Assembly processes of invertebrate communities in springs across different spatial scales

Il presente lavoro ha lo scopo di comprendere i processi sottesi ai pattern di coesistenza tra le specie di invertebrati sorgentizi, distinguendo tra dinamiche stocastiche e deterministiche. Le sorgenti sono ecosistemi complessi e alcune loro caratteristiche (ad esempio l’insularità, la stabilità termica, la struttura ecotonale “a mosaico”, la frequente presenza di specie rare ed endemiche, o l’elevata diversità in taxa) le rendono laboratori naturali utili allo studio dei processi ecologici, tra cui i processi di assembly. Al fine di studiare queste dinamiche è necessario un approccio multi-scala, per questo motivi sono state prese in considerazione tre scale spaziali. A scala locale è stato compiuto un campionamento stagionale su sette sorgenti (quattro temporanee e tre permanenti) del Monte Prinzera, un affioramento ofiolitico vicino alla città di Parma. In questa area sono stati valutati l’efficacia e l’impatto ambientale di diversi metodi di campionamento e sono stati analizzati i drivers ecologici che influenzano le comunità. A scala più ampia sono state campionate per due volte 15 sorgenti della regione Emilia Romagna, al fine di identificare il ruolo della dispersione e la possibile presenza di un effetto di niche-filtering. A scala continentale sono state raccolte informazioni di letteratura riguardanti sorgenti dell’area Paleartica occidentale, e sono stati studiati i pattern biogeografici e l’influenza dei fattori climatici sulle comunità. Sono stati presi in considerazione differenti taxa di invertebrati (macroinvertebrati, ostracodi, acari acquatici e copepodi), scegliendo tra quelli che si prestavano meglio allo studio dei diversi processi in base alle loro caratteristiche biologiche e all’approfondimento tassonomico raggiungibile. I campionamenti biologici in sorgente sono caratterizzati da diversi problemi metodologici e possono causare impatti sugli ambienti. In questo lavoro sono stati paragonati due diversi metodi: l’utilizzo del retino con un approccio multi-habitat proporzionale e l’uso combinato di trappole e lavaggio di campioni di vegetazione. Il retino fornisce dati più accurati e completi, ma anche significativi disturbi sulle componenti biotiche e abiotiche delle sorgenti. Questo metodo è quindi raccomandato solo se il campionamento ha come scopo un’approfondita analisi della biodiversità. D’altra parte l’uso delle trappole e il lavaggio della vegetazione sono metodi affidabili che presentano minori impatti sull’ecosistema, quindi sono adatti a studi ecologici finalizzati all’analisi della struttura delle comunità. Questo lavoro ha confermato che i processi niche-based sono determinanti nello strutturare le comunità di ambienti sorgentizi, e che i driver ambientali spiegano una rilevante percentuale della variabilità delle comunità. Infatti le comunità di invertebrati del Monte Prinzera sono influenzate da fattori legati al chimismo delle acque, alla composizione e all’eterogeneità dell’habitat, all’idroperiodo e alle fluttuazioni della portata. Le sorgenti permanenti mostrano variazioni stagionali per quanto riguarda le concentrazioni dei principali ioni, mentre la conduttività, il pH e la temperatura dell’acqua sono più stabili. È probabile che sia la stabilità termica di questi ambienti a spiegare l’assenza di variazioni stagionali nella struttura delle comunità di macroinvertebrati. L’azione di niche-filtering delle sorgenti è stata analizzata tramite lo studio della diversità funzionale delle comunità di ostracodi dell’Emilia-Romagna. Le sorgenti ospitano più del 50% del pool di specie regionale, e numerose specie sono state rinvenute esclusivamente in questi habitat. Questo è il primo studio che analizza la diversità funzionale degli ostracodi, è stato quindi necessario stilare una lista di tratti funzionali. Analizzando il pool di specie regionale, la diversità funzionale nelle sorgenti non è significativamente diversa da quella misurata in comunità assemblate in maniera casuale. Le sorgenti non limitano quindi la diversità funzionale tra specie coesistenti, ma si può concludere che, data la soddisfazione delle esigenze ecologiche delle diverse specie, i processi di assembly in sorgente potrebbero essere influenzati da fattori stocastici come la dispersione, la speciazione e le estinzioni locali. In aggiunta, tutte le comunità studiate presentano pattern spaziali riconoscibili, rivelando una limitazione della dispersione tra le sorgenti, almeno per alcuni taxa. Il caratteristico isolamento delle sorgenti potrebbe essere la causa di questa limitazione, influenzando maggiormente i taxa a dispersione passiva rispetto a quelli a dispersione attiva. In ogni caso nelle comunità emiliano-romagnole i fattori spaziali spiegano solo una ridotta percentuale della variabilità biologica totale, mentre tutte le comunità risultano influenzate maggiormente dalle variabili ambientali. Il controllo ambientale è quindi prevalente rispetto a quello attuato dai fattori spaziali. Questo risultato dimostra che, nonostante le dinamiche stocastiche siano importanti in tutte le comunità studiate, a questa scala spaziale i fattori deterministici ricoprono un ruolo prevalente. I processi stocastici diventano più influenti invece nei climi aridi, dove il disturbo collegato ai frequenti eventi di disseccamento delle sorgenti provoca una dinamica source-sink tra le diverse comunità. Si è infatti notato che la variabilità spiegata dai fattori ambientali diminuisce all’aumentare dell’aridità del clima. Disturbi frequenti potrebbero provocare estinzioni locali seguite da ricolonizzazioni di specie provenienti dai siti vicini, riducendo la corrispondenza tra gli organismi e le loro richieste ambientali e quindi diminuendo la quantità di variabilità spiegata dai fattori ambientali. Si può quindi concludere che processi deterministici e stocastici non si escludono mutualmente, ma contribuiscono contemporaneamente a strutturare le comunità di invertebrati sorgentizi. Infine, a scala continentale, le comunità di ostracodi sorgentizi mostrano chiari pattern biogeografici e sono organizzate lungo gradienti ambientali principalmente collegati altitudine, latitudine, temperatura dell’acqua e conducibilità. Anche la tipologia di sorgente (elocrena, reocrena o limnocrena) è influente sulla composizione delle comunità. La presenza di specie rare ed endemiche inoltre caratterizza specifiche regioni geografiche.

