Diversity of microbial communities at shallow-hydrothermal vents off Dominica, Lesser Antilles

Hydrothermal vents are often compared to desert oases, because of the presence of highly diverse and abundant biotic communities inhabiting these extreme environments. Nevertheless, the microbial communities associated with shallow-hydrothermal systems have been poorly studied. Hydrothermal activity at Dominica Island is quite well known under the geological and geochemical aspects, but no previous information existed about the microbial communities associated to this area. This thesis is therefore targeting the microbiology of hydrothermal sediments combining geochemical and molecular biological investigations, focusing on differences between hydrothermal vents and background (i.e. control) areas, and between hydrothermal sites. It was also intended to assess relationship between geochemical parameters and microbial diversity at the two hydrothermally impacted sites. Two shallow-sea hydrothermal vents located south-west off Dominica Island (Lesser Antilles) have been investigated in this study: Champagne Hot Springs and Soufriere Bay offshore vent. During this study, sediments for geochemical and molecular analyses were collected every 2 cm from the two impacted areas and from two control sites not associated with hydrothermal activity; in situ temperatures measurements were also taken every 5 cm deep in the sediment for all the sites. A geochemical characterization of the sediment porewater was performed through the analysis of several elements’ concentrations (i.e. H2S, Cl-, Br-, SO42-, Fe2+, Na+, K+, B+, Si+). Microbial communities at the different sites were studied by Automated Intergenic Spacer Analysis (ARISA). Inspection of the operational taxonomic units (OTUs) distribution was performed, as well as statistical analyses for communities’ structure and composition differences, and for changes of β-diversity along with sediment geochemistry. Data suggested that mixing between hydrothermal fluids and seawater results in distinct different environmental gradients and potential ecological niches between the two investigated hydrothermal vents, reflecting a difference in microbial community structures between them.

Temporal dynamics of benthic assemblages along a gradient of ocean acidification at a CO2 vent’s system of the Ischia Island

Global warming and ocean acidification, due to rising atmospheric levels of CO2, represent an actual threat to terrestrial and marine environments. Since Industrial Revolution, in less of 250 years, pH of surface seawater decreased on average of 0.1 unit, and is expected to further decreases of approximately 0.3-0.4 units by the end of this century. Naturally acidified marine areas, such as CO2 vent systems at the Ischia Island, allow to study acclimatation and adaptation of individual species as well as the structure of communities, and ecosystems to OA. The main aim of this thesis was to study how hard bottom sublittoral benthic assemblages changed trough time along a pH gradient. For this purpose, the temporal dynamics of mature assemblages established on artificial substrates (volcanic tiles) over a 3 year- period were analysed. Our results revealed how composition and dynamics of the community were altered and highly simplified at different level of seawater acidification. In fact, extreme low values of pH (approximately 6.9), affected strongly the assemblages, reducing diversity both in terms of taxa and functional groups, respect to lower acidification levels (mean pH 7.8) and ambient conditions (8.1 unit). Temporal variation was observed in terms of species composition but not in functional groups. Variability was related to species belonging to the same functional group, suggesting the occurrence of functional redundancy. Therefore, the analysis of functional groups kept information on the structure, but lost information on species diversity and dynamics. Decreasing in ocean pH is only one of many future global changes that will occur at the end of this century (increase of ocean temperature, sea level rise, eutrophication etc.). The interaction between these factors and OA could exacerbate the community and ecosystem effects showed by this thesis.

Risposta della taxocenosi ad Arpacticoidi lungo un gradiente di acidificazione (Castello Aragonese, Ischia)

