La formazione di mucillagini nel mare Adriatico

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1 La formazione di mucillagini nel mare Adriatico Michele Giani Istituto Centrale per la Ricerca scientifica e tecnologica Applicata al Mare Chioggia Condivisione delle conoscenze e sviluppo di sistemi informativi e di monitoraggio per la fascia marino costiera e la pianificazione di bacino del fiume Po Venezia 5 maggio

2 fine ottobre Elba Diffusione delle mucillagini pelagiche da sud verso nord nel Mar Tirreno nel Giglio Giannutri da metà ottobre P.Circeo Gaeta Procida Ischia dai primi di ottobre Mare Tirreno P. Licosa C. Palinuro da metà settembre Cetraro ai primi di ottobre I. delle Femmine C.d'Orlando Eolie V.Valentia Ischia, Ottobre Aggregati pelagici depositati su colonie di Eunicella sp. Immagine Landsat-5 dell Alto Adriatico del //

3 5 Latitude N! """ 5 Longitude E Nord Adriatico Immagine SPOT pancromatica del // Sono riquadrate alcune aree con sospetta presenza di mucillagini A destra, la penisola dell Istria giugno MAT TH stazione BC: nubi del diametro di 5 m a - 5m

4 Delta del Po Delta del Po 5 Ago. Ago. Immagini MODIS a 5 m di risoluzione. Dati originali non elaborati. Evidenti i filamenti bianchi sotto il Delta del Po. Elaborazioni F. Vescovi Servizio Meteorologico Regionale Arpa Emilia Romagna Immagini MODIS RGB,,. Dati originali a 5 m di risoluzione A Lug. A B Falsi fondi ed affioramenti Profondità / m Profondità / m Transetto Avi, Chioggia - offshore, //. ; ;; ;; ;; ;; ;; ; ;. 5 ;,, ; ;.5 Transetto Avi, Chioggia - offshore, 8// n.d. ;,. Longitudine E n.d. n.d...8 Transetto Bvi, Po di Levante - offshore, // 5 ; ;,.5 Transetto Bvi, Po di Levante - offshore, 8// ; ; ; ; ; Lug. ; ; 5 ;8 ; 5; 8.5 Longitudine E B 5; ; ; ; 8 ;5 8.5 ;;, 8.85 Salinità Lug. Longitudine E Longitudine E Elaborazion F. Vescovi SMR Arpa Emilia Romagna Chiazze di strato cremoso, 8 miglia a E dal Po di Levante Falso fondo rilevato miglia a E dalla foce del Brenta

5 9- giugno giugno - 9 luglio???? Affioramenti Affioramenti con presenza di reticoli e nastri nella colonna? Immagine MODIS del giugno ore : elaborazione RGB - particolare Adriatico Centrale Telespazio Filamenti di notevole estensione lungo la costa a sud delle Marche, tra Ancona e S.Benedetto del Tronto 5

6 Immagine MODIS del luglio ore : elaborazione RGB - particolare dell Alto Adriatico Telespazio Fioriture estese e filamenti irregolarmente diffusi nel golfo di Venezia Di cosa sono costituiti gli aggregati? La frazione organica negli aggregati adriatici costituisce circa il 5% del peso secco degli aggregati e la restante parte è costituita dalla frazione inorganica. La frazione organica è costituita da proteine, carboidrati e da sostanze umiche per il 9%, % e 5%, rispettivamente. L analisi elementale assieme alle analisi spettroscopiche IR, NMR, UV VIS sia sul aggregati tal quali che sulle frazioni umiche indicano che le mucillagini pelagici hanno un origine marina planctonica. Non trova riscontro un ruolo importante delle zeoliti o di sostanze organiche di origine terrestre nella loro formazione. Gli aggregati risultano estremamente impoveriti di P nella frazione solida. Gli aggregati concentrano la sostanza organica fino a volte rispetto all acqua circostante. Negli aggregati avvengo trasformazioni legate all invecchiamento dell aggregato e l origine delle frazioni umiche potrebbe essere il risultato di una intensa attività batterica di degradazione-trasformazione dei componenti biochimici principali della sostanza organica.

