Spectral and photosynthetic response of marine bioindicators to heavy metal-induced stress in a controlled environment
Author(s)
Varini, Fabrizio
Date Issued
June 5, 2025
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Marine ecosystems, essential for biodiversity and global ecological balance, are increasingly threatened by human activities such as industrial discharges, agricultural runoff and urbanization, which introduce harmful pollutants such as heavy metals into marine environments. Trace metals, including chromium, pose a significant risk due to their toxicity, persistence and bioaccumulation capacity. These contaminants impact marine biodiversity, ecosystem resilience and functionality. Local pollution is compounded by that generated from “remote” sources, which can impact marine-coastal ecosystems as it is transported by rivers, wind and more generally, marine dynamics. Anthropogenic impacts are further exacerbated by climate change, which can amplify the effects of pollution. All these factors affect marine life and its trophic food web, underscoring the need to develop modern, readily deployable methodologies based on new technologies to achieve an increasingly accurate understanding of these changes.
This thesis served to produce a comprehensive investigation, by a review based on the effects of heavy metals on macroalgae and seagrasses, with particular emphasis on the photosynthetic process and the consequent variations of their spectral response, to evaluate the feasibility of their use for the identification and quantification of pollutant impacts for future application based on new remote sensing techniques. Among brown macroalgae, species belonging to the genus Cystoseira spp. (Fucales, Sargassaceae) are strictly protected under Annex I of both the Bern Convention and the Barcelona Convention. Additionally, they are included in the NATURA 2000 network within the "Reef" habitat (code 1170) and are recognized as ecological quality indicators under the European Water Framework Directive (2000/60/EC). These brown algae are essential to Mediterranean ecosystems, playing a key role in coastal communities by supporting biodiversity, food webs, and promoting carbon sequestration. Moreover, recent studies recognised them as effective bioindicators due to their sensitivity to heavy metals, ecological relevance and bioaccumulation capacity.
This research project has enabled the development of a comprehensive literature review to identify the key parameters used to assess the photosynthetic response of Mediterranean coastal macroalgae and seagrasses to heavy metal exposure. The bibliographic analysis led to the creation of a species/contaminant/response matrix, providing a synoptic and updated overview of the state of the art for the identification of target species in coastal marine ecosystems. The analysis of this matrix revealed that metal accumulation in marine macroalgae and seagrasses, particularly chromium (Cr), results in a decline in photosynthetic efficiency and pigment concentration, alongside an increase in antioxidant response. In the second phase, a laboratory environment was set up to understand and evaluate the photosynthetic and spectral responses of
Cystoseira spp. to different chromium concentrations, providing a baseline for further remote sensing studies. Spectral signature analysis revealed stress-induced reflectance patterns as well as significant physiological changes (altered photosynthetic efficiency and pigment composition), providing a non-invasive approach to detect pollutant-induced changes. Hyperspectral images can be explored for detecting chromium stress in Cystoseira spp. at larger spatial scales, which will be crucial for integrating these findings into broader environmental monitoring programs.
The research is in line with European environmental policies, such as the Water Framework Directive (WFD) and the Marine Strategy Framework Directive (MSFD), highlighting the importance of integrating laboratory research with field applications, promoting the use of marine bioindicators and remote sensing for sustainable management of marine ecosystems under current increasing anthropogenic pressures.
