostri sedimenti, come indicato dai valori del rapporto C/N, mediamente compresi fra 7,25 e 9,

224 TOC % R 2 = 0, R 2 = 0, LOI 350 LOI LOI % 20 Fig 3 - Correlazione tra Carbonio Organico (TOC %) e Materia Organica (S- LOI a 350 C e 450 C; n = 78). Tab. 1 - Riepilogo dei valori di Carbonio organico (TOC %), Azoto organico (N %), Materia Organica (LOI 350 % e LOI 450 %), Carbonati %, LOI 950 % e C/N nei sedimenti dei bacini esaminati (n = numero di campioni analizzati, x = media, σ = deviazione standard, CV % = coefficiente di variazione). AREA (n) TOC% N% LOI 350% LOI 450% CARBONATI % LOI 950 % C/N BACINO A: MARINELLO VERDE PORTO VECCHIO MERGOLO MARINELLO x 2,02 0,25 4,04 7,15 25,79 26,25 8,05 (6) σ 0,38 0,05 0,75 0,93 2,39 2,13 0,22 CV% 18,99 18,07 18,65 13,05 9,27 8,11 2,79 x 1,95 0,24 4,47 6,51 33,62 37,63 7,95 (12) σ 0,65 0,07 1,62 1,92 5,33 4,15 0,46 CV% 33,45 29,81 36,23 29,54 15,86 11,02 5,75 x 1,33 0,17 3,60 5,75 40,31 43,64 7,81 (12) σ 0,21 0,02 0,72 0,88 4,18 2,80 0,80 CV% 16,15 13,03 19,92 15,32 10,37 6,42 10,27 x 1,53 0,17 4,61 9,93 7,40 9,57 9,18 (6) σ 0,52 0,06 1,27 1,80 1,64 0,57 0,20 CV% 33,84 33,87 27,61 18,14 22,10 5,98 2,15 B: CAPO PELORO GANZIRRI FARO x 3,31 0,40 5,31 6,76 3,28 5,02 8,03 (12) σ 2,23 0,25 3,83 4,36 1,14 1,79 1,24 CV% 67,47 63,48 72,07 64,53 34,87 35,63 15,41 x 3,17 0,41 5,55 8,34 4,73 7,78 7,25 (12) σ 3,13 0,40 5,33 8,09 4,17 4,41 1,04 CV% 98,76 97,78 95,97 97,05 88,30 56,66 14,35 470

225 Tab. 1 Segue. AREA (n) TOC% N% LOI 350% LOI 450% CARBONATI % LOI 950 % C/N BACINO C: VENDICARI PICCOLO x 4,23 0,45 8,93 15,13 36,48 37,00 9,47 (6) σ 0,38 0,03 0,61 0,52 7,54 7,97 0,24 CV% 8,88 7,71 6,82 3,42 20,67 21,54 2,50 GRANDE x 0,95 0,12 3,23 8,87 30,22 26,70 8,15 (6) σ 0,43 0,05 0,97 2,75 1,30 0,97 1,99 CV% 45,03 39,43 30,10 31,06 4,31 3,63 24,44 ROVETO x 1,57 0,17 4,62 13,94 22,82 18,36 9,34 (6) σ 0,10 0,01 0,49 0,15 2,33 1,66 0,47 CV% 6,56 5,84 10,69 1,08 10,22 9,06 4,99 È comunque interessante sottolineare che i valori più elevati di C/N sono stati trovati, in coincidenza di picchi di LOI 450, in sedimenti vegetati e con accumulo di detriti vegetali. Ciò è in accordo con quanto riportato da Lawrence et al. (1989), i quali affermano che la presenza detrito fogliare e fanerogame nei sedimenti è responsabile dei picchi di LOI e C/N, in relazione alla natura altamente refrattaria di tali elementi. In relazione al grado di mineralizzazione della materia organica (Müller, 1977; Müller & Mathesius, 1999), i valori di C/N testimoniano per tutte le aree una situazione di sufficiente funzionalità degradativa. L analisi comparata dei valori di LOI 950 e di incidenza percentuale di carbonati determinati analiticamente, ha mostrato che S-LOI a 950 C è in grado di fornire una stima attendibile della quantità di carbonati presenti nei sedimenti (Heiri et al., 2001) (Fig. 4) LOI950 % R 2 = 0, carbonati % Fig. 4 - Correlazione tra i valori di Carbonati (acidificazione con HCl) ed i valori di LOI 950 (n = 78). 471

226 L elevata correlazione calcolata (R 2 = 0,95) ne è un ulteriore conferma, nonostante una non corrispondenza rilevata a carico dei sedimenti a più basso contenuto di ione carbonato (<5 %). In questi sedimenti infatti LOI 950 ha fatto registrare una sovrastima del dato reale, rispetto all analisi effettuata su campioni più carbonatici (>5 %). Al fine mettere in relazione le caratteristiche granulometriche dei sedimenti studiati con la quantità di carbonio organico e materia organica sono state valutati gli andamenti di TOC e LOI 350 nei diversi campioni raggruppati per classi granulometriche (Fig. 5). Le analogie tra i due gruppi di dati sono confermate dalle analisi statistiche, che indicano come significativa la differenza fra le mediane dei vari gruppi (ANOVA on ranks, Kruskal-Wallis; P <0,001) sia per il TOC che per il LOI 350. Valori più elevati di carbonio e materia organica totale, ed un più ampio range di oscillazione, sono stati registrati per il gruppo delle sabbie medie. Il test di comparazione multipla a coppie col metodo di Dunn ha evidenziato, solo per questo litotipo, differenze significative fra le mediane, in particolare col gruppo della sabbia fine e quello della sabbia grossolana per il LOI (P <0.05). TOC % 8 TOC % LOI 350 % LOI350% PELITE SABBIA MF SABBIA SABBIA G FANGO SABBIA ff SABBIA m SABBIA g PELITE SABBIA MF SABBIA SABBIA G FANGO SABBIA ff SABBIA m SABBIA g Fig. 5 - Box plot dei valori di TOC% e LOI 350 % (linea sottile: media; linea spessa: mediana) nei campioni di sedimento raggruppati per litotipi (ff: molto fine; m: medio; g: grossolano). Nonostante sia provato che la frazione < 8 µm del sedimento tenda a formare aggregati con un elevata proprietà di adsorbimento della materia organica (McCave et al., 1995), utilizzando il test di correlazione di Pearson non è stata identificata alcuna correlazione tra tale frazione e il contenuto di Carbonio organico totale nei sedimenti analizzati (P >0,050). Ciò è in accordo con quanto già rilevato da Leonardi e Giacobbe (2001), nei sedimenti dei laghetti di Marinello. È importante sottolineare però che la frazione siltoso-argillosa è risultata ampiamente rappresentata nelle aree da noi studiate, benché con una notevole variabilità (range: 0,0-42,4 %; media 16,58±14,04), ed è ipotizzabile che tale frazione abbia avuto un ruolo rilevante nella sovrastima della materia organica totale da parte della LOI 450, nei sedimenti pelitici. Mook e Hoskin (1982) hanno infatti dimostrato che la perdita di acqua strutturale dai minerali argillosi 472

227 può rappresentare una significativa fonte di errore durante la combustione tra 400 e 500 C. Per testare l accuratezza del metodo LOI in un ampio range di situazioni litotipiche (Craft et al, 1991), e per verificare la sua applicabilità in aree di transizione, è stato elaborato il rapporto LOI/TOC. Nella figura 6 viene riportato il numero di campioni riscontrato per classe di valori del rapporto LOI/TOC a 350 ed a 450 C. Alla temperatura più bassa (350 C), è stata registrata una netta unimodalità del rapporto LOI 350 /TOC, centrata fra 2.5, e 3. Inoltre è stata rilevata una buona corrispondenza delle distribuzioni relative ai campioni sabbiosi ed ai pelitici, a conferma dell efficacia del metodo LOI a 350 C, in un range sedimentario significativamente ampio. A 450 C si nota invece una marcata bimodalità in corrispondenza dei valori di 3,5 e 8,5. Si rileva inoltre la presenza di una coda di valori elevati del rapporto LOI/TOC, prevalentemente ascrivibile a sedimenti pelitici. Questo andamento è opposto a quello trovato da Sutherland (1998) in sedimenti fluviali, che riscontrava valori più elevati di LOI/TOC nei sedimenti grossolani. Ciò potrebbe a nostro avviso essere spiegato alla luce delle differenze tra ambienti fluviali e di transizione, in relazione ad una più marcata presenza, in questi ultimi, di sostanza organica più refrattaria n. campioni sabbia pelite LOI 350 /TOC n. campioni sabbia pelite LOI 450 /TOC Fig. 6 - Ripartizione dei campioni in classi di valori del rapporto LOI/TOC a 350 C e 450 C. In conclusione, alla luce di quanto fin qui esposto, l analisi comparata di TOC ed S-LOI, ha mostrato di poter fornire validi elementi per lo studio della trofodinamica della materia organica, ed ha confermato l utilità del rapporto LOI/TOC, ancora peraltro poco studiato, nella descrizione trofica di ambienti di transizione. 473