Photoconductivity and Electro-Optical Properties of Wide Band Gap Metal Oxides

The PhD activity described in this Thesis was focused on the study of metal-oxide wide-bandgap materials, aiming at fabricating new optoelectronic devices such as solar-blind UV photodetectors, high power electronics, and gas sensors. Photocurrent spectroscopy and DC photocurrent time evolution were used to investigate the performance of prototypes under different atmospheres, temperatures and excitation wavelengths (or dark conditions). Cathodoluminescence, absorption spectroscopy, XRD and SEM were used to assess structural, morphologic, electrical and optical properties of materials. This thesis is divided into two main sections, each describing the work done on a different metal-oxide semiconductor. 1) MOVPE-grown Ga2O3 thin films for UV solar-blind photodetectors and high power devices The semiconducting oxides, among them Ga2O3, have been employed for several decades as transparent conducting oxide (TCO) electrodes for fabrication of solar cells, displays, electronic, and opto-electronic devices. The interest was mainly confined to such applications, as these materials tend to grow intrinsically n-type, and attempts to get an effective p-type doping has consistently failed. The key requirements of TCO electrodes are indeed high electrical conductivity and good transparency, while crystallographic perfection is a minor issue. Furthermore, for a long period no high-quality substrates and epi-layers were available, which in turn impeded the development of a truly full-oxide electronics. Recently, Ga2O3 has attracted renewed interest, as large single crystals and high-quality homo- and hetero-epitaxial layers became available, which paved the way to novel application areas. Our research group spent the last two years in developing a low temperature (500-700°C) MOVPE growth procedure to obtain thin films of Ga2O3 on different substrates (Dept. of Physics and IMEM-CNR at UNIPR). We obtained a significant result growing on oriented sapphire epitaxial films of high crystalline, undoped, pure phase -Ga2O3 (hexagonal). The crystallographic properties of this phase were investigated by XRD, in order to clarify the lattice parameters of the hexagonal cell. First design and development of solar blind UV photodetectors based on -phase was carried out and the optoelectronic performance is evaluated by means of photocurrent spectroscopy. The UV-response is adequately fast and reliable to render this unusual phase a subject of great interest for future applications. The availability of a hexagonal phase of Ga2O3 stable up to 700°C, belonging to the same space group of gallium nitride, with high crystallinity and tunable electrical properties, is intriguing in view of the development of nitride-based devices, by taking advantage of the more favorable symmetry and epitaxial relationships with respect to the monoclinic β-phase. In addition, annealing at temperatures higher than 700°C demonstrate that the hexagonal phase converts totally in the monoclinic one. 2) ZnO nano-tetrapods: charge transport mechanisms and time-response in optoelectronic devices and sensors Size and morphology of ZnO at the nanometer scale play a key role in tailoring its physical and chemical properties. Thanks to the possibility of growing zinc oxide in a variety of different nanostructures, there is a great variety of applications, among which gas sensors, light emitting diodes, transparent conducting oxides, solar cells. Even if the operation of ZnO nanostructure-based devices has been recently demonstrated, the mechanisms of charge transport in these assembly is still under debate. The candidate performed an accurate investigation by photocurrent spectroscopy and DC-photocurrent time evolution of electrical response of both single-tetrapod and tetrapod-assembly devices. During the research done for this thesis, a thermal activation energy enables the performance of samples at high temperatures (above about 300°C). The energy barrier is related to the leg-to-leg interconnection in the assembly of nanotetrapods. Percolation mechanisms are responsible for both the very slow photo-response (minutes to hours or days) and the significant persistent photocurrent. Below the bandgap energy, electronic states were investigated but their contribution to the photocurrent are two-three order of magnitude lower than the band edge. Such devices are suitable for employ in photodetectors as well as in gas sensors, provided that the mechanism by which the photo-current is generated and gas adsorption on the surface modify the conductivity of the material are known.