Gli ecosistemi marini, essenziali per la biodiversità e l'equilibrio ecologico globale sono sempre più minacciati dalle attività umane come scarichi industriali, deflussi agricoli e urbanizzazione, che introducono inquinanti nocivi come metalli pesanti negli ambienti marini. I metalli in traccia, tra cui il cromo, rappresentano un rischio significativo a causa della loro tossicità, persistenza e capacità di bioaccumulo. Questi inquinanti impattano sulla biodiversità marina, sulla resilienza e sulla funzionalità dell'ecosistema. A questi se ne aggiungono altri provenienti da fonti distanti, trasportati da fiumi, vento e processi marini più ampi, che lo possono ulteriormente danneggiare. Gli impatti antropogenici sono ulteriormente esasperati dai cambiamenti climatici, che possono amplificare gli effetti dell'inquinamento. Tutti questi fattori influenzano la vita marina e la sua rete trofica, sottolineando la necessità di sviluppare metodologie moderne e facilmente implementabili basate su nuove tecnologie per ottenere una comprensione sempre più accurata di questi cambiamenti. Questa tesi è servita a produrre un'indagine completa sugli effetti dei metalli pesanti sulle macroalghe e sulle fanerogame marine, con particolare enfasi sul processo fotosintetico e sulle conseguenti variazioni della loro risposta spettrale, per valutare la fattibilità del loro utilizzo per l'identificazione e la quantificazione degli impatti degli inquinanti per un’applicazione futura basata sulle nuove tecniche di telerilevamento. Tra le macroalghe brune, le specie appartenenti al genere Cystoseira spp. C. Agardh, 1820 (Fucales, Sargassaceae) sono rigorosamente protette dall'Allegato I della Convenzione di Berna e della Convenzione di Barcellona. Inoltre, sono incluse nella rete NATURA 2000 all'interno dell'habitat "Scogliere" (codice 1170) e riconosciute come indicatori di qualità ecologica dalla Direttiva Quadro sulle Acque dell’Unione Europea (2000/60/CE). Queste alghe brune sono essenziali per gli ecosistemi mediterranei, svolgono un ruolo chiave nelle comunità costiere sostenendo la biodiversità, le reti alimentari e promuovendo il sequestro del carbonio. Inoltre, studi recenti le hanno riconosciute come efficaci bioindicatori grazie alla loro sensibilità ai metalli pesanti, alla rilevanza ecologica e alla capacità di bioaccumulo. Questa ricerca fa parte del progetto STOPP (Strumenti e Tecniche di Osservazione della Terra in Prossimità e Persistenza), finanziato dall'ASI (Agenzia Spaziale Italiana), finalizzato allo sviluppo di nuove metodologie di monitoraggio per valutare la qualità ecologica delle comunità bentoniche negli ecosistemi marini costieri, rilevando "lunghezze d'onda target" che possono essere osservate da piattaforme remote dotate di sensori multispettrali, fornendo informazioni sugli impatti degli inquinanti chimici sull'ambiente marino.
Questa ricerca fornisce una dettagliata revisione della letteratura, che evidenzia i recenti impatti all'avanguardia dell'inquinamento da metalli pesanti su macroalghe marine e fanerogame marine, con un'attenzione specifica al loro processo fotosintetico e alla conseguente risposta spettrale.
Nella seconda fase, è stato allestito un ambiente di laboratorio per comprendere e valutare le risposte fotosintetiche e spettrali di Cystoseira spp. a diverse concentrazioni di cromo, fornendo una base di partenza per ulteriori studi dI telerilevamento. L'analisi della firma spettrale ha rivelato modelli di riflettanza indotti da stress e cambiamenti fisiologici significativi (alterazione dell'efficienza fotosintetica e della composizione dei pigmenti), fornendo un approccio non invasivo per rilevare i cambiamenti indotti dagli inquinanti. Le immagini iperspettrali possono essere utilizzate per rilevare lo stress del cromo in Cystoseira spp. su scale spaziali più grandi, il che sarà fondamentale per integrare questi risultati in programmi di monitoraggio ambientale più ampi. La ricerca è in linea con le politiche ambientali europee, come la direttiva quadro sulle acque (WFD) e la direttiva quadro sulla strategia marina (MSFD), evidenziando l'importanza di integrare la ricerca di laboratorio con le applicazioni sul campo, promuovendo l'uso di bioindicatori marini e telerilevamento per una gestione sostenibile degli ecosistemi marini sotto le attuali e crescenti pressioni antropiche.
Additional information
Dottorato di ricerca in Ecologia e Gestione Sostenibile delle Risorse Ambientali
Tesi di dottorato. 37. ciclo
Tesi di dottorato. 37. ciclo
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