228 RINGRAZIAMENTI Questo studio è stato svolto nell ambito della Prima Caratterizzazione delle aree di transizione siciliane, effettuata nel corso del primo programma di monitoraggio dei corpi idrici regionali siciliani svoltosi nel Luglio 2005 per conto dell ARPA Sicilia. BIBLIOGRAFIA Acosta Pomar M.L.C., Bruni V., Decembrini F., Giuffrè G. & Maugeri T.L Distribution and activity of picophytoplankton in a brackish environment. Prog. Oceanogr., 21: Badalamenti F., Calandra V. & Dongarrà G L approccio idrogeochimico nell analisi di un ecosistema naturale. 1 contributo: la zona umida di Vendicari (Sicilia). Natura Soc. Ital. Sc. Nat. Ed Acquario Civ., Milano, 76(1-4): Ball D.F Loss-on-ignition as an estimate of organic matter and organic carbon in non-calcareous soils. J. Soil Science, 15: Bengtsson L. & Enell M Handbook of Holocene Palaeoecology and Palaeohydrology. Chemical analysis. In: Berglund B.E. (Ed.). John Wiley & Sons Ldt., Chichester: Byers S.C., Mills E.L. & Stewart P.L A comparison of methods of determining organic carbon in marine sediments, with suggestions for a standard method. Hydrobiologia, 58: Buchanan JB & Kain JM Measurement of the physical and chemical environment. In: Holmr N.A. & McIntyre A.D. (Eds), Methods for the study of marine benthos: 334 pp. Cauwet G Optimisation d une technique de dosage du carbone organique des s ediments. Chem. Geol., 16: Craft C.B., Seneca E.D. & Broome S.W Loss on ignition and Kjeldahl digestion for estimating organic carbon and total nitrogen in estuarine marsh oils: calibration with dry combustion. Estuaries, 14: Dean W.E. Jr Determination of carbonate and organic matter in calcareous sediments and sedimentary rocks by loss on ignition: Comparison with other methods. J. Sed. Petrol., 44: Duval C Inorganic thermogravimetric analyses. Elsevier. Faranda F Primo censimento delle aree destinabili ad acquacoltura in Sicilia. Atti Soc. Peloritana, 23 (suppl. 1): Froelich P.N Analyses of organic carbon in marine sediments. Limnol. Oceanogr, 29: Gomez-Parra A. & De Fructos M Representividad de los valores de materia organica obtenidos en el estudio de sedimentos costeros. Invest. Pesq., 51: Hedges J.I. & Stern J.K Carbon and nitrogen determinations of carbonate containing solids. Limnol. Oceanogr., 29:

229 Heiri O., Lotter A.F. & Lemcke G Loss on ignition as a method for estimating organic and carbonate content in sediments: reproducibility and comparability of results. J. Paleolimnology, 25: Hirota J. & Szyper J.P Separation of total particulate carbon into inorganic and organic components. Limnol. Oceanogr., 20: Kristensen E. & Andersen F.O Determination of organic carbon in marine sediments: a comparison of two CHN-analyzer methods. J. exp. Mar. Biol. Ecol., 109: Lawrence J.M., Bourdoresque Ch-F. & Maggiore F Proximate constituents, biomass and energy in Posidonia oceanica (Potamogetonacee). Publ. Staz. Zool. Napoli (I Mar Ecology), 10: Leonardi M., Azzaro F., Azzaro M., Decembrini F. & Monticelli L.S Ciclo della sostanza organica nell ecosistema lagunare di Tindari (ME). Biol. Mar. Medit., 7(1): Leonardi M. & Giacobbe S The Oliveri-Tindari Lagoon (Messina, Italy): Evoution of the trophic-sedimentary environment and mollusc communities in the last twenty years. In: Faranda, Guglielmo & Spezie (Eds), Mediterranean Ecosystems: Structures and Process. Springer-Verlag, Italia, 39: Leonardi M., Azzaro F., Galletta M.G., Giacobbe M.G., Masò M. & Penna A Time-series evolution of toxic organisms and related environmental factors in a brackish ecosystem of the Mediterranean Sea. Hydrobiologia, 555: Leong L.S. & Tanner P.A comparison of methods for determination of organic carbon in marine sediment. Mar. Pollut. Bull., 10: Luczak C., Janquin M.A. & Kupka A Simple standard procedure for the routine determination of organic matter in marine sediment. Hydrobiologia, 345: McCave I.N., Menighetti B. & Robinson S.G Sortable silt and fine sediment size/composition slicing: parameters for palaeocurrents speed and palaeooceanography. Paleoceanography, 10(3): Mook D.H. & Hoskin C.M Organic determinations by ignition: caution advised. Estuar. Coast. Shelf. Sci., 15: Müller P.J C/N ratios in Pacific deep - sea sediments: Effect of inorganic ammonium and organic nitrogen compounds sorbed by clays. Geochim. and Cosmochim. Acta, 41: Müller A. & Mathesius U The paleoenvironments of coastal lagoons in the southern Baltic Sea, I. The application of sedimentary C org/n ratios as a source indicators of organic matter. Palaeogeog. Palaeocl., 145: Sutherland R Loss-on-ignition estimates of organic matter and relationships to organic carbon in fluvial bed sediments. Hydrobiologia, 389: Tagliapietra D., Frangipane G. & Ghetti P.F Diversità di forme e di funzioni delle aree di transizione: sostanza organica e qualità ambientale. Atti del XII Congresso SitE, settembre 2002, Urbino. Telek G. & Marshall N Using a CHN analyzer to reduce carbonate interference in particulate organic carbon analyses. Mar. Biol., 24:

230 Vanucci S., Bruni V. & Pulicanò G Spatial and temporal distribution of virioplankton and bacterioplankton in a Brackish Environment (Lake of Ganzirri, Italy). Hydrobiologia, 539: Weliky K., Suess E., Ungerer C.A., Müller P.J. & Fisher K Problems with accurate carbon measurements in marine sediments and particulate matter in seawater: A new approach. Limnol. Oceanogr., 28(6): Wentworth C.K A scale of grade and clast terms for clastic sediments. J. Geol., 30: Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

231 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 STUDIO DI BATTERI IDROCARBUROCLASTICI PROVENIENTI DA DUE SITI UBICATI NEL VERSANTE ATLANTICO ED IN QUELLO MEDITERRANEO DELLO STRETTO DI GIBILTERRA Francesco SMEDILE, Emilio DE DOMENICO, Maria DE DOMENICO, Daniela GUADAGNO, Simona SCARFÌ Dipartimento di Biologia Animale ed Ecologia Marina, Università di Messina, Salita Sperone, Messina ABSTRACT Study of hydrocarburoclastic bacteria isolated from two stations on Mediterranean and Atlantic sides of Gibraltar Strait Taxonomic changes in marine microbial communities after introduction of crude oil as sole source of carbon were analysed. Microcosms approaches were employed on natural water samples coming from two areas of Gibraltar Strait. Isolates and 16S rdna clones libraries were analysed to evaluate microbial communities taxonomic composition of the two sites. Viable bacterial counts (CFU ml -1 ) were most abundant in Mediterranean Sea side of the straits; bacterial populations were similar in both libraries. Alkanivorax and Marinobacter were representative species as idrocarbonoclastics clones and isolates. RIASSUNTO È stata studiata la risposta all introduzione di petrolio delle comunità microbiche marine naturali provenienti da due aree dello Stretto di Gibilterra tramite due microcosmi allestiti con campioni d acqua di mare arricchiti con petrolio grezzo. La composizione delle comunità microbiche dei due siti è stata analizzata mediante tecniche colturali e librerie di cloni 16S rdna. Le conte batteriche vitali (CFU ml -1 ) risultavano maggiori nel microcosmo proveniente dal versante mediterraneo; le popolazioni erano strutturalmente simili nelle due librerie, con una predominanza delle specie idrocarburoclastiche Alkanivorax e Marinobacter, riscontrate anche tra gli isolati. 1. INTRODUZIONE Negli ultimi anni numerosi ricercatori hanno focalizzato la loro attività di ricerca sullo studio dei batteri idrocarburoclastici o HCB, batteri marini autoctoni capaci di utilizzare gli idrocarburi come unica fonte di carbonio, sia per le possibili applicazioni 477

232 che questi microrganismi possono avere nel campo della bioremediation, sia per il loro impiego come indicatori di inquinamento (Yakimov et al., 1998; Gentile et al., 2003). Lo Stretto di Gibilterra, per la sua complessa idrologia e la sua importanza come nodo cruciale del traffico marittimo internazionale, è stato preso in esame per valutare la risposta delle comunità microbiche naturali in presenza di petrolio grezzo. Mediante tecniche colturali (arricchimenti, conteggi, isolamenti) e di biologia molecolare (librerie di cloni 16S rdna) si è proceduto all analisi della composizione tassonomica delle comunità microbiche provenienti da due diversi siti ubicati rispettivamente nel versante Atlantico e nel versante Mediterraneo dello Stretto di Gibilterra, al fine di confrontare la risposta alla presenza di petrolio delle comunità microbiche delle due diverse masse d acqua. 2. MATERIALI E METODI I campionamenti sono stati eseguiti a bordo della N/O Urania nell ambito della campagna oceanografica MEDGOOS 9 (ottobre 2004) in due stazioni ubicate nel versante Atlantico (St. X57) e nel versante Mediterraneo (St. M24) dello Stretto di Gibilterra. Per ogni sito sono stati prelevati 10 litri di acqua di mare in prossimità del fondo (112 m e 646 m rispettivamente) e successivamente filtrati su membrane di nitrocellulosa da 0.22 µm. I filtri sono stati utilizzati per l allestimento dei microcosmi (Scarfì et al., 2003) costituiti da 600 ml di terreno minimo ONR 7a arricchito con 1000 µl di petrolio grezzo Arabian light. I conteggi vitali su terreno ONR 7a arricchito con differenti substrati idrocarburici (petrolio, tetradecano e gasolio) sono stati effettuati dopo 30 giorni di incubazione alla temperatura di 20 C. Successivamente si è proceduto all estrazione del DNA totale dai filtri tramite il Quiagen RNA/DNA Mini Kit ed all amplificazione del tratto che codifica per il 16S rrna utilizzando i primers universali 530F e 1492R. I frammenti di 16S rrna sono stati clonati per mezzo del vettore pgem -T Easy Vector (Promega). Il prodotto della ligation è stato usato per trasformare cellule di E. Coli DH10B (Invitrogen). Gli inserti sono stati amplificati usando i primers universali M13R e M13F, e sono stati sequenziati adoperando ABI PRISM BigDye Terminator v 3.1 Cycle Sequencing Kit (PE Applied Biosystems) ed il sequenziatore ABI PRISM 3100-Avant Genetic Analyzer (PE Applied Biosystems, Foster City, CA). Le sequenze sono state analizzate per mezzo del programma (BLAST) basic Local Alignment Search Tool (Altschul et al., 1997). È stato utilizzato il CHECK_CHIMERA (Altschul et al., 1997) del pacchetto RDP (Ribosomal Database Project; Maidak et al., 2001) per controllare la presenza di sequenze ibride, e successivamente l allineamento è stato effettuato tramite il clustal/alignment del software MEGA3.1 (Kumar et al., 2004). Per mezzo del medesimo software sono stati realizzati gli alberi filogenetici usando il metodo Neighbor-Joining ed il Kimura 2-parameter model. 478