7 Chi sono i produttori della sostanza organica che costituisce le mucillagini pelagiche? Dinoflagellate: Gonyaulax fragilis In decomposizione Diatomee Cylindrotheca closterium Skeletonema costatum

8 Distribuzione degli aggregati nei vari tipi di acque adriatiche Acque sovrassature di ossigeno Acque meridionali ad alta salinità (casi di acque sature di O ) Nastri 8 numero di casi Ragnatele Nubi Falso Fondo S<=, Osat>=5% S<=, Osat<% S>, Osat<=85% S>=8., Osat<85%,gt>9..5<=S<8., Osat>=5% gt>=9., Osat>85% Il ruolo della sostanza organica disciolta e particellata Gli aggregati di grandi dimensioni si formano prevalentemente in zone di marcata stratificazione nei fronti tra le acque diluite e quelle ad elevata salinità. Ragnatele, le nubi ed i nastri si possono formare in acque ad elevata salinità accumulandosi anche in corrispondenza di gradienti termoalini non molto marcati Nel periodo tardo primaverile invernale del si sono verificati nelle acque sovrassature a bassa salinità incrementi significativi e ben più elevati che negli anni precedenti di aggregati visibili di piccole dimensioni, di POC, TEP, PCHO, DOC in particolare nelle acque diluite sovrassature. Nel il carbonio organico disciolto ha presentato variazioni con accumuli nel periodo invernale/primaverile che nelle acque superficiali sono stati superiori rispetto ad anni precedenti in cui non si erano verificate mucillagini. La maggior parte della sostanza organica è prodotta e si concentra nello strato superficiale (- m) direttamente sottoposto all influenza degli apporti del fiume Po ed è questo strato il più rilevante per i processi di aggregazione. Gli aggregati concentrano la sostanza organica rispetto all acqua circostante riducendo la quantità di particellato sospeso e modificando la partizione tra fase disciolta e particellata 8

9 Particelle trasparenti esopolimeriche TEP variazioni temporali lungo il transetto A a differenti profondità superficie c(tep) / µg L - A 85 A9 A A5 A 5 - m A 5 5 A m c(tep) / µg L - Lat N B m m 9 C 8 Mare Adriatico A A9 A A5 A 85 5 misure CTD A 5 misure idrologiche 5 Long. E giu lug ago set ott nov dic gen feb mar ap r mag giu lug ago set ott nov dic gen feb mar ap r mag giu lug ago set ott nov dic gen feb mar ap r mag giu lug 999 Processi di aggregazione della sostanza organica - µm Fitoplancton Batteri. - µm Sostanze colloidali (esopolimeri extracellulari, polisaccaridi strutturali) <. µm - µm TEP gel >.5 - > mm macroaggregati falso fondo nubi concentrazione, ph, variazioni forza ionica, natura polielettroliti, concentrazione Ca +, Mg + 9

10 La circolazione e le condizioni oceanografiche Eventi di mucillagini del e del in coincidenza di una presenza in inverno di acque di salinità eccezionalmente elevata, di un abbondante presenza negli strati di fondo di acque di temperatura minima ed elevata salinità e, quindi, ad alta densità ( 9. kg m - ); Temperature superficiali erano particolarmente elevate in primavera, mentre nello stesso periodo, come anche in estate, era praticamente assente la Corrente Costiera Adriatica Occidentale (diretta verso sud). Formazione della Controcorrente Costiera Istriana, particolarmente intensa nel. Tale controcorrente si era formata anche in passato in corrispondenza di eventi di mucillagini (988, 989, 99, 99) o anossie su scala di bacino (9, 989). I trasporti netti d acqua, di ortofostati e ortosilicati (attraverso il transetto C) erano in quelle condizioni oceanografiche deboli o diretti per nordovest durante il periodo compreso tra primavera e inizio estate. Nel periodo di maggiore insorgenza delle mucillagini (988-), rispetto ai decenni precedenti, si è avuto un aumento medio della temperatura e salinità superficiale, particolarmente in primavera ed estate. Variazioni della temperatura dell aria nel bacino padano (Emilia Romagna) E m i l i a - R o m a g n a Temperature change ( C) N o r m a l m e a n S m o o t h e d Fonte: Deserti, Arpa Emilia Romagna

