Unearthing microbial diversity, environmental and human impacts in cave ecosystems
Author(s)
Biagioli, Federico
Date Issued
July 20, 2023
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Caves are spatially confined, subsurface environments widespread on Earth, where peculiar abiotic factors and microclimatic conditions impose special adaptations to microbial life-forms.
Yet, the growing touristic interest and transformation of natural hypogean sites into authentic tourist attractions, coupled with global climate instability, dramatically challenges the preservation of these fascinating underground ecosystems and their cultural and natural heritage.
This thesis aims to investigate cave microbial communities to provide new insights about changes in compositional and diversity patterns as a response to the impact of human activities and external environmental drivers still lacking to date. Advanced sequencing technologies led to the assembly of an extensive sediment microbiomes dataset from 4 tourist and 1 natural Italian caves for the first time. Overall, our findings indicated how showcaves share common microbial traits in contrast to the natural one and some evidence of potential direct microbiome cave contamination by human-related bacteria and commensal/opportunistic human associated fungi were reported.
Then, by adopting an advanced ecological framework approach, we highlighted how bacteria was the most sensitive microbial assemblage to tourism pressure and that the stochastic forces (Drift) were the dominant selective processes in driving composition of microbial communities across anthropized habitats. Finally, by using a meta-analysis approach, we investigated, for the first time, cave microbiomes at global scale and we found that climatic variables were the stronger predictors of compositional and diversity patterns of top dominant phylotypes.
This knowledge is critical to further develop long-term approaches and strategies aimed at preserving the astounding natural and cultural heritage of caves worldwide.
Additional information
Dottorato di ricerca in Ecologia e gestione sostenibile delle risorse ambientali
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Name
fbiagioli_tesid.pdf
Size
8.65 MB
Format
Adobe PDF
Checksum (MD5)
cdc26bc82a3503e7f9effc281cf58a53
Sponsor(s)
Le grotte sono ambienti sotterranei spazialmente confinati, ampiamente diffusi sulla Terra, dove peculiari fattori abiotici e condizioni microclimatiche impongono speciali adattamenti alle forme di vita microbiche. Oggi, il crescente interesse turistico e la trasformazione dei siti naturali ipogei in autentiche attrazioni turistiche, insieme all'instabilità climatica globale, mettono drammaticamente in discussione la conservazione di questi affascinanti ecosistemi sotterranei e del loro patrimonio culturale e naturale.
Questa tesi si propone di analizzare le comunità microbiche delle grotte per fornire nuovi spunti di riflessione circa i cambiamenti nei modelli di composizione e diversità, in risposta all'impatto delle attività umane e dei fattori ambientali esterni, ancora oggi poco conosciuti. Le tecnologie avanzate di sequenziamento hanno permesso di assemblare per la prima volta un ampio dataset di microbiomi di sedimenti provenienti da 4 grotte turistiche e da 1 grotta selvaggia italiane. Nel complesso, i nostri risultati hanno indicato come le grotte turistiche presentino tratti microbici comuni rispetto a quella naturale e sono state riportate evidenze in merito ad una potenziale contaminazione diretta del microbioma delle grotte da parte di batteri e funghi commensali/opportuni associati all'uomo. In seguito, adottando un approccio ecologico avanzato, abbiamo evidenziato come i batteri siano il gruppo microbico più sensibile alla pressione turistica e che le forze stocastiche ("Drift") siano i processi selettivi dominanti nel guidare la composizione delle comunità microbiche negli habitat antropizzati. Infine, utilizzando un approccio di meta-analisi, abbiamo indagato, per la prima volta, i microbiomi delle grotte su scala globale, scoprendo come le variabili climatiche fossero i maggiori predittori dei modelli di composizione e diversità dei principali filotipi dominanti. Queste conoscenze sono essenziali per sviluppare ulteriori approcci e strategie a lungo termine volti a preservare lo stupefacente patrimonio naturale e culturale delle grotte in tutto il mondo.
Questa tesi si propone di analizzare le comunità microbiche delle grotte per fornire nuovi spunti di riflessione circa i cambiamenti nei modelli di composizione e diversità, in risposta all'impatto delle attività umane e dei fattori ambientali esterni, ancora oggi poco conosciuti. Le tecnologie avanzate di sequenziamento hanno permesso di assemblare per la prima volta un ampio dataset di microbiomi di sedimenti provenienti da 4 grotte turistiche e da 1 grotta selvaggia italiane. Nel complesso, i nostri risultati hanno indicato come le grotte turistiche presentino tratti microbici comuni rispetto a quella naturale e sono state riportate evidenze in merito ad una potenziale contaminazione diretta del microbioma delle grotte da parte di batteri e funghi commensali/opportuni associati all'uomo. In seguito, adottando un approccio ecologico avanzato, abbiamo evidenziato come i batteri siano il gruppo microbico più sensibile alla pressione turistica e che le forze stocastiche ("Drift") siano i processi selettivi dominanti nel guidare la composizione delle comunità microbiche negli habitat antropizzati. Infine, utilizzando un approccio di meta-analisi, abbiamo indagato, per la prima volta, i microbiomi delle grotte su scala globale, scoprendo come le variabili climatiche fossero i maggiori predittori dei modelli di composizione e diversità dei principali filotipi dominanti. Queste conoscenze sono essenziali per sviluppare ulteriori approcci e strategie a lungo termine volti a preservare lo stupefacente patrimonio naturale e culturale delle grotte in tutto il mondo.