La Ferla R. - vector

Ricostruzione della variabilità biogeochimicanel Mediterraneo: risposta microbica aicambiamenti globali.R. La Ferla, M. Azzaro, G. Caruso, G. Maimone, L.S. Monticelli, R. ZacconeIstituto per l'Ambiente Marino Costiero, CNR, Messina, Italiarosabruna.laferla@iamc.cnr.itSOMMARIO: I processi microbici coinvolti nei cicli biogeochimici sono stati investigati nel Mediterraneocome strumento di valutazione per i cambiamenti climatici globali. Il Mediterraneo è risultato un ecosistemaparticolarmente sensibile alla variabilità climatica ed instabile nei suoi equilibri trofici. Negli stratiprofondi, è stato enfatizzato il contributo microbico al metabolismo eterotrofico in relazione alle dinamichecircolatorie e alla disponibilità di sostanza organica da degradare. Negli strati fotici, è stata osservataun’alternanza stagionale tra metabolismo autotrofico ed eterotrofico. Tale evidenza suggerisce che fasi climatichedi raffreddamento e di riscaldamento, stimolando in maniera contraria e opposta la comunitàmicrobica, potrebbero portare il Mediterraneo ad agire rispettivamente come sink o source di CO 2 .1 RUOLO DEI MICRORGANISMI MARINI E RELA-ZIONI CON I CAMBIAMENTI CLIMATICI1.1 Cicli biogeochimici nel mareI mari e gli oceani svolgono un ruolo fondamentalenella evoluzione dei processi biogeochimicidei principali elementi (quali C, N eP), così come nel modulare il clima dell’interopianeta. Il ciclo biogeochimico del carbonio,in particolare, riveste una importanzafondamentale nell’equilibrio della biosfera.Scambi di CO 2tra atmosfera e oceano dipendonofortemente dalla pompa biologica chetramite l’attività microbica provvede alla suaassimilazione negli strati superficiali e allasua remineralizzazione lungo tutta la colonnad’acqua. Le attività della comunità microbicapossono modificare il funzionamento di unecosistema marino, rendendolo sink o sourcedi CO 2nella biosfera. Gli oceani inoltre mitiganogli effetti dell’aumento di CO 2atmosfericasequestrandola negli strati profondi.L’influenza dei cambiamenti climatici sullavariabilità biogeochimica dell’oceano, e quindisul funzionamento e la struttura delle biocenosimicrobiche marine, non è ancora studiatain maniera approfondita e non è quindichiara l’interdipendenza fra clima, ciclo delcarbonio e microrganismi (Hoppe et al.,2002). Inoltre, mentre molta enfasi è statadata allo studio dei processi produttivi dellasostanza organica negli strati fotici, poco interesseè stato rivolto alle fasi degradative, cheperaltro hanno luogo nel biota marino superficialee profondo.1.2 Importanza del Mediterraneo nel contestodei cambiamenti climatici globaliNell’ambito degli studi sul Mediterraneo, soloin questi ultimi anni sono state programmatericerche volte a studiare la variabilità dei processibiogeochimici microbici in relazione alleforzanti climatiche. Il Mediterraneo rappresentauno degli ecosistemi più oligotrofici delmondo. È un mare semi-chiuso, molto sensibileai cambiamenti climatici per via delle suedimensioni, dei brevi tempi di residenza dellemasse d’acqua e degli alti tassi di turnoverdella sostanza organica rispetto agli oceani.Pertanto, è ritenuto un bacino idoneo per studia medio e lungo termine dei cambiamentiambientali globali. Inoltre, in esso hanno luogosu scala relativamente ridotta i principali processidinamici oceanici (formazione di acque561