11 Tendenza all aumento delle temperature superficiali rilevata anche Dalle misure AVHRR di temperatura superficiale (relativi a TUTTO Il bacino Adriatico) Y =. * X +.58; P <. 8 June: y =. X +.599; P <. July: y =.8 X +.; P <. August: y =. X +.85; P <. 5 Temperature [ deg C ] Temperature [ deg C ] Year Year Medie mensili Mesi estivi Fonte: Barale, JRC Ispra Winter Spring km - - Anomalie stagionali della temperatura superficiale Generale tendenza all aumento delle Temperature Superficiali.. km Summer Fonte: Russo Università di Ancona km Autumn km km km

12 Temperatura dell aria e NAO Andamento dell anomalia di temperatura media primaverile posto a confronto con l anomalia invernale dell indice NAO e con gli episodi di mucillagine verificatisi in periodo estivo. Viene riportata anche la media mobile della variabile meteorologica calcolata su anni (in blu per il data set CNR, in arancio per il data set synop). I circoli evidenziano i cluster di eventi di mucillaggine e le linee sovrapposte schematizzano i periodi di trend positivo. anomalia anomalia Anomalia temperatura primaverile,5,5, ,5 - -,5 - Anni Anomalia invernale della NAO ed eventi di mucillaggine anni I fattori climatologici l verificarsi degli eventi mucillaginosi in Adriatico è ben correlato con le variazioni climatiche sul lungo periodo (decennali) e su ampia scala (continentale), più che alla variabilità interannuale delle condizioni meteorologiche locali. Le migliori evidenze sono legate alla tendenza positiva in aumento dell anomalia di temperatura, a sua volta ben correlato all anomalia positiva dell indice dell Oscillazione Nord Atlantica (NAO). Corrispondenza tra le tendenze positive di temperatura primaverili ed eventi estivi di mucillagini. L analisi dei dati meteoclimatologici indica che tutti i tre principali grappoli di comparsa di mucillagini sono avvenuti in periodi temporali caratterizzati da una anomalia (principalmente primaverile) delle temperature atmosferiche, anomalia che sembra essere collegata a marcate anomalie positive della North Atlantic Oscillation (Indice NAO >.5). Per l attuale periodo di anomalia positiva della temperatura atmosferica è stato possibile verificare come l anomalia atmosferica abbia determinato anche l aumento delle temperature superficiali marine del bacino Adriatico, che ha avuto come conseguenza l aumento del gradiente verticale di temperatura e l aumento delle condizioni di stabilità delle acque del bacino Adriatico settentrionale.

13 Fosforo Diminuzione generalizzata delle concentrazioni di fosfato e di fosforo totale nell Adriatico Settentrionale a partire dalla seconda metà degli anni 8 delle concentrazioni di fosforo nelle acque 5 FOSFORO TOT ' ' ' 98 Costa Emiliano Romagnola 99 Costa Veneta Conseguente aumento del rapporto N:P e effetto limitante del Fosforo sulla crescita dei batteri e del fitoplancton log N/P Febbraio-aprile S < ; sat.ossig. > Periodi 99-