233 3. RISULTATI Le conte batteriche vitali (CFU ml -1 ; Tab. 1) risultano maggiori nel microcosmo M24 utilizzando come fonte di carbonio il petrolio ed il tetradecano; i valori tra i due microcosmi diventano, invece, simili utilizzando il gasolio. I ceppi isolati da entrambi i microcosmi sono tutti HCB e sono rappresentati da generi ritrovati anche nelle librerie di cloni, quali Alkanivorax, Marinobacter e Pseudoalteromonas. Tab. 1 - Conteggi vitali su diversi substrati relativi ai due microcosmi M24 e X57. Stazione Substrato n ceppi CFU/ml M24 ONR+petrolio 8 47,5 x 103 M24 ONR+gasolio 7 21,5 x 103 M24 ONR+tetradecano 8 16,5 x 103 X57 ONR+petrolio 5 12,5 x 103 X57 ONR+gasolio 1 28,0 x 103 X57 ONR+tetradecano 5 3,0 x Analisi filogenetiche Dall analisi della libreria di cloni ottenuta dal microsmo M24 (Fig. 1) è risultata una netta prevalenza di sequenze attribuibili a gamma-proteobatteri (92 %), all interno dei quali il genere più rappresentativo è stato Alcanivorax (58 %) seguito da Idiomarina (33 %) e da Marinobacter (9 %). Era presente una piccola percentuale di sequenze attribuibili agli alfa-proteobatteri (7 %) rappresentati prevalentemente da generi affiliati a Sulfitobacter (75 %) e da Roseobacter (25 %). È risultato non classificabile l 1 % dei cloni (unclassified bacteria). Il microsmo X57 (Fig. 2) era caratterizzato, come il precedente, da un elevata percentuale di HCB ascrivibili ai gamma-proteobatteri (85 %) all interno dei quali il genere più rappresentativo risultava essere ancora una volta Alkanivorax (46 %), seguito da Marinobacter (20 %), Idiomarina (22 %), Pseudoalteromonas (2 %) ed uncultured gamma-proteobacteria (10 %). Il 15 % delle sequenze analizzate risultavano affiliate al gruppo Bacteroidetes rappresentato dal 50 % di generi ascrivibili a Bizonia e dal 50 % a Vitellibacter Indici di diversità L analisi degli indici di diversità delle due librerie X57 e M24, Shannon-Weiner (1,54 e 1,62), Equitability (0,39 e 0,40), mostra che le popolazioni batteriche nei due siti non presentavano una distribuzione omogenea, infatti le specie idrocarburoclastiche risultavano predominanti. Gli alti valori di coverage (0,96 e 0,89) ed i grafici della curva di rarefazione (Fig. 3), mostrano che le comunità batteriche dei due microcosmi sono state opportunamente analizzate dal punto di vista statistico per mezzo delle librerie di cloni. 479

234 Fig. 1 - Albero filogenetico relativo al microcosmo M24 (il numero tra parentesi indica quante volte la sequenza è stata ritrovata nella libreria). Fig. 2 - Albero filogenetico relativo al microcosmo X57 (il numero tra parentesi indica quante volte la sequenza è stata ritrovata nella libreria). 480

235 rarefraction curves M24 X Fig. 3 - Curve di rarefrazione delle due librerie M24 e X DISCUSSIONE Dai risultati ottenuti risulta visibile una maggiore percentuale di Alcanivorax nella stazione situata all interno del Mediterraneo (M24). Nel versante Atlantico (X57), sebbene Alcanivorax sia il genere più rappresentativo, era presente un notevole incremento del genere Marinobacter. Inoltre, mentre nel versante Atlantico si manifestava una maggiore diversificazione dei generi batterici presenti, nel versante Mediterraneo alla minore diversità di genere si accompagnava una maggiore diversità di classi, dominate sempre dalla presenza di Alcanivorax, che risulta anche il ceppo più abbondante nelle colture su piastra. Oltre agli HCB, all interno dei microcosmi, è stata riscontrata una cospicua percentuale di cloni affiliati al genere Idiomarina che, da quanto noto in letteratura, non è un ceppo in grado di utilizzare idrocarburi come fonte di nutrimento (Hou et al., 2004). Considerato il numero elevato in cui sono state ritrovate le sequenze di questi microrganismi, è da escludere la possibilità che la loro presenza sia imputabile ad errori durante la realizzazione delle librerie di cloni. Risulta, inoltre, improbabile anche la possibilità che porzioni di DNA extracellulare di questi microrganismi siano riuscite a restare inalterate per 30 giorni all interno dei microcosmi. La loro presenza potrebbe essere spiegata con l ipotesi che tali batteri abbiano potuto attuare qualche forma di adattamento nei confronti dell ambiente particolare costituito dai microcosmi, ad esempio specializzandosi nell utilizzo di sostanze di scarto prodotte dagli HCB. BIBLIOGRAFIA Altschul S.F., Gish W., Miller W., Myers E.W. & Lipman D.J Basic Local Alignment Search Tool. J. Mol. Biol., 215:

236 Hou S., Saw J.H., Lee K.S., Freitas T.A., Belisle C., Kawarabayasi Y., Donachie S.P., Pikina A., Galperin M.Y., Koonin E.V., Makarova K.S., Omelchenko M.V., Sorokin A., Wolf Y.I., Li Q.X., Keum Y.S., Campbell S., Denery J., Aizawa S., Shibata S., Malahoff A. & Alam M Genome sequence of the deep-sea gamma-proteobacterium Idiomarina loihiensis reveals amino acid fermentation as a source of carbon and energy. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 101(52): Gentile G., Bonasera V., Amico C., Giuliano L. & Yakimov M.M Shewanella sp. GA-22, a psychrophilic hydrocarbonoclastic antarctic bacterium producing polyunsaturated fatty acids. J. Applied Microbiol., 95(5): Kumar S., Tamura K. & Nei M MEGA3: Integrated software for Molecular Evolutionary Genetics Analysis and sequence alignment. Briefings in Bioinformatics, 5: Maidak B.L., Cole J.R., Lilburn T.G., Parker C.T. Jr., Saxman P.R. & Farris R.J The RDP-II (Ribosomal Database Project). Nucleic Acids Res., 29: Scarfì S., Giuliano L., De Domenico M., De Domenico E. & Yakimov M.M Studio della successione naturale di popolazioni batteriche idrocarburoclastiche in seguito all introduzione di petrolio grezzo in microcosmo. Biol. Mar. Medit., 10(2): Yakimov M.M., Golyshin P.N., Lang S., Moore E.R., Abraham W.R., Lunsdorf H. & Timmis K.N Alcanivorax borkumensis gen. nov., sp. nov., a new, hydrocarbon-degrading and surfactant-producing marine bacterium. Int. J. Syst. Bacteriol., 48 Pt 2: Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

237 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 EARLY DIAGENESIS PROCESSES AND BENTHIC FLUXES IN DIFFERENT DEPOSITIONAL ENVIRONMENTS OF THE NORTH AND CENTRAL ADRIATIC SEA Federico SPAGNOLI 1, Marco MARCACCIO 2, Franca FRASCARI 3 1 CNR-ISMAR, Sezione Pesca Marittima Ancona 2 ARPA Emilia Romagna Bologna 3 CNR-ISMAR, Sezione di Geologia Marina Bologna RIASSUNTO Diagenesi precoce e flussi bentici in differenti ambienti deposizionali dell'adriatico Settentrionale e Centrale I fondali pelitici dell Adriatico centro-settentrionale sono stati caratterizzati in base allo studio dei processi di diagenesi precoce ed alla stima dei flussi bentici di sostanze disciolte. I processi diagenetici nell Adriatico centro-settentrionale sono controllati dalle immissioni di sostanza organica reattiva di origine fluviale ed autoctona, dalla composizione geochimica del particellato inorganico, dalla velocità di sedimentazione, dall ossigenazione della colonna d acqua e dalla lontananza dalle fonti di immissione. I processi di diagenesi precoce variano ed i relativi flussi bentici diminuisco procedendo dalle foci del fiume Po sia verso nord sia a sud dove raggiungono i minimi nella fossa meso-adriatica. ABSTRACT The pelitic bottom sediments of the central and northern Adriatic Sea have been characterized following the early diagenesis process study and the dissolved benthic fluxes estimations. Diagenetic processes in the central and northern Adriatic are controlled by inputs of reactive organic matter of river and autochthonous origin, by the geochemical composition of the inorganic particulate, by sedimentation rates, by oxygenation of the water column and by the distance from intake sources. As one distances oneself from the mouth of the Po, early diagenetic processes change and the relative benthic fluxes diminish to the north as well as to the south, where they reach their minima in the mid-adriatic trench. 1. INTRODUCTION Amongst the main objectives of the PRISMA 1 project, in the sub-project Fluxes from and towards the depths there were: the definition of benthic systems of the central 483