Recentemente molti studi in ambiente marino sono stati focalizzati sui possibili impatti dovuti alle variazioni del pH degli oceani, causato dall’aumento delle immissioni di CO2 nell’atmosfera. Tra i possibili effetti nocivi, l’acidificazione oceanica può indurre cambiamenti nelle abbondanze e nelle distribuzioni delle engeneer species, con conseguenti ripercussioni sulla fauna associata. Esempio tipico di engeneer species sono le macroalghe che sono capaci di creare, lungo le coste rocciose, habitat diversi a seconda della specie che riesce ad attecchire. Tra le specie animali che dominano in questi habitat troviamo i copepodi Arpacticoidi, piccoli crostacei che svolgono un ruolo chiave all’interno delle reti trofiche. Per questi motivi lo scopo di questo lavoro è valutare possibili effetti dell’acidificazione sulle taxocenosi a copepodi Arpacticoidi associate alle macroalghe. Lo studio è stato svolto ad Ischia, nella zona nei pressi del Castello Aragonese, dove vi sono dei vents di origine vulcanica che emettono CO2 e formano un gradiente naturale di acidificazione lungo un’area di circa 300m, suddivisibile in 3 stazioni a differenti valori medi di pH. L’analisi delle taxocenosi è stata svolta a livello di generi e famiglie di Arpacticoidi, in termini di abbondanze e di struttura di comunità, su differenti specie algali raccolte lungo il gradiente di acidificazione. Mentre non si notano differenze significative per le famiglie, la struttura di comunità analizzata a livello di generi di copepodi Arpacticoidi mostra una suddivisione in due comunità ben distinte, delle quali una appartenente alla stazione acidificata e un'altra alle stazioni di controllo e moderatamente acidificata. Tale suddivisione si conferma anche prendendo in considerazione la diversa complessità strutturale delle alghe. Per quanto riguarda le abbondanze, sia a livello di famiglie che di generi, queste mostrano generalmente valori più elevati nella stazione moderatamente acidificata e valori più bassi nella stazione più acidificata. C’è però da considerare che se non si tiene conto della complessità algale queste differenze sono significative per le famiglie Ectinosomatidae, Thalestridae e per il genere Dactylopusia, mentre, se si tiene conto della complessità algale, vi sono differenze significative per la famiglia Miraciidae e per i generi Amonardia e Dactylopusia. In definitiva questo studio sembrerebbe evidenziare che le taxocenosi a copepodi Arpacticoidi siano influenzate sia dalla differente complessità algale, che dall’acidificazione oceanica. Inoltre mostra che, in prospettiva di studi futuri, potrebbe essere necessario focalizzarsi su specie algali ben definite e su un'analisi tassonomica dei copepodi Arpacticoidi approfondita fino al livello di specie.

Meiofauna associata a macroalghe bentoniche lungo un gradiente di acidificazione (Castello Aragonese, Ischia)

Tra i vari impatti causati dall’aumento costante di CO2 nell’atmosfera troviamo l’acidificazione oceanica. Le conseguenze di questo processo non sono interamente conosciute. Per questo è importante conoscere la risposta all’acidificazione degli organismi marini e degli ecosistemi. Lo scopo di questo lavoro è valutare le conseguenze dell’acidificazione su comunità meiofaunali epifite. Sono stati quindi condotti campionamenti in situ, in una zona acidificata in conseguenza della presenza di vents idrotermali presenti nell’isola di Ischia (Italia). La zona di studio indagata è stata suddivisa in due siti, differenti per esposizione al moto ondoso. All’interno di ciascuna esposizione sono stati individuate tre stazioni, differenti per il grado di acidificazione. Sono stati prelevati campioni di alghe lungo il gradiente di acidificazione con associata la meiofauna e sono stati considerati come substrato secondario. Le alghe sono state analizzate attraverso descrittori della loro complessità mentre gli organismi sono stati contati e classificati a livello di grandi taxa. I descrittori sintetici di ricchezza tassonomica e di abbondanza non presentano valori di correlazione alti con i descrittori di complessità algale. Invece, i risultati ottenuti considerando l’intera comunità mostrano una relazione significativa fra la struttura delle comunità meiofaunali e l’acidificazione e anche con la diversa esposizione al moto ondoso. Infine dalle analisi condotte mediante regressione multipla fra tutti i descrittori algali e la struttura di comunità si nota come i primi non giustificano da soli le variazioni dei popolamenti meiobentonici. In definitiva questi risultati sembrerebbero dimostrare che la struttura delle comunità meiofaunali venga influenzata sia dalla acidificazione che dall’esposizione al moto ondoso oltre che dalla struttura dell’habitat. È tuttavia difficile definire se le variazioni nella struttura di comunità sono dovute ad una azione parallela e sinergica dei fattori considerati (esposizione e gradiente) o se si tratta di un effetto a cascata dove l’acidità influenza le comunità algali che a loro volta strutturano le comunità bentoniche associate. In prospettiva di studi futuri sarebbe quindi interessante condurre uno studio simile prendendo in considerazione le possibili relazioni specie-specifiche intercorrenti tra la struttura delle comunità meiofaunali e le differenti specie algali.

Prokaryotic community structure in ultra-slow spreading Southwest Indian Ridge.