Clima e cambiamenti climatici: le attività di ricerca del CNRintermedie e profonde, fenomeni di upwelling,trasporto laterale dalla continental shelf etc.).Già negli anni 90, il settore orientale di talebacino è stato interessato dall’evento climaticodenominato Eastern Mediterranean Transient(EMT), sviluppatosi nel Mar Egeo e successivamentediffusosi nell’intero bacino, con fortiimplicazioni sulle dinamiche di circolazione esull’assetto ecologico (Roether et al., 1996).In questo lavoro vengono esaminati in manierasinottica i risultati di numerose campagnemultidisciplinari condotte nel Mediterraneo,al fine di stimare l’importanza di alcuni processimicrobici in relazione alla variabilità climatica.Lo studio affronta inoltre l’attualedibattito scientifico riguardante la natura eterotroficao autotrofica degli ambienti oceanici.2 ATTIVITÀ DI RICERCA2.1 Area di studio e metodologieLe campagne oceanografiche sono state effettuatenell’ambito di numerosi progetti condottidal nostro istituto dal 1995 al 2005 (Fig.1).L’intero data set ha coperto parametri idrologici,trofici e microbiologici, con particolareattenzione alla biomassa (analisi d’immagine),alle attività idrolitiche (leucina-aminopeptidasi,ß-glucosidasi e fosfatasi alcalina),di produzione batterica (incorporazione di3H-leucina) e respiratorie (attività ETS) lungol’intera colonna d’acqua. Dettagli metodologicisono riportati da Zaccone et al. (2003),La Ferla et al. (2005).3 RISPOSTA MICROBICA AI CAMBIAMENTI CLIMATICIFigura 1: Aree di studio nell’ambito dei progetti PRI-SMA2 (a), SINAPSI (b), OTRANTO (c), FIRB, CIESM-SUB1 e SUB2 (d), LIWEX-POEM (e).Connessioni tra variabilità dei processi microbicie variabilità climatica sono state evidenziatesia negli strati profondi che superficialidel Mediterraneo. Il quadro sinottico ottenutoha mostrato che esse sono modulate sia daandamenti geografici che dalla stagionalità.Nella zona afotica, le nostre ricerche hannomesso in luce come l’attività microbica ed inparticolare respiratoria, sia un ottimo indicatoredelle fasi evolutive delle masse d’acqua inrelazione alla disponibilità di sostanza organica“giovane” ed in particolare nella sua frazionedisciolta (La Ferla e Azzaro, 2001; La Ferlaet al., 2005). Tale comportamento, non osservatonegli oceani, sembra essere in stretta relazionecon il trasporto di carbonio organicopreformato sia attraverso processi di advezionelaterale dalla “continental shelf” che attraversoprocessi di diffusione di acque di nuovaformazione, intermedie e profonde. Ciò enfatizzail contributo delle attività microbiche almetabolismo eterotrofico degli oceani.Inoltre, lo stretto accoppiamento tra attivitàrespiratoria microbica e gli andamenti circolatoridelle masse d’acqua ha evidenziatoimplicazioni ecologiche derivate dalla diffusionedell’EMT nelle profondità del MarIonio (La Ferla e Azzaro, 2001). In tale contesto,uno dei più evidenti segnali in risposta atale evento da parte della comunità microbica,è stata l’accelerazione dei processi di remineralizzazionenelle acque profonde del bacinoorientale del Mediterraneo (La Ferla et al.,2003; Zaccone et al., 2003).Nella zona eufotica, la variabilità climatica siriflette nella variabilità del bilancio metabolicodel carbonio. Da un decennio la naturaautotrofica o eterotrofica degli oceani, e ledirette conseguenze sui sinks e sources di Cnella biosfera, sono oggetto di dibattito scientifico.I rapporti ottenuti dai tassi di idrolisi,respirazione e produzione primaria e battericanell’Adriatico Settentrionale, erroneamenteritenuto per antonomasia un sistema produttivo,hanno messo in evidenza come il metabolismodel comparto microbico favorisca i processidegradativi nei periodi estivi, in relazio-562