14 Condizioni in cui si verificano gli eventi di mucillagine nell Adriatico Anno Evento Ingressione Apporti Contro Accumulo Predazione Degradazio Bloom N/P Trend Muci acque fluviali Corrente sostanza zooplancto ne del C Dinofl. Temp organica nica fitoplancton meridionali primaveril Costiera Mar-Mag ico Mag- primav i alta salinità Istriana Giu Intenso Forte >media Intensa Elevato Ridotto Ridotto Intenso Elevato crescente Ridotto Ridotta >media Ridotta Meno intenso Intenso Elevato Ridotto Elevato crescente Molto Forte >media Intensa Molto Ridotto Ridotto Intenso Elevato crescente intenso elevato Assente Forte Ridotti??????? Molto Forte nella???? Intenso?? media intenso FORMAZIONE DI MUCILLAGINI (Adriatico Settentrionale) Limitati apporti fluviali Riduzione concentrazione di fosfato/p organico Ridotta utilizzazione batterica di DOM/POM Ridotto trasferimento del C fitoplanctonico nella catena trofica Ingressione acque meridionali Alternanza di condizioni oligotrofiche ed elevati rapporti N:P Accumulo di sostanza organica Mucillagini Aggregazione Intenso riscaldamento primaverile Maggiore stabilità colonna d acqua in primavera-estate Aumento dei tempi di residenza (controcorrente Istriana, assenza corrente costiera occ.)

15 CONSIDERAZIONI FINALI Le mucillagini derivano da processi naturali non controllabili dall uomo I cambiamenti climatici in atto anche nell Adriatico possono alterare i processi di aggregazione rendendo più frequenti gli eventi di formazione massiva E necessario un controllo su siti chiave di serie temporali lunghe per comprendere l evoluzione dei cambiamenti in atto e fornire una corretta interpretazione e informazione (implementando le misure delle boe oceanografiche delle reti ARPAV, ISMAR, OGS) I monitoraggi costieri regionali delle mucillagini vanno integrati oltre che con le riprese di videocamere subacquee anche con le informazioni ottenibile da satellite (come si sta sperimentando nel progetto REQUISITE) I modelli di trasporto degli aggregati affiorati potranno essere un utile strumento previsionale per la gestione di emergenze Ulteriori sperimentazioni devono essere effettuate per trovare sistemi di misura (acustici, satellitari) idonei a identificare gli aggregati nella colonna d acqua in modo rapido su vasti areali (incluse le acque del largo) E di fondamentale importanza l integrazione rapida delle informazioni tra le varie regioni adriatiche italiane, la Slovenia e la Croazia e una corretta e tempestiva informazione al pubblico e agli operatori (turistici, della pesca, ecc.) Per ulteriori informazioni: Mucilages in the Adriatic and Tyrrhenian Seas Edited by: M. Giani, D. Degobbis, A. Rinaldi. The Science of the Total Environment, Volume : 5 Issue : -, 5-Dec-5 lavori derivanti dalle ricerche condotte nel Programma di monitoraggio e studio dei processi di formazione delle mucillagini nell Adriatico e nel Tirreno 999- Finanziato dal Ministero della Tutela dell Ambiente e del Territorio Le Mucillagini nell Adriatico e nel Tirreno Quaderno divulgativo dell ICRAM a cura di M.Giani, D. Berto, M. Cornello, G. Sartoni, A Rinaldi dicembre 5 5

16 Grazie per l attenzione L effetto dei nutrienti Nei periodi di magra del e, i nutrienti d origine fluviale sono stati diffusi trasversalmente in superficie, già durante il tardo inverno, fenomeno ritenuto insolito per la stagione. Forse tale trasporto era stato favorito da un prematuro e rapido riscaldamento della superficie marina, dopo che nella prima parte della stagione il mare era stato raffreddato al di sotto della media. In quegli anni si sono avuti eventi di mucillagini considerevoli. Nel, invece, il trasporto trasversale di nutrienti era dovuto principalmente a portate elevate del Po. Iniezioni di nutrienti, dovute a picchi di portata del Po nella stagione critica (fine primavera-inizio estate), in condizioni di calma e riscaldamento rapido della superficie marina, possono essere più importanti per l avvio del fenomeno, che apporti maggiori di acque fluviali, ma meno variabili. Picchi di questo tipo erano ben evidenti in giugno del e, quando si era formata una struttura complessa della parte superiore della colonna d acqua, caratterizzata da più aloclini o picnoclini. Situazioni simili erano state osservate anche in occasione di eventi precedenti in giugno (per es. nel 99) o inizio luglio (nel 988, 989 e 99). Non è confermato l effetto di elevati rapporti tra l azoto inorganico e l ortofosfato nello scatenarsi ed evolversi del fenomeno, almeno non nel bacino. Infatti, rapporti tra l azoto inorganico disciolto e gli ortofosfati (DIN/PO ) più vicini ai valori ottimali prevalevano proprio nel, mentre erano eccezionalmente elevati nel.

