Biodiversity organization and implication of nutrient inputs in aquatic systems

Abstract

Since the industrial revolution human activities, implemented on large scale by climate change, global warming and ocean acidification, have severely altered the global environment, resulting in a massive loss of biodiversity and alteration of ecosystems and their functions such as nutrient cycling, primary production, decomposition, pollination, pest control, resistance to invasion. Against this background the most important goal of environmental management is to preserve or recover the biodiversity and its function at ecosystem level. Define scenarios related to the impact of climate change on the life in marine ecosystems and its recovery is an essential step to plan adaptation strategies but requires mechanistic knowledge, that are currently lacking, about the relationship between the biodiversity organization and the anthropogenic disturbance components. This work describes trophic relationships, organic matter pathways and biodiversity organization in aquatic systems subject to different natural or anthropogenic pressures. Stable isotopes analysis of biota and nutrient pools of aquatic systems (marine coastal area, river, coastal lakes and high-Artic lakes), in conjunction with other ancillary analyses, were used to: detect autochthonous/allochthonous nutrient inputs, trace anthropogenic nitrogen inputs, elucidate trophic interactions among organisms and trophic niche organization also at single specie level. The results of these researches try to close a gap existing between the ecosystem ecology and the community ecology linking the analysis of nutrient fluxes and trophic pathways to food web and niche theory. SIA was a useful technique in tracing the origin and fate of nutrient pollutant inputs and in aquatic ecosystems. Coupled with changes in basal resource inputs, we observed changing in food web topology across the systems investigated, changes that are in accordance with OFT an MTE. The description of changes in species’ trophic traits and food web organisation at the local scale could provide useful information on the role of biodiversity organisation in propagating or attenuating disturbance, information that cannot be obtained with reference to species occurrence and abundance alone. Furthermore, knowledge of the trophic linkages could be crucial to defending aquatic ecosystems from potential anthropogenic pollutants and to identify those species that are most subject to accumulation.

A partire dalla rivoluzione industriale le attività umane, implementate su larga scala dai cambiamenti climatici, dal riscaldamento globale e dall’acidificazione degli oceani, hanno severamente alterato l’ambiente terrestre, ottenendo come risultato una massiccia perdita di biodiversità e un’alterazione degli ecosistemi e delle loro funzioni quali riciclo dei nutrienti, produzione primaria, decomposizione, impollinazione, controllo e resistenza ad organismi infestanti o invasivi. In questo contesto il fine più importante della gestione ambientale è preservare o recuperare la biodiversità e le sue funzioni a livello ecosistemico. Definire scenari relativi all’impatto dei cambiamenti climatici sulla vita acquatica e al loro recupero è un passo fondamentale per pianificare strategie di management ma richiede conoscenze meccanicistiche, attualmente carenti, riguardanti le relazioni che intercorrono tra l’organizzazione della biodiversità e gli effetti dei disturbi antropogenici. Questo lavoro descrive le relazioni trofiche, i pathways di materia organica e l’organizzazione della biodiversità in sistemi acquatici soggetti a pressioni di tipo naturale o antropico. Analisi degli isotopi stabili (SIA) delle componenti biologiche e dei pool di nutrienti di differenti ambienti acquatici (area marino-costiera, fluviale, laghi costieri e laghi artici), accoppiate con altre tecniche di analisi sono state utilizzate per: identificare input di nutrienti di tipo autoctono/alloctono, tracciare input azotati antropogenici, delucidare le interazioni trofiche tra organismi e quantificare le nicchie trofiche sia a livello individuale che di specie e/o comunità. I risultati di questa tesi di ricerca aiutano a colmare il vuoto tra la “ecosystem ecology” e la “community ecology”, mettendo in congiunzione l’analisi dei flussi di nutrienti e dei pathways trofici con lo studio delle reti trofiche e delle nicchie ecologiche. Assieme a cambiamenti negli input di materia organica alla base delle catene emergono cambiamenti nella topologia di rete in accordo con concetti chiave dell’ecologia come la OFT e la MTE. Inoltre, la descrizione delle variazioni dei tratti trofici delle specie e organizzazione delle reti trofiche a scala locale potrebbe fornire utili informazioni sul ruolo della biodiversità nella propagazione o nell’attenuazione di disturbi. Informazioni queste ultime che non possono essere ricavate utilizzando soltanto dati di abbondanza o presenza/assenza di una specie in un ecosistema. Inoltre, la conoscenza dei legami trofici potrebbe essere cruciale per difendere gli ecosistemi acquatici da potenziali inquinanti di origine antropica e per identificare quelle specie che sono più soggette a bioaccumulo o biomagnificazione lungo le catene trofiche.