Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/2067/2533
Title: Studio delle comunità microbiche in sedimenti di ecosistemi fluviali temporanei: l’effetto delle diverse fasi idrologiche sul flusso dei nutrienti e sul destino dei microinquinanti organici
Other Titles: Study of benthic microbial communities in temporary rivers: effect of hydrological conditions on nutrient flux and fate of organic micropollutants
Authors: Casella, Patrizia
Keywords: Cambiamento climatico;Comunità microbica;Microinquinanti;Climate change;Microbial community;Micropollutants;BIO/07
Issue Date: 20-Mar-2012
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato in Ecologia e gestione delle risorse tecnologiche 24. ciclo
Abstract: 
Nelle regioni semi-aride del pianeta i fiumi temporanei vanno incontro a ricorrenti periodi di siccità che variano in estensione e durata. Questi ecosistemi, caratterizzati da una elevata instabilità, stanno andando incontro ad una estensione della durata e della frequenza degli eventi estremi in conseguenza del cambiamento climatico. Nonostante i fiumi temporanei rappresentino un importante risorsa idrica per le popolazioni locali, sono stati a lungo ignorati nei piani di monitoraggio perché creduti “biologicamente inattivi” durante il periodo di siccità. Scarse sono ad oggi le informazioni relative a questi ecosistemi.
Questa Borsa di Dottorato è stata finanziata dal Progetto Europeo MIRAGE (Mediterranean Intermittent River ManAGEment, FP7-ENV-2007-1,GA 211732, 2009-2011) ed è stata svolta persso il Laboratorio di Ecologia Microbica dell’Istituto di Ricerca Sulle Acque del Consiglio Nazionale delle Ricerche (IRSA-CNR, Roma). L’obiettivo del Progetto MIRAGE è stato quello di acquisire specifiche conoscenze per una migliore valutazione dell’integrità ecologica dei fiumi temporanei dell’area Mediterranea. In particolare questa tesi ha riguardato lo studio degli effetti di condizioni estreme (siccità/piene) sulla struttura e la funzione delle comunità microbiche bentoniche in condizioni naturali e in condizioni di laboratorio, così come le interazioni tra le comunità microbiche e le sostanze pericolose.
Le comunità microbiche del sedimento svolgono un ruolo importante nella degradazione della sostanza organica favorendo il trasferimento di energia ai livelli superiori della catena trofica basata sul detrito. Nei fiumi temporanei l’alternarsi di condizioni idrologiche estreme può compromettere il buon funzionamento dei processi di degradazione mediati dalle comunità microbiche e quindi anche il destino degli inquinanti nell’ambiente, con importanti ripercussioni sul funzionamento generale dell’ecosistema.
Le proprietà strutturali e funzionali delle comunità microbiche del sedimento del fiume Candelaro (Italia meridionale) in diverse fasi idrologiche sono state caratterizzate in studi di campo, e di laboratorio, attraverso la misura dell’abbondanza batterica (colorazione DAPI, microscopia ad epifluorescenza), della biomassa totale vivente (concentrazione di ATP, luminescenza), la conta delle spore (colorazione e microscopia ottica), la produzione procariotica di carbonio (assorbimento di 3H-leucina), la respirazione (consumo di O2 in
camere di incubazione e ETS), attività enzimatiche extracellulari (aminopeptidasi, fosfatasi alcalina, lipasi e beta-glucosidasi, tecnica fluorimetrica), identificazione dei siti positivi per la fosfatasi alcalina (ELF®97-P, microscopia a epifluorescenza). Nell’ambito di questo progetto sono state anche eseguite misure dei parametri fisico-chimici dei sedimenti e della concentrazione di microinquinanti (idrocarburi policiclici aromatici – PAH- e alchilfenoli- NP) inclusi nella lista delle sostanze prioritarie della Comunità Europea approvata dalla Comunità Europea (2008/105/EC).
