Ecofunzionalità in ambienti acquatici artificiali: dinamiche di sistemi donor-controllati in condizioni di stress

Abstract

Lo studio della complessità strutturale di una comunità ecologica è importante per meglio comprendere la relazione complessità-stabilità, tanto dibattuta in ecologia. Generalmente, le misure di complessità strutturale descrivono l'organizzazione e le relazioni tra le componenti di una comunità ecologica: il problema è trovare le metriche che siano in grado di descrivere le dinamiche del sistema, con la finalità di ottenere possibilità predittive migliori circa il suo comportamento di fronte a condizioni di stress. L’argomento centrale di questo lavoro di tesi è come una comunità macrodetritivora risponde a condizioni variabili di salinità in termini strutturali (assemblaggio di unità tassonomiche e reti trofiche) e funzionali (tassi di macrodetritivoria), in coerenza con gli attuali sviluppi della network analysis e della teoria dell’informazione. L'area di studio presa in esame per questa ricerca è la Riserva Naturale delle saline di Tarquinia. Questo sito è caratterizzato da un’estrema variabilità dei parametri chimico-fisici, costituendo un laboratorio a cielo aperto per testare gli effetti degli stress a livello di comunità. Lo studio strutturale della comunità macrobentonica è stato affrontato utilizzando alcune metriche derivanti dalla teoria dell'informazione, integrandole con le misure di centralità, proprie della network analysis. In particolare, la teoria dell'informazione è stata usata per individuare e quantificare le variazioni nella struttura di comunità in diverse stazioni di campionamento, sottoposte a fluttuazioni di salinità. La network analysis è stata utilizzata per identificare e quantificare gli effetti delle condizioni ambientali sulla struttura del network in termini di organizzazione dei legami potenziali tra i nodi. I risultati enfatizzano che i due approcci adottati sembrano utili nell'evidenziare le differenti caratteristiche di come la struttura di comunità risponde al variare delle condizioni ambientali. Per ottenere una misura di complessità strutturale, i due diversi approcci sono stati integrati formulando un indice sintetico che prende in cosiderazione: (i) il numero di taxa, (ii) la complessità totale (sensu Anand e Orloci, 1996) e (iii) la diversità dei flussi all'interno del network, pesata sulla differente importanza posizionale dei nodi della rete. Per completare questi studi, è stata analizzata la relazione struttura-funzione, considerando il processo di decomposizione del detrito di Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud, operato dalla comunità macrobentonica in condizioni di diversa salinità. In accordo ai dati presenti in letteratura, i risultati sperimentali enfatizzano che le variazioni di salinità sembrano influenzare: (i) la lisciviazione del detrito di P. australis e (ii) la strutturazione della comunità macrodetritivora in termini di abbondanze numeriche per unità tassonomica, di composizione e di legami inter taxa. Integrando la network analysis, la teoria dell'informazione e le misure funzionali, gli indici strutturali che sembrano meglio correlarsi con le variazioni di funzionalità osservate sono l'indice sintetico di complessità strutturale e l'ascendency. Infine, l’insieme delle metriche utilizzate e l’insieme delle metodologie adottate per meglio comprendere la relazione struttura/funzione delle comunità macrodetritivore è stato utilizzato anche per formalizzare un modello teorico, dove l'organizzazione strutturale della comunità è una variabile, dipendente dalla qualità e quantità della risorsa trofica disponibile. Il modello, così costruito, permette, preliminarmente, di simulare diverse tipologie di input di risorsa: dall'ingresso costante a ingressi impulsivi di durata variabile. Lo studio analitico delle soluzioni del modello ha messo in evidenza l'importanza delle dinamiche transienti che possono manifestarsi in seguito a eventi perturbativi, fornendo utili indicazioni a fini conservazionistici per gli ecosistemi acquatici di transizione. Questa tesi fornisce un contributo teorico preliminare alla comprensione, in dettaglio, dei processi di strutturazione e funzionamento delle comunità macrodetritivore degli ecosistemi di transizione, oltre che indicazioni per meglio pianificare interventi di gestione e conservazione attiva.

The study of the structural complexity of an ecological community is important to better understand the complexity-stability relationship, so long emphasized in ecology. Generally, the measures of structural complexity describe the organization and the relationship between the components of an ecological community: the problem is to find metrics that are able to describe the system dynamics, with the aim to predict the behaviour under stress conditions. The focus of this thesis is on how the macrodetritivorous invertebrate assemblages responds to varying conditions of salinity both in structural (taxa assemblages and food webs) and functional (detritus consumption rates) terms, according with the current developments in network analysis and information theory. The study area is the Tarquinia saltern, an artificial transitional water ecosystem in Latium (central Italy). The site is characterized by an extreme variability of physical-chemical parameters (i.e. salinity), establishing an excellent artificial laboratory to test the stress effect at community level. We performed the study of the macrobenthonic community by using metrics derived from information theory, as well as measures of centrality, derived from network analysis. In particular, the information theory is used to identify and quantify the variation of community structure in several sampling stations subject to salinity fluctuations. The network analysis is used to identify and quantify the effects of environmental conditions on the structure of the network in terms of organization of the potential links along nodes. The results emphasized that the two adopted approaches seem useful in highlighting the different characteristics of how the community structure answers to the environmental conditions. To obtain a measure of the structural complexity, the two approaches have been integrated to formulate a synthetic index using (i) the number of taxa, (ii) the total complexity (sensu Anand and Orloci, 1996) and (iii) the diversity of flows within the network, the latter weighted on the different positional importance of nodes in the network. To complete the previous studies, the structure-function relationship is analysed integrating also the process of consumption of the detritus of Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud, by macrodetritivory under salinity stress. According to literature data, the experimental results emphasise that the salinity variation seems to influence (i) the leaching of detritus of P. australis and (ii) the structuring of the macrodetritivore community (i.e. taxa abundance, composition and inter-taxa links). Integrating network analysis, informative theory and function measures, the structural indices that seem to better correlate with the observed functionality variations are the ascendency and the synthetic index of structural complexity. Finally, the metrics and methodologies employed for better understanding the structure-function of the macrodetritivore community are also used to formalise a theoretical model where the structural organization of the community is a variable, dependent on the quality and quantity of trophic resource availability. The preliminary model allows to simulate, dynamically, the effects of constant and pulse inputs of trophic resources. The analytical solution of the model has highlighted the importance of transient dynamics by disturbance furnishing useful indications to active conservation management of transitional water ecosystems. My thesis provides both a theoretical preliminary contribution to understand, in detail, the structuring and functional processes of macrodetritivore communities of the transitional water ecosystems and some suggestions to better manage planning measures of active nature conservation.