238 and northern Adriatic Sea; the individuation of different diagenetic environments, through the characterization of early diagenesis processes and the estimation of benthic fluxes and the evaluation of the role of bottom sediments in the nutrient cycle in the central and northern Adriatic basin (Frascari et al., 1998). In this extended abstract some of the results achieved are briefly presented; in particular, the individuation of areas of the central and northern Adriatic where the sediments present similar early diagenesis processes and water-column and sediment interactions. 2. MATERIALS AND METHODS For the characterization of the benthic system, surface and subsurface samples collected from 55 stations were analyzed. For every sample, ph, Eh, grain size, organic C, inorganic C, total N, organic P, inorganic P, biogenic silica, major and minor elements and mineralogy were analysed; furthermore, for every station, sedimentation rates was determined. The distribution maps of the principal sedimentological and biogeochemical facies allowed the individuation of areas having a homogenous composition, with an indication of the provenance of sediments and the currents affecting their distribution (Frascari et al., 1998). In sites representative of area with homogenous physical and biogeochemical characteristics (Fig. 1), early diagenesis processes were studied and the fluxes of nutrients and other dissolved substances (O 2, NH 4, NO 2, NO 3, PO 4, Si(OH) 4, alkalinity, TCO 2, Fe, Mn) were estimated (by pore water concentration modelling (Berner, 1980) and by direct measurement with the positioning of benthic chambers on the sea floor; Fig. 1). This allowed the subdivision of the central and northern Adriatic bottom into different areas characterized by homogenous early diagenesis processes and benthic fluxes. For every site a sediment core was collected and extruded in an inert atmosphere. In the pore waters NH 4, PO 4, alkalinity, Si(OH) 4, NO 2, NO 3, Fe, Mn, SO 4, Ca, Mg were analyzed, whilst in the solid phase grain size, organic C, inorganic C total N, organic P, inorganic P and biogenical silica. In five cores the dissolved oxygen concentration profile was also measured (Fig. 1). 3. RESULTS The research allowed the characterization of six different areas (Fig. 1). The proximal Po River prodelta sediments (Fig. 1, type B diagenetic environments) are characterized by extremely high sedimentation rates (up to 8 cm y -1 ; Albertazzi, unpublished data), direct silico-clastic sedimentation, of fine particulate, for fresh water-salt water mixing flocculation, with abundant iron oxides and hydroxides and organic matter both of continental and, to a lesser extent, autochthonous origin. In these areas reactive organic matter is rapidly incorporated into the sediment and escapes 484

239 the aerobic mineralization processes present at the interface. Organic matter degradation thus happens principally in anoxic conditions through sulphate reduction. Diagenetic processes are particularly intense and give rise to increased fluxes, towards the water column, of the products of organic matter degradation (NH 4, alkalinity, PO 4 ; Fig. 2). At depth, once the sulphates have been exhausted, reactive organic matter still present gives rise to methanogenesis processes. Towards the south and off-shore the mouths of the Po River, (Fig. 1, type C diagenetic environments) the sediments are characterized by organic and inorganic particulate sedimentation coming from the Po and abundant highly reactive autochthonous organic matter. The particulate is in part deposited directly and in part has already undergone reworking processes. In these areas the sedimentation rates are less compared to the proximal Po River prodelta (0,2-2 2 cm y -1 ; Frascari et al., 1998) and the organic matter incorporated into the sediment, which has already undergone partial mineralization, is principally broken down by iron and manganese oxide and hydroxide reduction and, secondarily, by sulphate reduction. Anaerobic processes are furthermore favoured by the low oxygen concentrations in the bottom waters present above all in summer. Nutrient fluxes towards the water column are less pronounced, with the exception of phosphorus which high fluxes are due to the iron oxide and hydroxide anoxic dissolution (Fig. 2). Heading south along the fine sediment belt (Fig. 1, type D diagenetic environments), we find a further diminution of sedimentation rates and a diminution of direct deposit of river particulate and of autochthonous organic particulate in favour of sediments already reworked several times. In these environments the organic matter incorporated into the sediment has already undergone intense mineralization processes, thereby losing part of its reactivity. Degradation product concentrations in pore waters are reduced and the relative benthic fluxes low (Fig. 2). In particular cases (Fig. 1, type D diagenetic environments), in area near the coast, the loads of some minor Apennines rivers, particularly active and rich in nutrients, give rise to more intense diagenetic reactions in localized points, e.g. at the mouth of the Tronto River (station 47). The basin area of the mid-adriatic trench (Fig. 1, type e diagenetic environment) is fed by organic and inorganic particulate that has undergone multiple reworking processes in oxidizing environments, besides the particularly low average sedimentation rate (0.05 cm y -1 ; Frascari et al., 1998), favours the oxic mineralization of organic matter at the water-sediment interface, and as a result the organic matter incorporated into the sediment has very little reactivity. In these environments the concentrations of organic matter degradation products have a weak increase at depth by way of the degradation of residual organic matter, whilst oxygen penetrates for about 2 cm into the sediment, completely removing dissolved iron and manganese in the pore waters. As a consequence of this diagenetic environment the fluxes of nutrient matter are extremely low (Fig. 2). To the north of the Po delta (Fig. 1, type A diagenetic environments), in a narrow coastal band of variable width with prevalent fine-carbonate sedimentation, the diagenetic environments are characterised by the removal of PO 4 from the pore waters, attributable to the elevated carbonate content in the sediment favouring the precipitation of autigenic apatite. The early diagenesis processes, in these areas, are however variable 485

240 in function of the solid contributions of the rivers along the coast. Phosphorus removal processes seem to be present in all the areas of carbonate relict sands situated to the north of the Po River. The benthic fluxes, in these coastal areas, are variable as regards organic matter degradation products and very low or even negative for PO 4, which is removed at depth (Fig. 2). 4. CONCLUSIONS To recapitulate: early diagenesis processes are more intense and involve greater sediment thicknesses near the Po River delta and near the mouths of minor rivers, where sediments are prevalently silico-clastic, deposition is direct, sedimentation rate and primary production are higher in respect to zones off-shore and further south where repeated reworking processes and low sedimentation rate diminish notably the reactivity of the organic matter. North of the Po River delta early diagenesis processes are instead influenced by the prevalent carbonate sediment that limits phosphorus fluxes Km 25Km 50Km 75Km Venezia Chioggia Ravenna Cervia -10 Rimini Type A Type E -20 A 17 B AA7 18 C D-D' Mixed type D and D'? More data needed -40? Civitanova S.Benedetto Giulianova Trieste Pesaro 39 D'? Senigallia 40 D? Ancona Diagenetic environments Type B Type C Type D Type D' AA5 4 AA1 Pescara Ortona Experimental activities? Corer Corer and benthic fluxes Corer and oxygen microprofile Corer, benthic fluxes and oxygen microprofile E?? Ammonia mm * m-2 * d-1 Phosphate mm * m-2 * d-1 Alkalinity meq * m-2 * d AA AA AA AA AA AA AA AA AA A B C D E Fig. 1 Diagenetic environments present on the bottom of the Northern and Central Adriatic Sea. Fig. 2 Calculated (dark) and measured (white) benthic fluxes in different stations of Northern and Central Adriatic Sea. Positive fluxes are outward the sediment. 486

241 REFERENCES Berner R.A Early diagenesis: a theoretical approach. Princeton Univ. Press, N.J.: 241 pp. Frascari F., Bergamini M.C., Marcaccio M., Matteucci G., Spagnoli F., Ravaioli M., Aleffi F., Bonvicini-Pagliai A., Brambati A., Ceradini S., Colantoni P., Giani M. & Scarponi G Progetto PRISMA 1, Sottoprogetto Flussi da e verso i fondali. Relazione Conclusiva. Istituto di Geologia Marina - CNR, Bologna. Relazione finale del progetto PRISMA, fase 1: Contributo della U.O. IGM-CNR: 35 pp. Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