La composizione chimica dei sedimenti ha mostrato un elevato stato trofico caratterizzato da elevati contenuti di nutrienti (TOC e TN), sostanza organica (AFDW), e contaminanti. Diverse condizioni idrologiche, che hanno determinato nel sedimento diversi gradi di umidità dalla saturazione alla siccità, hanno modificato la concentrazione dei microinquinanti. Si è osservata una drastica riduzione della concentrazione di PAH e NP nei sedimenti secchi (8,3±0,4 e 299 ±125 ng g-1 rispettivamente) ed le più elevate concentrazioni in condizioni di portata media (304±56 e 2710±67 ng g-1). Le drastiche variazioni idrologiche hanno anche determinato significativi cambiamenti dell’attività microbica del sedimento con potenziali ripercussioni sul flusso dei nutrienti. Elevate condizioni di portata, osservate nell’estate 2009, hanno determinato le più elevate produzioni procariotiche di C (range 0,24-0,81 μmol C h-1 g-1), mentre i valori più ridotti sono stati osservati durante il periodo di siccità osservato nell’estate 2010 (0,09±0,02 μmol C h-1 g-1). Le portate elevate hanno inoltre stimolato l’attività enzimatica extracellulare su substrati organici fosforilati (fosfatasi alcalina 2,69±0,09 μmol MUF h-1 g-1), e carboniosi (beta-glucosidasi e lipasi, 1,10±0,17 e 1,15±0,23 μmol MUF h-1 g-1 rispettivamente). La comparazione delle attività enzimatiche misurate in aree di sedimento adiacenti a diverso grado di idratazione ha mostrato una riduzione moderata di tutte le attività nel sedimento secco rispetto a quello sommerso, dove comunque l’attività di fosfatasi alcalina svolge un ruolo predominante.
Indagini di laboratorio sono state condotte per indagare sulla risposta delle comunità microbiche ai diversi fattori ambientali.
Il primo esperimento è stato allestito per descrivere la risposta dei parametri metabolici della comunità microbica alla reidratazione dei sedimenti campionati in un periodo di siccità. Nelle 24 ore successive alla reidratazione è stata osservato un incremento della biomassa e delle attività metaboliche descritte dalla misura della produzione procariotica di C, della respirazione e delle attività enzimatiche extracellulari. L’incremento della produzione procariotica di C è stata correlata all’attività di aminopeptidasi (r=0,78,
p<0,05) mentre l’incremento della respirazione è correlabile a quella della concentrazione di ATP (r=0,74, p<0,001). L’abbondanza delle spore è inoltre diminuita significativamente nelle prime due ore quando il livello delle attività metaboliche ha raggiunto i valori più elevati. L’applicazione della tecnica per l’osservazione al microscopio dei siti attivi per l’attività della fosfatasi alcalina (ELF®97P) ha mostrato, nei sedimenti secchi, un numero di siti attivi superiore al numero di cellule. Questo risultato lascia supporre la presenza di enzimi “liberi”, quindi non associati alla parete delle cellule batteriche, in grado di liberare P inorganico anche in condizioni di siccità.
Le interazioni tra le comunità microbiche e gli inquinanti organici sono state indagate in microcosmi contenenti acqua di fiume ricostituita (sterile e priva di carbonio organico disciolto) e sedimenti naturali campionati nel fiume Candelaro. Il sedimento naturale (controllo) è stato arricchito con una miscela di PAH in concentrazione 10 (10X) e 100 (100X) volte più elevate di quelle misurate in situ. Durante i 28 giorni dell’esperimento è stata osservata all’interno della miscela di PAH una diminuzione del solo fenantrene, la cui concentrazione è risultata essere inferiore al 50% di quella misurata inizialmente. Una completa degradazione del fenantrene è stata osservata dopo un prolungata incubazione (300 giorni) nel trattamento 10X, durante la quale anche la concentrazione di fluorantene è diminuita significativamente. La presenza della miscela di PAH induce variazioni del metabolismo microbico particolarmente a carico della fosforilazione ossidativa. Un andamento negativo è stato osservato infatti in entrambi i trattamenti tra i valori della respirazione e la concentrazione di ATP (controllo, p > 0,05; 10X, p < 0,05; 100X, p < 0,01). Tuttavia la miscela di PAH ha stimolato significativamente la produzione procariotica di carbonio, indicando il progressivo utilizzo di questi composti. In modo anomalo però, questo incremento non è stato associato ad un incremento delle abbondanze batteriche.
In conclusione, i risultati ottenuti da questa indagine hanno contribuito a migliorare le conoscenze dei fiumi temporanei nelle varie fasi idrologiche, mettendo in luce il ruolo funzionale delle comunità microbiche nel flusso del C e degli inquinanti. I risultati di queste indagini possono rappresentare il punto di partenza per includere il compartimento microbico nelle campagne di monitoraggio il cui ruolo nei cicli biogeochimici non sembra trascurabile neanche nei periodi di siccità. Le informazioni ottenute sono fruibili dalle Autorità locali deputate alla gestione della qualità delle risorse idriche.
Description: 
Dottorato di ricerca in Ecologia e gestione delle risorse biologiche
URI: http://hdl.handle.net/2067/2533
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