Impatti dei cambiamenti climaticine diretta con l’incremento della temperatura(La Ferla et al., 2002).Ulteriori indagini hanno evidenziato significativecorrelazioni positive fra i processi eterotroficie la temperatura e confermano che il bilanciodel carbonio tende verso l’autotrofia in inverno,quando è presente un surplus di sostanza organicaautoctona (Fig. 2). È invece negativo o prossimoall’equilibrio in estate, in seguito ad unosbilanciamento verso la remineralizzazione,confermando la necessità di fonti alloctone disostanza organica (Sempére et al., 2000).Nel Tirreno, in cui predominano fenomeni diexport production, e nello Ionio, in cui predominanoprocessi di trasporto laterale, i rapportimetabolici sembrano sbilanciati rispettivamenteverso l’autotrofia e l’eterotrofia, purcon oscillazioni legate alla variabilità dei forzantifisici ed in particolare della temperatura(La Ferla et al., 2005).L’alternanza tra fasi di autotrofia ed eterotrofia,come evidenziato, pur se con diversogrado, in tutti i bacini studiati suggerisconoche il Mediterraneo costituisce un ecosistemaparticolarmente instabile nei suoi equilibritrofici e vulnerabile alle mutevoli condizioniclimatiche. È quindi ipotizzabile che fasi climatichedi raffreddamento e di riscaldamento,stimolando in maniera contraria e opposta ilmetabolismo microbico, possano portare ilMediterraneo ad agire rispettivamente comeserbatoio o sorgente di CO 2.4 PROSPETTIVE FUTUREScenari futuri di bilancio metabolico delMediterraneo potranno essere chiariti inseguito all’elaborazione dei dati sperimentalinell’ambito del progetto multidisciplinaresulla “VulnErabilità delle Coste e degli ecosistemimarini italiani ai cambiamenti climaTicie loro ruolO nei cicli del caRbonio mediterraneo”(VECTOR). Tale progetto di forteimpatto scientifico, avviato nel 2006, mira almonitoraggio di stazioni fisse nel Tirreno eAdriatico, così come dei bacini orientale eoccidentale, in modo da acquisire serie temporalicon cadenza stagionale durante unFigura 2: Rapporto Produzione Primaria/Respirazione(PP/R) calcolato per le diverse aree studiate da dati integratinella zona fotica. I rapporti sono stati calcolati dadati espressi in mg C m -2 giorno -1 . L’equilibrio tra PP eR è rappresentato da un rapporto uguale a 1.periodo complessivo di due anni. In tale contesto,l’integrazione con dati pregressi risulteràutile per meglio comprendere l’attuale evoluzionebiogeochimica e climatologica delMediterraneo. I dati microbiologici sono infase di elaborazione e verranno inseriti nellabanca dati del progetto per formulare modelliprevisionali climatologici, nell’ambito di unacollaborazione con i principali networks diricerca ambientale.5 BIBLIOGRAFIA ESSENZIALEHoppe H.G., Gocke K., Koppe R., Begler C.,2002. Bacterial growth and primary productionalong a north-south transect of theAtlantic Ocean. Nature, 416: 168-171.La Ferla R., Azzaro M., 2001. Microbial respirationin the Levantine Sea: evolution ofthe oxidative processes in relation to themain Mediterranean water masses. Deep-Sea Res. (Part I), 48(10): 2147-2159.La Ferla R., Azzaro M., Civitarese G., Riberad’Alcalà M., 2003. Distribution patternsof carbon oxidation in the EasternMediterranean Sea: evidence of changesin the remineralization processes. J.Geophys Res., 108(C9): 8111.La Ferla R., Azzaro F., Azzaro M., Caruso G.,Decembrini F., Leonardi M., Maimone G.,Monticelli L.S., Raffa F., Santinelli C.,Zaccone R., Ribera d’Alcalà M., 2005.Microbial contribution to carbon biogeo-563

Clima e cambiamenti climatici: le attività di ricerca del CNRchemistry in the Central MediterraneanSea: variability of activities and biomass.J. Mar. Sys., 57: 146-166.Roether W., Manca B.B., Klein B., BregantD., Georgopoulos D., Beitzel V.,Kovacevic V., Luchetta A., 1996. Recentchanges in the Eastern Mediterraneandeep water. Science, 271: 333-335.Sempéré R., Charrière B., Van Wambeke F.,Cauwet G., 2000. Carbon inputs of theRhone River to the Mediterranean Sea:biogeochemical implications. GlobalBiogeoch. Cycles, 14: 669-681.Zaccone R., Monticelli L.S., Seritti A.,Santinelli C., Azzaro M., Boldrin A., LaFerla R., Ribera d’Alcalà M., 2003.Bacterial processes in the intermediateand deep layers of the Ionian Sea in winter1999. J. Geophys Res., 108(C9): 8117.564