242 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 MARINE PROTECTED SPECIES AND HABITATS OF CONSERVATION INTEREST IN THE GALLINARIA ISLAND (LIGURIAN SEA): A STUDY FOR THE ESTABLISHMENT OF THE MARINE PROTECTED AREA Leonardo TUNESI, Sabrina AGNESI, Taira DI NORA, Andrea MOLINARI, Giulia MO ICRAM, Via di Casalotti, Roma RIASSUNTO Specie ed habitat marini protetti di interesse conservazionistico nelle acque dell Isola Gallinaria (Mar Ligure): uno studio per l istituzione dell area marina protetta Una delle principali finalità delle aree marine protette è la conservazione delle specie protette e minacciate, e degli habitat sensibili; quindi la progettazione di una nuova area protetta richiede la conoscenza puntuale della distribuzione di queste specie e di questi habitat. Il presente lavoro descrive lo studio condotto per valutare la distribuzione di specie protette ed habitat sensibili nelle acque costiere dell Isola Gallinaria, futura area marina protetta nazionale, e il metodo originale messo a punto per identificare le principali categorie di vincoli necessari per la loro salvaguardia. ABSTRACT The conservation of endangered and protected species and sensitive habitats is amongst the primary objectives of Marine Protected Areas (MPAs) whose zoning should be conceived through a process which identifies appropriate protection regimes directed at areas characterised by such species and habitats. The present study, describes the distribution of protected species and sensitive habitats in the coastal waters of the future Italian MPA of the Gallinaria Island and illustrates the method used to identify the main categories of restrictions crucial to respect the specific sensitivities of species and habitats. 1. INTRODUCTION The conservation of threatened and protected species and sensitive habitats is amongst the primary objectives of marine protected areas (MPAs) (Salm et al., 2000; Friedlander et al., 2003), and most of the management of an MPA involves human activities (Kelleher, 1999). The latter generally fall within two categories: those involving extractive use (fishing, amateur collection, etc.), and those involving non- 489

243 extractive use (scuba diving, swimming, nautical activities, etc.). Both categories may induce harmful effects if their activities are not properly managed (Hawkins & Roberts, 1997; Roberts & Hawkins, 2000; Milazzo et al., 2002; Tunesi et al., in press). The zoning of an MPA should therefore be defined on the basis of studies involving human activities and conservation needs (Tunesi et al., 2005) and particularly so in the Mediterranean where human coastal encroachment is high. The feasibility studies for the zoning of future MPAs should clearly identify the areas of highest environmental value, proposing appropriate protection regimes capable of guaranteeing the conservation of critical environmental elements (Salm et al., 2000; Tunesi et al., 2005; 2006). More specifically, the protection regimes need to guarantee species and habitat survival through the identification and limitation of specific access (non-extractive use) and take (extractive use) activities. Furthermore, the specific identification of conservation hot spots allows to identify, from the onset, the sites requiring specific monitoring in order to evaluate the effectiveness of the new MPA, after its institution (Pomeroy et al., 2005). The Italian Central Institute for Marine Research (ICRAM) was commissioned by the Italian Ministry of the Environment to conduct environmental and socio-economic studies for the establishment of the national MPA of the Gallinaria Island (Western Ligurian Sea). The present study describes the field activities carried out to evaluate the distribution of marine protected species and habitats of conservation interest, and the approach applied to identify their specific protection requirements in relation to their sensitivity to human activities. This approach was defined in order to support the zoning of the new MPA. 2. MATERIALS AND METHODS The field activities were focused on the study of the presence and the distribution of marine protected species and habitats of conservation interest. The species considered were those receiving strict protection status according to Directive 79/409/CEE; Law 503, , Directive 92/43 CEE, , Presidential Decree 357, , Law 157, , and Law 175, The marine habitats considered were those identified as determinant by UNEP (1999), which defines them as habitats for which conservation is considered indispensable. The study area encompasses the coastal waters of the Gallinaria island up to 30 meters depth. The island has a sub-triangular shape whose northern tip hosts a small port. The shape of the island allows to identify three main coastal sectors, clearly different both from a geomorphologic point of view and for their oceanographic characteristics. Consequently the sampling activities were planned on the basis of these three coastal sectors (Fig. 1), using an approach commonly applied in the zoning of new MPAs in Italy (Tunesi & Vacchi, 1993; Tunesi & Salvati, 2002): Sector I, between Punta Falconara and the port; Sector II, between the port and Punta Sciusciaù; Sector III, between Punta Sciusciaù and Punta Falconara. Species and habitat distribution in the study area were collected through scuba and snorkelling dives conducted during the summer Eight main radial scuba-diving 490

244 transects, 100 meters long, were carried out replicating those conducted in a previous study (Balduzzi et al., 1994). This allowed to compare the benthic assemblages distribution after a period of more than 10 years. Furthermore, 60 free dive paths, randomly distributed between the 8 radial transects, were generally conducted following the natural contour of the seafloor, parallel to the coast, in the 1-30 meter depth range. The positioning of each transect was obtained through a GPS and using the geographic coordinate datum WGS 84. Snorkelling bouts along the entire island s coast were conducted in order to collect data on the medio-infralittoral algal belt and on the coastal presence of marine birds. Visual censuses were carried out during the scuba and snorkelling bouts in order to collect quali-quantitative data on phyto and zoobenthic species presence in the 5 meter wide strip observed along the course of each dive. Photographic documentation was collected during each transect/path. Fig. 1 - The study area, the three identified coastal sectors (delimited by the dotted lines) and the location of the 8 radial dive transects (full line). The data collected on the distribution of protected species and determinant habitats was stored and analysed through a geographic information system (GIS), 491

245 containing the biocoenotic and bathymetric data. The recorded species were classified according to their vulnerability to activities involving human access and take, on the basis of the criteria described by Tunesi et al. (2006). The vulnerability of the observed determinant habitats to activities involving human access, take and environmental habitat degradation, was identified on the basis of available bibliographic data (Bellan Santini et al., 2002), and successively classified according to the three categories proposed by Tunesi et al. (2006) (PA= threat deriving from human presence/access in the habitat area; PR= threat deriving from take activities conducted in the habitat area, DA = threat derived from environmental degradation insisting on the habitat). The cartographic information on the vulnerability was collated and elaborated so as to yield two thematic maps: sensitivity to human access and sensitivity to take activities Each map shows the areas hosting protected species and determinant habitats, classified according to their vulnerability to human access and to take activities 3. RESULTS The study allowed to record the presence of specimens belonging to 18 marine protected species (Tab. 1; 2 Phanerogams, 1 Rhodophyte, 2 Heterokontophytes, 5 Porifera, 5 Molluscs, 1 Echinoderm, 2 Birds). Seven of these species had previously been recorded in the area (Morri, 1992; ICRAM, 1993; Balduzzi et al., 1994; Bianchi & Morri, 1994), while 11 were observed for the first time in the present study (3 Porifera, 5 Molluscs, 1 Echinoderm, 2 Birds). The highest number of protected species was found in sector III, followed by sector II and I. Eight marine habitats of conservation interest were identified in the study area (Tab. 2; 2 in the Mediolittoral zone, 6 in the Infralittoral zone). These habitats are distributed differently throughout the island s sectors. The majority of habitats was found in sector III (n=6), while sector I and II are each characterised by the presence of fewer habitats (n=3). This distribution implies differences in vulnerability of the different sectors. Sector II in fact is characterised by habitats vulnerable to the DA category (habitat degradation) while sectors III and I host habitats vulnerable to all three categories (PA, PR and DA). Figure 2 illustrates the result of the spatial analysis of the distribution of habitat and species in relation to their sensitivities to human access and take. Although all sectors are characterised by the presence of protected species and determinant habitats (Tab. 1 and 2), figure 2 indicates that sectors I and III are mainly hosting areas sensitive to access and take activities, while sector II is characterised by a small and limited number of sensitive areas. 4. CONCLUSIONS The study confirms the environmental and the conservation importance of the Gallinaria island (Balduzzi et al., 1994) and improves the information on the presence and the distribution of protected species and sensitive habitats in its coastal waters. All sectors of the island host species and habitats worthy of protection and sensitive to 492

246 human access, although the sensitivity of sector II seems to be mainly due to the presence of a short stretch of Litophyllum trottoir. In particular the regulation of activities involving human access could contemplate the following measures: an appropriate management of the diving activities in marine caves and forbidding boat anchoring on Posidonia oceanica as well as trampling and landing on Litophyllum trottoir. Furthermore, sectors I and III are also hosting species sensitive to various take activities requiring the enactment of specific restrictions. In particular, these regulations should contemplate the prohibition to use nets on coralligenous bottoms, the collection of protected marine gastropods and the respect of the prohibition to trawl on depths below 50 meters and in particular on Posidonia oceanica beds. The sensitivity maps created by applying the proposed approach allow to synthesize the information collected on protected species and habitats, thereby visualizing the most vulnerable areas and providing information about the main categories of sensitivity (Tunesi et al., 2006). This methodological approach was envisaged so as to support the zoning process, both in the application of spatial multi-criteria analysis, and to facilitate the meetings with the stakeholders (Villa et al., 2002; Tunesi et al., 2005). At the same time it also provides support in the regulation-making of activities that may threaten species and habitats that are worthy of protection and conservation efforts (Roberts & Hawkins, 2000). Tab. 1 - List of the marine protected species recorded in the Gallinaria Island waters during the ICRAM 2005 research campaign and their distribution in the coastal sectors. Vegetal Invertebrates Vertebrates List of marine protected species Cymodocea nodosa (Ucria) Ascherson Presence in the sectors I II III Posidonia oceanica (L.) Delile Lithophyllum byssoides (Lamouroux) Foslie Cystoseira amentacea Bory var. stricta Montagne Cystoseira zosteroides C. Agardh Aplysina aerophoba Schmidt Aplysina cavernicola Vacelet Axinella polypoides Schmidt Axinella cannabina (Esper) Schmidt, 1862 Sarcotragus foetidus Schmidt, 1862 Erosaria spurca (L.) Luria lurida (L.) Patella ferruginea Gmelin Pinna nobilis L. Lithophaga lithophaga Linnaeus,, 1758 Ophidiaster ophidianus (Lamarck) Phalacrocorax aristotelis (Linnaeus, 1761) Somateria mollissima (Linnaeus, 1758) 493