17 Il ruolo delle componenti microbiche Nel periodo primaverile antecedente la formazione degli aggregati il sistema mostra un aumento del rapporto tra produzione primaria e richiesta di carbonio da parte dei batteri indicando un eccesso di produzione primaria non utilizzata. In condizioni ambientali particolari (elevata temperatura, stabilità di masse d acqua e condizioni che favoriscono la coalescenza di particelle), la materia organica disciolta (in larga misura mucopolisaccaridica) rilasciata in acqua darebbe luogo alla formazione di mucillagini. Il malfunzionamento del circuito microbico ( microbial loop ) a causa di una non efficiente crescita batterica potrebbe essere determinato da una carenza di fosforo organico disciolto. Alti valori del rapporto N:P inorganico, in questi tre anni di indagine, hanno caratterizzato le acque indipendentemente dalla presenza o meno di mucillagini. Al contrario, il fosforo organico ha mostrato valori significativamente bassi in tutti i periodi antecedenti la formazione degli aggregati. Sarebbe quindi il comparto del fosoforo organico e non quello del fosforo inorganico (come precedentemente ipotizzato) a non permettere una crescita bilanciata della componente microbica eterotrofa. In risposta a questa scarsità ambientale di fosforo gli organismi (i batteri eterotrofi, ma probabilmente anche fitoplancton) risponderebbero con un conseguente maggior utilizzo di tutte quelle componenti della sostanza organica che sono ricche di molecole di P-organico, aumentando considerevolmente le attività enzimatiche deputate al riciclo del P organico (cioè le fosfatasi). Il DNA extracellulare disciolto,infatti, nel periodo della formazione degli aggregati, subisce un significativo decremento. Tuttavia, la limitata disponibilità di P limita notevolmente la possibilità di crescita batterica, ragione per cui la formazione di mucillagini è accompagnata da una frazione del pool proteico della sostanza organica non utilizzato da parte della componente microbica. Condizioni in cui si verificano gli eventi di mucillagine nell Adriatico Anno Evento Muci Ingressione acque meridionali alta salinità Contro Corrente Costiera Istriana POC,TEP, PCHO Mar-Mag Grazing BCP/PP Bloom Dinofl. Mag- Giu N/P Trend Temp primav Intenso Forte Intensa Elevato Ridotto Ridotto Intenso Elevato crescente Ridotto Ridotta Ridotta Meno intenso Intenso Elevato Ridotto Elevato crescente Molto intenso Forte Intensa Molto elevato Ridotto Ridotto Intenso Elevato crescente