The Southwest Indian Ridge segment that extends between 10° and 16° E has the slowest spreading rate of any other oceanic ridge (about 8.4 mm/year). In 2013 during the expedition ANTXXIX/8 seismology, geology, microbiology, heat flow analyses were carried out. Here, no hydrothermal plumes or black smoker systems were found but the results of the survey allowed to identify areas with peculiar characteristics: Area 1 with higher heat flux bsf; Area 2 where in 2002 the presence of hydrothermal emissions was hypothesized (Bach et al., 2002); Area 3 with anomalies of methane, ammonium, sulphide and dissolved inorganic carbon in pore water sediment profiles, and recovery of fauna vents. All these aspects suggest the presence of a hydrothermal circulation. Using Illumina 16S gene tag, statistical tools and phylogenetic trees, I provided a biological proof of the presence of hydrothermal circulation in this ridge segment. At Area 3, alpha and beta diversity indexes showed similarities with those described for venting microbial communities and about 40-70% of the dominant microbial community was found phylogenetically related to clones isolated hydrothermal-driven environments. Although the majority of chemosynthetic environment related taxa were not classified like autotrophic prokaryotes, some of them are key taxa in support of the presence of hydrothermal circulation, since they are partners of consortia or mediate specific reaction typically described for hydrothermal and seep environments, or are specialized organisms in exploiting labile organic substrates. Concluding, these results are remarkable because support the importance of ultra slow spreading ridge systems in contributing to global geochemical cycles and larval dispersion of vent fauna.

Effetti delle emissioni naturali gassose sugli pteropodi: uno studio pilota nel Golfo di Napoli

L’aumento della pressione parziale di anidride carbonica in atmosfera e il conseguente aumento dell’idrolisi di CO2 nell’acqua marina, noto come “acidificazione degli oceani", consiste nella diminuzione del pH e nella riduzione dello stato di saturazione delle acque (Ω) rispetto al carbonato di calcio (CaCO3). Il Golfo di Napoli è caratterizzato da elevati livelli di CO2 dovuti alla presenza di emissioni naturali di gas (vents), è perciò considerato un laboratorio naturale per prevedere gli effetti futuri sugli organismi marini dovuti all’aumento della acidificazione degli oceani. Questo lavoro di tesi valuta, per la prima volta, l’effetto dei vents sugli pteropodi Thecosomata (gasteropodi planctonici). Data la loro necessità di ioni carbonato per produrre la conchiglia, questi sono considerati “organismi sentinella” per i cambiamenti del sistema dei carbonati nell’ambiente marino. Gli pteropodi sono stati campionati e successivamente analizzati in termini di abbondanza specifica, dimensione e stato di degradazione della conchiglia. I principali risultati hanno mostrato che dalle stazioni di controllo alle zone con presenza di emissioni gassose, vi è un gradiente di diminuzione dei livelli di pH e Ωar, nonostante in nessuna stazione siano presenti livelli di sottosaturazione carbonatica. Gli pteropodi diminuiscono in termini di abbondanza e biodiversità presentando una conchiglia con livelli di dissoluzione elevata nelle stazioni adiacenti alle emissioni gassose, mentre lo stato di preservazione della conchiglia aumenta all’aumentare della distanza dalle zone di emissione, suggerendo che la variazione dello stato di saturazione nelle diverse stazioni, influenzi i processi di calcificazione dell’organismo. Gli effetti negativi delle emissione gassose sugli pteropodi potrebbero a lungo termine risultare in uno shift di popolazioni a vantaggio di organismi planctonici non calcificanti.

Verification of rupture disc sizing of Acrylic Reactor

The primary goal of this thesis is to verify the rupture disc sizing of the acrylic reactor. Primarily the test to check the sizing was divided into several stages. It went on to examine ideas to explain the concern and ethical ways, as well as remedies and suggestions to solve the issues and difficulties that were discovered. This thesis will highlight the gathering and arranging of reaction data (recipe composition, enthalpies, reaction temperature, and catalyst feeding times) of the products to be chosen, in accordance with pre-established criteria. To collaborate with the research and development team in the lab to carry out calorimetric testing for the important recipes that have been identified. The verification of the currently installed Rupture Discs in the plant based on the calorimetric test findings is the final stage. This thesis used two separate calorimetry techniques: Phi-TEC II adiabatic calorimetry and differential scanning calorimetry (DSC). The target of the experiment is to check and confirm the correct size of the reactor rupture disc. Arkema (Boretto/Coatex) plant (Emilia romagna) provided a recipe and a scenario following multiple meetings and discussions. The purpose of this technical paper is to describe the outcomes of adiabatic calorimetry performed at the lab scale so that the computation of the vents for a particular recipe and scenario can be verified.