247 The method thereby provides decision makers with a support tool capable of indicating the activities that should be appropriately conducted or avoided in the future establishment of the MPA, on the basis of the specific sensitivities of those species and habitats that are present in the various sectors composing the new MPA. Tab. 2 - List of the determinant habitats, their vulnerability to the threat categories according Tunesi et al. (2006), and their distribution in the coastal sectors. Habitat name Association with Lithophyllum byssoides: Lithophylletum byssoidis Giaccone 1993 Habitat code (UNEP, 1996) II Threat category (in capital letters)and typology of activity PA: trampling; DA: increase in sediment suspension, hydrocarbon pollution, urban and industrial pollution Biocenosis of mediolittoral caves II PA: access by bathers; DA: reduction in chemical-physical water quality Posidonia oceanica meadows III.5.1 PR: trawling; PA: anchoring; (= Association with P. oceanica), DA: increase in sediment suspension Molinier 1958 Association with Sargassum vulgare: Sargassetum vulgaris Mayhoub 1976 Association with Cystoseira compressa: Cystoseiretum crinitae Molinier 1958 subass. Cystoseiretosum compressae Molinier 1958 Association with Cystoseira amentacea: Cystoseiretum strictae Molinier 1958 Facies of the coralligenous biocoenoses: Facies with Eunicella singularis Caves and ducts in total darkness (biocenoses that are present in enclave at superior levels such as the infra and circalittoral) III DA: increase in sediment suspension, hydrocarbon pollution, reduction in salinity due to freshwater input, introduction of alien species Presence in the sectors I II III III DA: urban and industrial pollution III IV V.3.2 DA: agricultural, urban and industrial pollution PR: physical damage by contact with set nets, use of illegal fishing methods such as explosives; DA: increase in water temperature PA: access by divers; DA: reduction in chemical-physical water quality 494

248 a) b) Fig. 2 - Map of the areas sensitive to human access (a) and map of the areas sensitive to take activities (b). Key: Physical damage due to human presence; Physical damage due to anchoring; Disturbance from recreational activities; Trawling Static nets; Amateur fishing for recreational/consumption purposes; Collection. 495

249 ACKNOWLEDGMENTS The authors wish to express their gratitude to Vincenzo Di Martino (CNR Taranto, Italia), Simone Bava and Luisa Mangialajo (Dip.Te.Ris. - Università di Genova, Italia) for their participation to the field activities. REFERENCES Balduzzi A., Bianchi C.N., Cattaneo-Vietti R., Cerrano C., Cocito S., Cotta S., Diviacco G., Degl'Innocenti F., Morgigni M., Morri C., Pansini M., Salvatori L., Senes L., Sgorbini S. & Tunesi L Primi lineamenti di bionomia bentica dell'isola Gallinaria (Mar Ligure). Atti X Congr. A.I.O.L.: Bellan-Santini D., Bellan G., Bitar G., Harmelin J.G. & Pergent G Handbook for interpreting types of marine habitat for the selection of sites to be included in the national inventories of natural sites of conservation interest. Technical Report UNEP/ Action Plan for the Mediterranean/Regional Activity Centre for Specially Protected Areas: 217 pp. Bianchi C.N. & Morri C Studio bionomico comparativo di alcune grotte marine sommerse: definizione di una scala di confinamento. In: Alvisi M., Colantoni P. & P. Forti (Eds), Atti del Convegno Speleomar 91 (Palinuro-SA), Mem. Ist. Ital. Speleol., 6(2): Friedlander A., Sladek Nowlis J., Sanchez J.A., Appledoorn R., Usseglio P., McCormick C., Bejarano S. & Mitchell-Chui A Designing effective marine protected areas in Seaflower Biosphere Reserve, Colombia, based on biological and sociological information. Conservation Biology, 17(6): Hawkins J.P. & Roberts C.M Estimating the carrying capacity of coral reefs for scuba diving. Proceedings of the 8 th International Coral Reef Symposium, Panama, 2: Kelleher G Guidelines for Marine Protected Areas. IUCN, Gland, Switzerland and Cambridge, UK. xxiv +107 pp. Milazzo M., Chemello R., Badalamenti F., Camarda R. & Riggio S The Impact of Human Recreational Activities in Marine Protected Areas: What Lessons Should Be Learnt in the Mediterranean Sea? P.S.Z.N.: Marine Ecology, 23(S1): Morri C Cnidiari Antozoi delle isole Gallinaria e Bergeggi (Mar Ligure). Istit. Zool. Univ.Genova: Pomeroy R.S., Watson L.M., Parks J.E. & Cid G.A How is your MPA doing? A methodology for evaluating the management effectiveness of marine protected areas. Ocean & Coastal Management, 48: Roberts C.M. & Hawkins J.P Fully-protected marine reserves: a guide. WWF Endangered Seas Campaign, th Street, NW, Washington, DC 20037, USA and Environment Department, University of York, York, YO10 5DD, UK: 133 pp. 496

250 Salm R.V., J.R. Clark & Siirila E Marine and coastal Protected Areas: A guide for planners and managers. IUCN, Washington DC: 371 pp. Tunesi L. & Vacchi M Indagini visuali in immersione nell'area marina di Portofino: applicazione di un metodo per lo studio dei popolamenti ittici. Biologia Marina, suppl. Notiz. SIBM, 1: Tunesi L. & Salvati E Study of the coastal ichtyofauna of the Archipelago of La Maddalena to support the zoning of the Marine Protected Area. Biol. Mar. Medit., 9(1): Tunesi L., Agnesi S., Di Nora T. & Mo G A GIS Based Decision-Support Tool for Zoning Italian Marine Protected Areas. IMPAC 1 Geelong Australia 2005 IMPAC 1 program and abstracts book: 108 pp. Tunesi L., Agnesi S., Di Nora T. (in press). La gestione del turismo subacqueo nelle aree marine protette: gli elementi prioritari. Atti Workshop Internazionale Le attività subacquee nelle Aree Marine Protette e gli impatti sull ambiente: esperienze mediterranee a confronto, 2005, Roma. Tunesi L., Agnesi S., Clò S., Di Nora T. & Mo G La vulnerabilità delle specie protette ai fini della conservazione. Biol. Mar. Medit., 13(1): UNEP Critères d évaluation de l intérêt pour la conservation des types d habitats marins Méditerranéens et tentative de classement. Quatrième réunion des Points Focaux Nationaux pour les ASP. Tunis, Avril UNEP(OCA)/MED WG.154/7: 7 pp. Villa F., Tunesi L. & Agardy T Optimal zoning of marine protected areas through spatial multiple criteria analysis: the case of the Asinara Island National Marine Reserve of Italy. Conservation Biology, 16(2): Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

251 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio 2008 SEASONAL FLUCTUATION OF THE TOXIC CYANOBACTERIUM PLANKTOTHRIX RUBESCENS AND RELATIONSHIP WITH PHYSICAL- CHEMICAL AND BIOLOGICAL DESCRIPTORS IN THE SHALLOW LAKE SAN PUOTO (CENTRAL ITALY) Emanuela VIAGGIU 1, Tommaso RUSSO 1, Ilen BIANCO 2, Maria CORTESE 2, Ennio ZAOTTINI 2, Patrizia ALBERTANO 1 1 Università di Roma Tor Vergata, Dipartimento di Biologia Roma 2 ARPA Lazio, Sezione Provinciale di Latina RIASSUNTO Variazioni stagionali del cianobatterio tossico Planktothrix rubescens e sue relazioni con i descrittori biologici e chimico-fisici nel lago San Puoto (Italia centrale) Sulla base dei dati raccolti nel corso di uno studio quadriennale condotto sul Lago S. Puoto, per determinare le dinamiche stagionali del cianobatterio tossico Planktothrix rubescens (DC ex Gom.) Anagn. et Kom., i complessi andamenti dei descrittori abiotici sono stati analizzati mediante l applicazione di Kohonen's Self-organizing maps (SOMs) per determinare e identificare le corrispondenze tra la presenza di P. rubescens e specifiche condizioni ambientali. Dall elaborazione della SOMs è risultato che la massima abbondanza di P. rubescens era da mettere in relazione con la contemporanea presenza di alti valori di ossigeno, salinità e azoto inorganico disciolto e ridotti valori di fosforo inorganico disciolto e temperatura. ABSTRACT On the basis of a four years study conducted to determine the seasonal dynamics of the toxic cyanobacterium Planktothrix rubescens (DC ex Gom.) Anagn. et Kom. in Lake S. Puoto, analyses of the complex pattern of abiotic descriptors were carried out using a Kohonen's Self-organizing maps (SOMs) to detect and identify the correspondences between the presence of P. rubescens and specific environmental conditions. The result of SOM s elaboration showed that the most influential variables related to P. rubescens waterbloom were the simultaneous occurrence of high values of O 2, salinity and dissolved inorganic nitrogen and low values of dissolved inorganic phosphorus and temperature. 499