18 Interazioni tra mucillagini e popolamenti nell Adriatico Lo studio delle comunità macrozoobentoniche di substrato incoerente svolto in due siti costieri del Nord Adriatico indica che non c è stato effetto dannoso macroscopico sugli organismi da imputare alla deposizione degli aggregati gelatinosi e che la comunità si evolve influenzata soprattutto dalla disponibilità di alimento e dalla variabilità del sedimento I popolamenti di mitili allevati nell area del Po di Levante sembrano mostrare in giugno e agosto una risposta in termini di crescita legata alla presenza di macroaggregati nella colonna d acqua rispetto al luglio in cui il fenomeno di aggregazione delle mucillaggini si è verificato in maniera poco significativa sia per estensione che per durata. E probabile che i mitili mantengano le valve chiuse per evitare l intasamento dell apparato branchiale entrando, quindi, in uno stadio di scarsa alimentazione che si ripercuote sui parametri di crescita. Produzione e degradazione negli aggregati mucillaginosi Il progressivo invecchiamento dell aggregato induce una selezione sugli organismi all interno che, soprattutto per quanto riguarda le microalghe, porta allo sviluppo di specie come Cylindrotheca closterium, diatomea capace di sopravvivere in condizioni di luce piuttosto ridotte. I batteri rappresentano gli organismi che maggiormente si concentrano negli aggregati. Non sono uniformemente distribuiti e spesso formano microcolonie presenti in struttura filamentosa. L arricchimento batterico degli aggregati diminuisce all aumentare dell età e della dimensione dell aggregato. Nonostante un considerevole arricchimento virale negli aggregati, l infezione virale dei batteri assume lo stesso significato della mortalità virus-mediata nella comunità dell acqua libera. La produzione di biomassa batterica non è elevata all interno degli aggregati tanto che il turnover del POC calcolato sulla base della produzione batterica risulterebbe estremamente lungo, nell ordine dei mesi o degli anni. Le attività idrolitiche sono prevalentemente rivolte al recupero del fosforo determinano elevate concentrazioni di P disciolto che sono in grado di supportare le elevate attività batteriche ma probabilmente anche la sintesi di nuova sostanza organica da parte delle cellule fitoplanctoniche intrappolate nella matrice organica. Il rapido ricircolo di fosforo porta ad un incremento anche nella domanda di azoto tanto che la comunità batterica lavora considerevolmente sulla matrice peptidica e molto meno intensamente esplica attività idrolitiche nei confronti dei legami glucidici. porta ad un arricchimento del materiale organico particolato in composti saccaridici. 8

19 Produzione di aggregati in vitro La produzione di essudati polisaccaridici è comune a organismi appartenenti a diverse categorie tassonomiche in quanto è stata evidenziata in batteri, cianobatteri, diatomee e dinoflagellate. Anche all interno della stessa divisione le diverse specie mostrano una certa variabilità nella produzione di polisaccaridi extracellulari; inoltre, le alghe sottoposte a stress nutrizionale pur possedendo una minore capacità di crescita possono rilasciare quantità più elevate di polisaccaridi extracellulari. La composizione dei polisaccaridi rilasciati può variare in funzione del rapporto N/P presente in mare determinando una minore degradazione di sostanza organica da parte dei batteri. L incremento dei monomeri che presumibilmente fanno parte della frazione eteropolisaccaridica, quali il galattosio, ed il relativo decremento di glucosio riscontrato in fase stazionaria di crescita (indotta dalla P-limitazione) in C. closterium e T. pseudonana, lascerebbe ipotizzare un minor grado di degradabilità di tali essudati rispetto ai prodotti rilasciati in condizioni di crescita non limitanti. La crescita, la produzione di carbonio e la respirazione di una comunità batterica naturale, privata di predatori e posta in condizioni nutrizionali ottimali, sono inibite quando la comunità cresceva su un substrato organico costituito dall escreto prodotto da una diatomea coltivata in condizioni di P-limitazione. Oltre al ruolo delle diatomee, bisogna considerare quello delle dinoflagellate. Tra queste va inclusa soprattutto Gonyaulax fragilis che presenta un attiva e abbondante escrezione di polisaccaridi, al contrario di Noctiluca scintillans che rilascia l abbondante materiale polisaccaridico di cui la cellula è costituita solo nella fase di degradazione. Per quanto riguarda la dinoflagellata G. fragilis, sono state fatte prove per definirne le condizioni di crescita saggiando la capacità di crescita dell alga in diversi terreni di coltura. G. fragilis in coltura formava dei filamenti bianchi che, con l invecchiamento della coltura tendevano ad addensarsi e a formare un unico ammasso di aspetto gelatinoso 9

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