252 1. INTRODUCTION As several other coastal basin, the Lake San Puoto (Latina, Italy) has been repeatedly interested by phytoplankton waterblooms and, in particular, by the development of the filamentous toxic cyanobacterium Planktothrix rubescens. Despite their importance, the environmental conditions affecting this phenomenon were not still clarified. In this way, a kind of artificial neural networks known as Kohonen s Selforganizing maps (SOMs) was to analyse the environmental pattern affecting the development of P. rubescens in this lake. The method has proved to be useful in pattern recognition and classification across many scientific fields (Kohonen, 1984; 1997; Dayhoff, 1990; Walley & O Connor, 2001; Tison et al., 2005). SOMs are particularly suited to the identification of characteristic patterns of continuous and dynamic processes in complex datasets containing high temporal variability, allowing the visualization of a meaningful two- or three-dimensional model of the input dataset and of the superimposition of all secondary variables (i.e. cyanobacterium presence; Park et al., 2003). In the present study, SOMs were applied to ascertain if suitable for the identification of characteristic Planktothrix patterns as previously reported for other biological systems in complex dataset containing high spatial and temporal variability, both in marine and in freshwater environment (Gevrey et al., 2004). 2. MATERIALS AND METHODS Lake San Puoto is located in the province of Latina, western-central Italy, very close to the Tyrrhenian Sea, to which it is connected by a river through the brackish Lake Lungo. The basin has km 2 surface area and irregular shape, it has maximum depth of 34 m with an average depth of 19 m. During the Regional Environmental Protection Agency of the Latium Region (ARPALazio) conducted a monthly sampling at two stations, situated in the centre (st. 1) and at the shallow shore of the lake (st. 2). Samples were collected using glass bottles at st. 2 and 2.5 L Niskin bottle at st. 1 at 0, - 5 and -30 m depth. A vertically drawn 20 µm net was used to collect additional material for qualitative analyses. The lake water was stored in ice chest and used for chemical analyses and phytoplankton counting. In situ temperature (T C), dissolved oxygen (% O 2 ), and salinity (g l -1 ) were measured using a YSI 550A and WTW 330i probe. Secchi disk was used for light transparency (m) and ph was recorded with a WTW330 phmeter. Chlorophyll a (Chl a µg l -1 ) was determined in laboratory according to APAT IRSA-CNR 29/ Orthophosphate (PO 4 2- µm l -1 ), total phosphorus (Ptot µm l -1 ), ammonium (NH 4 + µm l -1 ), nitrate (NO 3 - µm l -1 ), and nitrite (NO 2 2- µm l -1 ) concentrations were determined as described by APAT IRSA-CNR 29/ and APAT IRSA-CNR 29/ , 4040, A set of lake water subsamples was preserved in 1 % Lugol s solution and observed with an inverted microscope using 25 ml sedimentation chambers for phytoplankton identification and density estimation according to Utermöhl (1958). 500

253 The SOM mapping was carried out using 7 descriptors: temperature, ph, dissolved oxygen, salinity, chlorophyll a, dissolved inorganic phosphorus (DIP as sum of orthophosphate and total phosphorus), dissolved inorganic nitrogen (DIN as sum of nitrogen compounds). The data were log-transformed and the Camberra distance was used. The virtual units (VUs) were computed in order to put the sample units (that is the values of each sample and constituted the input layer) on the map and preserve the neighbourhood, so that similar conditions should map close together on the grid. On the contrary, the P. rubescens data were not included in the training of SOM, which simply resulted as a generalized model of the variability of environmental conditions in the lake. Instead, the plotting of the P. rubescens abundance on the map was done subsequently in order to search the correspondences between environmental conditions and P. rubescens presence. 3. RESULTS The temperature profiles, at st. 1, showed similar seasonal variations during the period (Fig. 1). The highest values were registered for each summer at the surface (up to 29.5 C in June 2005) at both st. 1 and st. 2. During summer 2003 and 2005 a subsurface stratification was observed below 5 m depth where the temperature values were similar to those recorded at -30 m depth. All the chemical data (not shown) measured at the surface in st. 1, the centre lake, showed a similar trend to those recorded at the shore site, st. 2. The highest values of dissolved oxygen were reached at 0 and -5 m depth with an average of 120 and 121 % in 2002 and 117 and 84 % in 2003, while the values decreased at 26 % in 2002 and 38 % in 2003 at -30 m. The values remain near or above the equilibrium (in average %) in 2004 and 2005 at the surface, while the lowest values, 6-8 %, were recorded at -30 m. Maxima of salinity concentration were recorded throughout the water column in 2002 (annual average 1.8 g l -1 ). From 2003 onward, salinity yearly decreased from 1 to 0.6 and 0.5 g l -1 (annual average) from the surface to -30 m depth. Seasonal trends for DIN compounds were observed with an increase of the values at 0 and -5 m during winter-spring period each year, while at 30 m depth the values were always higher. In January-February and September-December 2002, no phosphorus compounds were detectable at the surface, while in September and in October 2003 peak values of DIP were measured at 0 m with 24.9 and 29.3 µm l -1 and at -5 m with 34.1 and 32.4 µm l -1. The highest value of DIP was detected in December 2004 with 25.9 µm l -1 and in September 2005 with 36.5 µm l -1 at -30 m. In 2002, the vertical distribution trend of P. rubescens showed a seasonal fluctuation with a major biomass abundance at the surface in autumn-winter, while in spring-summer period the cyanobacterium biomass was mostly present at -30 m depth. Maximum abundances of P. rubescens cells were detected at st.1 in February 2002 at -5 m depth with 28150x10 3 cell l -1, and at st.2 with 11406x10 3 cell l

254 C Temperature m 5m 0m Jan-02 Apr-02 Jul-02 Oct-02 Jan-03 Apr-03 Jul-03 Oct-03 Jan-04 Apr-04 Jul-04 Oct-04 Jan-05 Apr-05 Jul-05 Oct-05 Fig. 1 - Temperature profiles at 0, -5 and -30 m depth in the period January December In 2003, maximum abundance was recorded at -5 in April with 17500x10 3 cell l -1, while at -30 m depth between August and October P. rubescens was present with 138x10 3 cell l -1 on average. In the two last years, P. rubescens biomass decreased drastically and in 2005 disappeared from the lake. The comparative analysis of outputs by SOM s elaboration leaded to the identification of some environmental conditions related to the occurrence of P. rubescens blooms. The presence of P. rubescens seemed to be related to high values of O 2, salinity and DIN (i.e. high values of ratio N/P) and low values of DIP and temperature, these conditions should occur at the same time. 4. DISCUSSION The descriptive approach evidenced a seasonal fluctuation of the P. rubescens population within the water column in This fluctuation firstly leaded to temperature and nitrogen availability observed in the same year. In the same way, a seasonal distribution in the water column was observed from January 2001 to July 2002, with a major presence of P. rubescens at the surface in winter and in summer at metalimnion-hypolimnion layer with a deep stratification (Albertano et al., 2004). On the contrary, the use of SOM allowed the detection of a well defined sequence of temporal-recursive environmental conditions occurring in the lake. The trained SOM classified samples according to the fluctuations of abiotic descriptors thorough a seasonal trend for the whole period When the presence of P. rubescens was superimposed, it closely matched with several adjacent units of the SOM. This allowed the linkage between the presence of the cyanobacterium and low DIP and temperature values, and high oxygen, DIN and salinity concentration. Although the model could not explain the dynamic process underpinning the cyanobacterial bloom, it allowed to identify a well defined environmental condition that closely corresponded to the presence of P. rubescens. In this way, we used this tool in order to detect and identify 502

255 the correspondences between the presence of P. rubescens at the bloom event and specific environmental conditions. However, a better knowledge of the hydrodynamism of the lake and the use of a continuous monitoring system would be necessary to provide more data to elaborate a predictive model. BIBLIOGRAPHY Albertano P., Viaggiu E., Calvanella S., Mattioli P., Melchiorre S. & Bruno M Occurrence of the toxic cyanobacterium Planktothrix rubescens in the volcanic Lake Albano (Central Italy). In: Andreani P. (Ed.), Proc. Int. Conf. on Residence times in lakes: science, management, education. Ambrosini, Acquapendente (VT): APAT IRSA-CNR, Metodi Analitici per le Acque, Volume 2 sezioni 4030, 4040, 4050, 4110, Volume 3 sezione Dayhoff J Neural Network Architectures, An Introduction. Van Nostrand Reinhold, New York. Gevrey M., Rimet F., Park Y.-S., Giraudel J.-L., Ector L. & Lek S Water quality assessment using diatom assemblages and advanced modelling techniques. Freshwater Biology, 49: Kohonen T Self-Organization and associative memory. Berlin, Springer Verlag. Kohonen T Self-organizing maps. Berlin, Springer Verlag. Park Y.-S., Céréghino R., Compin A. & Lek S Applications of artificial neural networks for patterning and predicting aquatic insect species richness in running waters. Ecological modelling, 160: Tison J., Park Y.-S, Coste M., Wasson J.G., Ector L., Rimet F. & Delmas F Typology of diatom communities and the influence of hydro-ecoregions: A study on the French hydrosystem scale. Water Research, 39: Utermöhl H Zur Velvollkommung der quantitativen Phytoplankton-Methodik. Mitt. Int. Ver. Theor. Angew. Limnol., 9: Walley W.J. & O Connor M.A Unsupervised pattern recognition for the interpretation of ecological data. Ecological Modelling, 146: Lavoro presentato al XVII Congresso dell Associazione Italiana di Oceanologia e Limnologia Napoli, 3-7 luglio

256 Atti Associazione Italiana Oceanologia Limnologia, 19, pp , luglio , THE WARMEST YEAR OF THE LAST HUNDRED YEARS: IMPLICATIONS FOR LAKE MAGGIORE S ZOOPLANKTONIC CLADOCERAN COMMUNITY Anna VISCONTI, Alice MARCHITELLI, Riccardo DE BERNARDI, Marina MANCA C.N.R. Istituto per lo Studio degli Ecosistemi, Largo Tonolli, Verbania Pallanza RIASSUNTO Anno 2003, il più caldo dell'ultimo secolo: quali implicazioni per lo zooplancton del Lago Maggiore? A seguito dell avvenuta ri-oligotrofizzazione, lo zooplancton del Lago Maggiore appare caratterizzato da una marcata variabilità interannuale sia in termini di densità di popolazione che di biomassa e da situazioni che sembrano raffrontabili a quanto veniva registrato negli anni della sua eutrofizzazione. Tale variabilità sembra correlabile a condizioni meteo-climatiche, in accordo con l ipotesi secondo la quale gli effetti dei fattori fisici risulterebbero più evidenti in ambienti a bassa produttività rispetto ad ambienti più produttivi. Il verificarsi di anni eccezionali dal punto di vista meteo-climatico consente di studiare le possibili conseguenze delle variabili fisiche sul popolamento zooplanctonico. L anno 2003, è stato uno di questi anni straordinari, risultando il più caldo dell ultimo secolo, con un più precoce e pronunciato riscaldamento dello strato d acqua campionato. L analisi del popolamento zooplanctonico nel corso di quest anno fornisce una buona occasione per studiare, a livello locale, le ipotesi secondo le quali il Global Warming mimerebbe gli effetti dell eutrofizzazione. La disponibilità di dati storici sullo zooplancton ci permette di comparare i valori annuali del 2003 sia con quelli degli anni del periodo recente sia con quelli dell anno 1982, rappresentativo del periodo mesotrofo. ABSTRACT Following re-oligotrophication, the zooplankton of Lake Maggiore appears to be characterized by high interannual variability in population density and biomass, which seems to be mainly related to meteo-climatic conditions. This variability tends to be particularly evident in oligotrophic environments. Years with unusual climatic conditions permit us to study the response of pelagic zooplankton to meteo-climatic drivers. The year 2003 was the warmest in the last hundred years, characterized by earlier water heating and higher temperatures. Therefore, it provided an opportunity for 505

257 testing, on a local basis, the hypothesis that global warming will have effects similar to those produced by eutrophication. The availability of zooplankton data from both the eutrophic and the oligotrophic periods of the lake s history allowed us to compare the values from 2003 with those from recent years, as well as with values from 1982, a year considered to be representative of the mesotrophic period 1. INTRODUCTION Global increases in temperature are steadily warming the Earth. Many regionalscale studies, using a variety of approaches, have been made in an attempt to analyze the responses of different ecosystems to this warming trend and to predict future effects. In particular, the response of lakes to climate change deserves further investigation, as we are far from understanding the potential effects of global warming and climate change on the different components of lake biota (De Stasio et al., 1996). In deep lakes, a heating of the upper part of the water column, i.e. of those water layers in which production takes place, influences the seasonal dynamics and structure of planktonic communities also enhancing the efficiency of pelagic food webs (de Bernardi & Yøergensen, 1998). A climatic memory of the heat accumulated is also retained in deep water layers, giving the system a certain resilience in its response to changes in temperature and in thermal stratification (Ambrosetti & Barbanti, 1999). Planktonic crustaceans, particularly cladocerans, are highly sensitive to environmental change (Hall & Burns, 2002); variations in the physical environment, particularly in water temperature, affect the structure of their communities by modifying survival, growth and reproduction rates (Hall & Burns, 2002). The occurrence of exceptional meteorological years offers an opportunity to investigate the effect of climate drivers on lacustrine zooplankton communities. Such years provide an occasion to use field studies as in situ quasi-experiments (sensu Edmondson, 1993), which can provide evidence of the influence of physical variables on zooplankton biomass and population density. In the present study, we analyzed the community structure and seasonal dynamics of Lake Maggiore s planktonic cladocera during 2003, as this year was, regionally, the warmest of the last hundred years. Data from this exceptional year were compared with data from the recent past, after the lake s full recovery from eutrophication. The availability of data from a year representative of the mesotrophic situation (1982) allowed us to compare the effects of warming with those of eutrophication. According to Schindler (2001), warming would have effects on aquatic ecosystems comparable to the effects of eutrophication. We also expected to observe a clearer response to warming in present-day oligotrophic conditions as opposed to the mesotrophic conditions of the past, as the effects of climate become more evident when trophy is low (Manca et al. 2003; Manca et al., 2006). In particular, we expected to detect an increased standing stock biomass of cladocerans, and of Daphnia in particular, together with a reduced abundance of the rotifer Conochilus hippocrepis. This competitor of Daphnia became dominant as 506

258 Daphnia declined during the re-oligotrophication phase (Manca et al., 1994; Manca & Sonvico 1996). 2. MATERIALS AND METHODS For our analyses, we used the data collected over the course of long-term zooplankton monitoring in Lake Maggiore. Samples were collected from a station (Ghiffa) at the point of maximum depth (370 m). This station represents the pelagic zone of the lake (de Bernardi, 1984). A Clarke-Bumpus plankton-sampler with a 76 µm nylon net was towed at a depth between 0 and 50 m, from a boat travelling at a steady speed of 0.6 m sec -1. At least 1000 litres of lake water were filtered for each sample. The samples were fixed in 95 % ethanol, to avoid ballooning and egg loss. Samples were collected monthly over the autumn-winter period and weekly over spring and summer. In the laboratory, the organisms were identified, counted and measured, to permit an analysis of zooplankton community structure, population density (ind m -3 ) and standing stock biomass (dry weight, mg m -3 ). Biomass was calculated on the basis of length/weight regression equations reported in the literature (Mac Cauley 1984, Manca & Comoli, 2000). In particular, Daphnia body size (200 individuals/sample, measured from the top of the head to the base of the carapace spine) was used to distinguish between adults and young. The body length of the smallest ovigerous female in each sample was used as the threshold for adult identification. An estimate of fecundity (F) was defined as the ratio between the number of eggs (E) and the number of adults N ad (F = E/N ad ). Because this value depends on the availability of food (de Bernardi, 1974; Lampert, 1988), it can be used as an in situ measure of nutritive status (Manca et al., 1994). Differences in food levels result in a different allocation of energy and matter for egg production (Manca & de Bernardi, 1987), which in turn affects population density (de Bernardi, 1974). 3. RESULTS Water temperatures recorded between March and October 2003 in the upper 50 m of the water column, i.e. within the layer in which most zooplanktonic organisms live, were generally higher than in the same period of That year was considered to be representative of the period (Manca et al., 2003). Water temperatures were measured with the same frequency in 2001 as they were in Maximum values of 2003 were clearly greater, up to 5 C higher in July and 4 C in August, than in 2001 (Fig. 1). Water heating also began earlier (in early April) than it did in 2001 (in late April). The mean annual biomass of the three groups (Cladocera, Rotifera, and Copepoda) composing the Lake Maggiore mesozooplankton community attained higher values in 2003 then it did in The difference was especially striking for the cladocerans; in fact, the 2003 values were nearly double the values for 2001 (Fig. 2A). 507

259 The mean annual population density of cladocerans also doubled in 2003, as compared to the density found in the previous three years (Fig. 2B) mean mean 2003 max 2003 mean 2001 max 2001 mean 1982 T ( C) JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC Fig. 1 - Seasonal changes in water temperature in the upper 50 m of Lake Maggiore: comparison with 2001 used as a reference year, with the historical data of the period and with those of 1982, the year of Daphnia historical maximum. This increase could be attributed almost entirely to Daphnia hyalina-galeata, which in 2003 attained a mean annual population density three times higher than that of This density is fully comparable with the values recorded in 1982, when population density reached its absolute maximum since 1978 (the earliest year from which comparable historical data is available) (Fig. 3A). After a sharp decrease during the re-oligotrophication of the lake, Daphnia population densities have displayed an increasing trend since 2000 (Fig. 3A and 3B). However, the values for 2003 are too high (particularly as concerns the maximum attained) to be explained solely as a result of this trend. The density value of approximately 12 ind l -1 recorded in 2003 is three times higher than that of 2001 (4 ind l -1 ) and equal to the value recorded in 1982 (12 ind l -1 ; Fig. 3B). The peak is mainly due to an increase in the abundance of young, which, in turn, results from a doubling in F values in 2003, as compared to 2001 (Marchitelli, 2003). The increase in Daphnia population density was accompanied by a decrease in the abundance of rotifers, whose mean population density in 2003 was approximately half the level attained in The difference can be attributed entirely to changes in the population density of Conochilus unicornis-hippocrepis, the colonial rotifer that competes with Daphnia for food resources. During the lake re-oligotrophication process, the population density of this rotifer increased, reaching a maximum in 1996, 508

260 when Daphnia density was at its historical minimum (Manca & Sonvico, 1996; Manca et al., 2000) Copepods Cladocerans Rotifers A 20 mg m % Rotifers Cladocerans Copepods B 50% 0% Fig. 2 - A) Mean annual biomass of the different zooplanktonic groups: comparison between 2001 and B) Relative contribution of Cladocera to mean annual population density of zooplankton in 2003 and in the three previous years. 509

261 Bosmina Diaphanosoma Daphnia A ind m peak population density B ind m Fig. 3 - A) Mean annual population density of herbivorous zooplanktonic Cladocera in the period , and comparison with the year 1982, indicative of the mesotrophic period. B) Maximum Daphnia population density attained between 2000 and 2003 and in 1982, the year of its absolute maximum since

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